高溫?zé)o焰催化燃燒器的點火控制器設(shè)計

（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，比如說天然氣、二甲醚等，在燃?xì)庠畹某鰵庑】妆砻嫱坑幸粚哟呋瘎紵恍《螘r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)心會有火焰對產(chǎn)品產(chǎn)生影響等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)控制要求

本設(shè)計采用單片機作為整個系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)控制氣閥通斷、及時點火、采集溫度、運行狀態(tài)監(jiān)測、異常顯示報警等功能。這種方案選用單片機作為核心控制器，實現(xiàn)了更為精確的點火時刻和點火能量的控制[1]。單片機控制系統(tǒng)具有控制簡單、方便、快捷的特點，符合設(shè)計需求。針對此點火控制器有多開關(guān)量輸入輸出，且在強干擾環(huán)境中工作的特點，本設(shè)計選用了抗干擾能力強的飛思卡爾MC9S08GB60A單片機為控制芯片。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，因此需要點火控制器可及時地控制氣閥的通斷，以免造成氣體泄漏。

（2）運行狀態(tài)監(jiān)測

高溫?zé)o焰催化燃燒器在進(jìn)入催化燃燒狀態(tài)后沒有火焰，因此需要實時地監(jiān)測系統(tǒng)溫度，并在遇到意外熄火后及時進(jìn)行點火，如果點火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

點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)行實時顯示，現(xiàn)場要根據(jù)溫度變化判斷系統(tǒng)處于什么狀態(tài)（燃燒態(tài)、過渡態(tài)、催化態(tài)），最終還要求把采集到的溫度通過串口實時傳送到上位機，方便遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

點火控制器以飛思卡爾MC9S08GB60A處理器為控制核心，它實現(xiàn)了點火控制的自動化[2]。系統(tǒng)由電源電路、高壓點火電路、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，最終實現(xiàn)點火控制和對氣閥的及時通斷，以及溫度的實時顯示和運行狀態(tài)監(jiān)測等功能。點火控制器的主電路設(shè)計如圖1所示。

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

2.1 高壓點火電路設(shè)計

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

點火系統(tǒng)的原理如圖2所示，市電220 V經(jīng)過變壓器隔離后轉(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)單片機給光電耦合器DT02正向電壓時，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脈沖信號使得可控硅導(dǎo)通，點火開關(guān)導(dǎo)通，此時電容C01瞬間放電，放電時初級線圈回路導(dǎo)通，此時鐵芯中快速變化的磁通在次級線圈感應(yīng)出高達(dá)30～40 kV的電動勢，瞬間擊穿火花塞中的氣隙，產(chǎn)生出電火花[3]。

從以上兩次的實測結(jié)果可知，水溫梯度測試結(jié)果基本一致。蘭考豫11井水溫整體呈現(xiàn)正增長變化，但在180～200 m的深度區(qū)間，存在一個溫度變化轉(zhuǎn)折的區(qū)間。結(jié)合相關(guān)的水文地質(zhì)資料，很可能在這個區(qū)間存在一個含水層，含水層中的低溫水滲入到了觀測井內(nèi)部，造成溫度突降。為了進(jìn)一步檢驗該結(jié)論，排除地震前兆異常，開展實驗二。

2.2 通信電路設(shè)計

串口通信電路使用MAX485通信，MAX485通信驅(qū)動器擺率不受限制，可以實現(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 點火原理Fig.2 Schematic diagram of ignition

其中選用的MAX3485芯片可實現(xiàn)對通信的靈活控制，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)計過程中，考慮到數(shù)據(jù)發(fā)送和接收轉(zhuǎn)換時需要連續(xù)對RE和DE引腳進(jìn)行輸出操作，容易出錯，因此設(shè)計過程中增加了三極管Q1，可以實現(xiàn)發(fā)送和接收的自動切換。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

通過對燃燒器的實驗測試可以得知，從點火開始到進(jìn)入燃燒態(tài)，再進(jìn)入催化態(tài)的過程中系統(tǒng)的溫度會發(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 燃燒器燃燒過程溫度變化曲線Fig.4 Temperature variation curve of burner

因為系統(tǒng)的溫度變化滿足一定的規(guī)律，因此控制過程依據(jù)系統(tǒng)的溫度變化。具體的控制策略分為以下幾個過程。

3.1 點火啟動控制策略

系統(tǒng)設(shè)計為上電啟動點火，對溫度的變化進(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，認(rèn)為點火成功。點火啟動過程與啟動時的初始溫度無關(guān)，比如意外熄火情況，那么重新點火后溫度在350℃以上即認(rèn)為點火成功。另外，如果啟動時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℃以上的時間大于6 s時，也認(rèn)為點火成功。

3.2 系統(tǒng)過程跟蹤控制策略

系統(tǒng)正常上電啟動點火，并檢測到點火成功時，才進(jìn)入過程跟蹤。即滿足點火啟動的條件時進(jìn)入過程跟蹤。燃燒狀態(tài)到催化狀態(tài)都會經(jīng)歷溫度降低過程，所以點火成功后，在檢測到溫度下降之前認(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）點火成功后，即進(jìn)入燃燒狀態(tài)；

（3）過渡狀態(tài)后，檢測到穩(wěn)定的高溫狀態(tài)，溫度變化范圍±15℃，持續(xù)時間3 min以上時，進(jìn)入催化狀態(tài)；

（4）以上判定條件均需滿足350℃以上；

（5）點火啟動過程中滿足條件（2）時，不進(jìn)行過程跟蹤，直接進(jìn)入工作狀態(tài)檢測。

3.3 工作狀態(tài)跟蹤

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

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

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

4 主程序設(shè)計

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。

智能點火控制器開機后進(jìn)行2次點火，每次點火時間為10 s，當(dāng)點火時間超過20 s后仍然不成功時，即認(rèn)為點火失敗，關(guān)閉氣閥，數(shù)碼管顯示8888，程序終止。點火的過程中對熱電偶連接狀態(tài)進(jìn)行檢測，如果發(fā)現(xiàn)熱電偶開路，那么數(shù)碼管顯示0000，此時關(guān)閉氣閥，進(jìn)行斷電檢查。如果點火成功，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

在本設(shè)計中，點火系統(tǒng)的電磁干擾主要來源于高壓點火線圈和點火線。當(dāng)次級電路電壓達(dá)到空氣擊穿電壓時，擊穿空氣，儲存在分布電容中的能量迅速釋放，放電時間很短，只有幾微秒，但放電電流很大，可達(dá)到幾十安培，這個過程稱為電容的放電過程。這一階段的放電使次級電路的電壓和電流形成陡峭的脈沖，這種寬帶脈沖通過裸露的高壓點火線對外輻射電磁波，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甚至更高頻無線電的主要干擾源[7]。

在解決電磁干擾過程中首先是在單片機復(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布線過程中在復(fù)位引腳的引出端加2個焊點，在下載程序時連接焊點，下載程序結(jié)束后斷開焊點，盡可能地縮短復(fù)位引腳長度。這樣可以有效地解決電磁干擾問題。

6 結(jié)語

系統(tǒng)以單片機作為控制核心，充分利用溫度變化的曲線規(guī)律來進(jìn)行多種狀態(tài)檢測和跟蹤，使得硬件和軟件很好結(jié)合。最終實現(xiàn)了對高溫?zé)o焰催化燃燒器進(jìn)行自動開閥放氣點火；能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地顯示燃燒器的溫度變化；能夠檢測溫度傳感器是否開路；可以跟蹤燃燒器的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)意外熄火時及時進(jìn)行重新點火，如果點火2次都失敗的話可以及時關(guān)斷氣閥，防止可燃性氣體泄漏。經(jīng)過長時間運行觀察，整個智能電子點火控制系統(tǒng)運行良好，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)生的強電磁干擾等問題，具有很好的實用意義。

[1]耿聰，劉溧，張欣，等.基于MC9S12微控制器的發(fā)動機高能直接點火控制[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2004，30（7）：20-23.

[2]史洪亮，楊登仿，譚勇，等.新型安全的點火控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2006，14（10）：1343-1345.

[3]汪泉弟，劉慶升，賈晉，等.抑制汽車點火系統(tǒng)電磁干擾的光電隔離方法[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2011，34（2）：14-18.

[4]汪泉弟，劉春艷，俞集輝，等.汽車火花點火系統(tǒng)電磁干擾的抑制方法[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2007，30（7）：46-49.