一種艾煙凈化裝置設(shè)計(jì)與制作

劉建華，孟獻(xiàn)儀

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 徐海學(xué)院，江蘇徐州， 221008；2.徐州和緯信電科技有限公司，江蘇徐州， 221008）

艾灸療法是歷史悠久的中醫(yī)物理療法，此種方法由藥、熱、穴位組成，具有溫通經(jīng)絡(luò)、補(bǔ)養(yǎng)氣血、祛濕散寒等功效。但是艾灸時如果艾條沒有充分燃燒，煙霧包含了一氧化碳、二氧化氮等氮氧化物等如果艾灸中的某些成分燃燒不充分，會產(chǎn)生焦油、苯甲醛、苯酚、2,4—二甲基苯酚等芳香烴類物質(zhì)。艾煙及揮發(fā)油中的一些成分，比如α－側(cè)柏酮，對神經(jīng)系統(tǒng)也有不良反應(yīng)[1~2]。

三元催化器中裝有凈化劑，該凈化劑包括催化劑和載體。載體通常是以三氧化二鋁為原料，催化劑以鉑為主，少量銠，鈀，共催化劑二氧化鈰(CeO2)，γ-Al2O3（三氧化二鋁）氧化催化劑。鉑是一種催化氧化一氧化碳和碳?xì)浠衔锏拇呋瘎?，其中Rh（銠）是催化還原的主要成分，Pd（鈀）對一氧化碳和烴類的氧化作用有促進(jìn)作用。當(dāng)艾煙進(jìn)入催化器后，載體上的活性物質(zhì)會增加CO、HC、NOX的活性，一氧化碳與碳?xì)浠衔锇l(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳和水；氮氧化合生成物發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生氮?dú)夂脱鯕?，從而達(dá)到凈化艾煙的效果。但是三元催化劑需要在500℃~800℃的高溫下進(jìn)行催化，溫度過低會降低催化劑的轉(zhuǎn)化率，溫度過高會降低催化劑的活性。因此，系統(tǒng)需要對艾煙溫度進(jìn)行控制，考慮到能效比，為了節(jié)約用電，盡量穩(wěn)定在500℃。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本文根據(jù)三元催化器催化條件以及系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)了一款煙霧凈化裝置，裝置包括加熱器、測溫傳感器、三元催化器、散熱器、控制板電路、數(shù)碼管顯示電路、藍(lán)牙通信模塊、讀卡器及電源電路等模塊。裝置組成如圖1所示。

圖1 裝置組成

101為加熱器，對艾煙進(jìn)行預(yù)處理，使其達(dá)到500℃后送入三元催化器，102為三元催化器，201是固態(tài)繼電器，通過繼電器通斷控制加熱器是否投入運(yùn)行，從而達(dá)到控制溫度的目的；氣體在三元催化器中反應(yīng)后被釋放，溫度高達(dá)500℃，103散熱器和203散熱風(fēng)機(jī)用來對其降溫處理；204軸流風(fēng)機(jī)用來進(jìn)行除塵操作。302是主控制板模塊，202熱電偶用來檢測溫度、301顯示板將溫度等數(shù)據(jù)送到顯示端。303為讀卡器模塊，304為藍(lán)牙模塊，均可實(shí)現(xiàn)開機(jī)控制，401是電源電路，本文著重介紹讀卡模式下的裝置設(shè)計(jì)。

2 硬件選型

■2.1 加熱器

為了使艾煙溫度達(dá)到三元催化器最佳工作溫度，設(shè)置加熱器對艾煙進(jìn)行預(yù)處理。因?yàn)殒嚮辖鹉軌虺惺?50℃~1000℃高溫，同時硬度較高不容易變形，也不易氧化腐蝕，所以加熱器模塊采用鐵鎳合金型加熱器。

■2.2 三元催化器

本裝置選取的三元催化器是通用型國六（TWC+GPF）蜂窩陶瓷載體涂覆尾氣凈化器，該凈化器熱膨脹系數(shù)低；孔壁上的孔隙率高、流通性好、分布均勻；耐高溫，抗化學(xué)侵蝕性能優(yōu)，抗熱震性能和抗熱沖擊性能強(qiáng)；壓降小，冷啟動性能好，起燃溫度低，轉(zhuǎn)換效率高。外殼采用蜂窩陶瓷載體，各項(xiàng)性能均能滿足設(shè)計(jì)需求。

■2.3 測溫傳感器

測溫傳感器選用Maxim公司的MAX6675，這是一款集成了熱電偶放大器、冷端補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換器及SPI串口的熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器。該器件使用方便，溫度范圍寬，溫度測量精度高。

■2.4 控制板

本設(shè)計(jì)采用STC8A8K60S4A12-LQFP44作為主控制器。該芯片無需外部晶振和外部復(fù)位，同時具有很好的抗干擾能力，具有快速運(yùn)行、成本使用低。功率消耗小等特點(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

■2.5 讀卡器模塊

讀卡器選用的是NXP公司的RC522，這是一款高頻射頻芯片，它支持ISO14443A協(xié)議，通過微波實(shí)現(xiàn)通信，距離可以達(dá)到50mm。

系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），而自主培養(yǎng)興趣、主動參與實(shí)踐、充分運(yùn)用學(xué)習(xí)時間、問題處理情況、疾病診斷及鑒別水平評分低于CBL組，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

圖2 系統(tǒng)原理圖

3 算法設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

PID調(diào)節(jié)是經(jīng)典的系統(tǒng)調(diào)節(jié)算法，離散的PID調(diào)節(jié)公式如下：

式中Mn是在第n個采樣周期計(jì)算得到的輸出計(jì)算值；SV是溫度設(shè)定值；PVn是在第n采樣時刻的過程變量值；PVn-1是第n-1采樣時刻的過程變量值；MX是積分前項(xiàng)值；Mintial是PID回路的靜態(tài)輸出值；Kc是PID回路的比例增益；KI是積分項(xiàng)的比例常數(shù)，KI=KC?TS/Ti；TS是離散化時的采樣時間間隔，Ti是積分時間參數(shù)；KD是微分項(xiàng)的比例常數(shù)KD=KC?Td/Ts；Ti是離散化時的采樣時間間隔，Td是微分時間參數(shù)。比例項(xiàng)能反映出系統(tǒng)的偏移，并在系統(tǒng)出現(xiàn)變化時進(jìn)行調(diào)節(jié)，比例效應(yīng)愈大，則調(diào)節(jié)速率愈快，誤差愈小。但如果比例調(diào)整得太大，則會使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，甚至出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象；積分環(huán)節(jié)主要實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)：若設(shè)定值與有偏差，則進(jìn)行積分動作，直到?jīng)]有偏差為止，積分的強(qiáng)弱與Ti的積分時間常數(shù)相關(guān)，Ti越小，積分的作用也就越大。積分項(xiàng)的輸出響應(yīng)較慢，導(dǎo)致調(diào)整時間增加。微分項(xiàng)能夠預(yù)測系統(tǒng)過程變量變化的速率(PVn-1-PVn)/Ts，從而在偏差還沒有形成之前其進(jìn)行調(diào)整。從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性。合理選擇Td的參數(shù)，可以減小超調(diào)，縮短調(diào)節(jié)時間。但是微分調(diào)節(jié)會放大干擾微分調(diào)節(jié)過大可能降低系統(tǒng)的抗干擾性。所以三個參數(shù)的合理設(shè)置，對系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性有很大的影響。

加熱器通過固態(tài)繼電器驅(qū)動，固態(tài)繼電器SSR采用脈沖寬度可調(diào)節(jié)的UOUT輸出。在SSR觸發(fā)角度觸發(fā)時，供電電壓UAN加載在加熱管兩端；SSR在無觸發(fā)角時，加熱管兩端無電壓。這樣在加熱管上的平均電壓是Ud=(t/T)*UAN=K*UAN其中K=t/T，是一個周期T內(nèi)繼電器被觸發(fā)的比率，K的變化率在0~1之間。一般情況下為是周期T不變，加熱管的電壓根據(jù)t的變化在0~UAN之間變化，這種調(diào)節(jié)方法稱為定頻調(diào)寬法。本裝置中利用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)對加熱器電壓進(jìn)行控制，若溫度超過設(shè)定值，降低占空比，從而降低加熱器兩端電壓，加熱器輸出減小，反之，若實(shí)際溫度低于設(shè)定值，則增加占空比，使加熱器兩端電壓增大，溫度升高。工作波形如圖3所示。

圖3 加熱器調(diào)節(jié)工作波形

值得注意的是：溫控系統(tǒng)是一個具有大慣性的系統(tǒng)，即在溫區(qū)開始升溫后，溫區(qū)的溫度沒有明顯地升高；類似地，在停止加熱后，溫度仍會有一些升高。此外，與溫區(qū)的實(shí)際溫度相比，熱電偶所測得的溫度也有一定的延遲。這使得溫度控制會遇到如下難題：當(dāng)溫度傳感測定值(PV)達(dá)到預(yù)設(shè)值時關(guān)閉加熱器，則由于溫度的遲滯作用，會使溫度超調(diào)一段時間后才能恢復(fù)到預(yù)設(shè)值；當(dāng)溫度傳感值(PV)沒有到達(dá)設(shè)置值時就關(guān)閉加熱器，溫度又很難到達(dá)設(shè)置值。為解決系統(tǒng)的反應(yīng)速率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性之間的矛盾，設(shè)計(jì)將溫度控制其分成兩個階段：

（1）PID調(diào)節(jié)前階段：在此階段，由于溫區(qū)的溫度與預(yù)設(shè)溫度相差較大，加熱管最大功率運(yùn)行，使溫度快速升高，當(dāng)溫度變化速率達(dá)到要求時，加熱器停止運(yùn)行。采用“加速速率”而不是實(shí)時溫度控制過快的溫升，是為了減小溫度慣性和測量延遲帶來的影響，防止在第一次達(dá)到設(shè)定值（SV）時出現(xiàn)過大超調(diào)。在這個過程中PID調(diào)節(jié)器不工作，靠繼電器的通斷控制加熱器的運(yùn)行，此時只有兩種狀態(tài)，占空比K=0或K=100%。

（2）PID調(diào)節(jié)階段：在這個階段，由PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)溫度，在受到外部干擾時，PID自動調(diào)節(jié)，根據(jù)偏差值的大小計(jì)算占空比（0~100%），調(diào)節(jié)至偏差為零，最后達(dá)到平衡狀態(tài)。

綜上所述，系統(tǒng)工作流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)流程圖

①開機(jī)后，系統(tǒng)自檢，檢查溫度傳感器、數(shù)碼管、風(fēng)機(jī)是否正常，數(shù)碼管從0~9依次刷新；

③開機(jī)后，主風(fēng)機(jī)開始工作，將艾煙抽到凈化裝置的煙道中，三元催化器位于加熱器后部；

④單片機(jī)采集當(dāng)前艾煙溫度，根據(jù)PID調(diào)節(jié)算法，當(dāng)溫度低于450℃時，占空比調(diào)到100%，加熱器滿功率加熱，當(dāng)溫度高于450℃時，根據(jù)前文所述定頻調(diào)寬法調(diào)整K，確保溫度快速、穩(wěn)定地工作在500℃；

⑤PID計(jì)算結(jié)果經(jīng)過固態(tài)繼電器驅(qū)動加熱器工作，同時單片機(jī)累計(jì)工作時間，根據(jù)艾柱的長短，工作時間可自由設(shè)定，工作時間到后，艾灸結(jié)束，不再產(chǎn)生艾煙，處理也隨之停止。

4 系統(tǒng)調(diào)試

刷卡后，裝置點(diǎn)火后，艾煙產(chǎn)生，加熱器開始工作，溫度從100℃升到450℃需要50s左右，450℃之后，溫度開始微調(diào)，大約10s進(jìn)入500℃的穩(wěn)定區(qū)，超調(diào)量約為4℃。

通過霧霾測試儀對裝置出風(fēng)口周邊空氣進(jìn)行檢測，PM10顆粒及一氧化碳含量與控制溫度關(guān)系如表1所示。

表1 溫度與催化結(jié)果

從上述數(shù)據(jù)可以看出，在控制溫度達(dá)到450℃后，凈化效果明顯改善；500℃和550℃溫度下，凈化效果變化不大，為了降低裝置整體功耗，控制溫度設(shè)定為500℃，這種方法實(shí)用可行。

5 小結(jié)

本文積極響應(yīng)國家的雙碳政策，使用三元催化器對艾煙進(jìn)行處理，通過單片機(jī)控制艾煙溫度，使其保持在三元催化器的最佳工作溫度，將艾灸產(chǎn)生的煙霧轉(zhuǎn)換為水和二氧化碳等無害物質(zhì)，解決了傳統(tǒng)艾灸帶來的環(huán)境問題。系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)測試，凈化效果明顯。