基于FPGA的调频电磁除垢仪的研究

论文摘要

目前，大量锅炉及管道等各种用水设备的除垢防垢问题越来越突出，传统化学除垢方法存在环境污染大，成本高等缺点。而电磁除垢技术具有无污染，成本低，使用方便等不可比拟的优点，其重要的研究价值和广阔的应用前景受到广泛的关注。通过研究水垢的形成以及电磁场除垢防垢机理，并且把理论研究与工程实践相结合，设计了调频电磁除垢仪，通过分析用户水质参数和安装参数，选择合适的工作频率，以达到最优的除垢防垢效果。该除垢仪可以产生单一频率输出，还能产生宽频信号输出，以适应不同水质的要求。系统前端主要实现调频信号的输出，本课题以Altera公司的QuartusⅡ为开发平台，结合数字频率合成（DDS）技术和PWM技术，来实现控制信号的输出。利用FPGA设计实现了DDS模块，基准波模块，数字比较器模块等形成PWM信号的模块，采用VHDL语言对相关模块进行设计输入，编译和功能仿真。DDS模块主要产生调制波，为频率可调的正弦波信号，与基准波相比较，产生PWM控制信号。同时还设计了基于FPGA的输入输出模块以及时钟模块。为了满足系统工作的稳定性，系统后端设计了功率稳压电源，以适应不同的水质需要。电源作为本课题一个重点，文中给出了详细的介绍。为了使负载的电压得到显示，设计了检测电压电路，通过A/D转化，将数字信息传输给FPGA处理，并通过液晶显示。最后，利用调频电磁除垢仪，以碳酸钙为研究对象，进行模拟静态实验，分析电磁场频率和电磁场电压幅度对碳酸钙溶解度的影响。通过实验分析，该装置设计合理，除垢防垢效果明显。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1.绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的研究内容及结构
• 2 电磁场除垢防垢的相关理论
• 2.1 水垢的分类
• 2.2 水垢的危害
• 2.3 调频电磁除垢原理
• 2.4 相关技术与工具简介
• 2.4.1 DDS 技术
• 2.4.2 PWM 技术
• 2.4.3 FPGA 开发平台
• 2.5 本章小结
• 3 系统前端模块设计
• 3.1 系统方案选取与设计
• 3.2 DDS 模块的设计
• 3.2.1 相位累加器设计
• 3.2.2 双口 RAM 模块使用
• 3.2.3 DDS 输出正弦波设计
• 3.2.4 数字比较器
• 3.2.5 基准波的设计
• 3.2.6 PWM 输出设计
• 3.3 时钟模块
• 3.4 输入输出模块的设计
• 3.4.1 显示电路设计
• 3.4.2 键盘控制电路及工作原理
• 3.5 本章小结
• 4 系统后端模块设计
• 4.1 驱动电路设计
• 4.1.1 驱动芯片 IR2110
• 4.1.2 开关管的选型
• 4.1.3 死区控制
• 4.1.4 隔离电路
• 4.2 电磁场线圈设计
• 4.3 系统电源设计
• 4.4 数据采集电路
• 4.5 散热问题
• 4.6 电磁兼容性问题
• 4.7 本章小结
• 5 调频电磁除垢仪的实验分析与应用实例
• 5.1 电磁场频率对碳酸钙溶解度的影响
• 5.2 电磁场幅度对碳酸钙溶解度的影响
• 5.3 调频电磁除垢仪的应用实例
• 5.4 本章小结
• 6 总结和展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表文章
• 致谢