多維智能電磁水處理系統的研究

摘 要：針對現行電磁水處理裝置存在的問題，設計一種用可變頻調壓電磁波處理水質并通過反饋環節自動尋優的新型水處理系統。該系統以嵌入式ARM處理器為核心，通過數字頻率發生器、頻率合成器、功率放大器、變量采集和相應的模糊處理算法組成完整的系統。通過一定的實驗，證明此種掃頻尋求最佳諧振頻率的方法處理速度快，效率高，創新之處在于其引入了反饋和智能尋優算法，打破了傳統電磁水處理器的開環狀態和單一性，發展前景廣泛。

關鍵詞：電磁水處理；殺菌滅藻；μC/OSⅡ；模糊控制；諧振頻率

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X(2008)1805004

Research of the Multidimensional Intelligent Electromagnetic Water Processing System

HE Chen，WANG Guangsheng

(College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing，100022，China)

Abstract：Aiming at the problems of the electromagnetic water processor which is on sale and designing a new water processor which deals with water using electromagnetic wave of alterable frequency and voltage and searches the best state automatically through feedback.The system which is composed of frequency produce and synthesizer，power amplifier，variable collection and fuzzy control arithmetic is based on the embedded processor.Through some experiment ，it proves that the method of scanning frequency to find the best resonance frequency is better in speed and efficiency.The innovation is based on the feedback and the intelligent searching arithmetic.It breaches the open loop and singleness of traditional electromagnetic water processor and it would have wide foreground.

Keywords：electromagnetism curing water;sterilization and algae killing;μC/OSⅡ;fuzzy control;resonance frequency

1 引 言

水資源危機已經成為世界上一個令人關注的問題，它不僅表現在水量的不足，更反映在水質的惡化上。隨著工業點污染源的有效控制，非點源污染對地表水體的影響越來越明顯。

以水處理中的重要部分殺菌除藻為例，日趨嚴重的水體富營養化問題已經成為全球性的問題，在發展中國家尤其嚴重。今年，我國太湖藍藻的大面積污染更讓人們認識到了事態的嚴重性。

殺菌滅藻技術已經有多年的研究，但是對各個工藝的研究還不夠完善，而且由于地域經濟條件的限制和水質條件的變化，殺菌滅藻技術的大規模應用還存在著很多問題。

隨著電磁波技術的不斷發展，將電磁波用于殺菌滅藻日益引起人們的重視，電磁波滅藻技術以其清潔、高效、反應條件溫和、速度快、易操作、可控性強等顯著特點，在藻類控制領域有著廣泛的應用前景。

2 智能電磁水處理系統簡介

2.1 電磁水處理凈水原理

當變頻式微電腦水處理器在運行時，自動地、周期性和規律性地產生各種頻率的交流電磁場，在這種電磁場作用下，水中產生各種極性離子。各種離子的微弱電能在反抗外加電場的過程中相互碰撞，從而得以消耗，各種離子的運動強度和運動方向因此被束縛。由于金屬管壁接陰極，管內水為陽極，水中的各個質點與管壁形成一個交流電場。在這個電場作用下，水中各個離子分別組合成脈動的正負離子集團，使之產生電極反應，形成易排除物質。同時水的pH、二氧化碳、活性氧等的含量也發生了變化。水在交流電場作用下，迅速發生微弱的氧化還原反應，在陽極區附近產生一定量的氧化性物質，這些氧化性物質與細菌及藻類作用，破壞其正常的生理功能，使細胞膜過氧化而死亡，達到殺菌滅藻的目的。

2.2 現行電磁水處理設備存在的問題

當電磁場水處理領域目前主要集中在防垢、除垢、緩蝕、分離凈化等方面，有關磁處理在殺菌滅藻方面的研究還較為少見。

現行的電磁水處理設備多是利用交變電流在固定頻率下進行工作，其殺菌滅藻效果差。

現行的電磁水處理設備多是用單一方式進行處理，處理成分單一、效率低。多種技術聯用，只是停留在理論研究層面。

電磁水處理裝置目前只是嘗試性地對某一種或幾種污染物進行處理，還沒有形成系統的規范和行業標準，對其處理參數的標定和最優值沒有深入的探討和研究。

2.3 系統設計內容

本系統的主要目的是要克服上述電子水處理設備的缺陷，設計一種通過微處理器(微型計算機)的智能控制，不斷改變輸出電磁波的頻率、幅值或將幾種頻率進行合成，并把現場實時檢測的處理效果反饋給微處理器，結合電導率、溶解氧、溫度、PH值等常規信息的采集；通過軟件處理進行自動尋優，以確定最佳的處理方案即最優頻率組合和幅值的電磁波，在較寬范圍內，對殺菌滅藻、防垢、除垢等不同功能，對不同環境，不同水質、不同流量、不同溫度等情況進行處理，得以提高水處理的效果和效率，如圖1所示。

3 電磁水處理系統的硬件設計與實現

3.1方案設計

本平臺是以內嵌實時操作系統的ARM高性能微處理器為核心，控制一系列執行機構和反饋機構來運行整個系統的。系統硬件方案設計如圖2所示。

整個系統硬件的工作過程為：通過鍵盤的參數設定和液晶的狀態監控，控制器通過地址總線譯碼選通相應的頻率發生芯片AD9850，通過向其寫入相應的控制字，輸出不同頻率的方波或正弦波，通過頻率合成和功率放大，輸出含有多維頻率分量的電磁波，由I/O和PWM模塊粗調電壓檔位，數字電位器細調功放輸出電壓幅值。最后由空心繞線線圈將電磁波發送至水中。工作方式分自動和手動兩種方式，手動方式是已知被處理水中污染物的處理頻率，而直接生成以此為諧振頻率的電磁波進行處理，通過反饋環節檢測評判處理效果。另一種是更為智能的自動運行方式。自動運行是指沒有任何人為設定，水處理系統輸出寬帶范圍的掃頻電磁波，通過反饋參數信息的模糊控制算法尋找出最優的諧振頻率，并根據反饋評估處理效果與處理時間。

3.2 系統硬件設計

3.2.1 主控制器和頻率發生模塊

在系統設計中，采用目前較為流行的ARM7處理器，處理速度快，能滿足較大規模尋優算法的要求。經過調研，最終選擇Philips公司ARM7處理器LPC2220，該芯片價格低廉、片上設備和接口豐富、具有很高的性價比，且方便系統擴展。

在主控板上還擴展了1路SPI接口、1路I2C接口、外部總線接口、實時時鐘、外部存儲器、鍵盤接口、LCD接口和一個CF卡接口。板卡之間的通訊采用改進的STD總線標準。如圖3所示。

高頻信號發生是高頻水處理裝置的核心部分，決定著系統最終的輸出頻率，該發生器必須根據MCU的設定輸出必要的頻率。根據本設計的需要，高頻信號發生器應滿足在100 Hz～20 MHz范圍內可調，步進小于100 Hz，而且系統對波形失真度的要求不高。為了降低系統電路設計復雜度，本系統采用數字頻率發生芯片生成所需的頻率。

由于系統最終要求的輸出信號是寬頻率范圍的電磁波，通過調研，最終選擇AD9850。AD公司的AD9850是一款功能強大、使用方便的可變頻頻率合成芯片，具有價格低廉、頻率范圍寬、控制方式多樣等特點，非常適合本系統。

如圖3所示，可控頻率發生模塊是利用ARM7對AD9850芯片進行數字控制，從而輸出一個頻率由數字可調的正弦波。本系統要求輸出11維可合成的電磁波，所以通過地址總線分別選通不同的AD9850，寫入相應的頻率控制字，輸出不同的頻率。同時通過I2C總線控制AD9850的電源在3.3~5 V間微調輸出的波形幅值。

AD9850其性能指標主要包括：接口簡單，可用8位并行口或串行口直接裝載頻率和相位調制數據；片內有高性能D/A轉換器和高速比較器，可輸出正弦波和方波；最高工作時鐘125 MHz，32位頻率控制字保證在125 MHz的工作時鐘下，頻率分辨率達0.029 1 Hz；低功耗：在125 MHz時鐘頻率、+5 V電源工作時，功耗為380 mW；在110 MHz時鐘、+3.3 V工作時，功耗為155 mW。此芯片可產生0.029 Hz~62.5 MHz的正弦波信號和標準的方波信號。

3.2.2 頻率合成模塊

如圖4所示，此模塊是不同維數頻率合成板，AD9850產生不同頻率的信號經過射隨器驅動，由模擬開關選通合成維數通道，進入由運算放大器組成的頻率調制器合成，即生成頻率幅值疊加的信號。

3.2.3 電源功放模塊

高頻水處理裝置的最終輸出由功率放大器產生。通過功率放大器，高頻水處理裝置不斷向冷卻水系統施加電磁場能量，以達到處理目的。功率放大器的輸入信號為高頻信號發生器輸出的弱電信號，輸出功率要求達到40 W以上，輸出電流一般為1 A左右，輸出電壓為20 V左右。本功率放大器采用集成功放，其電源通過電源模塊提供，可提供4個粗調檔位，再由PWM波調節IGBT的導通關斷時間進一步調節供給集成功放的電源電壓，如圖5所示。信號通過一系列光隔、驅動之后，由數字電位器分壓調整幅值，最后通過功放輸出電磁波。

3.2.4 反饋模塊

反饋環節是本系統的創新，完全滿足自動控制系統閉環的特點，其精度和靈敏度也是智能水處理算法性能優劣的根本。要采集的變量如表1所示：

通過對這些參數的數據處理，設計一個合適的算法來保證高頻電磁水處理裝置的輸出始終在最佳的頻率點附近，從而進一步提高高頻電磁水處理裝置的處理效果。

4 系統軟件算法設計

4.1 嵌入式實時操作系統任務設計

μC/OSⅡ是JeanJ.Labrosse設計的完整、可移植、可固化、可剪裁的占先式實時多任務內核，可剝奪性和多任務也是μC/OSⅡ的重要特性，它總是運行處于就緒態的優先級最高的任務。它有64個任務，用戶可以使用其中的56個。

一個應用系統的軟件可以分為許多“可執行程序單元”。當不使用操作系統時(基于裸機的編程方式)，將這些“可執行程序單元”進行分類組合，就可以得到一個個“模塊”，其中一個是“監控模塊”，其他“模塊”在“監控模塊”的管理下運行。當使用操作系統時(基于操作系統的編程方式)，將這些“可執行程序單元”進行分類組合，就可以得到一個個“任務”，這些“任務”在操作系統的調度下運行。本系統任務關聯圖如圖6所示。

4.2控制算法

本系統的控制算法分4步：確定輸出的諧振頻率、頻帶，電壓幅值和模糊控制消除擾動。

在控制系統的輸出頻率時，首先要考慮的是冷卻水的共振頻率，通過定期的頻率掃描，確定共振頻率帶寬，以此作為系統輸出頻率的范圍。再固定此諧振頻率，定期的幅值掃描，確定輸出幅值的范圍。同時溶解氧和電導率可以認為是對于水系統的一種擾動。當溶解氧和電導率發生變化時，輸出頻率也需要做出相應的調整，以抵消這種擾動。由于水系統是一個復雜的非線性系統，溶解氧和電導率對于輸出頻率的影響無法十分準確地進行數學描述，只能通過一系列的實驗，得出一個相對性的結論。因此當水系統的共振頻率帶寬一旦確定后，比較適合采用模糊控制的方法根據溶解氧和電導率的變化來調整水處理裝置的頻率輸出。模糊控制是近代控制理論中建立在模糊集合論基礎上的一種基于語言規則與模糊推理的控制理論，它是對非線性系統實現智能控制的一個重要分支。模糊控制是根據對控制對象的粗略知識以及人們的生產技能等知識，導出自然語言的控制規則，利用模糊理論進行控制的一種控制方法。

5 結 語

本文針對當前水處理裝置的不足，設計出一種新型的智能電磁水處理裝置。本系統克服當前電子水處理裝置單一頻率、單一幅值或是即使有掃頻但缺乏智能調節尋優的這些缺陷，研制出一種通過微處理器(微型計算機)的智能控制；不斷改變輸出電磁波的頻率、幅值或將幾種頻率進行合成，并把現場實時檢測的處理效果反饋給微處理器，結合電導率、溶解氧等常規信息的采集，通過軟件處理進行自動尋優，以確定最佳的處理方案即最優頻率組合和幅值的電磁波的智能電磁水處理系統。智能電磁水處理技術走向市場并被社會接受是一個漫長的過程。探索無污染的水處理技術，保護環境，保護水資源是水處理領域的研究方向。

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作者簡介 賀 陳 男，1983年出生，北京市昌平人，碩士研究生。主要從事檢測與自動化裝置方面的研究。

王廣生 男，高級工程師。主要從事自動化教學和研究工作。