一种基于闭环控制的新型臭氧发生器

一种基于闭环控制的新型臭氧发生器

卢磊

卢磊（武汉理工大学自动化学院，湖北武汉430070）

中图分类号：TM46文献标识码：A文章编号：1003-2738（2011）12-0294-01

摘要：臭氧作为一种“绿色消毒剂”，在污水处理、医疗卫生、食品、化工生产、空气净化等领域得到了广泛的应用。本文提出了一种基于ARM处理器，采用闭环控制的，能够根据用户需要自动调节浓度的臭氧发生器的设计方案，并给出了系统总体方案，软硬件设计结构和抗干扰措施。

关键词:ARM；闭环控制；自动调节；臭氧发生器

一、概述

臭氧作为一种高效清洁的杀菌手段，广泛应用于各行各业中。研究发现，只有一定浓度的臭氧才能达到治疗疾病的目的[1]。当臭氧浓度超过一定标准时，会对身体产生不良的影响。因此在臭氧治疗过程中，严格控制并准确测定臭氧浓度极其重要。目前市场上面销售的大多数臭氧发生器的电源工作在固定的中高频率上[6]，无法根据用户需要进行自动调节。因此，设计一款根据用户设定值，自动调节浓度的臭氧发生器是很有实际意义的。

市面上大部分臭氧发生器是采用80C51主控芯片来设计的，并且采用的开环控制系统。这样虽然实现起来方便，但产生的臭氧浓度精度较低。在长期的工作环境中，系统功耗高，抗干扰能力差，性能不稳定等问题就凸显出来了。基于此，本文设计的臭氧发生器是基于ARM芯片的闭环控制系统，能够对臭氧浓度进行实时的检测，从而来调节臭氧的产生。而且ARM芯片的运算速度和低功耗也是普通单片机无法比拟的。这些设计大大提高的系统的整体性能。系统闭环控制框图如下：

图1系统闭环控制框图

二、臭氧产生的原理及方法

臭氧是一种强氧化性的不稳定气体，其分子式为O3。目前人工制备臭氧的方法有：电化学法、光化学法和电晕放电法等。而工业中应用最为广泛的是电晕放电方法(即DBD方法)[2]。这种DBD放电式臭氧发生器结构简单、可维护性好且性能良好，具备小型化条件。因此，本实验室中采用电晕放电法。

在臭氧发生器中，一对电极间由介电体（通常采用玻璃）和气隙（通常含氧气体）隔开。当交变高压电作用于两极时，极板间发生放电现象。此时，放电空间流动的氧气在放电作用下受高能电子激发而获得能量，相互碰撞形成游离的氧原子。随着电压值的升高，气隙中的氧离子浓度也急剧增加。在强大的电场作用下，氧原子再与氧气反应生成臭氧[3]。

三、系统硬件设计

系统总体硬件框图如图2所示:

图2系统总体硬件框图

工作过程如下：臭氧检测模块实时检测臭氧浓度，传感器检测的输出电压经过信号调理电路后送给微控制器内部A/D进行采样。ARM处理器将采样值与用户设定值进行比较，经过运算处理，将测得的臭氧浓度反馈给电力控制系统。通过控制双向晶闸管的导通角度，来控制臭氧发生装置的输入电压，从而达到产生浓度稳定的臭氧的目的。

1．主控制器。

微控制器采用LPC2138，它是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32位ARM7TDMI-SCPU[4]。LPC2138丰富的片上资源和高速的时钟频率使得它特别适合用于工业控制应用以及医疗系统。由于是基于ARM7内核的，低功耗的特性让它在手持设备的开发上面也相当占据优势。

2．臭氧检测模块。

本系统采用的是MQ131臭氧检测传感器，该传感器的输出随浓度增加而增加；对臭氧气体具有很高的灵敏度;具有长期的使用寿命和可靠的稳定性等诸多优点。

对传感器输出的小信号，采用单电源的差分运算放大芯片INA122进行信号的调理放大。RP7采用精密电阻，用于调节增益，公式为G=5+200K/RP7。RP6滑动变阻器则用于仪表调零。如下图所示：

图3差分放大电路

3．电源模块。

系统中LPC2138处理器的工作电压是3.3V，INA122运算放大芯片也必须要3.3V的电源供电，12864液晶需要5V电源供电。这样，来自交流电网的220V电压必须通过降压、整流、滤波、稳压等一系列操作，才能得到控制系统所需要的各种供电电压。

本系统在设计时，先通过一个220V转15V的降压变压器降压；然后用一个整流桥将交流电转化为直流电；接着用LM2596开关电压调节器进一步降压，将15V左右的直流电转换为7V左右的直流电；最后，用稳压芯片LM1117-5和LM1117-3.3来得到控制系统需要的稳定的5V和3V工作电压。部分电源模块见下图4：

图4部分电源模块

4．电力系统模块。

由于本系统中的DBD放电式臭氧发生装置是需要交流供电的。所以，对输出电压的调节，采用的双向晶闸管的相位控制来实现。双向晶闸管（英文名TRIAC）是在普通晶闸管的基础上发展而成的，它不仅能代替两只反极性并联的晶闸管，而且仅需一个触发器，是目前比较理想的交流开关器件。

LPC2138控制系统属于弱电系统，而电力系统模块属于强电系统。本系统采用MOC3020双向可控硅光耦隔离器来进行隔离保护。LPC2138通过控制光耦隔离器的通断来控制TRIAC，通过这种相对控制来产生可变的交流电压，供臭氧发生装置使用，从而来改变臭氧浓度。

四、系统软件设计

新型臭氧发生器要实现的功能是：臭氧浓度的实时检测、12864液晶显示、声光报警、调节臭氧发生装置的输入电压。系统启动后首先进行各种初始化，如液晶屏、定时器、外部中断、I/O的配置。然后，定时采集环境中的臭氧浓度，并与用户设定值进行比较，改变定时器计数值来调节TRIAC导通角，从而使臭氧浓度达到与设定值相等。接着，等待外部中断来临，用户通过按键更改臭氧浓度的设定值，并且进行模式的切换。当工作结束或者无操作超过一定的时间，则系统将进入睡眠状态，大大减少用电损耗。程序流程图如下图5所示：

图5程序流程图

为解决整个系统因外界环境和自身的电磁干扰而引起的工作不正常，在软件方面也采用软件抗干扰的措施。比如对A/D进行多次采样，进行平均值滤波，来减小干扰。打开看门狗，当程序进入死循环时，进行看门狗复位操作，使程序不至于跑飞。按键也采用了软件延时去抖动的方法等等。

五、结语

本文介绍的臭氧发生器，以高性能的LPC2138ARM7处理器为主控制芯片，硬件结构成本低，软件设计合理。并且在系统中加入了各种硬件和软件抗干扰措施，有效的提高了系统的运行速度和稳定性。这种新型的臭氧发生器操作简单，安全性很高，为家庭用户的使用提供了方便。

参考文献:

[1]金海龙，成少彦，宋俊杰等.臭氧浓度检测在医疗方面的应用及发展[J].生物医学工程学杂志，2004年第2期.

[2]唐杰.串联谐振式DBD型臭氧发生器电源的研究与开发[J].湖南大学出版社，2004.

[3]岳朝松，陈万金，储金宇.电晕放电法臭氧发生器电极的研究[J].高压电技术，2002.

[4]周立功.ARM嵌入式基础教程[M].北京航空航天大学出版社，2008.