1 引言
　　隨著工業(yè)技術的不斷進步，汽輪機組正向大功率核能化方向發(fā)展?；痣姀S大功率汽輪機末幾級和核電機組全部級都在濕蒸汽狀態(tài)下工作，蒸汽機對汽輪機的工作效率和葉片安全都有重要影響。
　　所以，測量汽輪機中流動濕蒸汽濕度并對濕度進行控制對于保證汽輪機的經(jīng)濟、高效、安全、可靠運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單片機為控制器的蒸汽濕度測量控制系統(tǒng)。
　　MSP430系列單片機是德州儀器公司推出的超低功耗Flash型16位精簡指令單片機，具有非常高的集成度，其主要特點：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），遠低于其他系列產(chǎn)品，傳統(tǒng)的MCS51單片機在活動模式時耗電為10 mA～20 mA。矢量中斷，支持10多個中斷源，并可以任意嵌套。執(zhí)行速度快，一個時鐘周期可以執(zhí)行一條指令，傳統(tǒng)的MCS51單片機需要12個時鐘周期才可以執(zhí)行一條指令。
　　2 工作原理
　　濕度測量系統(tǒng)由微波信號源、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、頻率測量系統(tǒng)、數(shù)字信號處理系統(tǒng)等電路組成。
　　系統(tǒng)工作時，微波諧振腔的諧振頻率隨流過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，檢波器及時檢測到失鎖信號，經(jīng)直流放大器放大后送入頻率跟蹤系統(tǒng)得到一個控制信號，該控制信號控制VCO產(chǎn)生一系列掃描信號對穩(wěn)定下來的諧振頻率進行掃描，直至掃描到該諧振頻率并對其鎖定。VCO產(chǎn)生的信號經(jīng)頻率測量環(huán)路中的定向耦合器被耦合到頻率器上，該信號與本振信號混頻后得到的信號經(jīng)中頻放大器放大后輸出一個中頻信號，送到頻率測量系統(tǒng)進行頻率測量。測得的中頻頻率再經(jīng)過數(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進行數(shù)據(jù)處理獲得蒸汽濕度。
　　3 硬件設計
　　濕度測量的控制系統(tǒng)主要由MSP430F157單片機完成。從本質上講，單片機控制系統(tǒng)的工作可以歸納為實時數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)處理和實時控制輸出等三個步驟。本系統(tǒng)的硬件電路設計主要由溫度測量模塊、頻率跟蹤模塊、電源電路、復位電路、頻率測量模塊等幾部分構成。MSP430F157單片機含有32.768 kHz和8 MHz兩個時鐘；內(nèi)部的12位DAC完成跟蹤模塊的數(shù)模轉換，轉換的結果用于調整VCO輸出電壓，保證VCO輸出頻率與諧振腔諧振頻率的一致性；利用單片機內(nèi)部的定時器Timer_A產(chǎn)生D／A轉換的采樣頻率。基于MSP430F157的濕度測量控制系統(tǒng)如圖1所示。
　　
　　3.1 單片機內(nèi)部的主要外圍電路
　　晶體振蕩器電路：單片機系統(tǒng)最敏感的是時鐘信號、復位信號和中斷信號，若電磁干擾侵入到這些信號中，最容易于擾微控制器，使系統(tǒng)產(chǎn)生誤動作。尤其是時鐘信號中累加噪聲干擾后。會改變時鐘分頻信號，導致單片機工作時序發(fā)生紊亂。本系統(tǒng)提供了高速和低速晶體振蕩器電路，可使單片機內(nèi)部不同模塊輸出不同頻率的時鐘。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)的運算需要，也可以在不需要CPU工作時關閉高速晶體振蕩器，而對于實時時鐘可用低速晶體振蕩器產(chǎn)生頻率較低的ACLK。輸入、輸出、電源等回路應并聯(lián)一些小電容以避免噪聲干擾。
　　12位D／A轉換模塊：與較早推出的型號相比，MSP430F15／16x系列單片機新增了雙12位的D／A轉換器，D／A轉換器主要用于將單片機的數(shù)字量輸出轉化為實際的模擬量以控制外接器件。此D／A轉換器在使用過程中可以設置成8位或12位轉換模式。在理想情況下，選擇8位轉換模式時，分辨率為1／256；選擇12位時，分辨率高達1／4 096。D／A轉換器在定時器Timer_A的配合下完成控制信號的輸出。
　　定時器Timer_A模塊：MSP430F157單片機的定時器是16位計數(shù)器，具有四種工作模式：停止模式、增計數(shù)模式、連續(xù)計數(shù)模式和增／減計數(shù)模式。通過設置相應的定時器A寄存器可以選擇四種模式之一。而且Timer_A有兩個中斷向量，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；TAIV是多源中斷向量，優(yōu)先級較低。在本系統(tǒng)中選擇增計數(shù)模式，利用CCR0設置定時器的中斷頻率，控制采樣時間。