0　引言
工業(yè)生產(chǎn)中的循環(huán)水系統(tǒng)在運行中對淡水消耗非常大，同時，為防止工業(yè)設(shè)備結(jié)垢等現(xiàn)象，需要對循環(huán)水不斷添加各種化學藥劑，且需要不斷地排放污水、補充新鮮水，這樣既對水資源造成了很大的浪費又污染環(huán)境。鑒此，筆者設(shè)計了一種基于ARM的工業(yè)循環(huán)水極化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過極化場對水的極化作用，實現(xiàn)對工業(yè)循環(huán)水的處理功能，達到減少水資源消耗、避免使用化學藥劑、有效防止水資源污染的目的。
1　系統(tǒng)總體設(shè)計方案
基于ARM 的工業(yè)循環(huán)水極化控制系統(tǒng)采用ST公司的STM32F103微控制器作為主控制核心，由極化能量檢測電路實時檢測循環(huán)水水質(zhì)參數(shù)，經(jīng)STM32F103運算處理后，由極化能量輸出電路調(diào)整極化能量的輸出，由LCD顯示電路實時顯示運行參數(shù)和設(shè)置參數(shù)，由開關(guān)量輸入電路控制信號的輸入，運行數(shù)據(jù)保存在擴展RAM 中。
2　系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1　主控制器
基于ARM 的工業(yè)循環(huán)水極化控制系統(tǒng)采用基于Cortex-M3內(nèi)核的32位增強型閃存微控制器STM32F103作為控制核心，具有高性能、低功耗、實時性好等特點。STM32F103的工作頻率可達72 MHz，具有512 KB 的閃存以及64 KB 的SRAM，12位逐次逼近型ADC，可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式轉(zhuǎn)換;通道采樣時間可編程，總轉(zhuǎn)換時間可縮減到1 μs，并支持DMA 數(shù)據(jù)傳輸。
STM32F103可采用定時器觸發(fā)的同步注入模式，實現(xiàn)多路模擬信號的同步采樣;具有3個USART串行通信接口，內(nèi)置波特率發(fā)生器，發(fā)送與接收共用可編程波特率，達4.5Mbit/s;靈活的靜態(tài)存儲器控制器FSMC能夠通過同步或異步存儲器與16位PC卡接口相連，便于外擴存儲器和液晶顯示屏。
2.2　極化能量輸出電路
極化能量輸出電路將STM32F103 輸出的PWM 極化能量控制信號由硬件邏輯合成、隔離并放大后輸出驅(qū)動極化體，產(chǎn)生極化電場作用于循環(huán)水。如圖2所示，極化能量輸出電路由PWM 輸出邏輯控制、光電隔離、輸出驅(qū)動、能量提升及輸出組成。
PWM 輸出邏輯控制由非門U1A～U1D和與非門U2、U4構(gòu)成，PWM 有PWM0、PWM1、PWM2三路信號，另有CON輸出控制信號。3路PWM 輸出信號的周期完全相同，其中PWM0、PWM1兩路輸出占空比根據(jù)實際極化能量的運行需要進行調(diào)整，PWM　2為占空比為5　0% 的PWM信號，與PWM0、PWM1_______一起控制N-MOS功率管Q1、Q2分別在1個周期的0～180°范圍內(nèi)和180°～360°范圍內(nèi)導(dǎo)通，確保Q1、Q2不同時輸出，有效避免輸出短路。
為提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性和抗干擾能力，并實現(xiàn)輸出電平的轉(zhuǎn)換，設(shè)計U3、U5光電耦合器，實現(xiàn)輸出PWM 信號的隔離傳輸。R2與R3、R6與R7分別組成分壓電路，實現(xiàn)對Q1、Q2的驅(qū)動功能，R4、C1、R8、C2組成阻容吸收保護電路，用于吸收升壓變壓器原邊線圈通斷產(chǎn)生的瞬時高電壓脈沖，從而保護Q1、Q2。
2.3　極化能量檢測電路
極化能量檢測電路由采樣電路、有源濾波電路、信號放大和限幅保護電路組成，如圖4所示。R9、R10構(gòu)成采樣電路。R9、R10選擇精密、低溫漂的線繞電阻，以保證系統(tǒng)在較寬溫度環(huán)境下工作時信號采集的穩(wěn)定、可靠。R11、C2、U6組成一階低通有源濾波電路，濾波器的截止頻率設(shè)計為45Hz，可有效濾除現(xiàn)場工頻50Hz干擾信號。限幅保護電路采用靜電釋放保護組件TVS，有效防止工業(yè)現(xiàn)場的大型電動機等設(shè)備啟停產(chǎn)生的高壓脈沖或信號超限而影響后級電路。
3　系統(tǒng)軟件設(shè)計
基于ARM 的極化控制系統(tǒng)軟件在KeiluVision4環(huán)境下開發(fā)工業(yè)循環(huán)水，采用C語言編程、模塊化設(shè)計，主要程序模塊包括初始化模塊、極化能量數(shù)據(jù)采集模塊、定時數(shù)據(jù)采集及PID功能運算模塊、LCD顯示驅(qū)動模塊、保護功能模塊。
主程序的主要功能是完成I/O引腳配置、定時器工作模式和常數(shù)配置、串行口工作模式和啟動控制、PWM 工作模式、中斷源初始化及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置;LCD顯示驅(qū)動模塊實現(xiàn)參數(shù)的數(shù)據(jù)變換和顯示功能，包括驅(qū)動芯片的初始化、顯示位分離、轉(zhuǎn)換顯示字型碼、寫入顯示映像區(qū)。
由于該系統(tǒng)的極化能量輸出作用于工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)，其輸出效果反映為一個大慣性的滯后系統(tǒng)，因
此，極化能量輸出控制采用數(shù)字PID 調(diào)節(jié)控制方式。
4　結(jié)語
基于ARM 的工業(yè)循環(huán)水極化控制系統(tǒng)在某電廠循環(huán)水系統(tǒng)應(yīng)用2臺(分別定義為設(shè)備A與設(shè)備
B)，并停止在循環(huán)水系統(tǒng)加化學藥劑。該系統(tǒng)運行1年多來，其防垢、除垢、殺菌、滅藻的效果理想，