（華北科技學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，北京 101601）

高溫?zé)o焰催化燃燒器的燃料為可燃性氣體，比如說(shuō)天然氣、二甲醚等，在燃?xì)庠畹某鰵庑】妆砻嫱坑幸粚哟呋瘎?，待燃燒一小段時(shí)間后催化劑活性被激活，可以使得可燃性氣體僅在燃?xì)庠畛鰵饪變?nèi)部燃燒而不出現(xiàn)火焰，并保證溫度維持在700～800℃左右。在工業(yè)上，這種無(wú)火焰且高溫燃燒技術(shù)可以用作模具的烘干成型等。高溫?zé)o焰催化燃燒器具有溫度高、使用成本低且不必?fù)?dān)心會(huì)有火焰對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生影響等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)控制要求

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)控制氣閥通斷、及時(shí)點(diǎn)火、采集溫度、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、異常顯示報(bào)警等功能。這種方案選用單片機(jī)作為核心控制器，實(shí)現(xiàn)了更為精確的點(diǎn)火時(shí)刻和點(diǎn)火能量的控制[1]。單片機(jī)控制系統(tǒng)具有控制簡(jiǎn)單、方便、快捷的特點(diǎn)，符合設(shè)計(jì)需求。針對(duì)此點(diǎn)火控制器有多開(kāi)關(guān)量輸入輸出，且在強(qiáng)干擾環(huán)境中工作的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用了抗干擾能力強(qiáng)的飛思卡爾MC9S08GB60A單片機(jī)為控制芯片。電源輸入為交流220 V電壓，輸出的一路為交流110 V電壓用于高壓點(diǎn)火，另外一路為直流5 V電源，為處理器控制電路供電。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）氣閥控制

高溫?zé)o焰催化燃燒器的燃料為可燃性氣體，因此需要點(diǎn)火控制器可及時(shí)地控制氣閥的通斷，以免造成氣體泄漏。

（2）運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)

高溫?zé)o焰催化燃燒器在進(jìn)入催化燃燒狀態(tài)后沒(méi)有火焰，因此需要實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)溫度，并在遇到意外熄火后及時(shí)進(jìn)行點(diǎn)火，如果點(diǎn)火2次仍然不成功，關(guān)閉氣閥，防止氣體泄漏。

（3）溫度采集并傳送至上位機(jī)

點(diǎn)火控制器要求能夠采集高溫?zé)o焰催化燃燒器的溫度并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，現(xiàn)場(chǎng)要根據(jù)溫度變化判斷系統(tǒng)處于什么狀態(tài)（燃燒態(tài)、過(guò)渡態(tài)、催化態(tài)），最終還要求把采集到的溫度通過(guò)串口實(shí)時(shí)傳送到上位機(jī)，方便遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

點(diǎn)火控制器以飛思卡爾MC9S08GB60A處理器為控制核心，它實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火控制的自動(dòng)化[2]。系統(tǒng)由電源電路、高壓點(diǎn)火電路、溫度采集電路、串口通信電路、氣閥控制電路等外圍電路共同組成，最終實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火控制和對(duì)氣閥的及時(shí)通斷，以及溫度的實(shí)時(shí)顯示和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。點(diǎn)火控制器的主電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure diagram

2.1 高壓點(diǎn)火電路設(shè)計(jì)

高壓點(diǎn)火模塊的設(shè)計(jì)是在摩托車點(diǎn)火器的原理之上增加單片機(jī)控制改進(jìn)而成，其中在單片機(jī)的低壓控制部分和點(diǎn)火高壓控制部分加了光電隔離設(shè)計(jì)，這樣可以避免高壓部分對(duì)低壓部分的損壞和影響。

點(diǎn)火系統(tǒng)的原理如圖2所示，市電220 V經(jīng)過(guò)變壓器隔離后轉(zhuǎn)換成110 V/50 Hz交流電，即3、4端是110 V交流電，由于二極管D01和D02的作用，電源將給C01正向充電，當(dāng)單片機(jī)給光電耦合器DT02正向電壓時(shí)，此光耦導(dǎo)通，然后DT01導(dǎo)通，導(dǎo)通后可給可控硅的門控極一個(gè)脈沖信號(hào)使得可控硅導(dǎo)通，點(diǎn)火開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，此時(shí)電容C01瞬間放電，放電時(shí)初級(jí)線圈回路導(dǎo)通，此時(shí)鐵芯中快速變化的磁通在次級(jí)線圈感應(yīng)出高達(dá)30～40 kV的電動(dòng)勢(shì)，瞬間擊穿火花塞中的氣隙，產(chǎn)生出電火花[3]。

從以上兩次的實(shí)測(cè)結(jié)果可知，水溫梯度測(cè)試結(jié)果基本一致。蘭考豫11井水溫整體呈現(xiàn)正增長(zhǎng)變化，但在180～200 m的深度區(qū)間，存在一個(gè)溫度變化轉(zhuǎn)折的區(qū)間。結(jié)合相關(guān)的水文地質(zhì)資料，很可能在這個(gè)區(qū)間存在一個(gè)含水層，含水層中的低溫水滲入到了觀測(cè)井內(nèi)部，造成溫度突降。為了進(jìn)一步檢驗(yàn)該結(jié)論，排除地震前兆異常，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)二。

2.2 通信電路設(shè)計(jì)

串口通信電路使用MAX485通信，MAX485通信驅(qū)動(dòng)器擺率不受限制，可以實(shí)現(xiàn)最高2.5 Mb/s的傳輸速率，通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)1200 m。

圖2 點(diǎn)火原理Fig.2 Schematic diagram of ignition

其中選用的MAX3485芯片可實(shí)現(xiàn)對(duì)通信的靈活控制，比如控制串口只能進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，或者只能進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。在通信電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到數(shù)據(jù)發(fā)送和接收轉(zhuǎn)換時(shí)需要連續(xù)對(duì)RE和DE引腳進(jìn)行輸出操作，容易出錯(cuò)，因此設(shè)計(jì)過(guò)程中增加了三極管Q1，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收的自動(dòng)切換。串口通信電路如圖3所示，其中J3接485通信接口，RXD1、TXD1和RD485a接單片機(jī)相應(yīng)的引腳。

圖3 串口通信電路Fig.3 Serial communication circuit

3 系統(tǒng)控制策略

通過(guò)對(duì)燃燒器的實(shí)驗(yàn)測(cè)試可以得知，從點(diǎn)火開(kāi)始到進(jìn)入燃燒態(tài)，再進(jìn)入催化態(tài)的過(guò)程中系統(tǒng)的溫度會(huì)發(fā)生規(guī)律性的變化，且滿足如圖4所示的函數(shù)曲線規(guī)律。

圖4 燃燒器燃燒過(guò)程溫度變化曲線Fig.4 Temperature variation curve of burner

因?yàn)橄到y(tǒng)的溫度變化滿足一定的規(guī)律，因此控制過(guò)程依據(jù)系統(tǒng)的溫度變化。具體的控制策略分為以下幾個(gè)過(guò)程。

3.1 點(diǎn)火啟動(dòng)控制策略

系統(tǒng)設(shè)計(jì)為上電啟動(dòng)點(diǎn)火，對(duì)溫度的變化進(jìn)行狀態(tài)判斷，如果溫度上升斜率大于5℃/s，且溫度達(dá)到350℃以上時(shí)，認(rèn)為點(diǎn)火成功。點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程與啟動(dòng)時(shí)的初始溫度無(wú)關(guān)，比如意外熄火情況，那么重新點(diǎn)火后溫度在350℃以上即認(rèn)為點(diǎn)火成功。另外，如果啟動(dòng)時(shí)的初始溫度在催化溫度350℃以上，且溫度下降斜率小于3℃/s，并保持在350℃以上的時(shí)間大于6 s時(shí)，也認(rèn)為點(diǎn)火成功。

3.2 系統(tǒng)過(guò)程跟蹤控制策略

系統(tǒng)正常上電啟動(dòng)點(diǎn)火，并檢測(cè)到點(diǎn)火成功時(shí)，才進(jìn)入過(guò)程跟蹤。即滿足點(diǎn)火啟動(dòng)的條件時(shí)進(jìn)入過(guò)程跟蹤。燃燒狀態(tài)到催化狀態(tài)都會(huì)經(jīng)歷溫度降低過(guò)程，所以點(diǎn)火成功后，在檢測(cè)到溫度下降之前認(rèn)為是燃燒狀態(tài)，在溫度降低后達(dá)到穩(wěn)定之前的中間階段為過(guò)渡狀態(tài)，溫度降低后達(dá)到的穩(wěn)定狀態(tài)為催化狀態(tài)。判定條件如下：

（1）點(diǎn)火成功后，即進(jìn)入燃燒狀態(tài)；

（3）過(guò)渡狀態(tài)后，檢測(cè)到穩(wěn)定的高溫狀態(tài)，溫度變化范圍±15℃，持續(xù)時(shí)間3 min以上時(shí)，進(jìn)入催化狀態(tài)；

（4）以上判定條件均需滿足350℃以上；

（5）點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程中滿足條件（2）時(shí)，不進(jìn)行過(guò)程跟蹤，直接進(jìn)入工作狀態(tài)檢測(cè)。

3.3 工作狀態(tài)跟蹤

點(diǎn)火成功后，或檢測(cè)到穩(wěn)定的催化狀態(tài)后，即進(jìn)入工作狀態(tài)檢測(cè)，主要任務(wù)是監(jiān)測(cè)燃燒器的工作狀態(tài)，在出現(xiàn)意外情況時(shí)進(jìn)行保護(hù)。

（1）當(dāng)溫度低于350℃，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)1.8 s時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)熄火，進(jìn)行重新點(diǎn)火啟動(dòng)，連續(xù)2次啟動(dòng)失敗后，切斷燃?xì)饨刂归y；

（2）任何溫度下，監(jiān)測(cè)到溫度下降斜率大于8℃/s，持續(xù)時(shí)間超過(guò)1.8 s時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)熄火，進(jìn)行重新點(diǎn)火啟動(dòng)，連續(xù)2次啟動(dòng)失敗后，切斷燃?xì)饨刂归y。

4 主程序設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)需求和已經(jīng)確定的控制策略，可以確定系統(tǒng)的主程序流程如圖5所示。

智能點(diǎn)火控制器開(kāi)機(jī)后進(jìn)行2次點(diǎn)火，每次點(diǎn)火時(shí)間為10 s，當(dāng)點(diǎn)火時(shí)間超過(guò)20 s后仍然不成功時(shí)，即認(rèn)為點(diǎn)火失敗，關(guān)閉氣閥，數(shù)碼管顯示8888，程序終止。點(diǎn)火的過(guò)程中對(duì)熱電偶連接狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)熱電偶開(kāi)路，那么數(shù)碼管顯示0000，此時(shí)關(guān)閉氣閥，進(jìn)行斷電檢查。如果點(diǎn)火成功，那么立即停止打火，數(shù)碼管顯示當(dāng)前溫度，并不斷監(jiān)測(cè)是否發(fā)生意外熄火，如果發(fā)生意外熄火，那么程序返回第一次點(diǎn)火處循環(huán)執(zhí)行。

圖5 主程序流程Fig.5 Flow chart of the main program

5 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，點(diǎn)火系統(tǒng)的電磁干擾主要來(lái)源于高壓點(diǎn)火線圈和點(diǎn)火線。當(dāng)次級(jí)電路電壓達(dá)到空氣擊穿電壓時(shí)，擊穿空氣，儲(chǔ)存在分布電容中的能量迅速釋放，放電時(shí)間很短，只有幾微秒，但放電電流很大，可達(dá)到幾十安培，這個(gè)過(guò)程稱為電容的放電過(guò)程。這一階段的放電使次級(jí)電路的電壓和電流形成陡峭的脈沖，這種寬帶脈沖通過(guò)裸露的高壓點(diǎn)火線對(duì)外輻射電磁波，造成周圍環(huán)境的電磁干擾。因此需要抑制電容的寬帶脈沖放電電流，該電流帶寬在 0.15～1000 MHz范圍，是30～300 MHz甚至更高頻無(wú)線電的主要干擾源[7]。

在解決電磁干擾過(guò)程中首先是在單片機(jī)復(fù)位引腳和地之間接一去耦電容，起到一定的濾除噪聲干擾作用，并且在PCB布線過(guò)程中在復(fù)位引腳的引出端加2個(gè)焊點(diǎn)，在下載程序時(shí)連接焊點(diǎn)，下載程序結(jié)束后斷開(kāi)焊點(diǎn)，盡可能地縮短復(fù)位引腳長(zhǎng)度。這樣可以有效地解決電磁干擾問(wèn)題。

6 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)以單片機(jī)作為控制核心，充分利用溫度變化的曲線規(guī)律來(lái)進(jìn)行多種狀態(tài)檢測(cè)和跟蹤，使得硬件和軟件很好結(jié)合。最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)高溫?zé)o焰催化燃燒器進(jìn)行自動(dòng)開(kāi)閥放氣點(diǎn)火；能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地顯示燃燒器的溫度變化；能夠檢測(cè)溫度傳感器是否開(kāi)路；可以跟蹤燃燒器的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)意外熄火時(shí)及時(shí)進(jìn)行重新點(diǎn)火，如果點(diǎn)火2次都失敗的話可以及時(shí)關(guān)斷氣閥，防止可燃性氣體泄漏。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行觀察，整個(gè)智能電子點(diǎn)火控制系統(tǒng)運(yùn)行良好，能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制和準(zhǔn)確顯示，并且克服了高壓擊穿空氣產(chǎn)生的強(qiáng)電磁干擾等問(wèn)題，具有很好的實(shí)用意義。

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