一種新型微波開關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

任阿龍, 胡文麒

（1 西安石油大學(xué)，西安710065；2 江西省新余市人民防空辦公室，新余338000）

0 引言

我國電石工業(yè)經(jīng)過60多年的發(fā)展，已經(jīng)成為重要的基礎(chǔ)化工原料產(chǎn)業(yè)。近年來，在下游需求不斷增長的帶動(dòng)下，國內(nèi)電石產(chǎn)能快速擴(kuò)張。但是，我國電石行業(yè)生產(chǎn)起步比較晚，很多企業(yè)仍以開放爐和半密閉爐作為生產(chǎn)技術(shù)方式，這種生產(chǎn)方式具有自動(dòng)化水平低，生產(chǎn)能耗大，生產(chǎn)效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)環(huán)境差，存在較大安全隱患等缺點(diǎn)[1]。因此，從近幾年電石行業(yè)的發(fā)展趨勢可知,密閉電石爐必將成為當(dāng)今發(fā)展主流,主要原因是密閉電石爐能實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定、高效生產(chǎn)且爐氣能回收利用。在電石生產(chǎn)中使用大型全密閉電石爐技術(shù)，生產(chǎn)原料動(dòng)態(tài)地存在于密閉電石爐中，從上面進(jìn)料，下面出料。在生產(chǎn)工藝中，加料是否合理直接關(guān)系到生產(chǎn)成本的高低，如果操作不當(dāng)極易引起設(shè)備故障，甚至釀成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，所以必須要對電石爐的物料量實(shí)施嚴(yán)格的控制，既不允許太滿，以免溢出，浪費(fèi)資源，也不允許放空，導(dǎo)致故障。因此在電石生產(chǎn)中采用大型全密閉電石爐技術(shù)，對物料位的監(jiān)測控制是一種關(guān)鍵的技術(shù)。本文所設(shè)計(jì)的智能微波開關(guān)利用非接觸式的特點(diǎn)則很好地解決了全密閉電石爐的物位檢測的問題。

1 微波開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

本文所設(shè)計(jì)的微波開關(guān)采用了波束障礙的工作原理。即當(dāng)微波束從發(fā)射器傳送到接收器，接收器對接收到的微波信號進(jìn)行濾波、放大，然后通過A/D轉(zhuǎn)換傳輸給主控制模塊，控制模塊通過檢測接收到波形的有無來判斷發(fā)射器和接收器之間是否存在物料，從而可以給PLC系統(tǒng)或SCADA系統(tǒng)提供相應(yīng)的繼電器狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了物位監(jiān)測的目的。智能微波開關(guān)的總體框圖如圖1所示。在穩(wěn)定的電源供電情況下，發(fā)射模塊調(diào)制好本系統(tǒng)所需的微波信號，通過發(fā)射天線發(fā)送，接收天線接收的信號，經(jīng)接收模塊進(jìn)行濾波、放大，調(diào)理后的信號經(jīng)主控制模塊進(jìn)行檢測。

2 微波開關(guān)各模塊的結(jié)構(gòu)

2.1 微波開關(guān)的發(fā)射模塊

微波開關(guān)的發(fā)射模塊基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，其中，低頻信號通過一個(gè)基于555芯片的振蕩電路形成，頻率為50Hz,占空比為99%，而高頻信號的產(chǎn)生則通過低頻信號接入一個(gè)施密特觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)，頻率為10GHz。通過高頻的信號來控制一個(gè)開關(guān)MOS管的通斷，實(shí)現(xiàn)對射頻振蕩器間歇式供電，從而得到攜帶有幅值、高頻、低頻3種信息的間歇式微波發(fā)射信號，然后通過喇叭天線把信號發(fā)射出去。

2.2 微波開關(guān)的接收模塊

微波開關(guān)的接收模塊的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，發(fā)射過來的微波束被喇叭天線及高頻震蕩接收器所接收，然后對接收到的信號進(jìn)行濾波，前置放大，并分3路進(jìn)行解調(diào)，一路經(jīng)整形，濾波，放大得到幅值信號，另兩路則分別解調(diào)得到高頻信號，低頻信號。

2.3 微波開關(guān)的主控制模塊

本文所設(shè)計(jì)的微波開關(guān)選用TI公司的MSP430F149作為主控制芯片。微波開關(guān)的主控制模塊的硬件設(shè)計(jì)基本組成如圖4所示。通過JTAG接口給單片機(jī)下載程序，單片機(jī)實(shí)時(shí)地處理接收模塊調(diào)理后的信號，通過對接收到的信號的幅值、低頻頻率、高頻頻率的交互檢測，判斷出發(fā)射與接收之間是否有物料的存在，通過LED燈來顯示目前物料有無的狀態(tài)并且改變繼電器的狀態(tài)，完成物料檢測的功能。另外，單片機(jī)可以與上位機(jī)通信完成信號幅值顯示、信號頻率顯示、微波開關(guān)SN號的燒寫等多種功能。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，接收模塊通過濾波、放大、解調(diào)后的信號波形如圖5。通過圖5可以看到，接收模塊完整的恢復(fù)了發(fā)射的信號，為主控制模塊判斷物料的有無狀態(tài)提供了完整的信息。

圖5 通過濾波、放大、解調(diào)后的信號波形

4 結(jié)論

本文介紹了一種主要應(yīng)用于電石化工領(lǐng)域的微波開關(guān)的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用MSP430F149單片機(jī)降低了系統(tǒng)的功耗，同時(shí)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。利用微波開關(guān)非接觸式的特點(diǎn)，在密閉性的電石爐、傳送帶等工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中應(yīng)用效果良好。但是，在減少電磁干擾、電磁污染等方面還需要做進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。

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