【正文】 內(nèi)外尚處于起步階段，許多理論還不成熟，導(dǎo)致該項技術(shù)的推廣應(yīng)用進展緩慢。 化學方法包括堿沉淀法、投加 防 垢 劑法和離子交換法等。這些方法都可以有效防垢阻垢。電磁除垢防垢的原理方法在國內(nèi)成為研究的熱點，大多數(shù)是應(yīng)用低端單片機控制高頻信號發(fā) 生器或模擬信號產(chǎn)生的芯片來產(chǎn)生控制信號。 常用除垢 方法 常見的除垢、 防 垢方法有化學方法和物理方法。 物理方法包括水電解法、磁化法、超聲波法 等 。 化學法 學阻垢除垢方法所用的化學藥劑主要有緩蝕劑 (有機磷酸鹽、有機磷酸酷、芳香哇類 )、阻垢劑 (有機磷酸、低分子量丙烯酸聚合物和共聚物 )、殺生劑 (克菌強 和澳類殺生劑 、臭氧 )和無機凝聚劑 (低分子的無機絮凝劑、高分子無機絮凝劑 )和有機絮凝劑 (聚丙 第 2 頁 | 西華大學畢業(yè)設(shè)計說明書 烯酞 )。 此外， 化學法會增加運行 成本， 由于處理水樣的復(fù)雜性，阻垢劑的類別和比例需要隨水樣而改變，而且對水質(zhì)會造成污染。 ① 磁場處理法 磁場處理 法就是使水流過由永磁鐵產(chǎn)生的一定強度的磁場，使其性質(zhì)發(fā)生變化成為“磁化水”，“磁化”并不是軟化過程，它只是單純的物理過程 。磁處理方法操作簡單，也不會影響設(shè)備，但是磁場強度會隨時間逐漸減弱，而且磁性懸浮物吸附后會降低阻垢除垢的效果 。由于 靜電場的作用，結(jié)晶過程被破壞，晶體的結(jié)構(gòu)被改變促使硬垢疏松，同時水的偶極矩增加也提高了水垢的溶解速率，使已經(jīng)生成的老垢逐漸剝離、脫落、達到除垢的目的。超聲波水處理器處理的對象不是水中 鈣離子 、鎂離子 ，而是熱分解后的酸鹽，所以處理效果顯著。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)超聲波處理 對于生物污垢的抑制與清除具有良好的作用，且隨超聲強度和處理次數(shù)增加阻垢除垢效果也會更加顯著。超聲波的阻垢機理主要 表現(xiàn)在以下幾個方面：“空化”效應(yīng)、“活化”效應(yīng)、“剪切”效應(yīng)、“抑制”效應(yīng)。 第 3 頁 | 西華大學畢業(yè)設(shè)計說明書 脈沖射電水處理技術(shù)主要是通過產(chǎn)生瞬間高壓高強電磁脈沖（可比 高頻電磁作用強度增大 10－ 20 倍）克服水分子的“極化能障”來達到阻垢除垢的目的。 在常溫條件下，交變電磁場處理前后溶液的電導(dǎo)率和鈣離子濃度均沒有明顯差異，碳酸鈣晶體均為方解石型態(tài)；在高溫條件下，經(jīng)交變電磁場處理后溶液的鈣離子濃度相對于未經(jīng)電磁場處理時略有增大，表明電磁場在一定程度上抑制結(jié)垢過程，通常留下的碳酸鈣晶體是質(zhì)地堅硬的枝狀文 石，經(jīng) 電磁場處理后碳酸鈣晶體變?yōu)槠瑺畈欢ㄐ误w，易于脫落。 當水流以一定的速度流過高頻交變的磁場時，吸收交變磁場能量，水分子被極化，甚至于發(fā)生共振，使大水分子團破裂釋放出更多的單個水分子和組成較小的包含 6 個水分子的小水分子團。 變頻電磁 處理的 機理： 水體是通過吸收電磁場的能量而達到磁化效果的，由于水質(zhì)(包括硬度、 pH 值、電導(dǎo)率等 )的不同以及外界環(huán)境因素 (如溫度和壓強 )的變化會導(dǎo)致水體對磁場的響應(yīng)的靈敏度不同，自然頻率點不同。 第 4 頁 | 西華大學畢業(yè)設(shè)計說明書 2 總體方案設(shè)計 要實現(xiàn)同一種目的，不只有一種方法，可以采用不同的方案來實現(xiàn)，本次設(shè)計中就通過三種方案來實現(xiàn)， 下面就著重介紹以下 三 種方案對同一目的的實現(xiàn)方法。 方案比較 方案一 系統(tǒng) 框圖如 圖 所示。由 NE556 組成 多諧振蕩器， 產(chǎn)生 所需要的 占空比 約為 百分之 九十八的脈沖 方波 ，通過邏輯異或門，異或 不同 脈沖 方波 ,再將 邏輯異或后的兩路脈沖波 ， 再 通過 CD4070 異或 ，得到我們最終需要的 脈沖 波 。其中 本系統(tǒng)中 還有反饋系統(tǒng)， 通過 單穩(wěn)態(tài) 觸 第 5 頁 | 西華大學畢業(yè)設(shè)計說明書 發(fā)器來啟動負反饋 系統(tǒng) ，來達到 控制多諧振蕩器 輸出頻率的，使得整個系統(tǒng)穩(wěn)定。此外 ， 由于模擬器件 電路中不可避免 干擾 ，脈沖波會因此 受到 干擾 產(chǎn)生 毛刺 ， 利用 電容的充放電的特性，以達到消除毛刺的目的。 FP G A 芯片上位機發(fā)送頻率電源高速數(shù)模轉(zhuǎn)化器調(diào)整幅度模擬放大增強驅(qū)動電磁線圈反饋 圖 方案二的系統(tǒng)框圖 工作原理簡述： 上電后 ，上位機 （ PC） 按照 預(yù)先 設(shè)定 的通信協(xié)議， 通過串口 發(fā)送設(shè) 第 6 頁 | 西華大學畢業(yè)設(shè)計說明書 定的頻率 和 幅度信息 給 FPGA，通過 解析信息，獲取頻率和幅度 值， 通過高速 DA， 輸出脈沖信號 ， 通過模擬放大器 對信號 的放大， 驅(qū)動 電磁線圈， 達到 除垢的目的。此系統(tǒng) 的 主要特色是可以通過 根據(jù)污垢 的不同情況，調(diào)節(jié)線圈的輸出 頻率 和幅度，還可以達到遠程 監(jiān)測和控制的效果。對于變頻電磁水處理系統(tǒng)的頻率取值范圍，學術(shù)界尚無統(tǒng)一確定的說法，各種文獻顯示的頻率取值范圍差別也比較大。整個系統(tǒng)主要可分為 4 個部分：電源電路、頻率信號產(chǎn)生電路、放大電路和 電磁線圈 ，其結(jié)構(gòu)原理框圖如圖 所示。 5V、 12V恒定平穩(wěn)直流電 ， 分別 供 給 控制芯片、運 算放大器和模擬開關(guān)驅(qū)動電路和功率放大電路使用。 可變高頻信號是由控制芯片產(chǎn)生，然后通過功率 第 7 頁 | 西華大學畢業(yè)設(shè)計說明書 放大電路將信號放大以后送高頻感應(yīng)腔生成頻率可變的電磁場。 由高頻大功 MOSFET元件 IRF9520作為開關(guān)元件，通過控制 IRF9520的開關(guān)頻率來控制處理腔電磁場的頻率，在處理腔中產(chǎn)生高頻的電磁場。而在這些因素中，有很多因素是不可測和不可控的，因而為了達到最好的磁化效果，系統(tǒng)實現(xiàn)了磁場在一定范圍內(nèi)的不斷變化，使系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)程度提高。存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高 頻點低、變頻范圍窄、成本較高等問題。方案二 ：結(jié)構(gòu) 過于復(fù)雜， 應(yīng) 用價值 低， 需要 上位機 和 下位機協(xié)同工作， 性價比 不高。該系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，具有很高的性價比和應(yīng)用價值。 第 8 頁 | 西華大學畢業(yè)設(shè)計說明書 3 單元模塊設(shè)計 本節(jié)主要介紹系統(tǒng)各單元模塊的具體功能、電路結(jié)構(gòu)、工作原理、以及各個單元模塊之間的聯(lián)接關(guān)系；同時本節(jié)也會對相關(guān)電路中的參數(shù)計算、元器件選擇、以及核心器件進行必要說明。 放大電路 在處理腔中的水體具有一定電阻的負載，將其與電容 C1串聯(lián)，和 L1 并聯(lián)后形成 RLC電路，由高頻大功率的 MOSFET 元件 AD715 作為開關(guān)元件，通過控制 AD715 的開關(guān)頻率來控制處理腔中電磁場的頻率，在處理腔中產(chǎn)生高頻的電磁場。 5V 的雙極性方波信號，因 MOSFET輸入阻 抗較高，需要由放大電路放大后方可驅(qū)動，故采用乙類互補 放大電路。 +Vs1+IN2IN3Vs4LATCH5GROUND6OUTPUT7Vlogic8U*1AD790+5VGND12J2CON2GNDPWMPWMR2+5VR5GND123J1CON35V5VR3+5VR4T19014T39015R6GNDR1GDST2IRFXX0FvccC1104C2104GNDGND12J3CON212J4CON2vccvccGND12J5CON2GNDFvcc+5V 圖 放大電路 第 9 頁 | 西華大學畢業(yè)設(shè)計說明書 高頻 信號發(fā)生電路 可變高頻信號是由控制芯片產(chǎn)生，然后通過功率放大電路將信號放大以后送高頻感應(yīng)腔生成頻率可變的電磁場。 STM32F103C8是小容量增強型，基于 ARM732 位的 CortexTMM3CPU。 單周期乘法和硬件除法。 高頻信號發(fā)生電路如圖 所示。 5V 和 +12V 多種 電源， 而且 每個器件 功率 有所差異 。本系統(tǒng) 中選用雙電源12V 輸出 的 變壓器 ，經(jīng)過 1N4148 組成 的 整流橋 整流 后 ， 變?yōu)檎?的直流電， 再 通過 大容量 的電解電容， 濾除 低頻諧波，小容量的瓷片電容濾除高頻諧波，達到穩(wěn)定的直流電壓。 各部分 電源電路 ， + 電源 部分、 177。 177。5V 電源部分 圖 177。 5V 電源 電路 中 ， 使用 的主要穩(wěn)壓 芯片 為 電壓 可調(diào)的 LM317 和 LM337 組成 。此外，還具有調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高等優(yōu)點。 LM337 的輸出電壓范圍是 至 37V，負載電流最大為 ~。 第 11 頁 | 西華大學畢業(yè)設(shè)計說明書 此外它的線性調(diào)整率和負載調(diào)整率也比標準的固定穩(wěn)壓器好。 綜上所述 ， LM317 和 LM337 組成 電路完全符合 系統(tǒng) 的各項要求 。 5V 電源 ， 只需要調(diào)節(jié)電位器 W1和 W2，就可以 得到 177。 +12V 電源部分 0IN1OUT2GND3FB4ON/OFF5IC1LM257612C3100uFL1100uHZ15822C41000uF12J2CON2GNDC5104R21kD2LED1GNDVCC+12V 電源部分 圖 +12V 電源電路 如圖 ， +12V 電源部分以 LM2576 為主控 電源芯 片 。 它 的高負載能力和高效的轉(zhuǎn)換效率， 使得 它能夠 為我們 驅(qū)動 MOSFET 管提供足夠 大的 電流 。 解決 方案為，在電源的正極輸入端 串聯(lián) 一個 緩沖器 。 該電容 在 此 電路中是必不可少的一個元器件 。 在設(shè)計 之前 ， 查閱了 該芯片的 PDF 文檔 ，文檔上沒有 詳細地介紹 C3 這個 電容的作用， 因此 僅把 當成了一個濾波電容看待，在設(shè)計電路時 由于 空間原因 去掉 了該電容。因此 ，重新查看了 官方 給出 英文 PDF 文檔 ， 最終 發(fā)現(xiàn) 是由于 電路 缺少了 100uF 的 電解電 容 C3。 因此 ， 100uF電解 電容 C3 對于該芯片電路中 ，是必不可少的 。該芯片 是一個低漏失電壓調(diào)整器 ， 輸出電流 為 1A線路調(diào)整率只有 %最大負載調(diào)整率 ，由此它 完全滿足我們的電路的要求 。由于 AMS1117 最大 的壓降為 ， 本次 系統(tǒng)采用的是貼片 SOT223的 封裝 散熱面積 較小， 因此 在 確保 輸出 電壓和考慮 散熱問題 后 ，選擇輸入電壓 時 ， 選用 了 +5V 電源 輸入。由于線圈 工作是屬于感性負載，根據(jù) 法拉第 電磁感應(yīng)定律，在對 電路 上電和斷電時， 電路 會產(chǎn)生反向的感應(yīng)電流，為 了防止 電流 倒灌 會線圈， 保護系統(tǒng) 電路的目的，在 限流電阻 的前端設(shè)計了 一個 高反向電壓的二極管。 STM32F103C8T6 包含 2 個 12位的 ADC、 3 個通用 16位定時器和一個 PWM 定時器，還包含標準和先進 的通信接口：多達 2 個 I2C 和 SPI、 3 個USART、一個 USB 和一個 CAN。 ARM 的 CortexM3 是 32 位的 RISC 處理器，提供額外的代碼效率，在通常 8 和 16 位系統(tǒng)的存儲空間上得到了 ARM 核心的高性能。 ● 緊耦合的 NVIC 能夠達到低延遲的中斷響應(yīng)處理 ● 中斷向量入口地址直接進入核心 ● 緊耦合的 NVIC 接口 ● 允許中斷的早期處理 ● 處理晚到的較高優(yōu)先級中斷 ● 支持中斷尾部鏈接功能 ● 自動保存處理器狀態(tài) ● 中斷返回時自動恢復(fù)，無需額外指令開銷 該模塊以最小的中斷延遲提供靈活的中斷管理功能。 每個中斷線都可以獨立地配置它的觸發(fā)事件 ( 上升沿或下降沿或雙邊沿 ) ，能夠單獨地被屏蔽；有一個掛起寄存器維持所有中斷請求的狀態(tài)。多達 80 個通用 I/O口連接到 16個外部中斷線。同樣，在需要時可以采取對 PLL 時鐘完全的中斷管理 (如當一個外接的振蕩器失效時 )。AHB和高速 APB 的最高頻率是 72MHz，低速 APB 的最高頻率為 36MHz。它具有下述特性： ● 24位的遞減計數(shù)器 ● 重加載功能 ● 當計數(shù)器為 0時能產(chǎn)生一個可屏蔽中斷 ● 可編程時鐘源 ⑤ 通用定時器 (TIMx) STM32F103xx 增強型系列產(chǎn)品中內(nèi)置了多達 3 個同步的標準定時器。它們還能通過定時器鏈接功能與高級控制定時器共同工作，提供同步或事件鏈接功能。 任一標準定時器都能用于產(chǎn)生 PWM 輸出。 ⑥ TIM1 和 TIM8 簡介 高級控制定時器 (TIM1 和 TIM8) 由一個 16 位的自動裝載計數(shù)器組成，它由一個可編程的預(yù)分頻器驅(qū)動 。使用定時器預(yù)分頻器和 RCC 時鐘控制預(yù)分頻器，可以實現(xiàn)脈沖寬度和波形周期從幾個微秒到幾個毫秒的調(diào)節(jié)。 ⑴ TIM1 和 TIM8 主要特性 TIM1 和 TIM8 定時器的功能包括： ● 16 位向上、向下、向上 / 下自動裝載計數(shù)器 ●