一种新型微波开关的设计与实现

任阿龙, 胡文麒

（1 西安石油大学，西安710065；2 江西省新余市人民防空办公室，新余338000）

0 引言

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，加料是否合理直接关系到生产成本的高低，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地解决了全密闭电石炉的物位检测的问题。

1 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。

2 微波开关各模块的结构

2.1 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3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。

2.2 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3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。

2.3 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。微波开关的主控制模块的硬件设计基本组成如图4所示。通过JTAG接口给单片机下载程序，单片机实时地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。

3 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

4 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。

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