1 引言
　　隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，汽輪機(jī)組正向大功率核能化方向發(fā)展。火電廠大功率汽輪機(jī)末幾級(jí)和核電機(jī)組全部級(jí)都在濕蒸汽狀態(tài)下工作，蒸汽機(jī)對(duì)汽輪機(jī)的工作效率和葉片安全都有重要影響。
　　所以，測(cè)量汽輪機(jī)中流動(dòng)濕蒸汽濕度并對(duì)濕度進(jìn)行控制對(duì)于保證汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)、高效、安全、可靠運(yùn)行具有非常重要的意義。本文以此為背景介紹一種使用微波諧振腔作為濕度傳感器，以MSP430F157單片機(jī)為控制器的蒸汽濕度測(cè)量控制系統(tǒng)。
　　MSP430系列單片機(jī)是德州儀器公司推出的超低功耗Flash型16位精簡(jiǎn)指令單片機(jī)，具有非常高的集成度，其主要特點(diǎn)：處理器功耗（1.8 V～3.6 V，0.1 μA～400μA，250μA／MIPS）和線輸出漏電流（最大50 nA），遠(yuǎn)低于其他系列產(chǎn)品，傳統(tǒng)的MCS51單片機(jī)在活動(dòng)模式時(shí)耗電為10 mA～20 mA。矢量中斷，支持10多個(gè)中斷源，并可以任意嵌套。執(zhí)行速度快，一個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行一條指令，傳統(tǒng)的MCS51單片機(jī)需要12個(gè)時(shí)鐘周期才可以執(zhí)行一條指令。
　　2 工作原理
　　濕度測(cè)量系統(tǒng)由微波信號(hào)源、定向耦合器、環(huán)形器、諧振腔、檢波器等微波器件以及直流放大器、頻率測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)等電路組成。
　　系統(tǒng)工作時(shí)，微波諧振腔的諧振頻率隨流過(guò)的蒸汽濕度不同而產(chǎn)生頻率偏移，一旦諧振腔的諧振頻率發(fā)生了變化，頻率掃描跟蹤環(huán)路將發(fā)生失鎖，檢波器及時(shí)檢測(cè)到失鎖信號(hào)，經(jīng)直流放大器放大后送入頻率跟蹤系統(tǒng)得到一個(gè)控制信號(hào)，該控制信號(hào)控制VCO產(chǎn)生一系列掃描信號(hào)對(duì)穩(wěn)定下來(lái)的諧振頻率進(jìn)行掃描，直至掃描到該諧振頻率并對(duì)其鎖定。VCO產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)頻率測(cè)量環(huán)路中的定向耦合器被耦合到頻率器上，該信號(hào)與本振信號(hào)混頻后得到的信號(hào)經(jīng)中頻放大器放大后輸出一個(gè)中頻信號(hào)，送到頻率測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行頻率測(cè)量。測(cè)得的中頻頻率再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)換算得到諧振頻率和頻偏。諧振頻率將和蒸汽濕度、壓力一起傳送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得蒸汽濕度。
　　3 硬件設(shè)計(jì)
　　濕度測(cè)量的控制系統(tǒng)主要由MSP430F157單片機(jī)完成。從本質(zhì)上講，單片機(jī)控制系統(tǒng)的工作可以歸納為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)控制輸出等三個(gè)步驟。本系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要由溫度測(cè)量模塊、頻率跟蹤模塊、電源電路、復(fù)位電路、頻率測(cè)量模塊等幾部分構(gòu)成。MSP430F157單片機(jī)含有32.768 kHz和8 MHz兩個(gè)時(shí)鐘；內(nèi)部的12位DAC完成跟蹤模塊的數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的結(jié)果用于調(diào)整VCO輸出電壓，保證VCO輸出頻率與諧振腔諧振頻率的一致性；利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器Timer_A產(chǎn)生D／A轉(zhuǎn)換的采樣頻率?；贛SP430F157的濕度測(cè)量控制系統(tǒng)如圖1所示。
　　
　　3.1 單片機(jī)內(nèi)部的主要外圍電路
　　晶體振蕩器電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)最敏感的是時(shí)鐘信號(hào)、復(fù)位信號(hào)和中斷信號(hào)，若電磁干擾侵入到這些信號(hào)中，最容易于擾微控制器，使系統(tǒng)產(chǎn)生誤動(dòng)作。尤其是時(shí)鐘信號(hào)中累加噪聲干擾后。會(huì)改變時(shí)鐘分頻信號(hào)，導(dǎo)致單片機(jī)工作時(shí)序發(fā)生紊亂。本系統(tǒng)提供了高速和低速晶體振蕩器電路，可使單片機(jī)內(nèi)部不同模塊輸出不同頻率的時(shí)鐘。用戶可以用高速晶體振蕩器產(chǎn)生頻率較高的MCLK供給CPU以滿足高速數(shù)據(jù)的運(yùn)算需要，也可以在不需要CPU工作時(shí)關(guān)閉高速晶體振蕩器，而對(duì)于實(shí)時(shí)時(shí)鐘可用低速晶體振蕩器產(chǎn)生頻率較低的ACLK。輸入、輸出、電源等回路應(yīng)并聯(lián)一些小電容以避免噪聲干擾。
　　12位D／A轉(zhuǎn)換模塊：與較早推出的型號(hào)相比，MSP430F15／16x系列單片機(jī)新增了雙12位的D／A轉(zhuǎn)換器，D／A轉(zhuǎn)換器主要用于將單片機(jī)的數(shù)字量輸出轉(zhuǎn)化為實(shí)際的模擬量以控制外接器件。此D／A轉(zhuǎn)換器在使用過(guò)程中可以設(shè)置成8位或12位轉(zhuǎn)換模式。在理想情況下，選擇8位轉(zhuǎn)換模式時(shí)，分辨率為1／256；選擇12位時(shí)，分辨率高達(dá)1／4 096。D／A轉(zhuǎn)換器在定時(shí)器Timer_A的配合下完成控制信號(hào)的輸出。
　　定時(shí)器Timer_A模塊：MSP430F157單片機(jī)的定時(shí)器是16位計(jì)數(shù)器，具有四種工作模式：停止模式、增計(jì)數(shù)模式、連續(xù)計(jì)數(shù)模式和增／減計(jì)數(shù)模式。通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的定時(shí)器A寄存器可以選擇四種模式之一。而且Timer_A有兩個(gè)中斷向量，即CCR0中斷向量和TAIV中斷向量，其中CCR0是單源中斷向量，具有最高優(yōu)先級(jí)；TAIV是多源中斷向量，優(yōu)先級(jí)較低。在本系統(tǒng)中選擇增計(jì)數(shù)模式，利用CCR0設(shè)置定時(shí)器的中斷頻率，控制采樣時(shí)間。