基于單片機的微波功率控制器

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。

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。

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

（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。

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。

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λ400ｎｍ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。

圖5 工作流程圖

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。