最优谐振频率电磁除垢系统的设计硬件部分
本文中设计的电磁除垢装置，采用了MSP430单片机，它是一种超低功耗的混合信号处理器。在电场和磁场的共同作用下，并当结垢粒子和电磁场频率相同时，就会发生共振，污垢的含量明显减少。本设计的下位机硬件部分，主控部分以MSP430单片机为主，包括晶振、复位电路。系统输入部分为矩阵式键盘，输出选用了LCD12864，键盘和LCD可以实现人机交互。电压电流采样电路采用了MSP430单片机内部自带的12位AD转换器，输出驱动采用芯片74F07进行电平转换，并采用IR2110进行光电隔离。功率部分采用了H桥的方式产生交变电流，H桥由IRF250大功率场效应管构成。通过串口的连接，可以实现上、下位机的通信。通信模块的核心芯片是MAX232，需要3.3V的电源对其供电，能进行RS232电平到TTL电平的转换。关键词 MSP430F149，电磁场，除垢，共振
目 录
1 引言 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 课题研究的目的 2
2 除垢技术理论 2
2.1 水垢的形成 2
2.2 水垢的危害 3
2.3 常用除垢方法 4
2.4 小结 5
3 除垢装置硬件电路设计 5
3.1 设计原理 5
3.2 设计组成 5
3.3 仪器组成及工作原理 7
3.4 模块电路 7
3.5 小结 19
4 系统软件概述 19
4.1 系统软件结构 19
4.2 系统软件设计 20
5 系统测试 21
结 论 23
致 谢 24
参 考 文 献 25
附录 下位机原理图 26
1 引言
1.1 研究背景及意义
我们的生产生活领域方面，时时刻刻都离不开水。随着现代社会、经济的发展，循环冷却水系统在电力、化工、钢铁工业领域被广泛使用， 各种用水设备的除垢防垢问题越来越突出[1]。要是这些问题得不到解决，可能发生不可想象的结果，比如换热设备的使用 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
效果会受到影响，使其传热效率变低，另一方面，水的流动阻力也会变大，带来更多的热损失，更有甚者会引起锅炉过热而发生爆炸，带来严重的安全隐患。
现今在处理冷却循环水系统时，人们用的最多的除垢手段，还是化学方式。化学方法虽然操作起来比较简单，但是会引起不同程度的水质污染。并且化学方法存在着成本高，操作复杂[2]及环境污染的问题。从节约能源、保护环境、降低费用等方面考虑，传统的除垢、防垢还存在诸多问题，相比之下，电磁除垢防垢方法[3]具有操作方便、成本低、无毒无污染等优点，发展前景是极好的。
电磁除垢技术发展很快，人们在这方面的研究也取得了很大的进步，不过水系统比较复杂多变，再加上实验条件的局限性，对水体的谐振频率判断还不够准确，往往达不到预期的效果。不同的水质和环境因子，会影响晶体颗粒的成长，那么除垢所需的电磁场频率也会随之改变[4]。通过查阅国内外的相关研究资料，了解到使用固定频率进行电磁场除垢的效果并不是很好，有学者提出了变频电磁除垢技术[5]。本课题拟利用已有研究基础，在除垢工作过程中，在线实时测量其电导率值的变化，判断不同频率下系统除垢防垢的效果，根据除垢效果找到最优的频率。本课题研究的目的，是为了从整体上建立起一套可行的谐振频率判断方法，从而使电磁除垢的效果更加地明显，并最终为我们所用。
1.2 国内外研究现状
科学技术在飞速进步，电磁除垢技术也在日益更新。国内外的许多学者对除垢新方法[6]研究的步伐就从未停止过，只为了能找到更好的方式去除水垢，为人类谋福利。早在十三世纪[7]，磁化水的使用价值就被人们发现，但是对它的研究至今也没有获得重大突破。基于液态水的系统是比较复杂多变的[8]，它与外界不仅存在着物质交换还有能量交换，加上对磁场机理方面研究的不足，它的进一步应用发展被限制[9]。
1.2.1 国外研究状况
目前，在管道除垢、防垢技术领域中，研究方法上大致可分为物理法、化学法和工艺法[10]。冷却水循环系统中，用于除垢的化学法已经相当成熟，并在水处理研究中占主导位置[11]。
1890年，France和Cabell申请了磁用水方面的专利，距今已有一百年的发展历史了。20世纪50年代中期，Theo Vermeriren [12]制造了一台抑垢磁处理器，该设备使用方便，不用添加化学试剂，为电磁除垢技术的发展打开了新的大门。在这之后，磁化水这项技术，被更多地投入应用。因其无可比拟的优越性，至今为止，电磁除垢设备被很多公司投入了生产，该装置在工业、农业、医学等众多领域得到了应用。
1.2.2 国内研究状况
相比于国外对电磁场用于水处理的研究，国内的发展要晚一些。虽然国内起步较晚，但是我们引进了先进的技术，积累了大量的经验，所以国内在磁处理这方面的进展迅速。
我国对电磁除垢技术的研究，要追溯到50年代的时候，在1959年设计出了第一台永磁水处理器。进入21世纪以后，节能减排、绿色环保政策被大力推广，各企业和政府更注重绿色GDP的经济发展，电磁除垢防垢技术被投入了更多的应用[13]。
1.3 课题研究的目的
本课题拟利用已有研究基础，在除垢工作过程中，在线实时测量其电导率值的变化，判断不同频率下系统除垢防垢的效果，根据除垢效果找到最优的频率。本课题研究的目的，是为了从整体上建立起一套可行的谐振频率判断方法，从而使电磁除垢的效果更加地明显，并最终为我们所用。
2 除垢技术理论
2.1 水垢的形成
当水中晶体颗粒的积累速度大于它的溶解度时，就会发生结垢现象，经过一些物理化学反应后，晶体颗粒从水中析出，形成水垢。水垢的形成主要包括3个阶段：
（1）起始阶段。这个阶段出现了晶核，水垢不会附着在管道壁上，表现为晶体析出的前期。晶体成核率方程式[14]为：
（21）
式中：I―晶体的成核率；
目 录
1 引言 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 课题研究的目的 2
2 除垢技术理论 2
2.1 水垢的形成 2
2.2 水垢的危害 3
2.3 常用除垢方法 4
2.4 小结 5
3 除垢装置硬件电路设计 5
3.1 设计原理 5
3.2 设计组成 5
3.3 仪器组成及工作原理 7
3.4 模块电路 7
3.5 小结 19
4 系统软件概述 19
4.1 系统软件结构 19
4.2 系统软件设计 20
5 系统测试 21
结 论 23
致 谢 24
参 考 文 献 25
附录 下位机原理图 26
1 引言
1.1 研究背景及意义
我们的生产生活领域方面，时时刻刻都离不开水。随着现代社会、经济的发展，循环冷却水系统在电力、化工、钢铁工业领域被广泛使用， 各种用水设备的除垢防垢问题越来越突出[1]。要是这些问题得不到解决，可能发生不可想象的结果，比如换热设备的使用 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
效果会受到影响，使其传热效率变低，另一方面，水的流动阻力也会变大，带来更多的热损失，更有甚者会引起锅炉过热而发生爆炸，带来严重的安全隐患。
现今在处理冷却循环水系统时，人们用的最多的除垢手段，还是化学方式。化学方法虽然操作起来比较简单，但是会引起不同程度的水质污染。并且化学方法存在着成本高，操作复杂[2]及环境污染的问题。从节约能源、保护环境、降低费用等方面考虑，传统的除垢、防垢还存在诸多问题，相比之下，电磁除垢防垢方法[3]具有操作方便、成本低、无毒无污染等优点，发展前景是极好的。
电磁除垢技术发展很快，人们在这方面的研究也取得了很大的进步，不过水系统比较复杂多变，再加上实验条件的局限性，对水体的谐振频率判断还不够准确，往往达不到预期的效果。不同的水质和环境因子，会影响晶体颗粒的成长，那么除垢所需的电磁场频率也会随之改变[4]。通过查阅国内外的相关研究资料，了解到使用固定频率进行电磁场除垢的效果并不是很好，有学者提出了变频电磁除垢技术[5]。本课题拟利用已有研究基础，在除垢工作过程中，在线实时测量其电导率值的变化，判断不同频率下系统除垢防垢的效果，根据除垢效果找到最优的频率。本课题研究的目的，是为了从整体上建立起一套可行的谐振频率判断方法，从而使电磁除垢的效果更加地明显，并最终为我们所用。
1.2 国内外研究现状
科学技术在飞速进步，电磁除垢技术也在日益更新。国内外的许多学者对除垢新方法[6]研究的步伐就从未停止过，只为了能找到更好的方式去除水垢，为人类谋福利。早在十三世纪[7]，磁化水的使用价值就被人们发现，但是对它的研究至今也没有获得重大突破。基于液态水的系统是比较复杂多变的[8]，它与外界不仅存在着物质交换还有能量交换，加上对磁场机理方面研究的不足，它的进一步应用发展被限制[9]。
1.2.1 国外研究状况
目前，在管道除垢、防垢技术领域中，研究方法上大致可分为物理法、化学法和工艺法[10]。冷却水循环系统中，用于除垢的化学法已经相当成熟，并在水处理研究中占主导位置[11]。
1890年，France和Cabell申请了磁用水方面的专利，距今已有一百年的发展历史了。20世纪50年代中期，Theo Vermeriren [12]制造了一台抑垢磁处理器，该设备使用方便，不用添加化学试剂，为电磁除垢技术的发展打开了新的大门。在这之后，磁化水这项技术，被更多地投入应用。因其无可比拟的优越性，至今为止，电磁除垢设备被很多公司投入了生产，该装置在工业、农业、医学等众多领域得到了应用。
1.2.2 国内研究状况
相比于国外对电磁场用于水处理的研究，国内的发展要晚一些。虽然国内起步较晚，但是我们引进了先进的技术，积累了大量的经验，所以国内在磁处理这方面的进展迅速。
我国对电磁除垢技术的研究，要追溯到50年代的时候，在1959年设计出了第一台永磁水处理器。进入21世纪以后，节能减排、绿色环保政策被大力推广，各企业和政府更注重绿色GDP的经济发展，电磁除垢防垢技术被投入了更多的应用[13]。
1.3 课题研究的目的
本课题拟利用已有研究基础，在除垢工作过程中，在线实时测量其电导率值的变化，判断不同频率下系统除垢防垢的效果，根据除垢效果找到最优的频率。本课题研究的目的，是为了从整体上建立起一套可行的谐振频率判断方法，从而使电磁除垢的效果更加地明显，并最终为我们所用。
2 除垢技术理论
2.1 水垢的形成
当水中晶体颗粒的积累速度大于它的溶解度时，就会发生结垢现象，经过一些物理化学反应后，晶体颗粒从水中析出，形成水垢。水垢的形成主要包括3个阶段：
（1）起始阶段。这个阶段出现了晶核，水垢不会附着在管道壁上，表现为晶体析出的前期。晶体成核率方程式[14]为：
（21）
式中：I―晶体的成核率；
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