浅析微波加热器温度自动控制系统硬件设计

袁小燕

摘要：微波加热具有加热迅速、高效及安全等优点，目前已成为实验室加热的首选方式，具有温度自动控制功能的微波加热器设计与开发有着广阔的应用前景，可以满足生物医学工程领域，实验室科研等有关恒温加热要求。本文设计了一种基于STC89C52单片机控制的微波加热器温度自动控制系统，主要阐述构成该系统的硬件组成。

关键词：温度 自动控制 微波加热器

1.微波加热器温度控制发展现状

20世纪60年代以后，微波作为一种新型能源在工业上得到了广泛的应用，拓展成了一个分支技术。但由于强电磁场的存在，在微波场下的温度测量依然是个技术难题。而温度显然是个重要的参数，如微波诱导催化反应机理以及微波催化剂作用机理的研究不是很深入，主要原因就是微波场中的温度无法准确测量。因此，微波场中温度测量技术的发展将进一步推动微波在其它工业领域的应用。

2.温控系统硬件总体设计

如图1所示：在该温度控制加热系统中，主要有三大电路模块，分别是输入电路模块、输出电路模块、调功电路模块，核心控制芯片是STC89C52RC单片机。此外还包括键盘电路、报警电路、电源电路。在该加热系统中，反映了加热区温度通过集成红外温度传感器(A2TPMI 334-L5.5 OAA 300)的热电堆，热电堆的电势经过信号处理，即温度端补偿、信号放大、滤波处理等，输出0～5V的标准信号，再经A/D转换电路之后进入单片机，单片机根据输入的各种命令进行PID算法得到控制量输出脉冲触发信号，通过过零触发电路驱动双向可控硅，单片机通过I/O口改变控制脉冲宽度，也即改变了可控硅在一个固定控制周期TC内的导通时间，这样加热区的温度就随着磁控管的平均输入功率改变而变化，也即达到了自动控温的目的。

2.1温控系统主控器件STC89C52RC单片机

随着控制理论和电子技术的发展，控制器的强适应能力和高度智能化正逐步成为现实。其中以单片机为核心实现的数字控制器因其体积小、成本低、功能强、简便易行而得到广泛应用。单片机是大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算机。它是把中央处理器CPU(Central Processing Unit)、随机存取存储器RAM(Random Access Memory)、只读存储器ROM(Read Only Memory)、定时器/计数器以及I/0(Input/Output)接口电路等主要计算机部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，它的特点是:功能强大、运算速度快、体积小巧、价格低廉、稳定可靠、应用广泛。由此可见，采用单片机设计控制系统，不仅可以降低开发成本，精简系统结构，而且控制算法由软件实现，可以提高系统的兼容性和可移植性。微波加热器温度控制系统使用的是STC公司生产的STC89C52RC单片机,它是一款性价比非常高的单片机，普通用户可完全将其当作一般的51单片机使用，高级用户可使用其扩展功能。STC公司的单片机内部资源比起ATMEL公司的单片机来要丰富的多，它内部有1280字节的SRAM、8-64K字节的内部程序存储器、2-8K字节的ISP引导码、除P0-P3口外还多P4口(PLCC封装)、片内自带EEPROM、片机自带看门狗、双数据指针等。STC89S52RC单片机，支持USB口在线下载程序及USB口在线仿真调试目前STC公司的单片机在国内市场上的占有率与日俱增。

2.2单片机主控模块电路设计

本系统单片机的主控模块电路，主要分为晶振电路、复位电路、USB供电电路、串口通信电路。

(1)单片机的晶振和复位电路

由于这两个电路组成简单。系统采用的11.0592MHz晶振频率，当采用仿真芯片SST89E564RD时，要选择该频率进行仿真。

(2)单片机总线供电电路

单片机供电电路主要控制芯片是PDIUSBD12。PDIUSBD12是一款性价比很高的USB器件它通常用作微控制器系统中实现与微控制器进行通信的高速通用并行接口。PDIUSBD12所具有的低挂起功耗连同Lazy Clock输出可以满足使用ACPI、OnNOW和USB电源管理的要求低的操作功耗可以应用于使用总线供电的外设。供电电路设计如图3-9所示。通过电脑的USB接口电路对整个单片机进行供电，不需要其它外接电源，电源稳定性很好，整个电路简单、灵活、便于操作。

(3)单片机串口通信电路

本系统单片机的串口通信电路的原理图如图2所示。MAX232作为RS232的电平转换常用芯片，完成TTL电平到RS232电平的转换。通过串口的连接，系统可以很方便进行Keil C程序的下载以及在线调试。

3.温控系统输入模块电路设计

单片机系统处理的信号都是数字信号，由传感器输出的信号为0-5V的模拟电压信号，因此首先就要将该模拟信号转换成数字信号送入单片机进行数据处理。系统选用的是MAX187模数转换芯片。在模拟信号输入时，为了减少系统外界带来的干扰，需要再次进行滤波。下一章节将具体阐述如何进行数字滤波。模数转换MAX187是美信公司推出的12位串行A/D转换芯片，内部含有采样/保持电路．单5V操作电源，转换速度为8.5μs，具有片上4.096V参考电压，模拟量输入范围为0～BEFV三线串行接口，兼容SPI，QSPI，icroWire总线。

由于MAX187芯片是12位串行模数转换器，只有8个管脚，比并行模数转化器管脚少的多，整个电路设计就简单的多。传感器输出的模拟信号由MAX187芯片的2管脚输入，由6管脚输出对应的数字信号。

4.温控系统输出模块电路设计

系统输出模块电路分为1602液晶显示电路和报警电路。1602液晶显示电路主要用来显示当前加热溶样的温度和加热时间。报警电路是为了防止系统加热温度过高或程序出现死循环而设计的蜂鸣器报警电路。

4.1 1602液晶显示电路

为了可以显示更多的指令信息，系统采用1602液晶作为显示电路。数码管虽然亮度高，但是显示的资源有限。所以系统采1602液晶显示。1602液晶可以显示16×2个字符，芯片的工作电压为4.5～5.5V，工作电流为2.0mA(5.0V)，字符尺寸为2.95×4.35(WXH)mm。图4-12是1602液晶的写操作的时序图，系统只需要向该液晶芯片里写数据，不需要进行读操作。

4.2报警电路

报警电路是系统不可缺少的电路，可以保护系统的硬件电路，也可以防止加热溶样的温度过高而产生爆炸。系统采用简单的蜂鸣器报警，蜂鸣器一端接地一端和PNP型三极管的发射极相连，三极管的基极接一个18?的电阻，电阻的另一端和单片机P2.6管脚连接。当P2.6管脚为低电平信号时，三极管导通，蜂鸣器发出报警信号，应立刻关闭电源，检查相关电路和软件程序。

5.温控系统键盘电路的设计

键盘是人机对话的重要组成部分，本加热系统主要是通过键盘进行加热温度的设置。键盘分编码键盘和非编码键盘。键盘上闭合键的识别由专用的硬件编码器实现，并产生键编码号或键值的称为编码键盘，如计算机键盘；而靠软件编程来识别的称为非编码键盘；在单片机组成的各种系统中，用的最多的是非编码键盘。本系统也采用非编码键盘，非编码键盘又可分为矩阵键盘和独立键盘。本系统采用的是矩阵式键盘。键盘P0-P9通过编程分别代表0-9十个数值，三个数码管U12-U14分别表示三位十进制数的百位、十位、个位。这样通过按键就很方便的设置所要加热的温度值。其中74HC573为两个锁存器，分别可以控制数码管的断选和位选。◆

参考文献：

[1]李佩禹.家用微波炉的原理与维修.北京:人民邮电出版社,2000

[2]Lizhang Ma.Experimentl Validation of A Combined Electromagnetic and Thermal FDTD Model of A Microwave Heating Process.IEEE Transactions on Microwave Theory and Technique,

1995,43(3)

[3]王世杰，隋修武，张立儒等.微波治疗机中的测温与控温技术研究.仪器仪表学报,2007，18(2)

作者单位：长沙市电子研究所