翦知渐 陈小林 谢 中 皮承宪 任长学

     来源：《电子技术应用》

     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100～900w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

     采用热疗的方法治疗肿瘤和癌症，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、有效透热深度深、既可对肿瘤作局部热疗又可对患者作全身热疗等优点而独领风骚。但是，由于微波本身的特性，使得稳定地产生、传导和输出大功率微波的技术和工艺相当复杂。特别是负载（受热体）和辐射器本身对微波的反射，有可能引起微波磁控管振荡条件改变而导致输出功率的漂移甚至振荡等不稳定现象。另一方面，由于大功率微波的强干扰，导致控制、测量系统与微波源的衔接十分困难。因此，现有的相应国家标准[2]在这方面制定得比较宽松，它规定微波医疗设备的输出功率波动应≤±30%。但即便如此，若没有完善的控制电路和控制方法也是难以达到的。作者将pc机与单片机系统相结合构成测控系统，利用单片机及外围的ac/da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 工作原理

     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，当磁控管的工作点设置合理、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。根据磁控管的工作原理[3]，微波输出功率近似满足：

     p输出=η·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，η是转换效率系数，可通过标定确定，不同的机器略有差别。一般在整个工作过程中，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圈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。为了使磁控管电路工作稳定，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的基极电流来控制磁场电流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机工作在win95/98操作系统下，系统软件由borland

     c++和foxpro for windows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pc机的串口2相连