一種艾煙凈化裝置設計與制作

劉建華，孟獻儀

（1.中國礦業大學 徐海學院，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物理療法，此種方法由藥、熱、穴位組成，具有溫通經絡、補養氣血、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，會產生焦油、苯甲醛、苯酚、2,4—二甲基苯酚等芳香烴類物質。艾煙及揮發油中的一些成分，比如α－側柏酮，對神經系統也有不良反應[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氫化合物的催化劑，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作用。當艾煙進入催化器后，載體上的活性物質會增加CO、HC、NOX的活性，一氧化碳與碳氫化合物發生氧化反應，產生二氧化碳和水；氮氧化合生成物發生還原反應產生氮氣和氧氣，從而達到凈化艾煙的效果。但是三元催化劑需要在500℃~800℃的高溫下進行催化，溫度過低會降低催化劑的轉化率，溫度過高會降低催化劑的活性。因此，系統需要對艾煙溫度進行控制，考慮到能效比，為了節約用電，盡量穩定在500℃。

1 系統構成

本文根據三元催化器催化條件以及系統功能要求設計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、數碼管顯示電路、藍牙通信模塊、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，對艾煙進行預處理，使其達到500℃后送入三元催化器，102為三元催化器，201是固態繼電器，通過繼電器通斷控制加熱器是否投入運行，從而達到控制溫度的目的；氣體在三元催化器中反應后被釋放，溫度高達500℃，103散熱器和203散熱風機用來對其降溫處理；204軸流風機用來進行除塵操作。302是主控制板模塊，202熱電偶用來檢測溫度、301顯示板將溫度等數據送到顯示端。303為讀卡器模塊，304為藍牙模塊，均可實現開機控制，401是電源電路，本文著重介紹讀卡模式下的裝置設計。

2 硬件選型

■2.1 加熱器

為了使艾煙溫度達到三元催化器最佳工作溫度，設置加熱器對艾煙進行預處理。因為鎳基合金能夠承受650℃~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低；孔壁上的孔隙率高、流通性好、分布均勻；耐高溫，抗化學侵蝕性能優，抗熱震性能和抗熱沖擊性能強；壓降小，冷啟動性能好，起燃溫度低，轉換效率高。外殼采用蜂窩陶瓷載體，各項性能均能滿足設計需求。

■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、冷端補償、A/D轉換器及SPI串口的熱電偶放大器與數字轉換器。該器件使用方便，溫度范圍寬，溫度測量精度高。

■2.4 控制板

本設計采用STC8A8K60S4A12-LQFP44作為主控制器。該芯片無需外部晶振和外部復位，同時具有很好的抗干擾能力，具有快速運行、成本使用低。功率消耗小等特點，能夠滿足系統設計需求。

■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協議，通過微波實現通信，距離可以達到50mm。

系統電路圖如圖2所示。

差異具有統計學意義（P＜0.05），而自主培養興趣、主動參與實踐、充分運用學習時間、問題處理情況、疾病診斷及鑒別水平評分低于CBL組，差異具有統計學意義（P＜0.05）。

圖2 系統原理圖

3 算法設計及實現

PID調節是經典的系統調節算法，離散的PID調節公式如下：

式中Mn是在第n個采樣周期計算得到的輸出計算值；SV是溫度設定值；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是積分前項值；Mintial是PID回路的靜態輸出值；Kc是PID回路的比例增益；KI是積分項的比例常數，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；KD是微分項的比例常數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。比例項能反映出系統的偏移，并在系統出現變化時進行調節，比例效應愈大，則調節速率愈快，誤差愈小。但如果比例調整得太大，則會使系統穩定性下降，甚至出現不穩定現象；積分環節主要實現無差調節：若設定值與有偏差，則進行積分動作，直到沒有偏差為止，積分的強弱與Ti的積分時間常數相關，Ti越小，積分的作用也就越大。積分項的輸出響應較慢，導致調整時間增加。微分項能夠預測系統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行調整。從而改善了系統的動態特性。合理選擇Td的參數，可以減小超調，縮短調節時間。但是微分調節會放大干擾微分調節過大可能降低系統的抗干擾性。所以三個參數的合理設置，對系統的快速性、穩定性有很大的影響。

加熱器通過固態繼電器驅動，固態繼電器SSR采用脈沖寬度可調節的UOUT輸出。在SSR觸發角度觸發時，供電電壓UAN加載在加熱管兩端；SSR在無觸發角時，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內繼電器被觸發的比率，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t的變化在0~UAN之間變化，這種調節方法稱為定頻調寬法。本裝置中利用脈沖寬度調制技術對加熱器電壓進行控制，若溫度超過設定值，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，若實際溫度低于設定值，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 加熱器調節工作波形

值得注意的是：溫控系統是一個具有大慣性的系統，即在溫區開始升溫后，溫區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，與溫區的實際溫度相比，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：當溫度傳感測定值(PV)達到預設值時關閉加熱器，則由于溫度的遲滯作用，會使溫度超調一段時間后才能恢復到預設值；當溫度傳感值(PV)沒有到達設置值時就關閉加熱器，溫度又很難到達設置值。為解決系統的反應速率和系統的穩定性之間的矛盾，設計將溫度控制其分成兩個階段：

（1）PID調節前階段：在此階段，由于溫區的溫度與預設溫度相差較大，加熱管最大功率運行，使溫度快速升高，當溫度變化速率達到要求時，加熱器停止運行。采用“加速速率”而不是實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，防止在第一次達到設定值（SV）時出現過大超調。在這個過程中PID調節器不工作，靠繼電器的通斷控制加熱器的運行，此時只有兩種狀態，占空比K=0或K=100%。

（2）PID調節階段：在這個階段，由PID調節器調節溫度，在受到外部干擾時，PID自動調節，根據偏差值的大小計算占空比（0~100%），調節至偏差為零，最后達到平衡狀態。

綜上所述，系統工作流程圖如圖4所示。

圖4 系統流程圖

①開機后，系統自檢，檢查溫度傳感器、數碼管、風機是否正常，數碼管從0~9依次刷新；

③開機后，主風機開始工作，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單片機采集當前艾煙溫度，根據PID調節算法，當溫度低于450℃時，占空比調到100%，加熱器滿功率加熱，當溫度高于450℃時，根據前文所述定頻調寬法調整K，確保溫度快速、穩定地工作在500℃；

⑤PID計算結果經過固態繼電器驅動加熱器工作，同時單片機累計工作時間，根據艾柱的長短，工作時間可自由設定，工作時間到后，艾灸結束，不再產生艾煙，處理也隨之停止。

4 系統調試

刷卡后，裝置點火后，艾煙產生，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，大約10s進入500℃的穩定區，超調量約為4℃。

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

表1 溫度與催化結果

從上述數據可以看出，在控制溫度達到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，控制溫度設定為500℃，這種方法實用可行。

5 小結

本文積極響應國家的雙碳政策，使用三元催化器對艾煙進行處理，通過單片機控制艾煙溫度，使其保持在三元催化器的最佳工作溫度，將艾灸產生的煙霧轉換為水和二氧化碳等無害物質，解決了傳統艾灸帶來的環境問題。系統經過反復測試，凈化效果明顯。