管道除垢防垢研究

1、管線電磁防垢除垢系統(tǒng)研究摘 要：在工業(yè)生產(chǎn)中，污垢的存在會影響設施的正常運轉，給生產(chǎn)生活帶來一定的損失和影響。傳統(tǒng)的除垢方法會存在環(huán)境污染、效果差成本高等特點。本文闡述了管線污垢形成的原理，影響因素并在此基礎上利用單片機等工具，設計出了利用電磁場作用來達到管線除垢防垢目的。該裝置運用單片機產(chǎn)生掃頻方波信號，再利用H電橋驅動產(chǎn)生電磁場，在電磁場作用下，結垢粒子受到電場和磁場作用會產(chǎn)生振動，當粒子固有頻率和電磁場頻率相同產(chǎn)生共振，污垢沉積量就會減少。通過實踐證明，電磁場除垢能夠有效防止污垢在管壁上的沉積，保證了管線的正常運行，降低了對生產(chǎn)生活的影響程度，除垢防垢效果明顯，是一種成本低、無污染的除垢

2、方法，具有較好的應用前景。關鍵字：環(huán)境；管線；電磁場；共振；除垢The research of pipeline electromagnetic anti-fouling systemsAbstract: In industrial production, the presence of dirt can affect the normal operation of the facility, certain losses and consequences for production and living. Traditional descaling methods there are en

3、vironmental pollution, poor results cost higher.This paper describes the principle of line fouling formation, influencing factors and based on the use of single-chip computer tools such as design using electromagnetic fields to achieve the prevention and removal of pipeline scaling purposes. The dev

4、ice using monolithic integrated circuit frequency square-wave signal, again using h-bridge driver generate electromagnetic fields, in the presence of electromagnetic fields, scale particles are affected by the electric field and magnetic field to vibrate when the particles equal to the natural frequ

5、ency and the frequency of the electromagnetic field resonance, dirt deposits will be reduced.Through practice, electromagnetic cleaning can help prevent dirt deposits on the pipe wall to ensure the normal operation of the pipeline, reducing the impact of production and life, obviously, is a low cost

6、, no pollution of anti-scaling method has good prospects.Keywords: The environment; Pipeline; Electromagnetic field; Resonance; Scale remova目錄1 緒論11.1研究背景11.1.1 污垢在管道中的危害11.2 國內外研究現(xiàn)狀11.3 本課題主要研究內容32 電磁場除垢防垢相關理論42.1 污垢形成基本理論42.2 影響因素52.3 電磁場除垢防垢原理62.4 電磁場除垢優(yōu)越性63 除垢防垢裝置設計83.1 概述83.2 掃頻信號的生成83.2.1 掃頻信號

7、的選擇83.2.2 信號產(chǎn)生方案研究83.2.3 基于MCS51單片機的設計103.3 H橋驅動電路173.4 電磁場產(chǎn)生234 除垢防垢效果研究255 總結31參考文獻32致謝331 緒論1.1 研究背景污垢是一種極為普遍的現(xiàn)象，它的主要成分是碳酸鈣、碳酸鎂、硫酸鈣等難溶鹽類它存在于自然界、日常生活和在輸油管道、供暖、供水系統(tǒng)以及熱電廠煤灰排放系統(tǒng)等各種工業(yè)生產(chǎn)過程，特別是在各種傳熱過程中由于外界條件的變化，在管道內壁極易形成污垢，影響生產(chǎn)與生活的正常進行。所謂污垢是指在與流體相接觸的固體表面上慢慢積累而成的那層固態(tài)或軟泥狀物質，通常是以混合物的狀態(tài)存在的，固體表面從潔凈狀態(tài)到被污垢覆蓋的過

8、程，即污垢的積聚過程，人們常常稱之為結垢或污染。有關研究表明，在實際生活和工程等領域中大多數(shù)以上的換熱設施都存在不同程度的污垢問題，其次它的危害性很大。換熱外表結垢將形成污垢熱阻，加大了傳熱熱阻和流動阻力，管道直徑的細微變化也會引起流速的降低或壓力降的增大，甚至引起部分換熱設施事故出現(xiàn)；而熱阻的增加使換熱過程中的熱效率降低，從而又引起一系列的經(jīng)濟損失。1.1.1 污垢在管道中的危害 污垢是指與流體相接觸的固體表面上逐步積累起來的固態(tài)或軟泥態(tài)物質, 通常是以混合物的形式存在。比如管道輸送的油氣等介質中含有大量的物質，比如有機物、 H 2S 和CO2、多種離子、細菌以及泥砂等雜質。因為有污垢成份的

9、存在, 它就會有結垢的條件, 所以管道結垢所帶來的危害有以下幾個方面1: (1) 能源浪費 管道運送過程中需要使用大量的換熱設備為原油升溫、加熱。而污垢的存在, 嚴重影響了換熱設施發(fā)揮運行效能, 降低了換熱效率, 使用于導熱的相關能源大批浪費。而流體阻力的增加也造成了整體運行動力成本的上升。 (2) 環(huán)境污染 利用傳統(tǒng)化學清洗后使酸液外排, 增加了污染源的排放, 給環(huán)境帶來巨大的污染，對人們的生產(chǎn)與生活帶來不可想象的后果。 (3) 影響設施運行 隨著污垢的積累, 換熱設施以及輸送管線出現(xiàn)嚴重的堵塞。停止輸送，接著除垢, 更換設備、管道, 造成運送無法連續(xù)運行, 嚴重影響到了企業(yè)的整體利潤。(4

10、) 運行成功本增加 結垢所引起的運行設施、管道更換帶來巨大的經(jīng)濟損失, 防除垢處理所引起的動力耗費、水資源浪費、人工費用等都使得運行維護成本增加。1.2 國內外研究現(xiàn)狀目前國內外的防垢、除垢方法主要分為以下幾個方法：（1）化學法防垢 化學法在工業(yè)防垢中長期以來處于主導地位, 化學法主要是離子交換、化學試劑等等, 這些化學方法盡管曾被廣泛應用, 有著較好的防垢效果, 但是它的代價也是非常大的, 比如加阻垢劑等, 許多阻垢劑常常又是微生物的養(yǎng)分, 所以, 通常在加阻垢劑的同時, 還需要添加大量的殺菌劑、滅藻劑、平衡劑等等, 另外化學試劑對設施、管道的腐蝕也是非常嚴重的，這必然就會對生產(chǎn)生活帶來隱患

11、?；瘜W除垢是依據(jù)管道垢層的化學成分來選用合適的化學試劑溶解來對其進行除垢的。它是將一種或多種化學藥劑用于設施工藝側或水側的外表來進行去除污垢的方法, 借助清洗劑對物體表面覆蓋物進行化學轉化、溶解、剝離來達到脫脂、除銹和去污的目的。酸洗這個方法雖然比較容易, 但需要設備停止工作,這樣不僅影響生產(chǎn),還麻煩費力,再加上酸洗還存在其他的缺點,主要表現(xiàn)在: 酸洗加速了侵蝕的進程, 降低了管道和設備的壽命年限;清洗完的殘液會造成環(huán)境的大量污染; 可能在地層中發(fā)生二次沉淀而導致污染。總之, 在越來越重視環(huán)境保護與強調可持續(xù)發(fā)展的今天, 化學除垢及防垢就表現(xiàn)出來越來越明顯的局限性。（2）機械除垢 機械除垢主要

12、是借助各種機械工具，將其深入管道，利用其與管道結垢面進行擠壓、摩擦等等力的作用使水垢硬物粉碎、脫落。刮刀、撬棒、扁鏟，金屬刷子等就成為一些管道除垢的小型工具。而對于大型管道和結垢嚴重的情況時，就必須采用強力清管器。國內現(xiàn)在比較常用的是用炮彈式鋼針清管器的方法，其結構是將鋼針安插在用聚氨酯泡沫塑料制成的彈體周圍。使用時要配備一些不同直徑尺寸的彈體，先用小直徑的彈體對管道進行除垢，然后每次根據(jù)前一次器械除垢的情況，經(jīng)過管道介質壓力及流量的變化來算出當時狀況下的最佳除垢器尺寸數(shù)據(jù)，并以此作為除垢器下一次除垢的依據(jù)。國外大多數(shù)使用的強力清管器2 主要儀器有釘輪清管器、刷輪清管器和磁力清管器等。它們的共

13、同特點是刮削力都比較強勁，而且刮削力可由低到高進行簡易調控，逐步增強刮削力，避免發(fā)生管道的“過清理”現(xiàn)象，進而損壞管道。（3）超聲波除垢 超聲波除垢，是近代才發(fā)展起來的一項新技術。所謂超聲波指的是頻率超過 20kHz 的聲波，它具有穿透力強，方向性好，能量相對集中，在水中傳播距離遠等優(yōu)點，已廣泛由于醫(yī)療、化工、軍事、檢測等行業(yè)。超聲波之所以能除垢是因為超聲波在傳播過程中發(fā)生的"高速微渦效應"、 "剪切應力效應"、 "超聲凝聚效應", 它是一種純物理方式防垢、除垢技術, 能基本使工業(yè)生產(chǎn)中的設施在污垢狀態(tài)下運轉超聲波除垢技術能夠節(jié)約能源

14、, 減少污染排放; 提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量; 降低維護清洗成本等所以發(fā)展?jié)摿薮?。但目前對除垢器設計也存在諸多問題，比如不同管道和換熱設備的結垢速度和程度都不一樣，這對于超聲設備的安裝方法和位置提出了很高要求。而且每次除垢都要拆卸管道，需停工停產(chǎn)。另外，有的管道表面聲波不能波及，這種情況下就不能用超聲來除垢了。（4）電磁場法除垢3 利用電磁場能量進行水處理是一個相當復雜的過程，在整個處理過程中伴隨著各種物理反應，化學反應和生物反應。實驗證明，各種在水中產(chǎn)生的反應和作用都不是在同一頻率的電磁場驅動下產(chǎn)生的，為此提出將直流脈沖技術與變頻原理相結合，從而產(chǎn)生了變頻電磁場處理技術，該技術是在靜電阻垢和

15、磁場軟化水基礎上發(fā)展起來的一種新型的物理法水處理技術變頻電磁場水處理器在水處理中可集防垢、除垢、緩蝕、殺菌增注等多功能于一體。1.3 本課題主要研究內容由于各類除垢方法所表現(xiàn)出來的局限性，比如成本高、環(huán)境污染等，故本文設計了一款電磁除垢系統(tǒng)。使用電磁除垢、防垢技術可以克服這些缺點。本課題主要研究內容包括：（1）了解污垢形成的基本原理及影響因素。（2）掌握電磁場除垢防垢相關理論。（3）設計除垢防垢裝置。（4）實驗驗證裝置的除垢防垢效果。2 電磁場除垢防垢相關理論2.1 污垢形成基本理論管道污垢在管道內部形成大致有以下幾個方面的原因： (1) 在輸油管道中原油中的主要固態(tài)物質為包含碳原子數(shù)為 18

16、- 64 的烷烴, 此物質統(tǒng)一被稱為石蠟。石蠟的熔點約在40 - 60左右,在用管道長距離輸送過程時,為了保障輸送能力,避免原油固化,需要對原油進行系統(tǒng)的保溫、加熱等處理。但是,隨著時間的轉移,原油在輸送中溫度逐漸下降,石蠟逐步析出,凝固并依附在管壁的表面。導致管道內部阻力增大,輸送難度加大。 (2)一些離子結合后在水中形成不溶、難溶和微溶的物質。這些物質都很容易積累而形成水垢，通常我們也把它們成為鹽類垢。這類垢大多包括碳酸鹽和硫酸鹽，典型有CaCO3、MgCO3、BaSO4，管道污垢物還包括鍶、鎂、鈣的硫酸鹽或一些碳酸鹽。一般情況下我們認為,這些污垢的形成由以下4步組成49: 第一步, 水中

17、的離子結合形成溶解度很小的鹽類分子; 第二步, 分子結合和排列形成微晶體,然后產(chǎn)生晶粒化過程; 第三步, 這些粒子一般會經(jīng)歷成核長大的過程 ,先是少量垢核心在管道表面形成、附著,然后更多的其它成垢化合物在這些核心周圍聚集,成為更大的垢團大量晶體堆積長大, 沉積成垢; 第四步, 在不同的管線條件下,隨著水流的沖刷 ,一部分垢被沖掉 ,但其它的垢繼續(xù)生成 ,最終可能阻塞管道 ,隨著環(huán)境水溫的升高 ,這些難溶或微溶鹽的溶解度下降 ,就有更多的物質從水中析出 ,形成不同形狀的結垢物。Ca2+CO32- CaCO3 （1-1）Mg2+CO32- MgCO3 （1-2）Ca(HCO3)2=CaCO3+CO

18、2+H2O （1-3）碳酸鹽垢在水中的溶解度隨溫度的降低而升高,即水溫高時產(chǎn)生碳酸鹽垢的可能性更大。水中含鹽量(不包括鈣離子和碳酸根離子)越高,碳酸鹽垢在水中的溶解度就越大, 則其結垢趨勢也就會越小。當水中CO 2的含量低于碳酸鹽垢溶解平衡所需要的含量時,可逆反應就發(fā)生右移, 輸油管道中的碳酸鹽垢就會容易結垢。相反,原有的碳酸鹽垢則逐漸被溶解。當水中的pH 值較高時,產(chǎn)生碳酸鹽垢的趨勢就會變大;反之,則不易產(chǎn)生。高礦化度的鹽水在一定程度上對碳酸鹽垢的形成有一定抑制作用。 Ca2+SO42- CaSO4 （1-4） Ba2+SO42- BaSO4 （1-5）Sr2+SO42- SrSO4 （1-

19、6）溫度一般情況下不影響硫酸鹽垢的類型, 但是會影響其中CaSO4污垢的類型。水中含鹽量(不包括Ba2+、Ca2+、Mg2+、Sr2+、SO42-) 越大, 硫酸鹽垢在水中的溶解度越大, 那么其結垢趨勢也就變小。壓力增加時, 硫酸鹽垢在水中的溶解度就會變大,那么其結垢趨勢也就變小。2.2 影響因素影響管道結垢的原因很多,除了介質中含有一定量的有機物、 H2 S、 CO2、 離子、細菌等內在因素外 ,還存在外在因素。1 溫度對結垢的影響 溫度對結垢的影響主要表現(xiàn)在結垢鹽類的溶解度方面。圖2-1為垢在水中的溶解度隨溫度變化的曲線。從圖 2-1可以看出 ,除了BaSO4·2 H2O溶解度有

20、最大值外,其它物質溶解度均隨溫度的升高而降低。圖2-1 垢在水中的溶解度與溫度的關系鹽類垢中以碳酸鹽為主 ,當溫度升高時 , Ca(HCO3)2分解 ,產(chǎn)生CaCO3結垢。Ca(HCO3)2CaCO3+ CO2 + H2O (1-7)該反應為吸熱反應 ,溫度升高時 ,反應平衡向右移動 ,有利于CaCO3 的析出10 對于以CaSO4 、BaSO4 和SrSO4為主的鹽類垢 ,主要是因為介質中的SO42- 與Ca2+ 、Ba2+、Sr2+結合而生成難溶解沉淀物質。由于這些反應大部分也是吸熱反應 ,隨著溫度的升高 ,沉淀就會變得更多。然而，溫度也會影響細菌的繁殖速度以及鋼鐵電化學反應的速率。各類細

21、菌對溫度的要求不一樣,大多數(shù)細菌的最佳適宜溫度大概為 2040 左右 ,伴隨著管道輸送介質溫度的變化 ,細菌的繁殖率也會相應的變化 ,對管道的腐蝕也就隨之改變,從而影響污垢的生成速率。2 壓力對結垢的影響 壓力對CaCO3 、CaSO4 、BaSO4等結垢都有影響。 碳酸鈣結垢有氣體參加反應 ,壓力對其影響相對較大。壓力降低 ,式(1-7) 向右進行 ,可以促進結垢進程。在管道輸送過程中,壓力一般情況下都是降低的 ,所以結垢是呈上升的趨勢。3流速對結垢的影響 對于各類污垢,污垢的增長趨勢隨著流體速度的增大而減小。這可以理解為,雖然流速增大使污垢沉積率增加,但是,流速增大所導致的剝蝕率的增大更為

22、明顯 ,所以造成總的增長率減小。當流速降低時,介質中所攜帶的固體顆粒和微生物的排泄物沉積概率就會變大,管道結垢的概率就會明顯加大 ,特別是在結構容易突變的地方。流速的突變也可以理解為壓力的變化,假設流速突然加大,而引起局部脫氣 ,導致CO2分壓降低,式(1-7)平衡向右移動,引起CaCO3 結垢。4pH值對結垢的影響 研究表明,提高溶液的 pH 值 ,碳酸鹽就會立即溶解然后結晶 ,導致漸進污垢熱阻值增大,進而縮短污垢形成的誘導期,就會促進污垢的生長11。2.3 電磁場除垢防垢原理電磁場除垢就是向水中施加一個與其自然頻率相同的頻率，從而使得水分子發(fā)生生共振。共振的結果就會使氫鍵斷開，改變水分子的

23、的存在形式，將原來結合形成各種鏈狀、團狀分子分解成為單個的極性水分子，進而提高了水的活化性，改變了水分子和其它結垢粒子的結合關系，從而改變對污垢的溶解度12。極其微小的水分子可以通過滲透、包圍、疏松、溶解污垢，進而達到防垢的目的。在電磁場的作用下，粒子受到電場和磁場的共同作用會產(chǎn)生振動，當粒子固有頻率與電磁場頻率產(chǎn)生共振時，粒子的振動幅度會增大，特別是在粒子間的結合處，當振動幅度達到一定程度時就會將大團的粒子團振散，將長鏈的粒子振斷為短鏈，從而減少垢的沉積量。由于管道在不同條件下內水的溫度、硬度、pH值不同，造成具有不同的自然頻率，那么其共振頻率也不同。所以施加一個頻率變化的電磁場能夠使不同條

24、件下水分子或者結垢粒子發(fā)生共振，變化的頻率覆蓋了污垢的的自然頻率，進而達到除垢防垢目的。2.4 電磁場除垢優(yōu)越性和傳統(tǒng)的除垢措施比較電磁場除垢的優(yōu)越性有：安全性高，經(jīng)濟效益良好，社會效益巨大，對管道具有附加的保護作用。安全性方面：有很多生產(chǎn)部門，安全性要求比較高，如化工生產(chǎn)企業(yè)、油田生產(chǎn)部門等。由于電磁場處理技術采用的是低電壓，能適用于一切危險場所，應用范圍比較廣泛，滿足了特殊部門低電壓的安全性要求。經(jīng)濟效益方面：避免了化學藥劑對設施的侵蝕作用，延長了設備的使用壽命，耗費成本低進而減少了固定資產(chǎn)的無形損耗；安裝時不需要停工停產(chǎn)，有助于提高企業(yè)的效益，修理方法簡單，人員管理方便，能夠降低運行費用

25、，也能節(jié)省一定的人力物力。社會效益方面：有效地避除了化學藥劑對環(huán)境的污染以及避免了水資源的浪費；不需要停工停產(chǎn)，進而提高了生產(chǎn)效率。在其它方面的作用：通過電磁作用之后的水能夠電離出活性氧，從而在管道的內壁上形成一層層氧化膜。這些氧化膜可以阻止管道發(fā)生電化學反應，進而減緩管道的腐蝕進程。與此同時，由于管道內產(chǎn)生了變頻共振場以及活性氧，可以起到殺菌，滅藻的作用，這樣就對管道有一定的保護作用。3 除垢防垢裝置設計3.1 概述本課題裝置首先要設計一個能夠產(chǎn)生頻率變化的掃頻信號，再通過H電橋驅動，這樣就形成一個簡單的除垢防垢儀。這樣將一根導線纏在管道上構成一個螺線管，兩端導線連接到H橋輸出位置，這樣就能

26、夠使管道內的污垢受到電磁場作用而得到處理，從而達到除垢防垢的作用。電磁場除垢防垢裝置設計簡易流程如下圖3-1所示。連接管道線圈H橋驅動產(chǎn)生掃頻信號圖3-1 裝置設計簡易流程圖3.2 掃頻信號的生成3.2.1 掃頻信號的選擇 通常情況下信號有多種形式，我們平常接觸到的信號有正弦信號、方波信號、鋸齒波信號、脈沖信號等等。在本課題中具體選用怎樣的信號能夠有助于管道的除垢防垢，而且效果更明顯。人們經(jīng)過反復的試驗，發(fā)現(xiàn)方波信號在除垢、防垢效果方面比較其它信號更為明顯13，是由于方波信號含有的諧波成分比較多，使水分子團與外加電磁場達到共振的機會更大。鑒于以上原因，在本次課題中選擇方波信號作為掃頻信號對管線

27、除垢防垢進行更加深入的研究。3.2.2 信號產(chǎn)生方案研究方案一 用555定時器構成占空比可調的多諧振蕩器555定時器是一種中規(guī)模的集成電路，它可以構成多諧振蕩器，圖3-2是占空比可調多諧振蕩器原理圖。圖中數(shù)字對應的管腳如下所示：1腳表示外接電源負極或接地（GND）。 2腳代表TR觸發(fā)輸入。 3腳為輸出端（OUT或Vo）。 4腳是RD復位端口，移步清零而且低電平有效，當接低電平時，不管TR、TH輸入是什么電平，電路總是輸出“0”。要想使電路正常工作，那么4管腳應該與電源相連接。5腳表示控制電壓端CO(或VC)。如果此端外接電壓，就可以改變內部兩個比較器的基準電壓，當這個端口不用時，應將該端串入一

28、只0.01F的電容接地，以防止引入干擾。 6腳表示TH高觸發(fā)端。 7腳是放電端， 8腳代表外接電源VCC（VDD）圖中有可調電位器Rp1和兩個引導二極管，該電路放電管T截至時，電源通過RA、D1對電容C充電，當放電管T導通時，電容通過D2、Rb、T進行放電。只要調節(jié)Rp1,就會改變與的比值，從而改變輸出脈沖的占空比。圖中=0.693C =0.693，因此輸出脈沖占空比14圖3-2 占空比可調的多諧振蕩器原理圖可以得到方波周期T=T1+T2則頻率為f=1T1+T2通過滑動可調電位器Rp1就可以改變方波的頻率。方案二 采用直接數(shù)字頻率合成技術采用此種方法具有頻率分辨率高、頻率改變快捷、頻率穩(wěn)定性好

29、、低相位噪聲等優(yōu)點。但是由于采用大量倍頻、分頻、混頻以及濾波環(huán)節(jié)，這就造成直接頻率合成器的結構復雜、成本高，而且容易產(chǎn)生過多的雜散分量，較高的頻譜純度就會難以達到。方案三 采用單片機編程的方法實現(xiàn) 采用這種方法能夠用編程來控制信號的波形的頻率，并且在硬件電路不變的情況下，通過改變頻率的轉換。此外，通過編程方法產(chǎn)生的是數(shù)字信號，所以可以提高信號精度。 鑒于方案一沒有智能型，不能自動調節(jié)頻率，而且電阻值穩(wěn)定性容易受到外界溫度的影響，方案二電路復雜，成本高等。所以決定采用方案三的方法，它不僅軟硬件結合，使得能夠保障信號頻率的穩(wěn)定性和精度準確性，而且使用的幾個元器件都是很常見很常用的，容易得到并且價錢

30、低廉，是個不錯的選擇。3.2.3 基于MCS51單片機的設計 1 單片機簡介AT89S51是一個低功耗，高性能的CMOS 8位單片機，下圖3-3是單片機內部結構圖。片內含4k Bytes ISP的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，該單片機采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造方法，兼容MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳，芯片內集成了通用的8位處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大，可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供一個高性價比的解決方法。圖3-3 AT89S51單片機內部結構圖AT89S51具有如下特點：40個引腳，4k Bytes Flash片內程序存儲器，128

31、 bytes的RAM，32個外部雙向I/O口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗電路，片內時鐘振蕩器。 此外，該單片機設計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設置的省電模式。在空閑模式下，CPU將會停止工作， RAM定時/計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可以繼續(xù)工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，暫停芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。該單片機PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式。2主要特性： （1） 8031 CPU與MCS-51 兼容 （2） 4K字節(jié)可編程FLASH存儲器(壽命：1000寫/擦循環(huán)) （3） 全靜態(tài)工作：0

32、Hz-33MHz （4） 三級程序存儲器保密鎖定 （5） 128*8位內部RAM （6） 32條可編程I/O線 （7） 兩個16位定時器/計數(shù)器 （8） 6個中斷源 （9） 可編程串行通道 （10）低功耗的閑置和掉電模式 （11）片內振蕩器和時鐘電路 3管腳說明：單片機管腳圖如下圖3-4所示 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口是一個8位漏級開路雙向I/O口，每個引腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，

33、此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高

34、八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 T0（記時器0外部輸入） P3.5 T1（記時器1外部

35、輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 I/O口作為輸入口時有兩種工作方式，即所謂的讀端口與讀引腳。讀端口時實際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)，而是把端口鎖存器的內容讀入到內部總線，經(jīng)過某種運算或變換后再寫回到端口鎖存器。只有讀端口時才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內部總線。上面圖中的兩個三角形表示的就是輸入緩沖器CPU將根據(jù)不同的指令分別發(fā)出讀端口或讀引腳信號以完成不同的操作。這是由硬件自動完成的，不需要我們操心，然后再實行讀引腳操作，否則就可能讀入出錯，如果不對端口置1端口鎖存器原來的狀態(tài)有可能為0Q端為

36、0Q為1加到場效應管柵極的信號為1，該場效應管就導通對地呈現(xiàn)低阻抗，此時即使引腳上輸入的信號為1，也會因端口的低阻抗而使信號變低使得外加的1信號讀入后不一定是1。若先執(zhí)行置1操作，則可以使場效應管截止引腳信號直接加到三態(tài)緩沖器中實現(xiàn)正確的讀入，由于在輸入操作時還必須附加一個準備動作，所以這類I/O口被稱為準雙向口。89C51的P0/P1/P2/P3口作為輸入時都是準雙向口。這四個端口還有一個差別，除了P1口外P0P2P3口都還有其他的功能。 RST：復位輸入。當振蕩器復位時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位

37、字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，頻率是振蕩器頻率的六分之一。所以它可作為對外部輸出的脈沖或定時的目的。需要留心的是：當用來作外部數(shù)據(jù)存儲器的時候，就會跳過一個ALE脈沖。如果想要禁止ALE的輸出可以在SFR8EH上置0 這時候，ALE就會在執(zhí)行MOVX，MOVC時ALE才起作用。此外，該引1 腳被稍微的拉高。假設微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位就會無效。 /PSEN：是外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 /E

38、A/VPP：當/EA為低電平時，在此期間外部程序存儲器，不管是否有內部程序存儲器。當加密方式1時，/EA把內部鎖定為RESET；當/EA端為高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12VVPP。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：反向振蕩器的輸出。 4時鐘電路單片機的時鐘信號通常用兩種形式得到：分別內部震蕩方式和外部震蕩方式。在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器或陶瓷振蕩器構成一個自激振蕩器，自激振蕩器于單片機內部的時鐘電路發(fā)生器構成單片機的時鐘電路，由振蕩源OSC和電容C1 和C2構成了并聯(lián)諧振回路作為定時元件，晶振頻率

39、為1.212MHZ，電容C1、C2為530PF，這就是內部方式。單片機時序單位。振蕩周期：晶振的振蕩周期，為最小時序單位。時鐘周期：單片機內部的時鐘發(fā)生器把振蕩期產(chǎn)生的信號2分頻形成了時鐘信號，它的周期成為時鐘周期，機器周期：一個機器周期由6個時鐘周期12個振蕩周期構成，是計算機執(zhí)行一種基本操作的時間單位。圖3-4 AT89S51管腳圖在本次掃頻方波信號頻段的選擇中，選擇頻率400HZ到10KHZ頻段的信號。在具體程序編輯過程中，主要運用單片機定時/計數(shù)器相關知識，下面介紹一下：定時/計數(shù)器工作方式寄存器（TMOD）用于設計定時/計數(shù)器工作方式，T M O D從低位到高位分別為M0 M1 C/

40、T GATE M0 M1 C/T GATE，其中高四位用于定時/計數(shù)器T1，低四位用于定時/計數(shù)器T0。當M1 M0是0 0時是工作方式0，為十三位定時/計數(shù)器；當M1 M0是0 1時是工作方式1，為16位定時/計數(shù)器；當M1 M0分別是1 0時是工作方式2，為8位常數(shù)自動裝入的定時/計數(shù)器：當M1 M0分別是1 1時是工作方式3，為定時/計數(shù)器T0剖分為2個8位的定時/計數(shù)器，定時/計數(shù)器T1設置為這種方式時停止工作。當C/T為低電平時則說明定時/計數(shù)器為定時器工作模式，每一個機器周期計數(shù)器自動加1，定時時間為計數(shù)次數(shù)與機器周期之積；當C/T為低電平是則說明定時/計數(shù)器采用計時器工作模式，當

41、T0或T1引腳上出現(xiàn)負跳變時，計數(shù)器自動加1。GATE是定時/計數(shù)器運行控制位，當為高電平時定時/計數(shù)器啟動計數(shù)受INT0（或INT1）引腳的外部信號控制。只有當TR0（ 或TR1）為高電平時且INT0（或INT1）引腳輸入信號為高電平時，定時/計數(shù)器T0（或T1）才開始計數(shù)。當單片機復位時，特殊功能寄存器TMOD的內容被清零。定時/計數(shù)器控制寄存器（TCON）既有中斷標志寄存器寄存器的功能，又有控制定時/計數(shù)器的功能，特殊功能寄存器TCON從低位到高位分別為IT0 IE0 IT1 IE1 TR0 TF0 TR1 TF1。其中TF0是定時/計數(shù)器T0的計數(shù)溢出標志位，銀為單片機的定時/計數(shù)器是

42、加1計數(shù)器，當定時/計數(shù)器T0啟動后計數(shù)器從初始值開始計數(shù)，當計數(shù)器計滿后再計一次，計數(shù)器溢出，溢出標志位TF0由硬件自動置1.TF0也是定時/計數(shù)器溢出中斷標志，當TF0為高電平時，意味著定時/計數(shù)器T0溢出事件發(fā)生，想CPU請求中斷。TF0可以由軟件清零，如果以中斷方式實現(xiàn)定時或計數(shù)，CPU響應中斷時，由硬件自動清零。TRO 是定時/計數(shù)器T0的啟?？刂莆唬斔鼮榈碗娖綍r，表示定時/計數(shù)器T0停止工作，而當其為高電平時，當GATE為高電平時，定時/計數(shù)器T0的啟動與否還取決于INT0引腳輸入信號的狀態(tài)。當INT0的非為高電平時，定時器/計數(shù)器T0才開始計數(shù)。TF1 和TR1定時/計數(shù)器T1

43、的計數(shù)溢出標志位和啟?？刂莆唬涠x與TF1 和TR1類同。單片機復位時，特殊功能寄存器被清零。 在工作方式0下，計數(shù)器計數(shù)范圍是1到8192，定時時間范圍是1到8192個機器周期，計數(shù)器初始值X=8192-N，當計數(shù)器計數(shù)N次后，溢出標志TF為1.在定時器模式下，計數(shù)器以周期為計數(shù)信號，每一個機器周期，計數(shù)器自動加1.因此應首先計算定時td需要多少個機器周期才能實現(xiàn)，即N為td與TM的比值，其中TM為機器周期，則初值就可以算出來了。在工作方式1下，計數(shù)器計數(shù)范圍為1到65536，定時器定時范圍為1到65536個機器周期，在初值計算是和方式0差不多，只要把8192換成65536即可在工作方式2

44、時處置與工作方式0一樣。在本次程序設計中，頻率400HZ到10KHZ頻段的方波信號，而且占空比達到百分之五十，首先采用計數(shù)/定時器采用工作方式1，由于單片機晶振頻率為12MHZ，所以對應的機器周期為晶振周期的12倍，即1微秒，當頻率400 HZ時，方波周期為1/400S，則高電平時間為1/800秒，低電平時間為1/800秒，即每隔1/800秒電平翻轉一次，當頻率為10KHZ時則每隔1/10000S電平翻轉一次。所以要設置低電平定時時間初值，時間到后自動翻轉。100000/40（20+m）為不同情況下定時值，在這里定時器0輸出所要的波形，定時器1定時波形顯示時間，如果時間到則改變頻率，在這里定時

45、2秒具體程序在下面所示：#include <reg52.h>Sbit outWave=P00;#define uchar unsigned char#define uint unsigned int uchar t1Counter;/t1中斷次數(shù)uint dataLoad; /the reset data of the time0, volatile variable.bit t1Int;/ 定時器1/定時器0初始化void InitTimer0()TMOD|=0x01;/定時器方式1ET0=1;/允許T0中斷TH0=(65536-dataLoad)/256; TL0=(65536

46、-dataLoad)%256;TR0=1;/啟動T0/定時器0中斷void Time0Int() interrupt 1TH0=(65536-dataLoad)/256;TL0=(65536-dataLoad)%256;outWave=!outWave;/定時器1初始化void InitTimer1()TMOD|=0x10;/定時器方式1ET1=1;/允許T1中斷TH1=(65536-50000)/256;/定時50msTL1=(65536-50000)%256;TR1=1;/啟動T1/定時器1中斷void Time1Int() interrupt 41TH1=(65536-50000)/25

47、6;/定時50msTL1=(65536-50000)%256;t1Counter+;/主函數(shù)void main()uchar i; /頻率數(shù)dataLoad=1250;/400hz,2.5msInitTimer0();/定時器0初始化InitTimer1();/定時器1初始化EA=1;/開總中斷PT1=1;/定時器T1的溢出中斷源為最高級while(1) /if(t1Int) / /t1Int=0; /t1Counter+; if(t1Counter=40) dataLoad=1000000/(40*(20+m); m+; m=m%480; / 圖3-5圖3-6上圖3-5和3-6顯示部分波形。

48、3.3 H橋驅動電路在驅動電路中，我們選擇HIP4081芯片實現(xiàn)驅動功能，首先大概介紹一下芯片。HIP408115是intersil公司推出的一款專門用于控制H橋的高頻全橋驅動芯片。采用閂鎖抗干擾CMOS 制造工藝，具有獨立的低端與高端輸入通道，分別獨立驅動4個N溝道MOS管，輸出峰值電流是2 A；芯片內部具有電荷泵和設置死區(qū)時間；懸浮電源采用的是自舉電路，高端工作電壓最高可達95 V，工作頻率高，能夠控制所有輸入的禁止端，能與外接元件形成保護電路。它的主要組成有：邏輯輸入、使能、電荷泵、電平平移及死區(qū)時間設置等幾個部分。具有以下幾個特點： （1）獨立驅動4個N溝道FET在半橋或全橋

49、配置（2）自舉電源最大電壓 95 V D（3）在自由的空氣，在攝氏 50 度與升降時間的通常 10ns 1mhz 驅動器 1000pF 負載（4）用戶可編程死區(qū)時間（5）片上的電荷泵和引導上的偏置廠礦（6）DIS（禁用）覆蓋輸入的控件（7）輸入邏輯閾值兼容 5 V 至 15 V 邏輯電平（8）極低的功耗消耗（9）欠壓保護（10）無鉛產(chǎn)品該芯片主要有以下應用：（1）中型/大型音圈電機（2）全橋電源供應器（3）D 類音頻功率放大器（4）高性能電機控制（5）降噪系統(tǒng)（6）電池供電的車輛（7）外圍設備HIP4081引腳排列引腳圖由下圖3-7所示 圖3-7 HIP4081引腳排列在上圖3-7中

50、，ALI，AHI分別代表A邊的低邊輸入和高邊輸入；ALO，AHO則是A邊的低邊輸出和高邊輸出，DIS是使能輸入；在另一半（B邊）的內部功能圖中，BLI、BHI分別代表是B邊的低邊輸入和高邊輸入；BLO，BHO是B邊的低邊輸出和高邊輸出，具體的引腳說明下來做詳細介紹。（1）BHB：B高邊自舉電源.外部必需自舉二極管和電容.連接自舉二極管和自舉電容的積極的一面的陰極,該引腳的內部電荷泵用30A該引腳輸出,用于維持自舉電源.內部鉗位電路自舉電源大約12.8V（2）BHI：B高邊輸入.為邏輯電平輸入,控制BHO驅動器（20引腳）. BLI（引腳5）高電平輸入覆蓋BHI高電平輸入,以防止半橋擊穿,見邏輯

51、關系表3-1. DIS（引腳3）高電平輸入覆蓋BHI高電平輸入.該引腳可以由0V信號電平驅動到15V（3）DIS：禁止輸入.為邏輯電平輸入,當采取高sets所有四個輸出低電平. DIS高覆蓋所有其他投入.當DIS是采取低的輸出是由其他輸入控制.該引腳可以由0V的信號電平驅動為15V（4）VSS：片上負電源,一般接地面.（5）BLI：B低邊輸入.邏輯電平輸入,控制BLO驅動器（引腳18）.如果BHI（引腳2）為高或沒有連接外部則BLI同時控制BLO和BHO司機,由延時電流在HDEL和LDEL（引腳設置死區(qū)時間圖8和9）. DIS（銷3）高電平輸入覆蓋BLI高電平輸入.該引腳可以由0V的信號電平驅

52、動到15V（6）ALI：低邊輸入.邏輯電平輸入,控制ALO驅動器（引腳13）.如果AHI（引腳7）被驅動為高或沒有連接外部則ALI同時控制ALO和AHO司機,由延時電流在HDEL和LDEL. DIS高電平輸入覆蓋ALI高電平輸入.該引腳可以由0V的信號電平驅動到15V（7）AHI：高邊輸入.邏輯電平輸入,控制AHO驅動器（引腳11）. ALI（引腳6）高電平輸入覆蓋AHI高電平輸入,以防止半橋擊穿,見真值表. DIS高電平輸入覆蓋AHI高一級輸入.該引腳可以由0V信號電平驅動到15V（8）HDEL：高邊導通延遲.從這個引腳連接電阻VSS設置定義的導通延遲時間電流這兩個高邊驅動器.低側驅動器關閉

53、,沒有可調延遲,所以HDEL電阻保證無直通通過延遲開啟的高邊驅動器. HDEL參考電壓大約為5.1V（9）LDEL：低邊導通延遲.從這個引腳連接電阻VSS設置定義的導通延遲時間電流兩個低邊驅動器.高邊驅動器關閉,沒有可調延遲,所以LDEL電阻保證無直通通過延遲開啟的低邊驅動器. LDEL參考電壓大約為5.1V（10）AHB：一個高邊自舉電源.外部自舉二極管和電容是必需的.連接自舉二極管和自舉電容的積極的一面的陰極,該引腳.內部電荷泵用品30A該引腳輸出,以維持自舉電源.內部鉗位電路自舉電源約12.8V（11）AHO：高側輸出.連接到一個高側功率MOSFET的柵極（12）AHS：高邊源的連接.連

54、接到一個高側功率MOSFET的源極.自舉電容的負端連接到該引腳（13）ALO：低側輸出.連接到低側功率MOSFET的柵極（14）ALS：低邊源的連接.連接到低側功率MOSFET的源極（15）VCC：正電源柵極驅動器.必須是相同的電位為VDD（引腳16）.連接到兩個自舉二極管的陽極（16）VDD：正電源,以更低的柵極驅動器.必須是相同的電位為VCC（引腳15）.德夫婦此引腳VSS（引腳4）（17）BLS：B低邊源的連接.連接到B低側功率MOSFET的源極.（18）BLO：B低側輸出.連接到B低側功率MOSFET的柵極（19）BHS：B高邊源的連接.連接到B高側功率MOSFET的源極.自舉電容的負

55、端連接到該引腳（20）BHO：B高側輸出.連接到B高側功率MOSFET的柵極.下表3-1是HIP4081芯片的邏輯關系，通過真值表對芯片的有一個更加深刻地了解。從圖中可以看出當DIS有效時，當其他管腳無論輸入有效，輸出結果都是低電平。當ALI或BLI為高電平，DIS為低電平，AHI 與BHI無論是高電平還是低電平，輸出時ALO和BLO為高電平，AHO和 BHO為低電平；當AHI 、BHI為高電平，DIS 、ALI或BLI為低電平，輸出AHO和 BHO為高電平，ALO和BLO為低電平。輸入低電平則沒有信號輸出。表3-1 邏輯關系輸入輸出ALI，BLIAHI，BHIDISALO，BLOAHO，BHO××1001×0100100100000注：×=任意值，1=高電平，0=低電平下面介紹一下驅動電路的原理，下圖3-8為驅動電路的原理圖。圖3-8 H橋驅動電路原理圖圖3-9 1/2HIP4081內部功能框圖在圖中，Vcc為內部邏