一种智能微波治疗仪及其控制系统设计

4.1 控制系统硬件设计

硬件主要分为以下几个部分。电源为控制系统提供电源；键盘和 LCD 显示电路完成人机对话功能；磁控管的控制电路根据程序指令的要求达到对病人不同疾病的治疗效果；硬件保护电路对控制系统出现的故障提供了可靠的保护；功率传感器和AD 转换器对微波管的输出进行监控；输出驱动则由继电器和可控硅同时完成；通讯电路完成控制器和上位机的信息交换；蜂鸣器驱动电路结合发光二极管共同对预热结束、治疗结束和故障进行报警工作。

硬件组成框图如图 2 所示：



图 2 硬件组成框图

4.1.1 电源和人机交互电路

为了防止干扰从电源窜入，电源由开关电源和滤波电路组成，抗干扰性能较好。为了方便操作，设置了治疗理疗转换键，工作暂停键，功率调节键，时间调节键和复位键；显示采用液晶屏幕加LED 指示灯，用来显示当前功率、时间和治疗状态等信息。

4.1.2 磁控管的控制和驱动电路

磁控管是微波的发射源，由阳极、谐振腔、阴极和磁场组成，当给磁控管灯丝加上3.3V直流灯丝电压，使阴极加热，同时阳极和阴极之间加2000V 左右的直流高压，阴极所发射的电子在强磁场作用下飞向阳极，阳极上有多个小的谐振腔，当电子打到阳极之前在这些谐振腔内发生振荡,谐振频率约为2450MHz。在治疗开始之后，闭合继电器，可控硅在过零点之后触发，控制微波的强度。同时功率传感器开始工作，监测微波强度。当可控硅击穿或者出现其它故障，系统不能控制磁控管的输出时，功率传感器采集到的值大于安全功率的上限，当断开可控硅无效的情况下，硬件保护电路动作，关闭继电器，断开高压电源，同时报警，提醒操作人员仪器出现故障。

4.1.3 报警和通讯电路

报警电路主要由发光二极管和蜂鸣器组成。当治疗结束或者是出现故障时，报警电路动作，将目前状态以声光方式通知操作人员。通讯电路主要负责本仪器与上位机之间的数据通讯，在治疗完毕之后，将此次治疗的相关信息上传至上位机。

4.2 控制系统软件设计

本系统软件包括上位机和仪器软件两部分。上位机软件使用VB 编写，主要记录治疗的信息，以便复诊和对治疗效果的统计分析。微控制器部分采用MicroC/OS-II 嵌入式操作系统，使整个控制系统稳定性和抗干扰性能大大增强，同时加快了设计速度并且代码易于维护。

在治疗状态下，首先闭合继电器，然后检测电压的过零点，在过零点之后延时触发可控硅，延时时间由输出驱动电路和功率传感器组成PID 闭环系统控制。由于微波管的输出不是成线性变化的，所以将传感器的输入用不同的校正系数进行分段校正、拟合后，再用于PID调节。提高了控制系统的可靠性和快速响应能力，并且使输出更加平稳。

程序流程图如图 3 所示。



图 3 程序流程图

5 结语

本文作者创新点：该微波功率的控制方案从根本上解决了微波输出功率的失调问题。硬件上增加的保护电路使仪器的安全性能有了很大的提高，控制策略采用了分段拟合加PID控制融合的方法，既有线性化好的特点，又有PID 控制精度高、稳定性好的优点，克服了微波功率控制中非线性，滞后，时变等带来的困难。