一种艾烟净化装置设计与制作

刘建华，孟献仪

（1.中国矿业大学 徐海学院，江苏徐州， 221008；2.徐州和纬信电科技有限公司，江苏徐州， 221008）

艾灸疗法是历史悠久的中医物理疗法，此种方法由药、热、穴位组成，具有温通经络、补养气血、祛湿散寒等功效。但是艾灸时如果艾条没有充分燃烧，烟雾包含了一氧化碳、二氧化氮等氮氧化物等如果艾灸中的某些成分燃烧不充分，会产生焦油、苯甲醛、苯酚、2,4—二甲基苯酚等芳香烃类物质。艾烟及挥发油中的一些成分，比如α－侧柏酮，对神经系统也有不良反应[1~2]。

三元催化器中装有净化剂，该净化剂包括催化剂和载体。载体通常是以三氧化二铝为原料，催化剂以铂为主，少量铑，钯，共催化剂二氧化铈(CeO2)，γ-Al2O3（三氧化二铝）氧化催化剂。铂是一种催化氧化一氧化碳和碳氢化合物的催化剂，其中Rh（铑）是催化还原的主要成分，Pd（钯）对一氧化碳和烃类的氧化作用有促进作用。当艾烟进入催化器后，载体上的活性物质会增加CO、HC、NOX的活性，一氧化碳与碳氢化合物发生氧化反应，产生二氧化碳和水；氮氧化合生成物发生还原反应产生氮气和氧气，从而达到净化艾烟的效果。但是三元催化剂需要在500℃~800℃的高温下进行催化，温度过低会降低催化剂的转化率，温度过高会降低催化剂的活性。因此，系统需要对艾烟温度进行控制，考虑到能效比，为了节约用电，尽量稳定在500℃。

1 系统构成

本文根据三元催化器催化条件以及系统功能要求设计了一款烟雾净化装置，装置包括加热器、测温传感器、三元催化器、散热器、控制板电路、数码管显示电路、蓝牙通信模块、读卡器及电源电路等模块。装置组成如图1所示。

图1 装置组成

101为加热器，对艾烟进行预处理，使其达到500℃后送入三元催化器，102为三元催化器，201是固态继电器，通过继电器通断控制加热器是否投入运行，从而达到控制温度的目的；气体在三元催化器中反应后被释放，温度高达500℃，103散热器和203散热风机用来对其降温处理；204轴流风机用来进行除尘操作。302是主控制板模块，202热电偶用来检测温度、301显示板将温度等数据送到显示端。303为读卡器模块，304为蓝牙模块，均可实现开机控制，401是电源电路，本文着重介绍读卡模式下的装置设计。

2 硬件选型

■2.1 加热器

为了使艾烟温度达到三元催化器最佳工作温度，设置加热器对艾烟进行预处理。因为镍基合金能够承受650℃~1000℃高温，同时硬度较高不容易变形，也不易氧化腐蚀，所以加热器模块采用铁镍合金型加热器。

■2.2 三元催化器

本装置选取的三元催化器是通用型国六（TWC+GPF）蜂窝陶瓷载体涂覆尾气净化器，该净化器热膨胀系数低；孔壁上的孔隙率高、流通性好、分布均匀；耐高温，抗化学侵蚀性能优，抗热震性能和抗热冲击性能强；压降小，冷启动性能好，起燃温度低，转换效率高。外壳采用蜂窝陶瓷载体，各项性能均能满足设计需求。

■2.3 测温传感器

测温传感器选用Maxim公司的MAX6675，这是一款集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器。该器件使用方便，温度范围宽，温度测量精度高。

■2.4 控制板

本设计采用STC8A8K60S4A12-LQFP44作为主控制器。该芯片无需外部晶振和外部复位，同时具有很好的抗干扰能力，具有快速运行、成本使用低。功率消耗小等特点，能够满足系统设计需求。

■2.5 读卡器模块

读卡器选用的是NXP公司的RC522，这是一款高频射频芯片，它支持ISO14443A协议，通过微波实现通信，距离可以达到50mm。

系统电路图如图2所示。

差异具有统计学意义（P＜0.05），而自主培养兴趣、主动参与实践、充分运用学习时间、问题处理情况、疾病诊断及鉴别水平评分低于CBL组，差异具有统计学意义（P＜0.05）。

图2 系统原理图

3 算法设计及实现

PID调节是经典的系统调节算法，离散的PID调节公式如下：

式中Mn是在第n个采样周期计算得到的输出计算值；SV是温度设定值；PVn是在第n采样时刻的过程变量值；PVn-1是第n-1采样时刻的过程变量值；MX是积分前项值；Mintial是PID回路的静态输出值；Kc是PID回路的比例增益；KI是积分项的比例常数，KI=KC∗TS/Ti；TS是离散化时的采样时间间隔，Ti是积分时间参数；KD是微分项的比例常数KD=KC∗Td/Ts；Ti是离散化时的采样时间间隔，Td是微分时间参数。比例项能反映出系统的偏移，并在系统出现变化时进行调节，比例效应愈大，则调节速率愈快，误差愈小。但如果比例调整得太大，则会使系统稳定性下降，甚至出现不稳定现象；积分环节主要实现无差调节：若设定值与有偏差，则进行积分动作，直到没有偏差为止，积分的强弱与Ti的积分时间常数相关，Ti越小，积分的作用也就越大。积分项的输出响应较慢，导致调整时间增加。微分项能够预测系统过程变量变化的速率(PVn-1-PVn)/Ts，从而在偏差还没有形成之前其进行调整。从而改善了系统的动态特性。合理选择Td的参数，可以减小超调，缩短调节时间。但是微分调节会放大干扰微分调节过大可能降低系统的抗干扰性。所以三个参数的合理设置，对系统的快速性、稳定性有很大的影响。

加热器通过固态继电器驱动，固态继电器SSR采用脉冲宽度可调节的UOUT输出。在SSR触发角度触发时，供电电压UAN加载在加热管两端；SSR在无触发角时，加热管两端无电压。这样在加热管上的平均电压是Ud=(t/T)*UAN=K*UAN其中K=t/T，是一个周期T内继电器被触发的比率，K的变化率在0~1之间。一般情况下为是周期T不变，加热管的电压根据t的变化在0~UAN之间变化，这种调节方法称为定频调宽法。本装置中利用脉冲宽度调制技术对加热器电压进行控制，若温度超过设定值，降低占空比，从而降低加热器两端电压，加热器输出减小，反之，若实际温度低于设定值，则增加占空比，使加热器两端电压增大，温度升高。工作波形如图3所示。

图3 加热器调节工作波形

值得注意的是：温控系统是一个具有大惯性的系统，即在温区开始升温后，温区的温度没有明显地升高；类似地，在停止加热后，温度仍会有一些升高。此外，与温区的实际温度相比，热电偶所测得的温度也有一定的延迟。这使得温度控制会遇到如下难题：当温度传感测定值(PV)达到预设值时关闭加热器，则由于温度的迟滞作用，会使温度超调一段时间后才能恢复到预设值；当温度传感值(PV)没有到达设置值时就关闭加热器，温度又很难到达设置值。为解决系统的反应速率和系统的稳定性之间的矛盾，设计将温度控制其分成两个阶段：

（1）PID调节前阶段：在此阶段，由于温区的温度与预设温度相差较大，加热管最大功率运行，使温度快速升高，当温度变化速率达到要求时，加热器停止运行。采用“加速速率”而不是实时温度控制过快的温升，是为了减小温度惯性和测量延迟带来的影响，防止在第一次达到设定值（SV）时出现过大超调。在这个过程中PID调节器不工作，靠继电器的通断控制加热器的运行，此时只有两种状态，占空比K=0或K=100%。

（2）PID调节阶段：在这个阶段，由PID调节器调节温度，在受到外部干扰时，PID自动调节，根据偏差值的大小计算占空比（0~100%），调节至偏差为零，最后达到平衡状态。

综上所述，系统工作流程图如图4所示。

图4 系统流程图

①开机后，系统自检，检查温度传感器、数码管、风机是否正常，数码管从0~9依次刷新；

③开机后，主风机开始工作，将艾烟抽到净化装置的烟道中，三元催化器位于加热器后部；

④单片机采集当前艾烟温度，根据PID调节算法，当温度低于450℃时，占空比调到100%，加热器满功率加热，当温度高于450℃时，根据前文所述定频调宽法调整K，确保温度快速、稳定地工作在500℃；

⑤PID计算结果经过固态继电器驱动加热器工作，同时单片机累计工作时间，根据艾柱的长短，工作时间可自由设定，工作时间到后，艾灸结束，不再产生艾烟，处理也随之停止。

4 系统调试

刷卡后，装置点火后，艾烟产生，加热器开始工作，温度从100℃升到450℃需要50s左右，450℃之后，温度开始微调，大约10s进入500℃的稳定区，超调量约为4℃。

通过雾霾测试仪对装置出风口周边空气进行检测，PM10颗粒及一氧化碳含量与控制温度关系如表1所示。

表1 温度与催化结果

从上述数据可以看出，在控制温度达到450℃后，净化效果明显改善；500℃和550℃温度下，净化效果变化不大，为了降低装置整体功耗，控制温度设定为500℃，这种方法实用可行。

5 小结

本文积极响应国家的双碳政策，使用三元催化器对艾烟进行处理，通过单片机控制艾烟温度，使其保持在三元催化器的最佳工作温度，将艾灸产生的烟雾转换为水和二氧化碳等无害物质，解决了传统艾灸带来的环境问题。系统经过反复测试，净化效果明显。