《電子技術應用》
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基于單片機的微波功率控制器
摘要: 微波作為一種新的能量傳遞方式,在電子電氣行業中發展很快,其中大功率微波源常用于加熱及無極光燈的激勵源,為了更好地滿足應用的需要,經常需要功率控制。為達到無極紫外燈在微波的激發作用下,能夠產生連續可變的光源,并且能夠較好地克服技術性與經濟性的矛盾,提高性價比,本文論述單片機微波功率控制技術。
Abstract:
Key words :

  1 引言

  微波以它的獨特的功能開拓運用領域的新技術,其中包括微波通信,微波測量,微波加熱等新技術。微波能產生于微波源。它是由產生微波能的心臟——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,在電子電氣行業中發展很快,其中大功率微波源常用于加熱及無極光燈的激勵源,為了更好地滿足應用的需要,經常需要功率控制。為達到無極紫外燈在微波的激發作用下,能夠產生連續可變的光源,并且能夠較好地克服技術性與經濟性的矛盾,提高性價比,本文論述單片機微波功率控制技術。

  2 芯片簡介

  系統使用的pic16f873,采用靜態設計技術、高性能的哈佛結構cpu和risc指令集,實現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字節的數據隨機存儲器和128字節數據eeprom存儲器。其中i/o端口為端口a,b和c,具有13個中斷源,三個定時器,兩個ccp(捕捉器/比較器/pwm)模塊、一個看門狗電路、一個并行從屬端口psp,集成了8通道a/d轉換器。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。

  該芯片實現的主要功能:單片機用于協調外圍設備的數據,地址和控制信號的傳送;完成對倍壓整流輸出電壓的采樣,a/d轉換以及與設定值比較;完成觸發脈沖的同步與發送;完成對擁護指令的識別以及對設備運行狀態的顯示。

  3 系統設計

  3.1 原理設計

  mcu是系統的核心,完成信號處理以及對各個模塊進會諧調控制的任務。系統開機,單片機上電復位啟動,檢測鍵盤輸入動作后,單片機根據不同的指令去完成不同的動作。在調功指令下達后,單片機根據輸入數據計數,觸發延時,并檢測過零脈沖,同時送顯示指令。觸發延時結束,觸發電路中的觸發脈沖就產生并維持一定強度與時間,使雙向晶閘管有效導通。磁控管工作后,由采樣電路采集陽極電壓信號,并與設定電壓比較后對觸發延時作一定的修正。同時檢測光強信息,使光強滿足用戶要求。通過這個過程,完成對無極燈放電的穩定控制,有連續調節的功能,而且操作簡單,便于與用戶直接交流,易于用戶直接使用。系統結構圖如圖1所示。

系統結構圖

圖1 系統結構圖

  3.2 系統硬件設計

  (1)升壓和整流的電路。磁控管腔體電壓一般要達到1800v才能工作,為此必須設計升壓變壓器來抬升電壓。采用兩個變壓器t1和t2并聯方式向倍壓整流電路供電。

  當交流電為正半周時,二極管d2承受正壓導通對電容c2充電,直到達到交流電最大值 ;c1則處于放電過程,與t1次級線圈一起對磁控管供電。負半周則相反。其輸出平均電壓關系式為:

  采用全波倍壓整流電路,其電路如圖2所示。

全波倍壓整流電路

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,且能夠滿足電壓調節的響應速度,電容取值應以電容在半個周期完成放電為依據。在此電路中,負載有電源內阻(即次級繞組直流電阻)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

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的同步時刻。陽極電壓(電流)反饋是重要的反饋,它很大程度上決定系統的準確性與穩定壓,使用采樣電阻進行電流采樣。光強檢測應用紫外線傳感器感應無極燈光強大小。

  為適時地給可控硅加觸發脈沖,控制導通角,必須時刻對交流電的相位進行檢測,為此專門設計一個電壓過零檢測器,如圖3所示。

過零檢測器

圖3 過零檢測器

  a和b兩點輸出為全波整流后的脈動電壓,當電壓過零時,q1關閉,集電極電平為高,送到單片機中斷口斷出同步電壓的相位。

  (3)觸發電路。觸發電路實現對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電壓,使雙向可控硅導通。觸發電路如圖4所示。

觸發電路

圖4 觸發電路

  (4)其它功能模塊。

  陽極電流反饋電路:磁控管工作時的通態電阻很少,因而陽極電壓稍微變化,將會引起磁控管陽極電流的很大變化,輸出功率亦會發生很大變化。為了穩定功率的輸出,可采用單閉環反饋電路,它由陽極電流采樣和光電耦合隔離電路組成。

  光強檢測電路:系統采用進口的uva、uvb(波長為260~370nm)的紫外線傳感器。該傳感器是波長λ<400nm的,對紫外光敏感的二氧化鈦光電二極管。輸出電壓為0~4.3v,轉換系數。經數模轉換,把模擬信號轉換為二進制數,存儲在數據緩沖區。

  電源電路:加入emi抗擾模塊,采用多路供電,分別用于單片機,a/d基準和其它芯片。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。

  機串行聯接,節省i/o口,節約單片機資源。

 

  3.3 系統軟件設計

  本系統的穩定工作是基于軟件算法,采用看門狗技術監視軟件運行狀態,有效提高運行的可靠性。不同型號的磁控管,對軟件作適當修改,可適合不同的應用場合。

  其中系統的人機對話接口(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,數值比較子程序,角度轉換(即定時器初值轉換)子程序,過零中斷處理子程序等;數值間轉換子程序,主要用于a/d轉換后數值處理,以便電壓調節、信息顯示正確。

  程序用到的主要臨時數據儲存單元的簡單介紹,系統的工作流程圖如圖5所示。調壓子程序如圖6所示。

 工作流程圖

圖5 工作流程圖

調壓子程序

圖6 調壓子程序

  4 結束語

  本設計以單片機pic16f873為核心部分,以雙向可控硅為功率調節元件,充分利用軟件優化算法,實現微波源的全數字調功功能。系統中的電壓負反饋閉環控制環節,使微波源工作更穩定,更好的實現功率的連續可調。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。

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