電子焊接煙霧吸濾處理裝置

■ 江蘇省興化中學(xué) 朱石明 傅澄朋 陳柏傳

使用電烙鐵進(jìn)行電子焊接是電子愛(ài)好者的一項(xiàng)必備技能，但焊接時(shí)經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生一些煙霧，其中不僅含有松香、重金屬氧化物、異氰酸鹽、硫化物等固體顆粒，還有乙醛、氣化松香酸、氮氧化物、碳?xì)浠衔锏却碳ば詺怏w。

焊接時(shí)產(chǎn)生的煙霧對(duì)身體危害很大，如果不做任何防護(hù)，長(zhǎng)期吸入這種煙霧，可能引起頭暈、咳嗽、胸悶、氣短等癥狀，不僅損害操作者的肺通氣功能，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致中毒或塵肺病。

為解決以上問(wèn)題，曾有人發(fā)明了電子焊接吸煙儀。目前市面上的電子焊接吸煙儀有兩種處理煙霧的方式，一種是吸煙后直接將其排放到室外，另一種是吸煙后對(duì)煙氣進(jìn)行凈化。后者相對(duì)于前者來(lái)說(shuō)更環(huán)保，但帶凈化裝置的吸煙儀在工作過(guò)程中噪聲較大，且多數(shù)不具備自動(dòng)控制功能，使用不便。

我們想設(shè)計(jì)一款智能煙霧吸濾處理裝置，當(dāng)檢測(cè)到有電子焊接的煙霧時(shí)會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟風(fēng)扇，主動(dòng)吸收、凈化煙霧。當(dāng)煙霧濃度降低后，風(fēng)扇自動(dòng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。如果加上液晶屏，它還能監(jiān)測(cè)人們居住環(huán)境的PM2.5。

一、設(shè)計(jì)方案

首先需要一個(gè)能檢測(cè)焊接時(shí)產(chǎn)生有害氣體的傳感器，通過(guò)程序設(shè)計(jì)，當(dāng)有害氣體的濃度達(dá)到一定值時(shí)，啟動(dòng)繼電器，自動(dòng)控制風(fēng)扇工作。通過(guò)專(zhuān)用過(guò)濾芯片攔截固體顆粒，并用活性炭去除有害氣體，再將空氣排出。

PM2.5顆粒物傳感器可以獲取單位體積內(nèi)空氣中懸浮顆粒物的數(shù)量及質(zhì)量，并以數(shù)字接口形式輸出，具有零錯(cuò)誤報(bào)警率、實(shí)時(shí)響應(yīng)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、最小分辨粒直徑0.3um等特點(diǎn)，所以，本裝置選用了性?xún)r(jià)比極好的顆粒物傳感器。

二、準(zhǔn)備材料

Arduino單片機(jī)開(kāi)源主板1塊，日本夏普GP2Y1014AU0F光學(xué)顆粒物傳感器1個(gè)，可吸附有毒氣體的活性炭顆粒3包，PM2.5口罩專(zhuān)用過(guò)濾片10片，面包板1塊，150Ω的電阻1個(gè)，220uF的電容1個(gè)，6pin連接線(xiàn)1根等。

三、設(shè)計(jì)原理

電子焊接煙霧吸濾處理裝置使用夏普GP2Y1014AU0F光學(xué)顆粒物傳感器，由該傳感器檢測(cè)焊接煙霧的濃度，當(dāng)單片機(jī)判斷顆粒物濃度值過(guò)高時(shí)，通過(guò)繼電器打開(kāi)風(fēng)扇、凈化空氣；當(dāng)顆粒物濃度降低時(shí)，關(guān)閉風(fēng)扇。

為提升測(cè)量效果，應(yīng)在傳感器內(nèi)置的紅外發(fā)光二極管的供電端即傳感器1號(hào)腳處，添加一個(gè)150Ω的電阻和一個(gè)220uF的電容。電容另一端接地，電阻另一端與單片機(jī)5V電壓相連，以提供穩(wěn)定的光源參考基準(zhǔn)。

四、組裝調(diào)試

使用12V/0.65A、15W的軸流風(fēng)扇。為防止風(fēng)扇卷入較大的物體而造成堵轉(zhuǎn)，我們制作了風(fēng)扇金屬防護(hù)網(wǎng)，用臺(tái)式電腦電源盒的外殼進(jìn)行改裝，并固定金屬防護(hù)網(wǎng)。再根據(jù)風(fēng)扇的尺寸，用激光切割藍(lán)色透明亞克力板，并將其組裝成一個(gè)正方形的出風(fēng)孔洞。將PM2.5過(guò)濾片、活性炭吸附層依次安裝在出風(fēng)通道內(nèi)，并用熱熔膠固定、密封，如圖1。

再根據(jù)電路原理圖，接好與開(kāi)源單片機(jī)及面包板的相關(guān)連接線(xiàn)，如圖2，并向Arduino單片機(jī)上傳編程代碼。

接通電源后，由顆粒物傳感器讀入光強(qiáng)數(shù)據(jù)，再由單片機(jī)計(jì)算出顆粒物的濃度。這時(shí)，可從與Arduino單片機(jī)連接的電腦中，通過(guò)對(duì)串口的監(jiān)測(cè)直接查看當(dāng)前的顆粒物濃度數(shù)值，再通過(guò)判斷語(yǔ)句控制繼電器的閉、合，從而控制風(fēng)扇的工作狀態(tài)。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，電子焊接時(shí)，PM2.5的濃度會(huì)大于200ug/m3，所以設(shè)置顆粒物濃度數(shù)值大于150ug/m3時(shí)開(kāi)啟風(fēng)扇，小于等于150ug/m3時(shí)關(guān)閉風(fēng)扇。

Arduino單片機(jī)接收十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)后，將其轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，得到當(dāng)前空氣的顆粒物濃度。在焊接過(guò)程中，顆粒物濃度值升高，單片機(jī)比較后再?gòu)臄?shù)字腳3提供風(fēng)扇的開(kāi)啟信號(hào)。

圖1

圖2

五、美化改進(jìn)

顆粒物傳感器被固定在軸流風(fēng)扇的上方，為了方便進(jìn)行電子焊接操作，我們?cè)陬w粒物傳感器的下方設(shè)計(jì)了一個(gè)電烙件固定支架座，并在操作平臺(tái)中安裝了一個(gè)帶放大鏡支架的磁吸式萬(wàn)向夾具和方便電路板平放的磁吸固板夾具，它們都可在下方的鐵板上自由移動(dòng)。

萬(wàn)向夾具上的兩只鱷魚(yú)夾便于連接兩根導(dǎo)線(xiàn)間的焊接操作，在裝置右側(cè)隔板上設(shè)計(jì)了除錫鋼絲盒及焊接用松香的放置空間。

圖3 實(shí)物圖

該裝置只需接通12V的直流電源，便可檢測(cè)空氣中焊接煙霧的濃度。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)出顆粒物濃度值過(guò)高時(shí)，就會(huì)通過(guò)控制繼電器打開(kāi)軸流風(fēng)扇、凈化空氣；當(dāng)顆粒物濃度降低時(shí)，則會(huì)自動(dòng)關(guān)閉軸流風(fēng)扇，可避免電烙鐵因空燒造成的氣體逸散問(wèn)題。

本裝置既可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，又可通過(guò)開(kāi)關(guān)手動(dòng)控制軸流風(fēng)扇的啟、停，低碳環(huán)保，方便電子愛(ài)好者們使用。