基于單片機(jī)的微波功率控制器

1 引言
微波以它的獨(dú)特的功能開拓運(yùn)用領(lǐng)域的新技術(shù)，其中包括微波通信，微波測量，微波加熱等新技術(shù)。微波能產(chǎn)生于微波源。它是由產(chǎn)生微波能的心臟――微波管和為微波管提供必要工作條件的電源組成。微波作為一種新的能量傳遞方式，在電子電氣行業(yè)中發(fā)展很快，其中大功率微波源常用于加熱及無極光燈的激勵(lì)源，為了更好地滿足應(yīng)用的需要，經(jīng)常需要功率控制。為達(dá)到無極紫外燈在微波的激發(fā)作用下，能夠產(chǎn)生連續(xù)可變的光源，并且能夠較好地克服技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性的矛盾，提高性價(jià)比，本文論述單片機(jī)微波功率控制技術(shù)。

2 芯片簡介
系統(tǒng)使用的pic16f873，采用靜態(tài)設(shè)計(jì)技術(shù)、高性能的哈佛結(jié)構(gòu)cpu和risc指令集，實(shí)現(xiàn)了低功耗和寬工作電壓范圍，提高了cpu的工作速度和效率。包含4k×14的程序閃存，192字節(jié)的數(shù)據(jù)隨機(jī)存儲(chǔ)器和128字節(jié)數(shù)據(jù)eeprom存儲(chǔ)器。其中i/o端口為端口a,b和c,具有13個(gè)中斷源，三個(gè)定時(shí)器，兩個(gè)ccp(捕捉器/比較器/pwm)模塊、一個(gè)看門狗電路、一個(gè)并行從屬端口psp，集成了8通道a/d轉(zhuǎn)換器。pic16f87x系列既有spi和i2c主串行通信端口，又有usart異步串行通信端口。
該芯片實(shí)現(xiàn)的主要功能：單片機(jī)用于協(xié)調(diào)外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)，地址和控制信號(hào)的傳送；完成對(duì)倍壓整流輸出電壓的采樣，a/d轉(zhuǎn)換以及與設(shè)定值比較；完成觸發(fā)脈沖的同步與發(fā)送；完成對(duì)擁護(hù)指令的識(shí)別以及對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的顯示。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 原理設(shè)計(jì)
mcu是系統(tǒng)的核心，完成信號(hào)處理以及對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)會(huì)諧調(diào)控制的任務(wù)。系統(tǒng)開機(jī)，單片機(jī)上電復(fù)位啟動(dòng)，檢測鍵盤輸入動(dòng)作后，單片機(jī)根據(jù)不同的指令去完成不同的動(dòng)作。在調(diào)功指令下達(dá)后，單片機(jī)根據(jù)輸入數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)，觸發(fā)延時(shí)，并檢測過零脈沖，同時(shí)送顯示指令。觸發(fā)延時(shí)結(jié)束，觸發(fā)電路中的觸發(fā)脈沖就產(chǎn)生并維持一定強(qiáng)度與時(shí)間，使雙向晶閘管有效導(dǎo)通。磁控管工作后，由采樣電路采集陽極電壓信號(hào)，并與設(shè)定電壓比較后對(duì)觸發(fā)延時(shí)作一定的修正。同時(shí)檢測光強(qiáng)信息，使光強(qiáng)滿足用戶要求。通過這個(gè)過程，完成對(duì)無極燈放電的穩(wěn)定控制，有連續(xù)調(diào)節(jié)的功能，而且操作簡單，便于與用戶直接交流，易于用戶直接使用。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
（1）升壓和整流的電路。磁控管腔體電壓一般要達(dá)到1800v才能工作，為此必須設(shè)計(jì)升壓變壓器來抬升電壓。采用兩個(gè)變壓器t1和t2并聯(lián)方式向倍壓整流電路供電。
當(dāng)交流電為正半周時(shí)，二極管d2承受正壓導(dǎo)通對(duì)電容c2充電，直到達(dá)到交流電最大值 ；c1則處于放電過程，與t1次級(jí)線圈一起對(duì)磁控管供電。負(fù)半周則相反。其輸出平均電壓關(guān)系式為：

采用全波倍壓整流電路，其電路如圖2所示。

圖2 全波倍壓整流電路

電容的取值較為重要，它直接影響電壓波形。為使波形平穩(wěn)，且能夠滿足電壓調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度，電容取值應(yīng)以電容在半個(gè)周期完成放電為依據(jù)。在此電路中，負(fù)載有電源內(nèi)阻（即次級(jí)繞組直流電阻）和磁控管總電阻約為300左右。以下采用不同電容值電壓平均值及其波形參見表1。

表1 不同電容值波形

（2）過零檢測電路。同步電路使用過零檢測方法通知單片機(jī)的同步時(shí)刻。陽極電壓（電流）反饋是重要的反饋，它很大程度上決定系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定壓，使用采樣電阻進(jìn)行電流采樣。光強(qiáng)檢測應(yīng)用紫外線傳感器感應(yīng)無極燈光強(qiáng)大小。
為適時(shí)地給可控硅加觸發(fā)脈沖，控制導(dǎo)通角，必須時(shí)刻對(duì)交流電的相位進(jìn)行檢測，為此專門設(shè)計(jì)一個(gè)電壓過零檢測器，如圖3所示。

圖3 過零檢測器

a和b兩點(diǎn)輸出為全波整流后的脈動(dòng)電壓，當(dāng)電壓過零時(shí)，q1關(guān)閉，集電極電平為高，送到單片機(jī)中斷口斷出同步電壓的相位。
（3）觸發(fā)電路。觸發(fā)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)磁控管腔電壓的控制，采用雙向可控硅器件控制變壓器原邊電壓。在控制極加一正或負(fù)電壓，使雙向可控硅導(dǎo)通。觸發(fā)電路如圖4所示。

圖4 觸發(fā)電路

（4）其它功能模塊。
陽極電流反饋電路：磁控管工作時(shí)的通態(tài)電阻很少，因而陽極電壓稍微變化，將會(huì)引起磁控管陽極電流的很大變化，輸出功率亦會(huì)發(fā)生很大變化。為了穩(wěn)定功率的輸出，可采用單閉環(huán)反饋電路，它由陽極電流采樣和光電耦合隔離電路組成。
光強(qiáng)檢測電路：系統(tǒng)采用進(jìn)口的ｕｖａ、ｕｖｂ(波長為260～370ｎｍ)的紫外線傳感器。該傳感器是波長λ400ｎｍ的，對(duì)紫外光敏感的二氧化鈦光電二極管。輸出電壓為0～4.3ｖ,轉(zhuǎn)換系數(shù)

。經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換,把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù),存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。
電源電路：加入emi抗擾模塊，采用多路供電，分別用于單片機(jī)，a/d基準(zhǔn)和其它芯片。鍵盤與顯示：采用矩陣或4*4鍵盤，完成指令的輸入。顯示采用led顯示專用芯片與單片。
機(jī)串行聯(lián)接，節(jié)省i/o口，節(jié)約單片機(jī)資源。
3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的穩(wěn)定工作是基于軟件算法，采用看門狗技術(shù)監(jiān)視軟件運(yùn)行狀態(tài)，有效提高運(yùn)行的可靠性。不同型號(hào)的磁控管，對(duì)軟件作適當(dāng)修改，可適合不同的應(yīng)用場合。
其中系統(tǒng)的人機(jī)對(duì)話接口（鍵盤和顯示器），包含鍵盤掃描程序、鍵處理程序和顯示子程序；電壓控制的核心子程序，包含電壓檢測子程序，數(shù)值比較子程序，角度轉(zhuǎn)換（即定時(shí)器初值轉(zhuǎn)換）子程序，過零中斷處理子程序等；數(shù)值間轉(zhuǎn)換子程序，主要用于a/d轉(zhuǎn)換后數(shù)值處理，以便電壓調(diào)節(jié)、信息顯示正確。
程序用到的主要臨時(shí)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元的簡單介紹，系統(tǒng)的工作流程圖如圖5所示。調(diào)壓子程序如圖6所示。

圖5 工作流程圖

圖6 調(diào)壓子程序

4 結(jié)束語
本設(shè)計(jì)以單片機(jī)pic16f873為核心部分，以雙向可控硅為功率調(diào)節(jié)元件，充分利用軟件優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)微波源的全數(shù)字調(diào)功功能。系統(tǒng)中的電壓負(fù)反饋閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，使微波源工作更穩(wěn)定，更好的實(shí)現(xiàn)功率的連續(xù)可調(diào)。此外光電隔離及變壓器隔離措施，很好地抑制了電磁干擾，保證微波源有更長的使用壽命。