(任)一种新型微波开关的设计.doc

一种新型微波开关的设计中图分类号为P631.8，文献标识码为B任阿龙（西安石油大学，西安710065）摘要：本文研究了一种新型的微波开关。利用震荡电路产生频率为50Hz(占空比为1%)的低频信号，低频信号通过施密特触发器得到10GHz的高频信号，然后通过高频振荡器发射微波束。利用波束障碍原理，当接收振荡器接收到的微波束经过滤波、放大、解调后，控制芯片（MSP430F149）对得到的幅值、低频频率、高频频率等参数进行判断，从而达到检测物位的目的。该系统不仅具有结构简单、使用方便、成本低、功耗小、工作稳定等优点,而且还有很强的扩展能力及宽广的应用范围。关键字：微波开关、波束障碍原理、物位检测Design a new type of microwave switchRen A-long(Xian Shi You University, Xian 710065)Abstract: This paper studies a new type of microwave switch. Using concussion circuit produce a low-frequency signal with the frequency is 50Hz (duty cycle is 1%).then,the low-frequency signals is input a Schmitt toggle to produce a high-frequency signals of 10GHz.And then, the microwave beam is launched by a high-frequency oscillators. After filtering,amplification and demodulation, the microwave beam which is received by a receiving oscillator is transferd to the control chip(MSP430F149),by using the principle of beam obstacles,it judge the material level by the amplitude, high frequency and low-frequency. This system not only has the advantage of simple structure ,convenient operation, low cost, low consumption, stable work etc, but also has the strong expansion ability and wide range of applications. Keyword: Microwave Switch, Principle of Beam Obstacles, Judge the Material Level1、导言我国电石工业经过60多年的发展，已经成为重要的基础化工原料产业。近年来，在下游需求不断增长的带动下，国内电石产能快速扩张。但是，我国电石行业生产起步比较晚，很多企业仍以开放炉和半密闭炉作为生产技术方式，这种生产方式具有自动化水平低，生产能耗大，生产效率低，工人劳动强度大，生产环境差，存在较大安全隐患等缺点1。因此，从近几年电石行业的发展趋势可知,密闭电石炉必将成为当今发展主流,主要原因是密闭电石炉能实现安全、稳定、高效生产且炉气能回收利用。在电石生产中使用大型全密闭电石炉技术，生产原料动态地存在于密闭电石炉中，从上面进料，下面出料。在生产工艺中，加料是否合理直接着生产成本的高低，如果操作不当极易引起设备故障，甚至酿成严重的生产事故，所以必须要对电石炉的物料量实施严格的控制，既不允许太满，以免溢出，浪费资源，也不允许放空，导致故障。因此在电石生产中采用大型全密闭电石炉技术，对物料位的监测控制是一种关键的技术。本文所设计的智能微波开关利用非接触式的特点则很好的解决了全密闭电石炉的物位检测的问题。2、微波开关的基本结构和工作原理 本文所设计的微波开关采用了波束障碍的工作原理。即当微波束从发射器传送到接收器，接收器对接收到的微波信号进行滤波、放大，然后通过A/D转换传输给主控制模块，控制模块通过检测接收到波形的有无来判断发射器和接收器之间是否存在物料，从而可以给PLC系统或SCADA系统提供相应的继电器状态，实现了物位监测的目的。智能微波开关的总体框图如图1所示，在稳定的电源供电情况下，发射模块调制好本系统所需的微波信号，通过发射天线发送，接收天线接收的信号，经接收模块进行滤波、放大，调理后的信号经主控制模块进行检测。发射模块接收模块电源模块主控制模块电源模块微波束图1.微波开关的总体框图3微波开关各模块的结构3.1微波开关的发射模块微波开关的发射模块基本结构框图如图2所示，其中，低频信号通过一个基于555芯片的振荡电路形成，频率为50Hz,占空比为99%，而高频信号的产生则通过低频信号接入一个施密特触发器来实现，频率为10GHz。通过高频的信号来控制一个开关MOS管的通断，实现对射频振荡器间歇式供电，从而得到携带有幅值，高频，低频三种信息的间歇式微波发射信号，然后通过喇叭天线把信号发射出去。低频信号电源MOS管射频振荡器喇叭天线施密特触发器高频信号图2.微波开关的发射模块基本结构框图3.2微波开关的接收模块微波开关的接收模块的基本结构框图如图3所示，发射过来的微波束被喇叭天线及高频震荡接收器所接收，然后对接收到的信号进行滤波，前置放大，并分三路进行解调，一路经整形，滤波，放大得到幅值信号，另两路则分别解调得到高频信号，低频信号。喇叭天线、高频震荡接收器滤波前置放大解调2整形，滤波，放大解调1高频信号幅值信号低频信号图3.微波开关的接收模块基本结构框图3.3微波开关的主控制模块本文所设计的微波开关选用TI公司的MSP430F149作为主控制芯片。MSP430F149是TI公司开发的具有16位总线的带FLASH的单片机，它采用16位的总线、外设和内存统一编址，寻址范围可达64K，还可以扩展存储器，具有统一的中断管理，具有丰富的片上外围模块，片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器、一个14路的12位A/D转换器、一个看门狗、6路P口、两路USART通信端口、一个比较器，一个DCO内部振荡器和两个外部时钟，可支持8M的时钟，同时由于MSP430F149为FLASH型，则可以在线对单片机进行调试和下载，且JTAG接口直接和FET（FLASH EMULATION TOOL）相连，不需另外的仿真工具。鉴于单片机存储器的容量和特点,外部不用扩展存储器和I/O口,使得外围设备得到了极大地简化。微波开关的主控制模块的硬件设计基本组成如图4。通过JTAG接口给单片机下载程序，单片机实时的处理接收模块调理后的信号，通过对接收到的信号的幅值、低频频率、高频频率的交互检测，判断出发射与接收之间是否有物料的存在，通过LED灯来显示目前物料有无的状态并且改变继电器的状态，完成物料检测的功能。另外，单片机可以与上位机通信完成信号幅值显示、信号频率显示、微波开关SN号的烧写等多种功能。CPU(单片机)实时时钟JTAG接口继电器LED显示电源上位机通信图4.微波开关的主控制模块4、实验结果 通过实验验证，接收模块通过滤波、放大、解调后的信号波形如图5。通过图5可以看到，接收模块完整的恢复了发射的信号，为主控制模块判断物料的有无状态提供了完整的信息。图5通过滤波、放大、解调后的信号波形5、结论本文介绍了一种主要应用于电石化工领域的微波开关的设计。本系统采用MSP430F149单片机降低了系统的功耗，同时具有硬件结构简单、工作稳定可靠、调试方便等优点。利用微波开关非接触式的特点，在密闭性的电石炉、传送带等工业自动化生产线中应用效果良好。但是，在减少电磁干扰、电磁污染等方面还需要做进一步的研究和改进。参考文献：【1】胡清勋,崔永利,刘欣梅,乔柯,王有和,阎子峰.电石工业的技术进步J.中国氯碱，2008年第9期.【2】吴晓梅.射频导纳料位计原理及故障分析J.自动化应用，2010 第2期【3】陈平，沙训，罗晶.射频导纳电容式物位测量仪的研究J.仪器技术与传感器，2006年第7期.【4】李竞.物位测量新技术及我国的物位仪表行业概况武中国仪器仪表J.2007年第9期【5】朱亚洲,熊庆国,肖琴，罗汉清. 我国物位测量技术的发展途径J.工业仪表与自动化装置，2006年第4期.【6】冯奇钢.雷达物位计在固体物位测量中的应用J.中国电厂设备，200