一種防垢除垢的變頻電磁場發生裝置

侯宏錄　齊晶晶　黃釘勁

摘要： 針對管道結垢引起的設備腐蝕問題，在分析現有防垢除垢方法的基礎上提出了一種由可變頻方波信號控制的電磁防垢除垢電路解決方案。系統由AVR單片機產生方波信號，利用光耦合器實現單片機同驅動電路的隔離，微弱電信號經后續電路放大，驅動管道外圍線圈產生變化的電磁場。在電磁場作用下，污垢離子脫離管道內壁。實驗結果表明，該裝置可產生占空比為50%，頻率從0 Hz～6 MHz連續變頻輸出的方波信號，驅動功率為72 W，具有防垢除垢效率高、使用范圍廣、易安裝、功耗低等優點。

關鍵詞： 方波； 變頻； 電磁場； AVR單片機

中圖分類號： TN 712文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.016

An electromagnetic device with frequency conversion for

fouling control and removal

HOU Honglu， QI Jingjing， HUANG Dingjin

（School of Optoelectronic Engineering， Xian Technological University， Xian 710021， China）

Abstract： A kind of circuit based on square wave is designed to solve the problem of equipment corrosion caused by fouling in the pipeline. The square wave with variable frequencies is generated by AVR micro controller unit. After being processed through the driving circuit， the electricity signal driving the coil produces a magnetic field. Under the effect of electromagnetic， dirt ion is removed from the pipe wall. Experimental results demonstrate the square wave with the frequency conversion from 0 Hz to 6 MHz. The duty ratio is fifty percent and the driving power is 72 W. The equipment has high efficiency and wide applications and is easy to installation. Besides， the power consumption is low.

Keywords： square wave； frequency conversion； electromagnetic field； AVR micro controller unit

引言日常生活和工業生產中水垢現象非常普遍，如不加以預防處理，危害極大。傳統的化學除垢方法雖效果明顯，但由于引入了其他有害雜質，且化學藥劑本身存在著安全隱患，因而，不適合于人類日常生活中管道的防垢與除垢。物理除垢是用聲、光、電、磁等技術及其相應設備來改變水中各種離子和分子的運動狀況，實現除垢、防垢的目的，由于其具有節能環保的優勢因而引起了人們的廣泛關注[1]。目前，常用的物理防垢除垢方法有超聲波處理法，磁化處理法，靜電場處理法以及電磁場除垢法[2]。超聲波防垢除垢需要復雜的超聲波發生裝置，磁化處理法的磁場穩定性差，靜電場處理法需要額外電能產生電場，而電磁場除能夠有效除垢防垢外，還能對水質起到殺菌、滅藻的作用。本文基于電磁場除垢機理，將頻率連續變化的電信號送入纏繞在管道上的漆包線圈，產生變化的電磁場。在電磁場作用下，污垢離子脫離管道壁，實現防垢除垢目的。1變頻電磁防垢除垢機理水垢的主要成分為碳酸鈣和碳酸鎂。水分子是由一個氧原子和兩個氫原子組成，通常80%的水分子以氫鍵締合成水分子團的形式存在，這種水分子團對碳酸鈣的溶解度較低，使水垢很容易析出，并附著在管道內壁。當電磁場振動頻率同水分子自然頻率相同時將產生共振現象，使氫鍵斷裂，水分子變成單個極性水分子。該微小水分子可滲透、包圍、溶解水系統中形成的垢層，同時使懸浮在水中的鈣離子和鎂離子形成特殊的文石碳酸鈣晶體，其表面無電荷，無法在管道上吸附[35]。不同環境下水溫、硬度、黏度、pH不同，其共振頻率也不相同。變頻電磁防垢除垢系統可產生頻率不斷變化的電磁場，不同條件下的水分子與頻率不斷變化的電磁場產生共振，達到防垢除垢的目的。光學儀器第37卷

第2期侯宏錄，等：一種防垢除垢的變頻電磁場發生裝置

2變頻電磁防垢除垢系統方案理論分析與實驗結果表明，方波信號的防垢除垢效果較之其他信號更為明顯。原因在于：首先，方波的變化更為劇烈，所產生的電磁場能對水中的離子和分子產生較大的擾動；其次，方波信號含有豐富的諧波成分，使水分子團與外加電磁場實現共振的機率更大[4]。因此本系統選用30 min內頻率從0 Hz～6 MHz連續變化的方波作為驅動信號，系統以72 W的輸出功率驅動線圈產生變化的電磁場。系統原理框圖如圖1所示，主要由AVR單片機ATmega16、按鍵控制模塊、串口通信模塊、光耦隔離電路、驅動電路及線圈組成。按鍵開啟后系統上電，AVR單片機產生兩路PWM波信號[67]，由于AVR

圖1電磁除垢防垢系統原理框圖

Fig.1The diagram of electromagnetic prevention and

foulingremoval system

圖2電源模塊原理圖

Fig.2The diagram of power module

單片機產生的方波信號其負載能力低，不能直接驅動負載線圈，需要利用驅動電路對AVR單片機產生的信號加以放大。為了提高系統穩定性和可靠性，AVR單片機和驅動電路之間設計光耦隔離電路實現信號隔離[89]。驅動電路對信號放大并傳輸至線圈產生電磁場。串口通信模塊將AVR單片機PWM波信號參數發送給上位機，供工作人員配置波形參量。3變頻電磁防垢除垢系統電路設計

3.1電源模塊整個系統外部輸入36 V直流作為電機驅動電源，采用LM2576電源芯片將其轉換為5 V直流后為AVR單片機、串口通信電路、ISP下載電路、光耦隔離電路供電。圖2為電源模塊原理圖。輸入端旁路電容C1選擇470 μF的鋁電解電容防止出現大的瞬間電壓。輸出端續流二極管選擇開關速度快、正向壓降低、反向恢復時間短的肖特基二極管，儲能電感有高的通流量，C2選擇470 μF鉭電容用于輸出濾波以及提高環路的穩定性。

3.2基于AVR單片機的控制電路設計圖3為ATmega16單片機工作最小系統，通過配置代碼，單片機輸出端口PD4、PD5產生兩路相位相反的PWM波[6]。

圖3單片機工作最小系統

Fig.3Micro controller unit system

ATmega16作為主控芯片，其外圍電路包括晶振、復位電路、ISP下載電路、串口通信電路。選用12 MHz晶振為單片機提供工作時鐘。單片機程序運行發生錯誤時，可由復位電路恢復處理器至初始工作狀態。ISP下載電路實現單片機的程序燒寫。對于AVR單片機，當RESET為低電平時，可以通過串行SPI接口對其片內的Flash程序存儲器進行在線編程。配置代碼時，PC機與AVR單片機屬于主從關系，PC機為主機，單片機為從機。主機發出的串行數據經MOSI引腳傳入從機，由從機返回的數據經MISO引腳傳向主機。SCK為串行時鐘脈沖，由主機發往從機，主機通過SCK脈沖控制與從機傳輸數據。AVR單片機產生的方波信號通過串口通信模塊發送給上位機，檢測人員判斷方波信號的頻率、占空比及高低脈沖寬度是否符合要求。單片機輸出為TTL/COMS電平，該電平規定邏輯0電平為0 V，邏輯1電平為5 V，計算機采用負邏輯的RS232電平，規定邏輯0電平為3～15 V，邏輯1為-15～-3 V，所以計算機與單片機之間通訊時需加MAX232電平轉換芯片。

圖4光耦隔離電路

Fig.4Opticalcoupling isolation circuit3.3光耦隔離電路光耦隔離電路選用單通道高速光耦合器6N137，其電路原理如圖4所示。信號從引腳2和3輸入，輸入端有兩種接法，分別得到反相或同相邏輯傳輸。本系統采用同相邏輯傳輸，引腳3接輸入信號，引腳2接高電平。單片機輸出兩路PWM波通過兩路光耦隔離電路，方波信號由引腳3輸入，輸出為Port2。

3.4驅動電路單片機產生的電流無法滿足線圈產生電磁場的要求，設計驅動電路對線圈前端信號進行放大，可提供給負載的最大電流為2 A，電壓為36 V。本系統選用步進電機專用控制器L298作為驅動電路主芯片，圖5為驅動電路原理圖。使能輸入端ENA接AVR單片機PD3口，當PD3口為高電平時芯片使能，引腳5和7為輸入端，分別接兩路方波信號，引腳2和3為輸出端用來連接負載線圈。當L298從工作狀態轉換到停止狀態時會形成反向電流，電路中的4個二極管起到保護芯片的作用。

3.5電磁轉換電感線圈將驅動電路輸出的電信號轉換為對應的幅值調制磁信號。本系統中的電感線圈是由直徑為1.5 mm的漆包線在直徑40 mm的銅質管道上單層繞制500匝。通電線圈內的方波電流在管道內部產生變化的磁場，根據法拉第電磁感應定律，變化的磁場產生變化的電場，在管道內形成變頻電磁場。圖5驅動電路

Fig.5Driving circuit

圖6電磁防垢除垢電路實物

Fig.6The photo of electromagnetic prevention

and foulingremoval system

圖7電磁防垢除垢電路程序流程圖

Fig.7The flow chart of the program for electromagnetic

prevention and foulingremoval circuit

4系統電路板級實現

4.1電路布局布線電磁防垢除垢電路電源線和地線形成電流回路驅動整個電路系統，流經電流較大，應盡量減小導線的分布電阻，同時為了得到較為平坦的零電勢點，增大電源線和地線寬度為0.75 mm。在元器件布局過程中考慮到LM2576電源芯片工作時發熱量高，放置該芯片于PCB板靠近邊緣處，且在LM2576芯片的下方添加焊盤加快散熱速度?？紤]到電磁兼容性及電路內部模塊之間相互干擾，在便于信號流通的前提下，將各信號處理芯片分散排布于整塊PCB板上。為了減少外界噪聲干擾，PCB板上濾波電容放置于距離芯片信號輸入管腳處，對PCB電路板進行覆銅，外加屏蔽殼處理。圖6為電磁防垢除垢電路實物圖。

4.2代碼設計電磁防垢除垢電路程序流程圖如圖7所示。本系統選用16位定時器/計數器，工作模式為占空比和頻率均可調的相位修正PWM，該模式下的PWM頻率f可由如下公式獲得，即f=fclk2·N·TOP式中：fclk為時鐘頻率；N為預分頻因子（18、64、256或1 024）；TOP為計數器計數序列的最大值，其值可以為固定值0x00FF、0x01FF、0x03FF，或是存儲于寄存器OCR1A或ICR1里的數值。5系統性能測試及分析

5.1變頻信號特征檢測用示波器跟蹤檢測，得到占空比為50%，頻率在0 Hz～6 MHz隨時間變化而變化的方波信號。圖8和圖9是利用示波器檢測到電磁信號發生裝置在30 min內兩個時間點的波形圖。兩幅圖中的信號均為方波信號，時間差為12 min，頻率由174.062 kHz變成2.515 MHz，滿足變頻特性。

圖8頻率為174.062 kHz信號波形

Fig.8The waveform of the signal with

174.062 kHz frequency圖9頻率為2.515 MHz信號波形

Fig.9The waveform of the signal with

2.515 MHz frequency

5.2電磁場特性檢測圖10為方波信號從0 Hz～6 MHz變化過程中，利用高斯計對管道中心位置的磁場強度進行測量的結果。由圖10可知，方波頻率在500 kHz以內時，磁感應強度隨著方波頻率的增大而增大；當方波頻率大于500 kHz時，磁感應強度在0.8～1.2 mT范圍內波動。說明通電后的電感線圈產生了電磁場，且達到穩定后電磁場強度維持在一定范圍內。

5.3除垢防垢特性檢測選用銅管作為水流管道，試驗前標記水管質量。使含有碳酸鈣和碳酸鎂的溶液流過水管并形成水垢[10]，再次記錄水管質量并計算結垢量為2.5 g。將變頻電磁場發生裝置安裝在測試水管上，每隔3 h測量一次水管質量。得到除垢量與時間的關系如圖11所示。從圖11可以看出，該裝置連續除垢接近20 h時，除垢量約為2.5 g且水管內部無新的水垢產生，達到了除垢防垢的目的。

圖10方波信號頻率與磁感應強度關系

Fig.10The relationship between the frequency of

the square wave signal and the magnetic induction圖11除垢量與時間的關系

Fig.11The relationship between foulingremoval

amount and time

6結論

本文設計了一種基于AVR單片機的變頻電磁信號發生電路，該裝置克服了傳統防垢除垢裝置系

統復雜、效率低等除垢防垢效果不理想的弊端，解決了單一頻率電磁信號無法實現變頻共振從而引起除垢低效或除垢失敗的問題。理論分析和實驗結果均驗證了防垢除垢系統方案的可行性，整個電路系統結構緊湊、功耗低、便于操作，僅需36 V直流電源即可正常工作。參考文獻：

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（編輯：程愛婕）