摘 要：针对现行电磁水处理装置存在的问题，设计一种用可变频调压电磁波处理水质并通过反馈环节自动寻优的新型水处理系统。该系统以嵌入式ARM处理器为核心，通过数字频率发生器、频率合成器、功率放大器、变量采集和相应的模糊处理算法组成完整的系统。通过一定的实验，证明此种扫频寻求最佳谐振频率的方法处理速度快，效率高，创新之处在于其引入了反馈和智能寻优算法，打破了传统电磁水处理器的开环状态和单一性，发展前景广泛。
关键词：电磁水处理；杀菌灭藻；μC/OSⅡ；模糊控制；谐振频率
中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：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
水资源危机已经成为世界上一个令人关注的问题，它不仅表现在水量的不足，更反映在水质的恶化上。随着工业点污染源的有效控制，非点源污染对地表水体的影响越来越明显。
以水处理中的重要部分杀菌除藻为例，日趋严重的水体富营养化问题已经成为全球性的问题，在发展中国家尤其严重。今年，我国太湖蓝藻的大面积污染更让人们认识到了事态的严重性。
杀菌灭藻技术已经有多年的研究，但是对各个工艺的研究还不够完善，而且由于地域经济条件的限制和水质条件的变化，杀菌灭藻技术的大规模应用还存在着很多问题。
随着电磁波技术的不断发展，将电磁波用于杀菌灭藻日益引起人们的重视，电磁波灭藻技术以其清洁、高效、反应条件温和、速度快、易操作、可控性强等显著特点，在藻类控制领域有着广泛的应用前景。
2 智能电磁水处理系统简介
2.1 电磁水处理净水原理
当变频式微电脑水处理器在运行时，自动地、周期性和规律性地产生各种频率的交流电磁场，在这种电磁场作用下，水中产生各种极性离子。各种离子的微弱电能在反抗外加电场的过程中相互碰撞，从而得以消耗，各种离子的运动强度和运动方向因此被束缚。由于金属管壁接阴极，管内水为阳极，水中的各个质点与管壁形成一个交流电场。在这个电场作用下，水中各个离子分别组合成脉动的正负离子集团，使之产生电极反应，形成易排除物质。同时水的pH、二氧化碳、活性氧等的含量也发生了变化。水在交流电场作用下，迅速发生微弱的氧化还原反应，在阳极区附近产生一定量的氧化性物质，这些氧化性物质与细菌及藻类作用，破坏其正常的生理功能，使细胞膜过氧化而死亡，达到杀菌灭藻的目的。
2.2 现行电磁水处理设备存在的问题
当电磁场水处理领域目前主要集中在防垢、除垢、缓蚀、分离净化等方面，有关磁处理在杀菌灭藻方面的研究还较为少见。
现行的电磁水处理设备多是利用交变电流在固定频率下进行工作，其杀菌灭藻效果差。
现行的电磁水处理设备多是用单一方式进行处理，处理成分单一、效率低。多种技术联用，只是停留在理论研究层面。
电磁水处理装置目前只是尝试性地对某一种或几种污染物进行处理，还没有形成系统的规范和行业标准，对其处理参数的标定和最优值没有深入的探讨和研究。
2.3 系统设计内容
本系统的主要目的是要克服上述电子水处理设备的缺陷，设计一种通过微处理器(微型计算机)的智能控制，不断改变输出电磁波的频率、幅值或将几种频率进行合成，并把现场实时检测的处理效果反馈给微处理器，结合电导率、溶解氧、温度、PH值等常规信息的采集；通过软件处理进行自动寻优，以确定最佳的处理方案即最优频率组合和幅值的电磁波，在较宽范围内，对杀菌灭藻、防垢、除垢等不同功能，对不同环境，不同水质、不同流量、不同温度等情况进行处理，得以提高水处理的效果和效率，如图1所示。
3 电磁水处理系统的硬件设计与实现
3.1方案设计
本平台是以内嵌实时操作系统的ARM高性能微处理器为核心，控制一系列执行机构和反馈机构来运行整个系统的。系统硬件方案设计如图2所示。
整个系统硬件的工作过程为：通过键盘的参数设定和液晶的状态监控，控制器通过地址总线译码选通相应的频率发生芯片AD9850，通过向其写入相应的控制字，输出不同频率的方波或正弦波，通过频率合成和功率放大，输出含有多维频率分量的电磁波，由I/O和PWM模块粗调电压档位，数字电位器细调功放输出电压幅值。最后由空心绕线线圈将电磁波发送至水中。工作方式分自动和手动两种方式，手动方式是已知被处理水中污染物的处理频率，而直接生成以此为谐振频率的电磁波进行处理，通过反馈环节检测评判处理效果。另一种是更为智能的自动运行方式。自动运行是指没有任何人为设定，水处理系统输出宽带范围的扫频电磁波，通过反馈参数信息的模糊控制算法寻找出最优的谐振频率，并根据反馈评估处理效果与处理时间。
3.2 系统硬件设计
3.2.1 主控制器和频率发生模块
在系统设计中，采用目前较为流行的ARM7处理器，处理速度快，能满足较大规模寻优算法的要求。经过调研，最终选择Philips公司ARM7处理器LPC2220，该芯片价格低廉、片上设备和接口丰富、具有很高的性价比，且方便系统扩展。
在主控板上还扩展了1路SPI接口、1路I2C接口、外部总线接口、实时时钟、外部存储器、键盘接口、LCD接口和一个CF卡接口。板卡之间的通讯采用改进的STD总线标准。如图3所示。
高频信号发生是高频水处理装置的核心部分，决定着系统最终的输出频率，该发生器必须根据MCU的设定输出必要的频率。根据本设计的需要，高频信号发生器应满足在100 Hz～20 MHz范围内可调，步进小于100 Hz，而且系统对波形失真度的要求不高。为了降低系统电路设计复杂度，本系统采用数字频率发生芯片生成所需的频率。
由于系统最终要求的输出信号是宽频率范围的电磁波，通过调研，最终选择AD9850。AD公司的AD9850是一款功能强大、使用方便的可变频频率合成芯片，具有价格低廉、频率范围宽、控制方式多样等特点，非常适合本系统。
如图3所示，可控频率发生模块是利用ARM7对AD9850芯片进行数字控制，从而输出一个频率由数字可调的正弦波。本系统要求输出11维可合成的电磁波，所以通过地址总线分别选通不同的AD9850，写入相应的频率控制字，输出不同的频率。同时通过I2C总线控制AD9850的电源在3.3~5 V间微调输出的波形幅值。
AD9850其性能指标主要包括：接口简单，可用8位并行口或串行口直接装载频率和相位调制数据；片内有高性能D/A转换器和高速比较器，可输出正弦波和方波；最高工作时钟125 MHz，32位频率控制字保证在125 MHz的工作时钟下，频率分辨率达0.029 1 Hz；低功耗：在125 MHz时钟频率、+5 V电源工作时，功耗为380 mW；在110 MHz时钟、+3.3 V工作时，功耗为155 mW。此芯片可产生0.029 Hz~62.5 MHz的正弦波信号和标准的方波信号。
3.2.2 频率合成模块
如图4所示，此模块是不同维数频率合成板，AD9850产生不同频率的信号经过射随器驱动，由模拟开关选通合成维数通道，进入由运算放大器组成的频率调制器合成，即生成频率幅值叠加的信号。
3.2.3 电源功放模块
高频水处理装置的最终输出由功率放大器产生。通过功率放大器，高频水处理装置不断向冷却水系统施加电磁场能量，以达到处理目的。功率放大器的输入信号为高频信号发生器输出的弱电信号，输出功率要求达到40 W以上，输出电流一般为1 A左右，输出电压为20 V左右。本功率放大器采用集成功放，其电源通过电源模块提供，可提供4个粗调档位，再由PWM波调节IGBT的导通关断时间进一步调节供给集成功放的电源电压，如图5所示。信号通过一系列光隔、驱动之后，由数字电位器分压调整幅值，最后通过功放输出电磁波。
3.2.4 反馈模块
反馈环节是本系统的创新，完全满足自动控制系统闭环的特点，其精度和灵敏度也是智能水处理算法性能优劣的根本。要采集的变量如表1所示：
通过对这些参数的数据处理，设计一个合适的算法来保证高频电磁水处理装置的输出始终在最佳的频率点附近，从而进一步提高高频电磁水处理装置的处理效果。
4 系统软件算法设计
4.1 嵌入式实时操作系统任务设计
μC/OSⅡ是JeanJ.Labrosse设计的完整、可移植、可固化、可剪裁的占先式实时多任务内核，可剥夺性和多任务也是μC/OSⅡ的重要特性，它总是运行处于就绪态的优先级最高的任务。它有64个任务，用户可以使用其中的56个。
一个应用系统的软件可以分为许多“可执行程序单元”。当不使用操作系统时(基于裸机的编程方式)，将这些“可执行程序单元”进行分类组合，就可以得到一个个“模块”，其中一个是“监控模块”，其他“模块”在“监控模块”的管理下运行。当使用操作系统时(基于操作系统的编程方式)，将这些“可执行程序单元”进行分类组合，就可以得到一个个“任务”，这些“任务”在操作系统的调度下运行。本系统任务关联图如图6所示。
4.2控制算法
本系统的控制算法分4步：确定输出的谐振频率、频带，电压幅值和模糊控制消除扰动。
在控制系统的输出频率时，首先要考虑的是冷却水的共振频率，通过定期的频率扫描，确定共振频率带宽，以此作为系统输出频率的范围。再固定此谐振频率，定期的幅值扫描，确定输出幅值的范围。同时溶解氧和电导率可以认为是对于水系统的一种扰动。当溶解氧和电导率发生变化时，输出频率也需要做出相应的调整，以抵消这种扰动。由于水系统是一个复杂的非线性系统，溶解氧和电导率对于输出频率的影响无法十分准确地进行数学描述，只能通过一系列的实验，得出一个相对性的结论。因此当水系统的共振频率带宽一旦确定后，比较适合采用模糊控制的方法根据溶解氧和电导率的变化来调整水处理装置的频率输出。模糊控制是近代控制理论中建立在模糊集合论基础上的一种基于语言规则与模糊推理的控制理论，它是对非线性系统实现智能控制的一个重要分支。模糊控制是根据对控制对象的粗略知识以及人们的生产技能等知识，导出自然语言的控制规则，利用模糊理论进行控制的一种控制方法。
5 结 语
本文针对当前水处理装置的不足，设计出一种新型的智能电磁水处理装置。本系统克服当前电子水处理装置单一频率、单一幅值或是即使有扫频但缺乏智能调节寻优的这些缺陷，研制出一种通过微处理器(微型计算机)的智能控制；不断改变输出电磁波的频率、幅值或将几种频率进行合成，并把现场实时检测的处理效果反馈给微处理器，结合电导率、溶解氧等常规信息的采集，通过软件处理进行自动寻优，以确定最佳的处理方案即最优频率组合和幅值的电磁波的智能电磁水处理系统。智能电磁水处理技术走向市场并被社会接受是一个漫长的过程。探索无污染的水处理技术,保护环境,保护水资源是水处理领域的研究方向。
参 考 文 献
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作者简介 贺 陈 男，1983年出生，北京市昌平人，硕士研究生。主要从事检测与自动化装置方面的研究。
王广生 男，高级工程师。主要从事自动化教学和研究工作。