管道除垢防垢研究

管线电磁防垢除垢系统研究

摘要：在工业生产中，污垢的存在会影响设施的正常运转，给生产生活带来一定的损失和影响。传统的除垢方法会存在环境污染、效果差成本高等特点。

本文阐述了管线污垢形成的原理，影响因素并在此基础上利用单片机等工具，设计出了利用电磁场作用来达到管线除垢防垢目的。该装置运用单片机产生扫频方波信号，再利用H电桥驱动产生电磁场，在电磁场作用下，结垢粒子受到电场和磁场作用会产生振动，当粒子固有频率和电磁场频率相同产生共振，污垢沉积量就会减少。

通过实践证明，电磁场除垢能够有效防止污垢在管壁上的沉积，保证了管线的正常运行，降低了对生产生活的影响程度，除垢防垢效果明显，是一种成本低、无污染的除垢方法，具有较好的应用前景。

关键字：环境；管线；电磁场；共振；除垢

The research of pipeline electromagnetic anti-fouling systems

Abstract: 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 environmental 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 device 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 frequency 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, no pollution of anti-scaling method has good prospects.

Keywords: The environment; Pipeline; Electromagnetic field; Resonance; Scale remova

目录

1 绪论 (1)

1.1研究背景 (1)

1.1.1 污垢在管道中的危害 (1)

1.2 国内外研究现状 (1)

1.3 本课题主要研究内容 (3)

2 电磁场除垢防垢相关理论 (4)

2.1 污垢形成基本理论 (4)

2.2 影响因素 (5)

2.3 电磁场除垢防垢原理 (6)

2.4 电磁场除垢优越性 (6)

3 除垢防垢装置设计 (8)

3.1 概述 (8)

3.2 扫频信号的生成 (8)

3.2.1 扫频信号的选择 (8)

3.2.2 信号产生方案研究 (8)

3.2.3 基于MCS51单片机的设计 (10)

3.3 H桥驱动电路 (17)

3.4 电磁场产生 (23)

4 除垢防垢效果研究 (25)

5 总结 (31)

参考文献 (32)

致谢 (33)

1 绪论

1.1研究背景

污垢是一种极为普遍的现象，它的主要成分是碳酸钙、碳酸镁、硫酸钙等难溶盐类它存在于自然界、日常生活和在输油管道、供暖、供水系统以及热电厂煤灰排放系统等各种工业生产过程，特别是在各种传热过程中由于外界条件的变化，在管道内壁极易形成污垢，影响生产与生活的正常进行。所谓污垢是指在与流体相接触的固体表面上慢慢积累而成的那层固态或软泥状物质，通常是以混合物的状态存在的，固体表面从洁净状态到被污垢覆盖的过程，即污垢的积聚过程，人们常常称之为结垢或污染。有关研究表明，在实际生活和工程等领域中大多数以上的换热设施都存在不同程度的污垢问题，其次它的危害性很大。换热外表结垢将形成污垢热阻，加大了传热热阻和流动阻力，管道直径的细微变化也会引起流速的降低或压力降的增大，甚至引起部分换热设施事故出现；而热阻的增加使换热过程中的热效率降低，从而又引起一系列的经济损失。

1.1.1 污垢在管道中的危害

污垢是指与流体相接触的固体表面上逐步积累起来的固态或软泥态物质, 通常是以混合物的形式存在。比如管道输送的油气等介质中含有大量的物质，比如有机物、H 2S 和CO2、多种离子、细菌以及泥砂等杂质。因为有污垢成份的存在, 它就会有结垢的条件, 所以管道结垢所带来的危害有以下几个方面[1]:

(1) 能源浪费管道运送过程中需要使用大量的换热设备为原油升温、加热。而污垢的存在, 严重影响了换热设施发挥运行效能, 降低了换热效率, 使用于导热的相关能源大批浪费。而流体阻力的增加也造成了整体运行动力成本的上升。

(2) 环境污染利用传统化学清洗后使酸液外排, 增加了污染源的排放, 给环境带来巨大的污染，对人们的生产与生活带来不可想象的后果。

(3) 影响设施运行随着污垢的积累, 换热设施以及输送管线出现严重的堵塞。停止输送，接着除垢, 更换设备、管道, 造成运送无法连续运行, 严重影响到了企业的整体利润。

(4) 运行成功本增加结垢所引起的运行设施、管道更换带来巨大的经济损失, 防除垢处理所引起的动力耗费、水资源浪费、人工费用等都使得运行维护成本增加。

1.2 国内外研究现状

目前国内外的防垢、除垢方法主要分为以下几个方法：

（1）化学法防垢化学法在工业防垢中长期以来处于主导地位, 化学法主要是离子交换、化学试剂等等, 这些化学方法尽管曾被广泛应用, 有着较好的防垢效果, 但是它的代价也是非常大的, 比如加阻垢剂等, 许多阻垢剂常常又是微生物的养分, 所以, 通常在加阻垢剂的同时, 还需要添加大量的杀菌剂、灭藻剂、平衡剂等等, 另外化学试剂对设施、管道的腐蚀也是非常严重的，这必然就会对生产生活带来隐患。

化学除垢是依据管道垢层的化学成分来选用合适的化学试剂溶解来对其进行除垢的。它是将一种或多种化学药剂用于设施工艺侧或水侧的外表来进行去除污垢的方法, 借助清洗剂对物体表面覆盖物进行化学转化、溶解、剥离来达到脱脂、除锈和去污的目的。酸洗这个方法虽然比较容易, 但需要设备停止工作,这样不仅影响生产,还麻烦费力,再加上酸洗还存在其他的缺点,主要表现在: 酸洗加速了侵蚀的进程, 降低了管道和设备的寿命年限;清洗完的残液会造成环境的大量污染; 可能在地层中发生二次沉淀而导致污染。总之, 在越来越重视环境保护与强调可持续发展的今天, 化学除垢及防垢就表现出来越来越明显的局限性。

（2）机械除垢机械除垢主要是借助各种机械工具，将其深入管道，利用其与管道结垢面进行挤压、摩擦等等力的作用使水垢硬物粉碎、脱落。刮刀、撬棒、扁铲，金属刷子等就成为一些管道除垢的小型工具。而对于大型管道和结垢严重的情况时，就必须采用强力清管器。

国内现在比较常用的是用炮弹式钢针清管器的方法，其结构是将钢针安插在用聚氨酯泡沫塑料制成的弹体周围。使用时要配备一些不同直径尺寸的弹体，先用小直径的弹体对管道进行除垢，然后每次根据前一次器械除垢的情况，经过管道介质压力及流量的变化来算出当时状况下的最佳除垢器尺寸数据，并以此作为除垢器下一次除垢的依据。

国外大多数使用的强力清管器[2] 主要仪器有钉轮清管器、刷轮清管器和磁力清管器等。它们的共同特点是刮削力都比较强劲，而且刮削力可由低到高进行简易调控，逐步增强刮削力，避免发生管道的“过清理”现象，进而损坏管道。

（3）超声波除垢超声波除垢，是近代才发展起来的一项新技术。所谓超声波指的是频率超过20kHz 的声波，它具有穿透力强，方向性好，能量相对集中，在水中传播距离远等优点，已广泛由于医疗、化工、军事、检测等行业。超声波之所以能除垢是因为超声波在传播过程中发生的"高速微涡效应"、"剪切应力效应"、"超声凝聚效应", 它是一种纯物理方式防垢、除垢技术, 能基本使工业生产中的设施在污垢状态下运转

超声波除垢技术能够节约能源, 减少污染排放; 提高生产效率和产品质量; 降低维护清洗成本等所以发展潜力巨大。但目前对除垢器设计也存在诸多问题，比如不同管道和换热设备的结垢速度和程度都不一样，这对于超声设备的安装方法和位置提出

了很高要求。而且每次除垢都要拆卸管道，需停工停产。另外，有的管道表面声波不能波及，这种情况下就不能用超声来除垢了。

（4）电磁场法除垢[3] 利用电磁场能量进行水处理是一个相当复杂的过程，在整个处理过程中伴随着各种物理反应，化学反应和生物反应。实验证明，各种在水中产生的反应和作用都不是在同一频率的电磁场驱动下产生的，为此提出将直流脉冲技术与变频原理相结合，从而产生了变频电磁场处理技术，该技术是在静电阻垢和磁场软化水基础上发展起来的一种新型的物理法水处理技术变频电磁场水处理器在水处理中可集防垢、除垢、缓蚀、杀菌增注等多功能于一体。

1.3 本课题主要研究内容

由于各类除垢方法所表现出来的局限性，比如成本高、环境污染等，故本文设计了一款电磁除垢系统。使用电磁除垢、防垢技术可以克服这些缺点。本课题主要研究内容包括：

（1）了解污垢形成的基本原理及影响因素。

（2）掌握电磁场除垢防垢相关理论。

（3）设计除垢防垢装置。

（4）实验验证装置的除垢防垢效果。

2 电磁场除垢防垢相关理论

2.1 污垢形成基本理论

管道污垢在管道内部形成大致有以下几个方面的原因：

(1) 在输油管道中原油中的主要固态物质为包含碳原子数为18- 64 的烷烃, 此物质统一被称为石蜡。石蜡的熔点约在40 - 60℃左右,在用管道长距离输送过程时,为了保障输送能力,避免原油固化,需要对原油进行系统的保温、加热等处理。但是,随着时间的转移,原油在输送中温度逐渐下降,石蜡逐步析出,凝固并依附在管壁的表面。导致管道内部阻力增大,输送难度加大。

(2)一些离子结合后在水中形成不溶、难溶和微溶的物质。这些物质都很容易积累而形成水垢，通常我们也把它们成为盐类垢。这类垢大多包括碳酸盐和硫酸盐，典型有CaCO3

、MgCO3、BaSO4，管道污垢物还包括锶、镁、钙的硫酸盐或一些碳酸盐。一般情况下我们认为,这些污垢的形成由以下4步组成[4～9]:

第一步, 水中的离子结合形成溶解度很小的盐类分子;

第二步, 分子结合和排列形成微晶体,然后产生晶粒化过程;

第三步,这些粒子一般会经历成核长大的过程,先是少量垢核心在管道表面形成、附着,然后更多的其它成垢化合物在这些核心周围聚集,成为更大的垢团大量晶体堆积长大, 沉积成垢;

第四步, 在不同的管线条件下,随着水流的冲刷,一部分垢被冲掉,但其它的垢继续生成,最终可能阻塞管道,随着环境水温的升高,这些难溶或微溶盐的溶解度下降,就有更多的物质从水中析出,形成不同形状的结垢物。

Ca2++CO32-→ CaCO3↓ （1-1）

Mg2++CO32-→ MgCO3↓ （1-2）

Ca(HCO3)2=CaCO3↓+CO2↑+H2O （1-3）碳酸盐垢在水中的溶解度随温度的降低而升高,即水温高时产生碳酸盐垢的可能性更大。水中含盐量(不包括钙离子和碳酸根离子)越高,碳酸盐垢在水中的溶解度就越大, 则其结垢趋势也就会越小。当水中CO 2的含量低于碳酸盐垢溶解平衡所需要的含量时,可逆反应就发生右移, 输油管道中的碳酸盐垢就会容易结垢。相反,原有的碳酸盐垢则逐渐被溶解。当水中的pH 值较高时,产生碳酸盐垢的趋势就会变大;反之,则不易产生。高矿化度的盐水在一定程度上对碳酸盐垢的形成有一定抑制作用。

Ca2++SO42-→CaSO4（1-4）

Ba2++SO42-→BaSO4↓（1-5）

Sr2++SO42-→SrSO4↓ （1-6）

温度一般情况下不影响硫酸盐垢的类型, 但是会影响其中CaSO4污垢的类型。水中含盐量(不包括Ba2+、Ca2+、Mg2+、Sr2+、SO42-) 越大, 硫酸盐垢在水中的溶解度越大, 那么其结垢趋势也就变小。压力增加时, 硫酸盐垢在水中的溶解度就会变大,那么其结垢趋势也就变小。

2.2 影响因素

影响管道结垢的原因很多,除了介质中含有一定量的有机物、H2 S、CO2、离子、细菌等内在因素外,还存在外在因素。

1 温度对结垢的影响温度对结垢的影响主要表现在结垢盐类的溶解度方面。图2-1为垢在水中的溶解度随温度变化的曲线。从图2-1可以看出,除了BaSO4·

2 H2O溶解度有最大值外,其它物质溶解度均随温度的升高而降低。

图2-1 垢在水中的溶解度与温度的关系

盐类垢中以碳酸盐为主,当温度升高时, Ca(HCO3)2分解,产生CaCO3结垢。

Ca(HCO3)2→CaCO3↓+ CO2↑+ H2O (1-7) 该反应为吸热反应,温度升高时,反应平衡向右移动,有利于CaCO3的析出[10]对于以CaSO4、BaSO4和SrSO4为主的盐类垢,主要是因为介质中的SO42-与Ca2+、Ba2+、Sr2+结合而生成难溶解沉淀物质。由于这些反应大部分也是吸热反应,随着温度的升高,沉淀就会变得更多。然而，温度也会影响细菌的繁殖速度以及钢铁电化学反应的速率。各类细菌对温度的要求不一样,大多数细菌的最佳适宜温度大概为20～

40 ℃左右,伴随着管道输送介质温度的变化,细菌的繁殖率也会相应的变化,对管道的腐蚀也就随之改变,从而影响污垢的生成速率。

2 压力对结垢的影响压力对CaCO3、CaSO4、BaSO4等结垢都有影响。碳酸钙结垢有气体参加反应,压力对其影响相对较大。压力降低,式(1-7) 向右进行,可以促进结垢进程。在管道输送过程中,压力一般情况下都是降低的,所以结垢是呈上升的趋势。

3流速对结垢的影响对于各类污垢,污垢的增长趋势随着流体速度的增大而减小。这可以理解为,虽然流速增大使污垢沉积率增加,但是,流速增大所导致的剥蚀率的增大更为明显,所以造成总的增长率减小。当流速降低时,介质中所携带的固体颗粒和微生物的排泄物沉积概率就会变大,管道结垢的概率就会明显加大,特别是在结构容易突变的地方。流速的突变也可以理解为压力的变化,假设流速突然加大,而引起局部脱气,导致CO2分压降低,式(1-7)平衡向右移动,引起CaCO3结垢。

4pH值对结垢的影响研究表明,提高溶液的pH 值,碳酸盐就会立即溶解然后结晶,导致渐进污垢热阻值增大,进而缩短污垢形成的诱导期,就会促进污垢的生长[11]。

2.3 电磁场除垢防垢原理

电磁场除垢就是向水中施加一个与其自然频率相同的频率，从而使得水分子发生生共振。共振的结果就会使氢键断开，改变水分子的的存在形式，将原来结合形成各种链状、团状分子分解成为单个的极性水分子，进而提高了水的活化性，改变了水分子和其它结垢粒子的结合关系，从而改变对污垢的溶解度[12]。极其微小的水分子可以通过渗透、包围、疏松、溶解污垢，进而达到防垢的目的。

在电磁场的作用下，粒子受到电场和磁场的共同作用会产生振动，当粒子固有频率与电磁场频率产生共振时，粒子的振动幅度会增大，特别是在粒子间的结合处，当振动幅度达到一定程度时就会将大团的粒子团振散，将长链的粒子振断为短链，从而减少垢的沉积量。

由于管道在不同条件下内水的温度、硬度、pH值不同，造成具有不同的自然频率，那么其共振频率也不同。所以施加一个频率变化的电磁场能够使不同条件下水分子或者结垢粒子发生共振，变化的频率覆盖了污垢的的自然频率，进而达到除垢防垢目的。

2.4 电磁场除垢优越性

和传统的除垢措施比较电磁场除垢的优越性有：安全性高，经济效益良好，社会

效益巨大，对管道具有附加的保护作用。

安全性方面：有很多生产部门，安全性要求比较高，如化工生产企业、油田生产部门等。由于电磁场处理技术采用的是低电压，能适用于一切危险场所，应用范围比较广泛，满足了特殊部门低电压的安全性要求。

经济效益方面：避免了化学药剂对设施的侵蚀作用，延长了设备的使用寿命，耗费成本低进而减少了固定资产的无形损耗；安装时不需要停工停产，有助于提高企业的效益，修理方法简单，人员管理方便，能够降低运行费用，也能节省一定的人力物力。

社会效益方面：有效地避除了化学药剂对环境的污染以及避免了水资源的浪费；不需要停工停产，进而提高了生产效率。

在其它方面的作用：通过电磁作用之后的水能够电离出活性氧，从而在管道的内壁上形成一层层氧化膜。这些氧化膜可以阻止管道发生电化学反应，进而减缓管道的腐蚀进程。与此同时，由于管道内产生了变频共振场以及活性氧，可以起到杀菌，灭藻的作用，这样就对管道有一定的保护作用。

3 除垢防垢装置设计

3.1 概述

本课题装置首先要设计一个能够产生频率变化的扫频信号，再通过H电桥驱动，这样就形成一个简单的除垢防垢仪。这样将一根导线缠在管道上构成一个螺线管，两端导线连接到H桥输出位置，这样就能够使管道内的污垢受到电磁场作用而得到处理，从而达到除垢防垢的作用。

电磁场除垢防垢装置设计简易流程如下图3-1所示。

3.2 扫频信号的生成

3.2.1 扫频信号的选择

通常情况下信号有多种形式，我们平常接触到的信号有正弦信号、方波信号、锯齿波信号、脉冲信号等等。在本课题中具体选用怎样的信号能够有助于管道的除垢防垢，而且效果更明显。人们经过反复的试验，发现方波信号在除垢、防垢效果方面比较其它信号更为明显[13]，是由于方波信号含有的谐波成分比较多，使水分子团与外加电磁场达到共振的机会更大。鉴于以上原因，在本次课题中选择方波信号作为扫频信号对管线除垢防垢进行更加深入的研究。

3.2.2 信号产生方案研究

方案一用555定时器构成占空比可调的多谐振荡器

555定时器是一种中规模的集成电路，它可以构成多谐振荡器，图3-2是占空比可调多谐振荡器原理图。图中数字对应的管脚如下所示：

1脚表示外接电源负极或接地（GND）。2脚代表TR触发输入。3脚为输出端（OUT 或V o）。4脚是RD复位端口，移步清零而且低电平有效，当接低电平时，不管TR、TH输入是什么电平，电路总是输出“0”。要想使电路正常工作，那么4管脚应该与电源相连接。5脚表示控制电压端CO(或VC)。如果此端外接电压，就可以改变内部两个比较器的基准电压，当这个端口不用时，应将该端串入一只0.01μF的电容接地，以防止引入干扰。6脚表示TH高触发端。7脚是放电端，8脚代表外接电源VCC （VDD）

图中有可调电位器Rp1和两个引导二极管，该电路放电管T截至时，电源通过RA、D1对电容C充电，当放电管T导通时，电容通过D2、Rb、T进行放电。只要调节Rp1,就会改变与的比值，从而改变输出脉冲的占空比。图中=0.693C =0.693，

因此输出脉冲占空比[14]

图3-2 占空比可调的多谐振荡器原理图

可以得到方波周期

则频率为

通过滑动可调电位器Rp1就可以改变方波的频率。

方案二采用直接数字频率合成技术

采用此种方法具有频率分辨率高、频率改变快捷、频率稳定性好、低相位噪声等优点。但是由于采用大量倍频、分频、混频以及滤波环节，这就造成直接频率合成器的结构复杂、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，较高的频谱纯度就会难以达到。方案三采用单片机编程的方法实现

采用这种方法能够用编程来控制信号的波形的频率，并且在硬件电路不变的情况下，通过改变频率的转换。此外，通过编程方法产生的是数字信号，所以可以提高信号精度。

鉴于方案一没有智能型，不能自动调节频率，而且电阻值稳定性容易受到外界温度的影响，方案二电路复杂，成本高等。所以决定采用方案三的方法，它不仅软硬件结合，

使得能够保障信号频率的稳定性和精度准确性，而且使用的几个元器件都是很常见很常用的，容易得到并且价钱低廉，是个不错的选择。

3.2.3 基于MCS51单片机的设计

1 单片机简介

AT89S51是一个低功耗，高性能的CMOS 8位单片机，下图3-3是单片机内部结构图。片内含4k Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，该单片机采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造方法，兼容MCS-51指令系统及80C51引脚，芯片内集成了通用的8位处理器和ISP Flash存储单元，功能强大，可为许多嵌入式控制应用系统提供一个高性价比的解决方法。

图3-3 AT89S51单片机内部结构图

AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的RAM，32个外部双向I/O口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗电路，片内时钟振荡器。

此外，该单片机设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置的省电模式。在空闲模式下，CPU将会停止工作，RAM定时/计数器，串行口，外中断系统可以继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，暂停芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。该单片机PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式。

2主要特性：

（1）8031 CPU与MCS-51 兼容

（2）4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)

（3）全静态工作：0Hz-33MHz

（4）三级程序存储器保密锁定

（5）128*8位内部RAM

（6）32条可编程I/O线

（7）两个16位定时器/计数器

（8）6个中断源

（9）可编程串行通道

（10）低功耗的闲置和掉电模式

（11）片内振荡器和时钟电路

3管脚说明：

单片机管脚图如下图3-4所示

VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口是一个8位漏级开路双向I/O口，每个引脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序

数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0

口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部

必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，

P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作

为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这

是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数

据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利

用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出

其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址

信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为

输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的

缘故。

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2 /INT0（外部中断0）

P3.3 /INT1（外部中断1）

P3.4 T0（记时器0外部输入）

P3.5 T1（记时器1外部输入）

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作。这是由硬件自动完成的，不需要我们操心，然后再实行读引脚操作，否则就可能读入出错，如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q^为1加到场效应管栅极的信号为1，该场效应管就导通对地呈现低阻抗，此时即使引脚上输入的信号为1，也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1。若先执行置1操作，则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入，由于在输入操作时还必须附加一个准备动作，所以这类I/O 口被称为准双向口。89C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口。这四个端口还有一个差别，除了P1口外P0P2P3口都还有其他的功能。

RST：复位输入。当振荡器复位时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，频率是振荡器频率的六分之一。所以它可作为对外部输出的脉冲或定时的目的。需要留心的是：当用来作外部数据存储器的时候，就会跳过一个ALE脉冲。如果想要禁止ALE的输出可以在SFR8EH上置0．这时候，ALE就会在执行MOVX，MOVC时ALE才起作用。此外，该引

1．脚被稍微的拉高。假设微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位就会无效。

/PSEN：是外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN

信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA为低电平时，在此期间外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。当加密方式1时，/EA把内部锁定为RESET；当/EA端为高电

平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加

12VVPP。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：反向振荡器的输出。

4时钟电路

单片机的时钟信号通常用两种形式得到：分别内部震荡方式和外部震荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器或陶瓷振荡器构成一个自激振荡器，自激振荡器于单片机内部的时钟电路发生器构成单片机的时钟电路，由振荡源OSC和电容C1 和C2构成了并联谐振回路作为定时元件，晶振频率为1.2—12MHZ，电容C1、C2为5—30PF，这就是内部方式。

单片机时序单位。振荡周期：晶振的振荡周期，为最小时序单位。时钟周期：单片机内部的时钟发生器把振荡期产生的信号2分频形成了时钟信号，它的周期成为时钟周期，机器周期：一个机器周期由6个时钟周期12个振荡周期构成，是计算机执行一种基本操作的时间单位。

图3-4 AT89S51管脚图

在本次扫频方波信号频段的选择中，选择频率400HZ到10KHZ频段的信号。在具体程序编辑过程中，主要运用单片机定时/计数器相关知识，下面介绍一下：定时/计数器工作方式寄存器（TMOD）用于设计定时/计数器工作方式，T M O D 从低位到高位分别为M0 M1 C/T GATE M0 M1 C/T GATE，其中高四位用于定时/计数

器T1，低四位用于定时/计数器T0。当M1 M0是0 0时是工作方式0，为十三位定时/计数器；当M1 M0是0 1时是工作方式1，为16位定时/计数器；当M1 M0分别是1 0时是工作方式2，为8位常数自动装入的定时/计数器：当M1 M0分别是1 1时是工作方式3，为定时/计数器T0剖分为2个8位的定时/计数器，定时/计数器T1设置为这种方式时停止工作。当C/T为低电平时则说明定时/计数器为定时器工作模式，每一个机器周期计数器自动加1，定时时间为计数次数与机器周期之积；当C/T 为低电平是则说明定时/计数器采用计时器工作模式，当T0或T1引脚上出现负跳变时，计数器自动加1。GATE是定时/计数器运行控制位，当为高电平时定时/计数器启动计数受INT0（或INT1）引脚的外部信号控制。只有当TR0（或TR1）为高电平时且INT0（或INT1）引脚输入信号为高电平时，定时/计数器T0（或T1）才开始计数。当单片机复位时，特殊功能寄存器TMOD的内容被清零。

定时/计数器控制寄存器（TCON）既有中断标志寄存器寄存器的功能，又有控制定时/计数器的功能，特殊功能寄存器TCON从低位到高位分别为IT0 IE0 IT1 IE1 TR0 TF0 TR1 TF1。其中TF0是定时/计数器T0的计数溢出标志位，银为单片机的定时/计数器是加1计数器，当定时/计数器T0启动后计数器从初始值开始计数，当计数器计满后再计一次，计数器溢出，溢出标志位TF0由硬件自动置 1.TF0也是定时/计数器溢出中断标志，当TF0为高电平时，意味着定时/计数器T0溢出事件发生，想CPU请求中断。TF0可以由软件清零，如果以中断方式实现定时或计数，CPU响应中断时，由硬件自动清零。TRO 是定时/计数器T0的启停控制位，当它为低电平时，表示定时/计数器T0停止工作，而当其为高电平时，当GATE为高电平时，定时/计数器T0的启动与否还取决于INT0引脚输入信号的状态。当INT0的非为高电平时，定时器/计数器T0才开始计数。TF1 和TR1定时/计数器T1的计数溢出标志位和启停控制位，其定义与TF1 和TR1类同。单片机复位时，特殊功能寄存器被清零。

在工作方式0下，计数器计数范围是1到8192，定时时间范围是1到8192个机器周期，计数器初始值X=8192-N，当计数器计数N次后，溢出标志TF为1.在定时器模式下，计数器以周期为计数信号，每一个机器周期，计数器自动加1.因此应首先计算定时td需要多少个机器周期才能实现，即N为td与TM的比值，其中TM为机器周期，则初值就可以算出来了。在工作方式1下，计数器计数范围为1到65536，定时器定时范围为1到65536个机器周期，在初值计算是和方式0差不多，只要把8192换成65536即可在工作方式2时处置与工作方式0一样。

在本次程序设计中，频率400HZ到10KHZ频段的方波信号，而且占空比达到百分之五十，首先采用计数/定时器采用工作方式1，由于单片机晶振频率为12MHZ，所以对应的机器周期为晶振周期的12倍，即1微秒，当频率400 HZ时，方波周期为

1/400S，则高电平时间为1/800秒，低电平时间为1/800秒，即每隔1/800秒电平翻转一次，当频率为10KHZ时则每隔1/10000S电平翻转一次。所以要设置低电平定时时间初值，时间到后自动翻转。100000/40（20+m）为不同情况下定时值，在这里定时器0输出所要的波形，定时器1定时波形显示时间，如果时间到则改变频率，在这里定时2秒具体程序在下面所示：

#include

Sbit outWave=P0^0;

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

uchar t1Counter;//t1中断次数

uint dataLoad; //the reset data of the time0, volatile variable.

bit t1Int;// 定时器1

//定时器0初始化

void InitTimer0()

{

TMOD|=0x01;//定时器方式1

ET0=1;//允许T0中断

TH0=(65536-dataLoad)/256; TL0=(65536-dataLoad)%256;

TR0=1;//启动T0

}

//定时器0中断

void Time0Int() interrupt 1{

TH0=(65536-dataLoad)/256;

TL0=(65536-dataLoad)%256;

outWave=!outWave;

}

//定时器1初始化

void InitTimer1(){

TMOD|=0x10;//定时器方式1

ET1=1;//允许T1中断

TH1=(65536-50000)/256;//定时50ms

TL1=(65536-50000)%256;

TR1=1;//启动T1

//定时器1中断

void Time1Int() interrupt 41{

TH1=(65536-50000)/256;//定时50ms

TL1=(65536-50000)%256;

t1Counter++;

}

//主函数

void main(){

uchar i; //频率数

dataLoad=1250;//400hz,2.5ms

InitTimer0();//定时器0初始化

InitTimer1();//定时器1初始化

EA=1;//开总中断

PT1=1;//定时器T1的溢出中断源为最高级while(1)

{

//if(t1Int)

//{

//t1Int=0;

//t1Counter++;

if(t1Counter==40){

dataLoad=1000000/(40*(20+m));

m++;

m=m%480;

}

// }

}

}

图3-5

图3-6

上图3-5和3-6显示部分波形。

3.3 H桥驱动电路

在驱动电路中，我们选择HIP4081芯片实现驱动功能，首先大概介绍一下芯片。

HIP4081[15]是intersil公司推出的一款专门用于控制H桥的高频全桥驱动芯片。采用闩锁抗干扰CMOS 制造工艺，具有独立的低端与高端输入通道，分别独立驱动4个N沟道MOS管，输出峰值电流是2 A；芯片内部具有电荷泵和设置死区时间；悬浮电源采用的是自举电路，高端工作电压最高可达95 V，工作频率高，能够控制所有输入的禁止端，能与外接元件形成保护电路。它的主要组成有：逻辑输入、使能、电荷泵、电平平移及死区时间设置等几个部分。具有以下几个特点：

（1）独立驱动4个N沟道FET在半桥或全桥配置

（2）自举电源最大电压95 V D

（3）在自由的空气，在摄氏50 度与升降时间的通常10ns 1mhz 驱动器1000pF 负

载