低压电解水臭氧发生器控制系统设计

龚春河，衣 颖，吴金辉，朱孟府，邓 橙

（军事科学院系统工程研究院卫勤保障技术研究所，天津 300161）

0 引言

臭氧是一种强氧化剂，可以快速去除多种有机物和病原体，被广泛应用于水处理、医疗消毒以及空气消毒等领域[1-5]。臭氧用于消毒后分解成氧气，不会造成二次污染。因此，臭氧比氯、过氧化氢等消毒剂更具应用前景[6-7]。臭氧的制备方法主要有紫外线照射法、介质阻挡放电法和电解法[8]。目前，大部分臭氧发生器采用介质阻挡放电法产生臭氧。此类臭氧发生器需要很高的电压和高质量的空气或者纯氧，生产成本较高，并且在工作过程中会产生氮氧化物污染环境[9]。电解法克服了介质阻挡放电法的不足，通过选择具有较高析氧电位的Pt、SbO2、金刚石等材料作为阳极，运用低压直流电电解电解质溶液，从而在阳极产生高质量浓度臭氧，其副产物为氧气，清洁无污染[9-11]。目前，国内对于电解式臭氧发生器的控制系统研究较少，操作员主要通过开关按键人工控制臭氧发生器工作。高质量浓度的臭氧会对人体产生不可逆转的伤害，现有的电解式臭氧发生器缺少臭氧质量浓度监测功能，工作时难以做到精确控制臭氧质量浓度。

针对以上问题，本研究结合低压电解水制备臭氧工艺，通过传感器采集水位、臭氧质量浓度以及电池状态等信息，以PIC18F4520单片机为控制核心，设计低压电解水臭氧发生器控制系统，实现对低压电解水臭氧发生器的自动控制，达到精确控制臭氧质量浓度，实现安全、高效消毒的目的。

1 低压电解水臭氧发生器控制系统设计思路

低压电解水制备臭氧技术的研究主要围绕电极材料和电解质的选择展开[3，8]。低压电解水制备臭氧工艺采用固体聚合物电解质技术，选择质子交换膜代替传统液体含氧电解质，与具有较高析氧电位的贵金属电极组成膜电极组件（membrane electrode assembly，MEA），通过电解水得到高质量浓度的臭氧[12]。为研制低压电解水臭氧发生器设备，结合低压电解水制备臭氧的原理，建立低压电解水制备臭氧的工艺流程，如图1所示。将水箱中的去离子水通过蠕动泵送入MEA内，同时对MEA施加低压直流电源，使其电解去离子水。在阳极产生臭氧，H+通过质子交换膜移动到阴极发生还原反应产生氢气。质子交换膜使用美国杜邦公司的Nafion-115膜，其具有电化学性质稳定、力学性能优异、电导率高、选择渗透性好、无选择性分离作用和压降现象等优点[13]。电极材料选择硼掺杂金刚石电极，该电极具有较高的析氧电位，且稳定性高、耐腐蚀性强，能有效提高臭氧产量，降低能耗[14-15]。

本研究结合低压电解水制备臭氧工艺流程，以PIC18F4520单片机为控制核心设计低压电解水臭氧发生器控制系统。单片机通过臭氧浓度传感器采集臭氧质量浓度信息：当臭氧质量浓度超标时，控制臭氧发生器停止工作，当臭氧质量浓度下降至消毒规范标准后，臭氧发生器重启工作，以此达到精确控制臭氧质量浓度的目的。

2 硬件设计

控制系统以PIC18F4520为控制核心。PIC18系列单片机是美国Microchip公司研发的基于纳瓦技术的嵌入式增强型FLASH单片机，与其他单片机相比，具有功耗低、速度快、稳定性强以及价格便宜等优点。控制系统集成了MEA驱动、水位监测与报警、臭氧质量浓度监测及人机交互等功能单元，其硬件结构框图如图2所示。

图2 低压电解水臭氧发生器控制系统硬件结构框图

2.1 MEA驱动单元设计

MEA驱动单元是低压电解水臭氧发生器的核心部件，由MEA反应器与蠕动泵组成。PIC18F4520单片机通过RB6、RB7输出信号控制蠕动泵与MEA反应器工作。因为MEA反应器工作电压为9 V，蠕动泵工作电压为12 V，而PIC18F4520单片机工作电压为5 V，不足以驱动MEA反应器与蠕动泵，所以需要通过继电器控制MEA反应器与蠕动泵工作。PIC18F4520单片机I/O端口电流驱动能力为25 mA，不足以直接驱动继电器工作，可通过8050三极管放大单片机的输出信号，以达到驱动继电器工作的目的。MEA驱动单元电路原理图如图3所示。

图3 MEA驱动单元电路原理图

2.2 水位监测与报警单元设计

水位监测与报警单元主要由水位传感器、LED指示灯和蜂鸣器组成。PIC18F4520单片机通过RD0、RD1扫描水位传感器“高/低”水位信号，经过内置程序处理后，由RB0、RB1、RB2输出信号控制“高/低”水位声光报警。采用水位传感器ZCT-YOF07进行水位监测。ZCT-YOF07是无接触式柔性水位传感器，其工作电压为5 V，工作时无需与液体直接接触，当检测到无液体时输出高电平。PIC18F4520单片机的I/O端口不足以同时驱动LED指示灯与蜂鸣器，因此使用ULN2003放大单片机的输出信号。ULN2003是高耐压、大电流达林顿阵列，具有工作电流大、负载能力强、工作温度范围广等特点，适用于各类要求大功率驱动的系统。水位监测与报警单元电路原理图如图4所示。

图4 水位监测与报警单元电路原理图

2.3 人机交互单元设计

人机交互单元由按键电路和用户可视化平台组成。按键电路设置开始/暂停“ON/OFF”、功能菜单“SET”以及模式选择“+”和“-”共4个按键。PIC18F4520单片机通过RD4～RD7扫描检测按键使用情况，设置臭氧发生器工作参数。采用SMR12864作为用户可视化平台，屏幕上显示低压电解水臭氧发生器的工作状态、水位情况、臭氧质量浓度以及电池状态等信息。SMR12864是128×64点阵液晶显示器，最多显示16字符×4行，提供串行接口，与PIC18F4520单片机SCK、SDA以及RB0连接。人机交互单元电路原理图如图5所示。

图5 人机交互单元电路原理图

2.4 臭氧质量浓度监测单元设计

臭氧质量浓度监测单元是通过臭氧浓度传感器监测工作环境中的臭氧质量浓度信息，并通过PIC18F4520单片机将臭氧质量浓度信息发送至用户可视化平台显示。选择德控森社臭氧传感器，其是一款检测环境臭氧质量浓度的通用型、小型化传感器模组，具有寿命长、精度高、重复性高和稳定性强等特点。该臭氧传感器工作电压为5 V，输出信号为0～3 V模拟量，工作时与PIC18F4520单片机A/D转换端口RA0/AN0连接，实现臭氧质量浓度监测功能。臭氧质量浓度监测单元电路原理图如图6所示。

图6 臭氧质量浓度监测单元电路原理图

3 软件设计

采用MPLAB X软件和C语言对PIC18F4520单片机进行编程。使用人机交互按键设置臭氧发生器的工作模式，结合水位、臭氧质量浓度以及电池状态等信息，通过PIC18F4520单片机实现对臭氧发生器的自动控制。低压电解水臭氧发生器控制系统软件程序流程图如图7所示。

图7 低压电解水臭氧发生器控制系统软件程序流程图

系统初始化后，检测电池电量与水位情况：当检测到电池电量不足时，显示屏显示“电量低，请充电！”；当检测到水位低信号时，显示屏显示“水位过低！”；当检测到水位高信号时，显示屏显示“水位过高！”。当检测到电池电量与水位情况正常后进行按键扫描，根据扫描情况设置臭氧发生器的工作时间、工作模式等工作参数，同时将工作模式等信息发送至显示屏。根据设置的工作参数，控制MEA单元工作。在MEA单元工作期间，实时监测环境中的臭氧质量浓度，当臭氧质量浓度超过预设上限值后，暂停MEA单元工作，直至臭氧质量浓度降至预设下限值再重启MEA单元工作，如此循环，直至达到设置的工作时间后，设备停止工作。

控制系统内置普通消毒模式和快速消毒模式2种工作模式。在普通消毒模式中，臭氧发生器工作时间为2 h，臭氧质量浓度上限为90 mg/m3、下限为65 mg/m3；在快速消毒模式中，臭氧发生器工作时间为1 h，臭氧质量浓度上限为120 mg/m3、下限为80 mg/m3。

4 低压电解水臭氧发生器控制系统功能测试

4.1 水位监测与报警功能测试

低压电解水臭氧发生器以去离子水为原料制备臭氧，副产物为氢气，清洁无污染。但是，若臭氧发生器内去离子水不足，会导致MEA短路，损坏MEA反应器。因此，在使用臭氧消毒器时，需要对臭氧发生器的水位进行监测。

使用Maynuo M8811移动电源对控制系统供电，供电电压为12 V。向低压电解水臭氧发生器的水箱内缓慢注入纯水，直至注满水箱，观察水位监测与报警单元工作情况，重复测试3次。在3次重复实验中，当水箱内水位低于低液位线或水位高于高液位线时，水位监测与报警单元均会报警。实验结果表明，本控制系统实现了水位监测与报警功能。

4.2 臭氧质量浓度监控功能测试

根据卫生部《消毒技术规范》（2002年版）要求，使用臭氧气体对物体表面进行消毒，臭氧质量浓度须达到60 mg/m3，作用60～120 min可达到消毒效果。同时，臭氧具有强氧化性，高质量浓度的臭氧会腐蚀被消毒的物品。因此，在使用臭氧发生器对物体表面进行消毒时，需要控制臭氧质量浓度。

采用3 cm×3 cm金刚石电极以及Nafion-115膜组成MEA反应器，使用Maynuo M8811移动电源对控制系统供电，供电电压为12 V。将控制系统及MEA反应器放入3 m3的密封舱内，通过按键设置工作模式为普通消毒模式，用臭氧浓度检测仪监测密封舱内的臭氧质量浓度，结果如图8所示。

图8 密封舱内臭氧质量浓度变化

从图8中可以看出，在控制系统工作期间，密封舱内臭氧质量浓度在65～90 mg/m3范围内波动。实验结果表明，本控制系统实现了对低压电解水臭氧发生器的自动控制，可达到精确控制臭氧质量浓度的目的。

5 结语

本文基于低压电解水臭氧制备工艺，设计了以PIC18F4520为核心的电解水臭氧发生器控制系统。经过功能测试，控制系统操作简单、工作性能稳定。本研究对低功耗下高效臭氧发生技术的研究和便携化臭氧消毒装置的研制具有重要的借鉴意义。但本文设计的控制系统主要依靠触控按键进行人机交互，在密封舱内工作时不便于操作。近年来，随着通信技术的发展，智能遥控、万物互联是便携式装备未来的发展趋势。下一步对控制系统进行改进时，可设计物联网通信单元，增加远程遥控功能，以实现更加智能、高效的人机交互。