摘 要：針對現(xiàn)行電磁水處理裝置存在的問題，設(shè)計一種用可變頻調(diào)壓電磁波處理水質(zhì)并通過反饋環(huán)節(jié)自動尋優(yōu)的新型水處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以嵌入式ARM處理器為核心，通過數(shù)字頻率發(fā)生器、頻率合成器、功率放大器、變量采集和相應(yīng)的模糊處理算法組成完整的系統(tǒng)。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(chuàng)新之處在于其引入了反饋和智能尋優(yōu)算法，打破了傳統(tǒng)電磁水處理器的開環(huán)狀態(tài)和單一性，發(fā)展前景廣泛。

關(guān)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(biāo)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(jīng)成為世界上一個令人關(guān)注的問題，它不僅表現(xiàn)在水量的不足，更反映在水質(zhì)的惡化上。隨著工業(yè)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(yán)重的水體富營養(yǎng)化問題已經(jīng)成為全球性的問題，在發(fā)展中國家尤其嚴(yán)重。今年，我國太湖藍藻的大面積污染更讓人們認(rèn)識到了事態(tài)的嚴(yán)重性。

殺菌滅藻技術(shù)已經(jīng)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(jīng)濟條件的限制和水質(zhì)條件的變化，殺菌滅藻技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用還存在著很多問題。

隨著電磁波技術(shù)的不斷發(fā)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(shù)以其清潔、高效、反應(yīng)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(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

2 智能電磁水處理系統(tǒng)簡介

2.1 電磁水處理凈水原理

當(dāng)變頻式微電腦水處理器在運行時，自動地、周期性和規(guī)律性地產(chǎn)生各種頻率的交流電磁場，在這種電磁場作用下，水中產(chǎn)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(nèi)水為陽極，水中的各個質(zhì)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(fù)離子集團，使之產(chǎn)生電極反應(yīng)，形成易排除物質(zhì)。同時水的pH、二氧化碳、活性氧等的含量也發(fā)生了變化。水在交流電場作用下，迅速發(fā)生微弱的氧化還原反應(yīng)，在陽極區(qū)附近產(chǎn)生一定量的氧化性物質(zhì)，這些氧化性物質(zhì)與細(xì)菌及藻類作用，破壞其正常的生理功能，使細(xì)胞膜過氧化而死亡，達到殺菌滅藻的目的。

2.2 現(xiàn)行電磁水處理設(shè)備存在的問題

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

現(xiàn)行的電磁水處理設(shè)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(xiàn)行的電磁水處理設(shè)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(shù)聯(lián)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(tǒng)的規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對其處理參數(shù)的標(biāo)定和最優(yōu)值沒有深入的探討和研究。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容

本系統(tǒng)的主要目的是要克服上述電子水處理設(shè)備的缺陷，設(shè)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?qū)追N頻率進行合成，并把現(xiàn)場實時檢測的處理效果反饋給微處理器，結(jié)合電導(dǎo)率、溶解氧、溫度、PH值等常規(guī)信息的采集；通過軟件處理進行自動尋優(yōu)，以確定最佳的處理方案即最優(yōu)頻率組合和幅值的電磁波，在較寬范圍內(nèi)，對殺菌滅藻、防垢、除垢等不同功能，對不同環(huán)境，不同水質(zhì)、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(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1方案設(shè)計

本平臺是以內(nèi)嵌實時操作系統(tǒng)的ARM高性能微處理器為核心，控制一系列執(zhí)行機構(gòu)和反饋機構(gòu)來運行整個系統(tǒng)的。系統(tǒng)硬件方案設(shè)計如圖2所示。

整個系統(tǒng)硬件的工作過程為：通過鍵盤的參數(shù)設(shè)定和液晶的狀態(tài)監(jiān)控，控制器通過地址總線譯碼選通相應(yīng)的頻率發(fā)生芯片AD9850，通過向其寫入相應(yīng)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(diào)電壓檔位，數(shù)字電位器細(xì)調(diào)功放輸出電壓幅值。最后由空心繞線線圈將電磁波發(fā)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(huán)節(jié)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(shè)定，水處理系統(tǒng)輸出寬帶范圍的掃頻電磁波，通過反饋參數(shù)信息的模糊控制算法尋找出最優(yōu)的諧振頻率，并根據(jù)反饋評估處理效果與處理時間。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.2.1 主控制器和頻率發(fā)生模塊

在系統(tǒng)設(shè)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(guī)模尋優(yōu)算法的要求。經(jīng)過調(diào)研，最終選擇Philips公司ARM7處理器LPC2220，該芯片價格低廉、片上設(shè)備和接口豐富、具有很高的性價比，且方便系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)。如圖3所示。

高頻信號發(fā)生是高頻水處理裝置的核心部分，決定著系統(tǒng)最終的輸出頻率，該發(fā)生器必須根據(jù)MCU的設(shè)定輸出必要的頻率。根據(jù)本設(shè)計的需要，高頻信號發(fā)生器應(yīng)滿足在100 Hz～20 MHz范圍內(nèi)可調(diào)，步進小于100 Hz，而且系統(tǒng)對波形失真度的要求不高。為了降低系統(tǒng)電路設(shè)計復(fù)雜度，本系統(tǒng)采用數(shù)字頻率發(fā)生芯片生成所需的頻率。

由于系統(tǒng)最終要求的輸出信號是寬頻率范圍的電磁波，通過調(diào)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(tǒng)。

如圖3所示，可控頻率發(fā)生模塊是利用ARM7對AD9850芯片進行數(shù)字控制，從而輸出一個頻率由數(shù)字可調(diào)的正弦波。本系統(tǒng)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(yīng)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(diào)輸出的波形幅值。

AD9850其性能指標(biāo)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(diào)制數(shù)據(jù)；片內(nèi)有高性能D/A轉(zhuǎn)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(chǎn)生0.029 Hz~62.5 MHz的正弦波信號和標(biāo)準(zhǔn)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(shù)頻率合成板，AD9850產(chǎn)生不同頻率的信號經(jīng)過射隨器驅(qū)動，由模擬開關(guān)選通合成維數(shù)通道，進入由運算放大器組成的頻率調(diào)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(chǎn)生。通過功率放大器，高頻水處理裝置不斷向冷卻水系統(tǒng)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(fā)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(diào)檔位，再由PWM波調(diào)節(jié)IGBT的導(dǎo)通關(guān)斷時間進一步調(diào)節(jié)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(qū)動之后，由數(shù)字電位器分壓調(diào)整幅值，最后通過功放輸出電磁波。

3.2.4 反饋模塊

反饋環(huán)節(jié)是本系統(tǒng)的創(chuàng)新，完全滿足自動控制系統(tǒng)閉環(huán)的特點，其精度和靈敏度也是智能水處理算法性能優(yōu)劣的根本。要采集的變量如表1所示：

通過對這些參數(shù)的數(shù)據(jù)處理，設(shè)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(tǒng)軟件算法設(shè)計

4.1 嵌入式實時操作系統(tǒng)任務(wù)設(shè)計

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

一個應(yīng)用系統(tǒng)的軟件可以分為許多“可執(zhí)行程序單元”。當(dāng)不使用操作系統(tǒng)時(基于裸機的編程方式)，將這些“可執(zhí)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(jiān)控模塊”，其他“模塊”在“監(jiān)控模塊”的管理下運行。當(dāng)使用操作系統(tǒng)時(基于操作系統(tǒng)的編程方式)，將這些“可執(zhí)行程序單元”進行分類組合，就可以得到一個個“任務(wù)”，這些“任務(wù)”在操作系統(tǒng)的調(diào)度下運行。本系統(tǒng)任務(wù)關(guān)聯(lián)圖如圖6所示。

4.2控制算法

本系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(dǎo)率可以認(rèn)為是對于水系統(tǒng)的一種擾動。當(dāng)溶解氧和電導(dǎo)率發(fā)生變化時，輸出頻率也需要做出相應(yīng)的調(diào)整，以抵消這種擾動。由于水系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，溶解氧和電導(dǎo)率對于輸出頻率的影響無法十分準(zhǔn)確地進行數(shù)學(xué)描述，只能通過一系列的實驗，得出一個相對性的結(jié)論。因此當(dāng)水系統(tǒng)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(jù)溶解氧和電導(dǎo)率的變化來調(diào)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(chǔ)上的一種基于語言規(guī)則與模糊推理的控制理論，它是對非線性系統(tǒng)實現(xiàn)智能控制的一個重要分支。模糊控制是根據(jù)對控制對象的粗略知識以及人們的生產(chǎn)技能等知識，導(dǎo)出自然語言的控制規(guī)則，利用模糊理論進行控制的一種控制方法。

5 結(jié) 語

本文針對當(dāng)前水處理裝置的不足，設(shè)計出一種新型的智能電磁水處理裝置。本系統(tǒng)克服當(dāng)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(diào)節(jié)尋優(yōu)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?qū)追N頻率進行合成，并把現(xiàn)場實時檢測的處理效果反饋給微處理器，結(jié)合電導(dǎo)率、溶解氧等常規(guī)信息的采集，通過軟件處理進行自動尋優(yōu)，以確定最佳的處理方案即最優(yōu)頻率組合和幅值的電磁波的智能電磁水處理系統(tǒng)。智能電磁水處理技術(shù)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(shù)，保護環(huán)境，保護水資源是水處理領(lǐng)域的研究方向。

參 考 文 獻

［1］曲久輝，劉會娟.水處理電化學(xué)原理與技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

［2］周航慈，吳光文.基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的程序設(shè)計技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［3］趙負(fù)圖.現(xiàn)代傳感器集成電路［M］.北京:人民郵電出版社，2000.

［4］李佳.ARM系列處理器應(yīng)用技術(shù)完全手冊［M］.北京:人民郵電出版社，2006.

［5］Philips公司.ARM7TDMIS(Rev4)技術(shù)參考手冊［Z］，2007.

［6］黃蕾.基于單片機的直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)的應(yīng)用研究［D］.長沙:湖南大學(xué)，2005.

［7］皮科武，羅亞田.水處理中磁技術(shù)的應(yīng)用研究進展［J］.環(huán)境技術(shù)，2003，21(1):2628.

［8］張軍，李書光，胡松青.磁處理技術(shù)應(yīng)用與研究進展［J］.青島大學(xué)學(xué)報，2002，15(4):7174.

［9］李梅.掃頻脈沖電磁場對污水的殺菌性能［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2003，24(5):102105.

［10］周蔚紅，張鈞.電磁脈沖滅菌研究［J］.微波學(xué)報，2000，16(3):381321，230.

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(xué)和研究工作。