低壓電解水臭氧發(fā)生器控制系統(tǒng)設(shè)計

龔春河，衣 穎，吳金輝，朱孟府，鄧 橙

（軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院衛(wèi)勤保障技術(shù)研究所，天津 300161）

0 引言

臭氧是一種強氧化劑，可以快速去除多種有機物和病原體，被廣泛應(yīng)用于水處理、醫(yī)療消毒以及空氣消毒等領(lǐng)域[1-5]。臭氧用于消毒后分解成氧氣，不會造成二次污染。因此，臭氧比氯、過氧化氫等消毒劑更具應(yīng)用前景[6-7]。臭氧的制備方法主要有紫外線照射法、介質(zhì)阻擋放電法和電解法[8]。目前，大部分臭氧發(fā)生器采用介質(zhì)阻擋放電法產(chǎn)生臭氧。此類臭氧發(fā)生器需要很高的電壓和高質(zhì)量的空氣或者純氧，生產(chǎn)成本較高，并且在工作過程中會產(chǎn)生氮氧化物污染環(huán)境[9]。電解法克服了介質(zhì)阻擋放電法的不足，通過選擇具有較高析氧電位的Pt、SbO2、金剛石等材料作為陽極，運用低壓直流電電解電解質(zhì)溶液，從而在陽極產(chǎn)生高質(zhì)量濃度臭氧，其副產(chǎn)物為氧氣，清潔無污染[9-11]。目前，國內(nèi)對于電解式臭氧發(fā)生器的控制系統(tǒng)研究較少，操作員主要通過開關(guān)按鍵人工控制臭氧發(fā)生器工作。高質(zhì)量濃度的臭氧會對人體產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的傷害，現(xiàn)有的電解式臭氧發(fā)生器缺少臭氧質(zhì)量濃度監(jiān)測功能，工作時難以做到精確控制臭氧質(zhì)量濃度。

針對以上問題，本研究結(jié)合低壓電解水制備臭氧工藝，通過傳感器采集水位、臭氧質(zhì)量濃度以及電池狀態(tài)等信息，以PIC18F4520單片機為控制核心，設(shè)計低壓電解水臭氧發(fā)生器控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對低壓電解水臭氧發(fā)生器的自動控制，達(dá)到精確控制臭氧質(zhì)量濃度，實現(xiàn)安全、高效消毒的目的。

1 低壓電解水臭氧發(fā)生器控制系統(tǒng)設(shè)計思路

低壓電解水制備臭氧技術(shù)的研究主要圍繞電極材料和電解質(zhì)的選擇展開[3，8]。低壓電解水制備臭氧工藝采用固體聚合物電解質(zhì)技術(shù)，選擇質(zhì)子交換膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)液體含氧電解質(zhì)，與具有較高析氧電位的貴金屬電極組成膜電極組件（membrane electrode assembly，MEA），通過電解水得到高質(zhì)量濃度的臭氧[12]。為研制低壓電解水臭氧發(fā)生器設(shè)備，結(jié)合低壓電解水制備臭氧的原理，建立低壓電解水制備臭氧的工藝流程，如圖1所示。將水箱中的去離子水通過蠕動泵送入MEA內(nèi)，同時對MEA施加低壓直流電源，使其電解去離子水。在陽極產(chǎn)生臭氧，H+通過質(zhì)子交換膜移動到陰極發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。質(zhì)子交換膜使用美國杜邦公司的Nafion-115膜，其具有電化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、力學(xué)性能優(yōu)異、電導(dǎo)率高、選擇滲透性好、無選擇性分離作用和壓降現(xiàn)象等優(yōu)點[13]。電極材料選擇硼摻雜金剛石電極，該電極具有較高的析氧電位，且穩(wěn)定性高、耐腐蝕性強，能有效提高臭氧產(chǎn)量，降低能耗[14-15]。

本研究結(jié)合低壓電解水制備臭氧工藝流程，以PIC18F4520單片機為控制核心設(shè)計低壓電解水臭氧發(fā)生器控制系統(tǒng)。單片機通過臭氧濃度傳感器采集臭氧質(zhì)量濃度信息：當(dāng)臭氧質(zhì)量濃度超標(biāo)時，控制臭氧發(fā)生器停止工作，當(dāng)臭氧質(zhì)量濃度下降至消毒規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)后，臭氧發(fā)生器重啟工作，以此達(dá)到精確控制臭氧質(zhì)量濃度的目的。

2 硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)以PIC18F4520為控制核心。PIC18系列單片機是美國Microchip公司研發(fā)的基于納瓦技術(shù)的嵌入式增強型FLASH單片機，與其他單片機相比，具有功耗低、速度快、穩(wěn)定性強以及價格便宜等優(yōu)點。控制系統(tǒng)集成了MEA驅(qū)動、水位監(jiān)測與報警、臭氧質(zhì)量濃度監(jiān)測及人機交互等功能單元，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 低壓電解水臭氧發(fā)生器控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 MEA驅(qū)動單元設(shè)計

MEA驅(qū)動單元是低壓電解水臭氧發(fā)生器的核心部件，由MEA反應(yīng)器與蠕動泵組成。PIC18F4520單片機通過RB6、RB7輸出信號控制蠕動泵與MEA反應(yīng)器工作。因為MEA反應(yīng)器工作電壓為9 V，蠕動泵工作電壓為12 V，而PIC18F4520單片機工作電壓為5 V，不足以驅(qū)動MEA反應(yīng)器與蠕動泵，所以需要通過繼電器控制MEA反應(yīng)器與蠕動泵工作。PIC18F4520單片機I/O端口電流驅(qū)動能力為25 mA，不足以直接驅(qū)動繼電器工作，可通過8050三極管放大單片機的輸出信號，以達(dá)到驅(qū)動繼電器工作的目的。MEA驅(qū)動單元電路原理圖如圖3所示。

圖3 MEA驅(qū)動單元電路原理圖

2.2 水位監(jiān)測與報警單元設(shè)計

水位監(jiān)測與報警單元主要由水位傳感器、LED指示燈和蜂鳴器組成。PIC18F4520單片機通過RD0、RD1掃描水位傳感器“高/低”水位信號，經(jīng)過內(nèi)置程序處理后，由RB0、RB1、RB2輸出信號控制“高/低”水位聲光報警。采用水位傳感器ZCT-YOF07進行水位監(jiān)測。ZCT-YOF07是無接觸式柔性水位傳感器，其工作電壓為5 V，工作時無需與液體直接接觸，當(dāng)檢測到無液體時輸出高電平。PIC18F4520單片機的I/O端口不足以同時驅(qū)動LED指示燈與蜂鳴器，因此使用ULN2003放大單片機的輸出信號。ULN2003是高耐壓、大電流達(dá)林頓陣列，具有工作電流大、負(fù)載能力強、工作溫度范圍廣等特點，適用于各類要求大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。水位監(jiān)測與報警單元電路原理圖如圖4所示。

圖4 水位監(jiān)測與報警單元電路原理圖

2.3 人機交互單元設(shè)計

人機交互單元由按鍵電路和用戶可視化平臺組成。按鍵電路設(shè)置開始/暫?！癘N/OFF”、功能菜單“SET”以及模式選擇“+”和“-”共4個按鍵。PIC18F4520單片機通過RD4～RD7掃描檢測按鍵使用情況，設(shè)置臭氧發(fā)生器工作參數(shù)。采用SMR12864作為用戶可視化平臺，屏幕上顯示低壓電解水臭氧發(fā)生器的工作狀態(tài)、水位情況、臭氧質(zhì)量濃度以及電池狀態(tài)等信息。SMR12864是128×64點陣液晶顯示器，最多顯示16字符×4行，提供串行接口，與PIC18F4520單片機SCK、SDA以及RB0連接。人機交互單元電路原理圖如圖5所示。

圖5 人機交互單元電路原理圖

2.4 臭氧質(zhì)量濃度監(jiān)測單元設(shè)計

臭氧質(zhì)量濃度監(jiān)測單元是通過臭氧濃度傳感器監(jiān)測工作環(huán)境中的臭氧質(zhì)量濃度信息，并通過PIC18F4520單片機將臭氧質(zhì)量濃度信息發(fā)送至用戶可視化平臺顯示。選擇德控森社臭氧傳感器，其是一款檢測環(huán)境臭氧質(zhì)量濃度的通用型、小型化傳感器模組，具有壽命長、精度高、重復(fù)性高和穩(wěn)定性強等特點。該臭氧傳感器工作電壓為5 V，輸出信號為0～3 V模擬量，工作時與PIC18F4520單片機A/D轉(zhuǎn)換端口RA0/AN0連接，實現(xiàn)臭氧質(zhì)量濃度監(jiān)測功能。臭氧質(zhì)量濃度監(jiān)測單元電路原理圖如圖6所示。

圖6 臭氧質(zhì)量濃度監(jiān)測單元電路原理圖

3 軟件設(shè)計

采用MPLAB X軟件和C語言對PIC18F4520單片機進行編程。使用人機交互按鍵設(shè)置臭氧發(fā)生器的工作模式，結(jié)合水位、臭氧質(zhì)量濃度以及電池狀態(tài)等信息，通過PIC18F4520單片機實現(xiàn)對臭氧發(fā)生器的自動控制。低壓電解水臭氧發(fā)生器控制系統(tǒng)軟件程序流程圖如圖7所示。

圖7 低壓電解水臭氧發(fā)生器控制系統(tǒng)軟件程序流程圖

系統(tǒng)初始化后，檢測電池電量與水位情況：當(dāng)檢測到電池電量不足時，顯示屏顯示“電量低，請充電！”；當(dāng)檢測到水位低信號時，顯示屏顯示“水位過低！”；當(dāng)檢測到水位高信號時，顯示屏顯示“水位過高！”。當(dāng)檢測到電池電量與水位情況正常后進行按鍵掃描，根據(jù)掃描情況設(shè)置臭氧發(fā)生器的工作時間、工作模式等工作參數(shù)，同時將工作模式等信息發(fā)送至顯示屏。根據(jù)設(shè)置的工作參數(shù)，控制MEA單元工作。在MEA單元工作期間，實時監(jiān)測環(huán)境中的臭氧質(zhì)量濃度，當(dāng)臭氧質(zhì)量濃度超過預(yù)設(shè)上限值后，暫停MEA單元工作，直至臭氧質(zhì)量濃度降至預(yù)設(shè)下限值再重啟MEA單元工作，如此循環(huán)，直至達(dá)到設(shè)置的工作時間后，設(shè)備停止工作。

控制系統(tǒng)內(nèi)置普通消毒模式和快速消毒模式2種工作模式。在普通消毒模式中，臭氧發(fā)生器工作時間為2 h，臭氧質(zhì)量濃度上限為90 mg/m3、下限為65 mg/m3；在快速消毒模式中，臭氧發(fā)生器工作時間為1 h，臭氧質(zhì)量濃度上限為120 mg/m3、下限為80 mg/m3。

4 低壓電解水臭氧發(fā)生器控制系統(tǒng)功能測試

4.1 水位監(jiān)測與報警功能測試

低壓電解水臭氧發(fā)生器以去離子水為原料制備臭氧，副產(chǎn)物為氫氣，清潔無污染。但是，若臭氧發(fā)生器內(nèi)去離子水不足，會導(dǎo)致MEA短路，損壞MEA反應(yīng)器。因此，在使用臭氧消毒器時，需要對臭氧發(fā)生器的水位進行監(jiān)測。

使用Maynuo M8811移動電源對控制系統(tǒng)供電，供電電壓為12 V。向低壓電解水臭氧發(fā)生器的水箱內(nèi)緩慢注入純水，直至注滿水箱，觀察水位監(jiān)測與報警單元工作情況，重復(fù)測試3次。在3次重復(fù)實驗中，當(dāng)水箱內(nèi)水位低于低液位線或水位高于高液位線時，水位監(jiān)測與報警單元均會報警。實驗結(jié)果表明，本控制系統(tǒng)實現(xiàn)了水位監(jiān)測與報警功能。

4.2 臭氧質(zhì)量濃度監(jiān)控功能測試

根據(jù)衛(wèi)生部《消毒技術(shù)規(guī)范》（2002年版）要求，使用臭氧氣體對物體表面進行消毒，臭氧質(zhì)量濃度須達(dá)到60 mg/m3，作用60～120 min可達(dá)到消毒效果。同時，臭氧具有強氧化性，高質(zhì)量濃度的臭氧會腐蝕被消毒的物品。因此，在使用臭氧發(fā)生器對物體表面進行消毒時，需要控制臭氧質(zhì)量濃度。

采用3 cm×3 cm金剛石電極以及Nafion-115膜組成MEA反應(yīng)器，使用Maynuo M8811移動電源對控制系統(tǒng)供電，供電電壓為12 V。將控制系統(tǒng)及MEA反應(yīng)器放入3 m3的密封艙內(nèi)，通過按鍵設(shè)置工作模式為普通消毒模式，用臭氧濃度檢測儀監(jiān)測密封艙內(nèi)的臭氧質(zhì)量濃度，結(jié)果如圖8所示。

圖8 密封艙內(nèi)臭氧質(zhì)量濃度變化

從圖8中可以看出，在控制系統(tǒng)工作期間，密封艙內(nèi)臭氧質(zhì)量濃度在65～90 mg/m3范圍內(nèi)波動。實驗結(jié)果表明，本控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對低壓電解水臭氧發(fā)生器的自動控制，可達(dá)到精確控制臭氧質(zhì)量濃度的目的。

5 結(jié)語

本文基于低壓電解水臭氧制備工藝，設(shè)計了以PIC18F4520為核心的電解水臭氧發(fā)生器控制系統(tǒng)。經(jīng)過功能測試，控制系統(tǒng)操作簡單、工作性能穩(wěn)定。本研究對低功耗下高效臭氧發(fā)生技術(shù)的研究和便攜化臭氧消毒裝置的研制具有重要的借鑒意義。但本文設(shè)計的控制系統(tǒng)主要依靠觸控按鍵進行人機交互，在密封艙內(nèi)工作時不便于操作。近年來，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，智能遙控、萬物互聯(lián)是便攜式裝備未來的發(fā)展趨勢。下一步對控制系統(tǒng)進行改進時，可設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)通信單元，增加遠(yuǎn)程遙控功能，以實現(xiàn)更加智能、高效的人機交互。