1、摘要：介绍了一种采用 PC 机、单片机、线性光耦合电路组成的控制系统及运用增量式 PID 技术控制大功率 UHR-915 型微波热疗机输出功率的方法。结果表明，在 100900W 的范围内，可以将微波热疗机输出功率的波动控制在10%以内，大大低于国家标准所要求的30%。关键词：微波,热疗机 PID 控制采用热疗的方法肿瘤和癌症，已越来越广泛地受到专家和学者的重视，临床应用也已经收到很好的效果1。特别是近年来，大功率的射频热疗机、超声热疗机和微波热疗机相继问世，掀起了一个应用热疗的高潮。其中微波热疗机由于具有辐射能量的方向性好、加热面能量分布均匀、,0c59f8ea 工业大型微波炉 http:/
2、 PC 机与单片机系,0c59f8ea 工业大型微波炉 http:/ 器件作前端信号采集和控制输出接口，后台的 PC 机作图形数据处理以及 PID 计算。为了减少微波源系统对单片机和计算机系统的干扰，二者之间用光电隔离，并对此设计了线性光耦合电路。所有与微波源连接的通道都采用光电隔离，取得了很,好,的,效,果,。,1,原,理,screen.width-333)this.width=screen.width-333 微波热疗机采用磁控管作微波振荡管，微波的频率选定为 915MHz，当磁控管的点设置合理、内部振荡稳定时，微波可由谐振耦合器和同轴电缆耦合到专门设计的圆形辐射器输出。根据磁控管的原理,
3、0c59f8ea 工业大型微波炉 http:/ P 输出= ?VH?Ia(1),式中，Ia 是磁控管内由阴极到达阳极的电子流形成的阳极电流，VH 是加在磁控管阳极和阴极之间,的高电压，Ia?VH 是磁控管的输入功率， 是转换,效率系数，可通过标定确定，不同的机器略有差别。一般在整个过程中，VH 可通过对高压变压器的输,入电压采取稳压措施而基本维持不变，微波热疗机输出功率波动主要由磁控管阳极电流的波动及热漂移所引起。因此，要调节和控制输出微波功率，只需调节与控制阳极电流 Ia 即可。相关部分的电路原理图见图 1。磁场线圈 L1 绕在磁控管的外围，磁场电源 V 磁通过达林顿管组成的电路给磁场线,0
4、c59f8ea 工业大型微波炉 http:/ L1 提供励磁电流 Im，它将在磁控管内部产生磁场，此磁场强度 B 与励磁电流 Im 成正比。为了使磁控管电路稳定，令阳极电流 Ia 流过也绕在磁控管外围的线圈 L2 作为负反馈。当设计合理时，阳极电流 Ia 与磁场强度 B 有一种近似的反比关系，因此 Ia 与 Im 近似成反比。这样，可通过调节和控,制励磁电流 Im 来实现调节和控制阳极电流 Ia,从而达到调节和控制热疗机微波输出功率的目的。图1 下部的双光耦器件 TLP521-2 与运放 LM358 组成线性光耦合接口电路，正确设定 R3、R4、R5 和 R6，可将单片机D/A通道输出的模拟控
5、制电压 V控线性地转换成光电流 I 控，通过分流 T1 的基极电流来,0c59f8ea 工业大型微波炉 http:/ Im，进而实现对阳极电流 Ia 的控制。合理设定 R7 的值，使刚通电时 T2 饱和导通，Im最大，Ia 近似为 0，热疗机输出功率为零。然后由操作者根据需要设定热疗机输出相应的微波功率。与实现微波功率对应的阳极电流 Ia 由 R1 采样，取得 Va=Ia?R1，经图 1 上部的另一线性光耦合接口,电路变换成与 Va 成正比的 Vb 提供给单片机的 A/D接口电路，以实现对微波功率的测量。计算机、单片机系统的电路原理图见图 2。PC 机在 WIN95/98操 作 系 统 下 ，
6、 系 统 软 件 由 BorlandC+ 和FOXPROforWindows 混编而成。单片机采用 MCS51系列的 8032，它通过串行通讯接口芯片 MAX232 与,0c59f8ea 工业大型微波炉 http:/ 机的串口 2 相连。用于测量与输出功率对应的Vb 的模数转换采用 12 位的 AD574，它之前的运算放大器 OP-07 是为了将 Vb 变换成 AD574 所要求的010V 输入电压。将输出数字控制信号转换成模拟控制电压 V 控的数模转换器采用 8 位的 AD558，它的输出设定为 010V。调节 R5 和 R6 分压电路,的分压比可以使 V 控的变化范围满足后面线性光耦合接口
7、电路的需要。根据设计，实际时， UHR-915微波热疗机的输出功率范围为 100900W（国家标准规定它不能超过 900W），这样输出功率测量的理论分辨率可达约 0.2W，输出功率控制的理论分辨率可达红 3.1W。因此，即使考虑到实际过程中一,0c59f8ea 工业大型微波炉 http:/ V 数控发送到单片机，由 D/A通道输出模拟控制电压 V 控，而与热疗机实际加热功率对应的 Vb 则由 A/D 通道转换成数字量 Vp 后测,量。根据测量结果，由 PC 机执行 PID 计算，再将修正后的数字控制量 V 数控由 D/A 通道输出，依此循 环 不 断 。 2 增 量 式 PID 控 制 的 实
8、 现screen.width-333)this.width=screen.width-333 前，应首先通过定标实测 V 数控、Vp、P 输出的对应关系。方法是在定标程序中，由键盘操作计算,0c59f8ea 工业大型微波炉 http:/ 0 依次增加输出 V 数控（二进制整数）到单片机系统，经 D/A 通道转换成 V 迭，使得阳极电流Ia(亦即 Vb)及输出功率 P 输出相应增加。 Vb 由 A/D通道直接测量，并转换成二进制整数 Vp 传送回计算机。热疗机的实际输出功率则须经衰减器衰减后耦合到功率计进行测量，后测数据作为数据库文件,储存到计算机硬盘。当热疗机实际时，操作者通过键盘设定输出功率
9、 P 设定，PC 机根据 P 设定在定标数据库文件中查出相应的 V 数控（V 设定）发送到单片机系统，经 D/A 通道转换为相应的 V 控，使热疗机启动功率输出，单片机系统的 A/D 通道及时测量与热疗机的实际输出功率对应的 Vb，并将它,0c59f8ea 工业大型微波炉 http:/ Vp 后传送回计算机。计算机根据 Vp 在定标数据库文件中查算出对应的实际功率P 输出，再查出与此实际功率对应的 V 数控。为了区别计算机根据设定功率主动送出的 V 数控和由实测得到的 V 数控，特将后者设定为 V 数测。则输,出功率误差 P=P 输出-P 设定，计算机输出的控制,电压误差 V 数=V 数测-V
10、 设定。这样，PC 机每送,出一个 V 数据，都可通过测量获得与 V 数测，因而可计算输出功率误差和控制电压误差，为实现 PID控制创造了条件。为了获得较好的控制效果，减少控制振荡幅度，消除发生饱和的危险，特采用了增量式 PID 控制方式。设 Kp 为比例系数、Ki 为积分,0c59f8ea 工业大型微波炉 http:/ 为微分系数，则增量 PID 控制规律如式,（2）、（3）所示45： V 数 n=V 设定-V 数测 n（2）V 数控 n=V 数控 n-1+Kp( V 数 n- V 数n-1)+Ki V 数 n+Kd( V 数 n-2 V 数 n-1+ V 数,n-2（2）为了减小测量 V
11、数测的误差，除在硬件上采用滤波和采样保持电路外，在软件上，每次测量,V 数测时均连续采样 10 次，采用数字滤波，去掉 2个最大值和 2 个最小值后，取中间 6 个测量数据的平均值作为 V 数测。理论上，V 数测的采样间隔越小，控制特性越好。但在热疗机实际过程中，整个系统还需执行多路温度测量和监控以及各种状态检测等，使得测量V数测的间隔只能设定为0.2秒。,0c59f8ea 工业大型微波炉 http:/ PID 控制后，阳极电流的流动幅度和漂移速率均受到限制，因此这样的采样周期能够满足控制要求。但需要特别指出的是，对于不同的热疗机，微波电路特性略有差异，因此 Kp、Ki、Kd没有统一的参数标准。对于每一台机器，都需要反复地调节具体数值的大小，以便获得令人满意的控,制效果。在这里，经验数据对于缩短调试时间起着重要的作用。微波热疗作为一门新兴的肿瘤和癌症的方法正方兴未艾，特别是将它与化疗和放疗的方法相结合，取得了极好的临床效果。经测试，本热疗机输出微波功率的波动10%，大大低于最新国家标准所要求的30%。这表明本文介绍的电,0c59f8ea 工业大型微波炉 http:/
