超声水处理系统的规划设计和关键技术研究毕业设计论文.doc

本科毕业设计论文课题名称 超声水处理系统的规划设计和关键技术研究 河海大学本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。作者签名： 日 期： 本科毕业设计（论文）任务书I、毕业设计（论文）题目： 超声水处理系统的规划设计与关键技术研究 II、毕业设计（论文）工作内容（从综合运用知识、研究方案的设计、研究方法和手段的运用、应用文献资料、数据分析处理、图纸质量、技术或观点创新等方面详细说明）：残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。 本文从可行性的角度出发对超声水处理系统进行规划设计，该系统将实现水质检测到污水处理，无线数据收集到依赖因特网信息发布的功能。课题可分解为流量监测装置、水质检测装置、污水处理装置、无线传感网络、系统核心控制系统以及WEB服务器等子课题进行研究和开发。 酽锕极額閉镇桧猪訣锥。 本课题及其子课题需要涉及传感器、无线网络、超声流量检测、大功率超声换能器驱动、嵌入式软件开发等众多技术领域。根据课题研究的侧重性，本文将对大功率超声换能器驱动部分所涉及频率合成、功率放大器、换能器调谐匹配网络设计，以及系统核心控制系统所涉及的嵌入式系统软件开发等关键技术展开重点研究。 彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。 本设计中，多为模块化的设计和对比，整个设计牵涉到了ATMEGA16单片机、CPLD、ARM9、DDS、MOS管驱动芯片等多种集成IC。内容涵盖了数字电路、模拟电路、EDA技术、.NET编程以及单片机等多门课程，是对大学本科所学知识的总结和检验。 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。III、进度安排：第1周：定题，查阅资料，分析重难点； 第2周：整理规划设计； 第34周：学习嵌入式Linux相关知识，移植嵌入式Liunx和数据库SQLite； 第5周：学习并移植Windows CE，进行串口软件开发； 第6周：设计基于PLL的倍频电路； 第7周：编写基于PLL的倍频电路程序和相关实验； 第8周：学习阻抗匹配的理论知识； 第9周：设计匹配电路； 第10周：设计基于DDS波形发生电路的； 第11周：设计基于CPLD波形发生电路的； 第12周：设计基于MOS驱动芯片和脉冲变压器的功率放大器电路； 第13周：设计基于半桥驱动芯片的功率放大器电路； 第14周：整理实验数据，搭建论文框架； 第1516周：总结并撰写论文，准备答辩。 IV、主要参考资料： 1.冯若，超声手册，南京大学出版社2.铃木雅臣，晶体管电路设计，科学出版社3. Mark I.Montrose，电磁兼容和印刷电路板理论、设计和布线，人民邮电出版社出版社4.郭建中，林书玉，郭勇亮，压电换能器匹配电路的优化5.邱小平，Windows CE6开发经典，电子工业出版社 指导教师： 朱昌平 ， 2010 年 6 月 9 日学生姓名： 李 响 ，专业年级： 06级电子信息工程 系负责人审核意见（从选题是否符合专业培养目标、是否结合科研或工程实际、综合训练程度、内容难度及工作量等方面加以审核）： 厦礴恳蹒骈時盡继價骚。 系负责人： ， 年 月 日摘 要本课题来源于国家自然科技基金项目：超声、臭氧、紫外协同处理废水的机理与参数优化研究(批准编号：10974044)和超声水处理反应器的参数优化及机理研究（批准编号：10574038）。茕桢广鳓鯡选块网羈泪。随着世界范围内水污染现状的日趋严重，超声水处理技术作为一种无二次污染、极具发展潜力的新型水处理技术引起了人们的广泛关注。本文以超声水处理为最核心技术，基于作者所在课题组的前期工作，对超声水处理系统进行规划设计，并根据技术领域的不同将其分解若干子题目。鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。论文实现用于超声水处理的功率源，要求输出电功率最大可达100W且可调，频率可调范围为200kHz500kHz，频率可调步进为当前工作频率的1%。本文通过多种设计方案的理论分析和实验对比，最终确定了采用CPLD的波形产生电路和半桥驱动芯片组成的D类功放为设计方案。论文还设计了易于实现的调谐匹配电路，以提高功放驱动压电超声换能器的效率。论文兼顾作者所在毕业设计团队的技术基础，对团队内涉足较少的嵌入式系统进行了学习，通过多种方案论证研究，确定采用Windows CE作为课题核心控制部分的平台，并完成了该操作系统的移植。籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。论文由八章组成。第一章阐述了课题研究方向的重要性，第二章介绍了课题的总体规划设计，提出了课题关键技术，第三章、第四章分别设计了多种超声功率源的信号产生电路和功率放大器电路，并通过实验总结出各自的特点。第五章介绍了超声换能器的调谐匹配设计。第六章针对印刷电路板中的干扰问题，用电磁兼容(EMC)理论分析了导致不稳定的原因，并在实践的基础上总结了干扰的处理方法。第七章选用并移植了嵌入式操作系统Windows CE。第八章，总结了设计过程中的心得体会，并对系统的功能拓展进行了展望。預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。【关键词】 超声水处理 D类功放 阻抗匹配 电磁兼容性 嵌入式操作系统ABSTRACTThe subject is supported by National Natural Science Foundation of China, Ultrasonic reactor for water treatment, mechanism of parameter optimization (Approved ID: 10974044) and Ultrasonic reactor for water treatment and mechanism of parameter optimization (Approved ID: 10574038).渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。With the worldwide water pollution becoming more and more serious, as a potential new technology, the technology of water treatment by ultrasonic aroused extensive attention because of its no secondary pollution. The paper which used ultrasonic treatment as the core technology, has planed and designed the ultrasonic water treatment system, some research of which are based on authors and others previous work. The system has been divided into some sub-projects in accordance with different technology fields.铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。 Ultrasonic power source has been designed and can output the most output power of 100W and adjustable, the frequency 200500 kHz, the frequency can adjust step at about 1% of the working frequency. Through comparing different theory analysis and experiments, class D power amplifier which made up of the signal circuit generated by CPLD and half-bridge driver IC is finally confirmed. The easy feasible tuning matching circuit has been designed to improve piezoelectric transducer efficiency. The author learns the embedded system which few members of team set foot in it. By various scheme demonstrated, Windows CE has been transplanted successfully as the core control part of the platform issue.擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。There are eight chapters in the paper. The first chapter describes the importance of subject research direction; the second chapter introduces the subject general planning and puts forward some key technology. Chapter III, IV design various signal generated circuits of ultrasonic power source and power amplified circuits respectively and summarize their own characteristics by experiments. Chapter V introduces the tuning match design of ultrasonic transducer. Chapter VI analyzes the problem about printed circuit board in the interference by EMC (electromagnetic compatibility) theory and summarizes methods of interference treatment based on practice. Chapter VII transplants the embedded system Windows CE. Chapter VIII summarizes the experience during the designing process and puts forward the extension to the system.贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。【Key words】Ultrasonic wastewater treatment; Class D power amplifier; Impedance matching; EMC; Embedded System坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。目 录第一章 绪论- 1 -蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。第一节 国内水污染状况及治理- 1 -買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。第二节 课题简介- 2 -綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。一、课题来源与背景- 2 -驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。二、课题的主要工作- 3 -猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。第二章 超声水处理系统的规划设计- 4 -锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。第一节 总体设计规划- 4 -構氽頑黉碩饨荠龈话骛。第二节 课题子题目分解- 5 -輒峄陽檉簖疖網儂號泶。一、流量测量装置设计- 5 -尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。二、无线水质监测装置设计- 6 -识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。三、污水处理装置设计- 6 -凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。四、控制中心设计- 7 -恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。五、控制室其他电子设备设计- 8 -鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。第三节 关键及核心技术- 8 -硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。第三章 超声功率源波形发生器设计- 10 -阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。第一节 波形参数和设计难点- 10 -氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。第二节 单片机及倍频电路设计方案- 10 -釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。一、锁相环原理及倍频电路分析- 12 -怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。二、基于锁相环74HC4046倍频电路硬件设计- 14 -谚辞調担鈧谄动禪泻類。三、基于锁相环74HC4046倍频电路软件设计- 16 -嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。第三节 单片机及DDS设计方案- 17 -熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。一、DDS原理- 17 -鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。二、基于AD9850电路硬件设计- 18 -纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。三、基于AD9850电路软件设计- 20 -颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。第四节 CPLD设计方案- 23 -濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。一、CPLD选型- 23 -銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。二、基于EPM570的硬件设计- 24 -挤貼綬电麥结鈺贖哓类。三、基于EPM570的软件设计- 25 -赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。第五节 设计方案对比- 28 -塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。第四章 功率放大器设计- 29 -裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。第一节 功率和频率需求- 29 -仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。第二节 各类功放特点- 29 -绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。第三节 D类功放设计方案- 31 -骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。一、MOS驱动芯片及脉冲变压器设计方案- 33 -瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。二、半桥驱动芯片设计方案- 35 -鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。三、设计方案对比- 41 -栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。第五章 超声换能器调谐匹配设计- 43 -辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。第一节 超声换能器结构分析- 43 -峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。第二节 阻抗匹配理论分析- 44 -詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。第三节 匹配电路设计- 46 -则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。第六章 电路板抗干扰设计- 48 -胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。第一节 电磁兼容基本原理- 48 -鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。第二节 元件工作特性分析- 49 -稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。一、电阻- 49 -陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。二、电容- 50 -沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。三、电感- 50 -钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。四、变压器- 51 -懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。第三节 提高PCB电磁兼容能力- 52 -謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。一、抑制噪声源- 52 -呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。二、消除传输路径- 53 -莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。三、提高系统稳定性- 54 -麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。第七章 系统核心控制部分设计- 55 -納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。第一节 操作系统的选取和移植- 55 -風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。一、主流的嵌入式操作系统介绍和选取- 55 -灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。二、移植Windows CE- 58 -铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。第二节 嵌入式数据库的选取- 59 -攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。第八章 总结与展望- 61 -趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。参考文献- 63 -夹覡闾辁駁档驀迁锬減。致 谢- 66 -视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。附 录- 67 -偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。一、英文原文- 67 -緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。二、英文翻译- 71 -騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。三、采用DDS方案的整机设计原理图和PCB- 75 -疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。四、采用DDS方案的整机PCB板和效果图- 76 -镞锊过润启婭澗骆讕瀘。五、锁相环实验模块- 77 -榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。六、H桥驱动实验模块- 78 -邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。七、攻读学士学位期间主要工作与成果- 79 -嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。X第一章 绪论第一节 国内水污染状况及治理多年以来，水资源不足、水污染以及洪水灾害制约了中国很多地区的经济发展，影响了公众健康和福利。华北已经是水稀缺地区，而整个中国也很快会成为世界上水资源紧缺的国家之一。经济发展和人口增长的持续，以及快速的工业化和城市化使中国水资源承受的压力进一步加大。用水需求与有限供给之间差距扩大，以及大面积的污染造成的水质恶化，有可能会在中国引发一场严重的缺水危机。中国领导人已经意识到水资源问题的严峻性，正在致力把中国建设为一个节水型社会。 “十一五”规划(20062010年)确定了水资源管理的一系列政策目标和重点，如采用更加统一协调的管理体制，从供给管理向需求管理转变，将流域管理与区域管理相结，初步建立水权交易制度等。在过去三十年里，尽管中国为控制污染作出了很大努力，但水污染依然日益加剧，从沿海向内陆地区、从地表水向地下水蔓延。2006年，中国污水排放总量上升到了537亿吨。从2000年开始，生活污水排放超过工业污水排放，成为最大的污染源。水污染事件也构成严重威胁。频繁发生的水污染事件加大了对本已相当脆弱的水环境的压力，导致下游地区数百万人口饮用水受污染，严重威胁公众身体健康和生活质量。由于长期持续的污染，中国大多数水体的水质普遍恶化。2004年，在745个监控河段中，28的水质属于劣五类(即用于任何目的都不安全)，32属于四类和五类(只可用于工业和农业灌溉)；在监控的27个主要湖泊和水库中，48的水质属于劣五类，23属于四类和五类，只有29达到二类和三类标准(经处理后可供人类使用)。该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。根据世界银行的一份研究报告，水危机导致的损失已经占到中国GDP的约23。随着工业的发展，大量含有毒有害的、难降解的有机废水被直接排放到自然界中，造成了江河湖泊的严重污染。与此同时，包括江苏太湖、安徽巢湖和云南滇池在内的国内三大湖泊也正饱受蓝藻泛滥的威胁。因此寻找一种高效率、低成本、无二次污染的废水处理技术已迫在眉睫1。劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。超声学作为声学中最活跃、渗透性最强的一个分支，近年来随着电子技术和超声工程材料的发展，在国防建设、国民经济、人民生活以及科学研究的各个领域均得到了广泛的应用。利用功率超声辐照溶液时产生的空化效应对水体中的污染物进行处理研究始于20世纪90年代初。本世纪以来，随着水环境的恶化和水资源的紧张，国内外越来越多的专家学者参与到这项新技术的研究工作中2-5。臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。第二节 课题简介一、课题来源与背景本课题来源于国家自然科技基金项目：超声、臭氧、紫外协同处理废水的机理与参数优化研究(批准编号：10974044)和超声水处理反应器的参数优化及机理研究（批准编号：10574038）鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。课题“超声、臭氧、紫外协同处理废水的机理与参数优化研究”从超声、臭氧、紫外协同处理废水的机理研究入手，其核心是空化效应的增强机理和液体中的氧化降解的化学机理研究。在液体中辐照功率超声的同时，通入具有强氧化性的臭氧气体，并加入紫外光催化氧化，不仅仅能大大增强液体的空化效应，而且能提高氧化能力和反应速率，是声化学领域的一项新的应用基础研究。该方法是一项快捷、无二次污染和富有发展前景的新型水处理技术，对缓解日益严重的水污染现状具有十分重要的意义。穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。课题“超声水处理反应器的参数优化及机理研究” 要求研制大容量高效声化学反应器，并选取多种难以降解的有机污染物溶液和有机废水，改变各种试验条件（频率、功率、占空比、波形、声强、时间、聚焦、PH值、溶解气体）进行平行对比试验，在改进声化学反应器设计的同时，研究各种声化学反应器的超声降解有机物或超声水处理的基本规律，揭示功率超声的空化产额与声参数之间的基本关系。隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。与传统水处理技术中的化学法、生物法、生物化学法、活性炭吸附法等不同，超声水处理技术是一项集高级氧化、热解、超临界氧化为一体的、以物理处理为主的新型水处理技术。它最大的优点是在处理废水的过程中操作简单、降解速度快、不产生二次污染，对水体中的其他生物影响比较小。浹繢腻叢着駕骠構砀湊。但长期以来，该项技术始终停留在实验室研究阶段，而无法在实际废水处理中发挥效用，究其原因，主要有以下三个方面：一是利用超声空化效应降解有机废水或处理蓝藻的机理还有待进一步探究；二是缺少高效的声化学反应器和功率驱动器，使超声能量在水处理过程中得到有效发挥；三是缺乏超声污水系统整体的设计，使它无法进入实际应用阶段以探究其利弊。鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。在作者所处实验室团队多人多年来探索的基础上，以上三方面稳定均得到一定程度的解决，本课题将在此基础上对超声污水处理系统进行整体的规划和设计，并围绕该系统的关键技术进一步地探索。惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。二、课题的主要工作在本人的本科毕业设计阶段主要完成本课题的以下工作：1、了解化学、生物、生化、物理法处理废水的原理。2、了解目前工业废水处理厂的结构。3、设计一个整套的污水处理系统。4、将污水处理系统分解为若干功能块。5、分解提炼出污水处理系统中的关键技术，并加以分析和设计。6、了解各类频率合成技术，通过实验对比，设计出符合课题要求的信号源。7、掌握大功率D类功放原理，通过实验对比，设计出最适合课题要求的功放。8、掌握阻抗匹配的原理，并设计本系统所需的匹配网络。9、了解基本的电磁兼容性设计，总结提高印刷电路板稳定性的方法。10、了解嵌入式操作系统和嵌入式数据库，经对比选择适合本课题的嵌入式操作系统和数据库。第二章 超声水处理系统的规划设计第一节 总体设计规划图2.1是超声污水处理系统的总揽图。图2.1 超声污水处理系统的总揽图左上角的工厂为污水源，为避免工厂任意排污，本系统在向工厂供水处和工厂排污处设置了两个流量监测装置，处于工厂排污处的设备还带有污水中污染物含量检测功能。贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。每个污水处理池中均有超声、臭氧联合处理装置，还有水质检测装置。借助于无线节点，污水处理装置可通过控制室内的控制中心进行控制，水质信息也即时地传到控制中心来。控制室内的服务器将来上述的控制信息、水质信息，传输到远程数据服务器上储存，远程终端同样可以通过因特网访问控制室的服务器。嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。控制室设置了基于RFID的门禁系统，控制室内有语音报警和大型LED屏，以提醒操作人员关键的信息。第二节 课题子题目分解本系统所包含的内容很多，涉及的技术领域也很广。本实验室团队采用分组开发和设计的方式，根据涉及内容和技术领域，分为如下五个子课题。薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。一、流量测量装置设计本课题需设计的是基于超声方法的流量计，采用超声的方法制作的流量计应具有非接触式测量；为无流动阻挠测量的特点。超声流量计和电磁流量计一样,因仪表流通通道未设置任何阻碍件,均属无阻碍流量计,是适于解决流量测量困难问题的一类流量计,特别在大口径流量测量方面有较突出的优点,近年来它是发展迅速的一类流量计之一。 齡践砚语蜗铸转絹攤濼。根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。基于不用的原理所设计的流量计一般有如下用途：(1)传播时间法应用于清洁、单相液体和气体。典型应用有工厂排放液、液化天然气等；(2)多普勒法适用于异相含量不太高的双相流体,如未处理污水、工厂排放液、脏流程液，通常不适用于非常清洁的液体6-7。绅薮疮颧訝标販繯轅赛。如图2.1中A点所示，流量测量装置用于计量用水、污水排放流量和总量，为污水处理中心的控制操作提供相应参数。饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。根据流量监测装置的原理和结构，将此部分分为发射装置、接收装置和输入输出模块三个子课题进行设计。二、无线水质监测装置设计水质中有PH、色度、五日生化需氧量(BOD5)、化学需氧量(COD)、甲醛、苯胺类、硝基苯类、阴离子表面活性剂(LAS)、挥发酚等众多物质需要检测，本系统中需要设计相应的检测装置对其含量进行测量，并通过借助无线传感网络将其含量信息传递给污水控制中心，为污水处理中心的控制操作提供相应参数。如图2.1中，标有字母B的地方均是需放置无线水质监测装置的地方。烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵。此部分内容可视为整个超声污水处理系统的“眼睛”，污水处理系统只有通过它“看”到当前污水中的污染物的种类、含量后，还知道如何发号司令采用什么样的频率、多大的功率的超声处理污水。鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键。考虑团队人员有限，本次设计中仅计划对水温、PH值、水浊度、水中甲醛甲醛含量进行测量，故本部分拟定如下四个子题目：撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞。1、超声水处理系统中水温无线传感器节点设计。2、超声水处理系统中PH值无线传感器节点设计。3、超声水处理系统中水浊度无线传感器节点设计。4、超声水处理系统中水中甲醛无线传感器节点设计。以上四个子题目除了选用水质监测所用传感器和应用电路不同外，所需的无线传感器需相同，并统一于同样的网络编址，统一的命令和数据帧传输格式。踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄。三、污水处理装置设计通过作者所在课题组前期的调研、文献阅读及基础研究表明，超声水处理作为一项极具潜力的新技术，而加快研制拥有自主知识产权的高频大功率超声驱动设备的步伐，作为突破这项新技术在工程领域实际推广应用的瓶颈的硬件条件，已显得迫在眉睫。婭鑠机职銦夾簣軒蚀骞。本课题的技术攻坚部分也多集中于此，可以认为本部分为整个超声污水处理系统的“手臂”，它设计的合理性直接影响到系统处理污水的能力。图2.1中，标有符号C的点是需放置污水处理装置的地方。该部分主要分为如下几个子课题：譽諶掺铒锭试监鄺儕泻。1、超声水处理装置的功放模块的设计需要对比现有的各类功放的特点，通过理论分析，设计出最大功率为100W，最高频率能达到1MHz的功率放大器。俦聹执償閏号燴鈿膽賾。2、超声水处理装置的匹配网络的设计在压电超声换能器应用中，匹配电路有很重要的作用：一是调谐匹配，即通过匹配电路调节换能器阻抗，使换能器尽量接近纯阻状态，减少无功分量；二是阻抗匹配，即改变换能器电路的阻抗，使之与电源达到阻抗匹配，保证换能器获得最大的电功率。若匹配不当，将导致换能器不能正常工作，还可能导致换能器损坏。该课题需要通过理论分析设计出一个稳定的匹配网络电路8。缜電怅淺靓蠐浅錒鵬凜。3、超声水处理装置的可调电感设计在调谐匹配网络设计中，需要利用电感去匹配容性负载，使得最终的负载呈现纯阻性，为了便于实验调整和实现调谐智能化，需基于单片机和步进电机，设计一个数控的可调电感。骥擯帜褸饜兗椏長绛粤。四、控制中心设计控制中心在本系统中担当“大脑”的角色，整个系统的反应速度，反应准确度，以及信息发布的速度均影响该系统可靠性。控制中心在图2.1所示的D和F点处。控制中心的设计可分为如下三个子课题：癱噴导閽骋艳捣靨骢鍵。1、超声水处理系统的无线传感器网络协调器设计本课题中水质监测和污水处理装置均通过无线节点与控制中心进行信息交互的，在控制中心处，需设计一个无线传感器网络协调器，它的任务是维护整个无线网络，对网络的突发情况作出处理，汇集各传感器节点的信息，以及向各个传感器节点发布控制命令。鑣鸽夺圆鯢齙慫餞離龐。2、超声水处理系统的设备现场状态集控器设计现场状态集控器需要有人工控制模式和自动模式，它汇集本系统下所有设备的状态信息。操作人员可以通过它查询和修改各设备的工作状态；在无人值守的状态下，它也能通过事先设计的控制方案进行自动控制系统中的各设备，以保证系统的健康。榄阈团皱鹏緦寿驏頦蕴。3、超声水处理系统的WEB服务器信息发布系统控制中心还提供了远程查询和控制手段，操作人员可以通过终端计算机进入到WEB服务器进行相关操作。五、控制室其他电子设备设计为了保证超声污水处理系统的稳定、可靠的运行，还需要给它买一份“保险”，如图2.1所示E点放置有基于RFID的门禁系统、还有语音提示功能和LED大屏显示。逊输吴贝义鲽國鳩犹騸。1、超声水处理中控室的RFID门禁系统在控制室的入口处，需设计一个基于RFID的门禁系统，通过读取RFID卡来识别工作人员的信息，实现智能化管理。幘觇匮骇儺红卤齡镰瀉。2、超声水处理系统中智能语音与LED显示装置在控制室的内处，需设计一台集语音和LED显示为一体的装置，系统的关键信息可以通过LED显示屏显示出来，智能语音系统还可以提供必要的语音提示。誦终决懷区馱倆侧澩赜。第三节 关键及核心技术本章的前两节的内容已介绍了课题的总体规划，通过对课题的分解和子题目的分析，结合本科毕业设计的难度和要求，加之作者所在课题组前期的总结，提炼出本系统所需要着重研究的几个关键和核心技术：医涤侣綃噲睞齒办銩凛。1、频率可调信号源。需要对比各类频率合成技术，选取最适合的方案，为本课题的关键技术之一。2、大功率死区时间可调D类功放。需要通过理论分析、元器件的选取和实验的方法设能调整最佳死区时间的D类型功放，为本课题的核心技术之一。舻当为遙头韪鳍哕晕糞。3、超声换能器匹配网络。工作用的超声换能器是一个变容的负载，设计一个能动态匹配的调谐网络是比较麻烦的，故为本课题的核心技术之一。鸪凑鸛齏嶇烛罵奖选锯。4、印刷电路板抗干扰设计。目前，本科阶段的学生大部分设计的印刷电路板均能完成电路功能，但是稳定性上欠佳。本课题要求在电磁兼容性(EMC)学习的基础上，总结抗干扰印刷电路板设计方法。是本课题的关键技术之一。筧驪鴨栌怀鏇颐嵘悅废。5、无线网络构架。无线传感器网络相对其他课题来说比较抽象，调试无线网络更是一个不容易的工作。指定相应的协议和构架无线网络是本课题的关键技术之一。韋鋯鯖荣擬滄閡悬贖蘊。6、嵌入式操作系统和嵌入式数据库的移植。嵌入式操作系统对于本科学生大多是一个生疏的课题，对于从未接触过的学生来说，上手也相对较慢。因此到底应该选取怎样的嵌入式操作系统和怎样的嵌入式数据库，需要有经验的人通过学习和实验，以起导向性的作用。此为本课题的关键技术之一。涛貶騸锬晋铩锩揿宪骟。第三章 超声功率源波形发生器设计第一节 波形参数和设计难点当前众多国内外的学者对超声水处理技术进行了研究。结果表明，影响处理效果的因素主要有两大类：化学因素和物理因素。其中化学因素有：被处理溶液的pH值、初始浓度、声化学反应温度等；物理因素有：超声的频率、声功率、声强以及声化学反应器的物理结构（实质是声场分布）等。超声换能器的频率和声功率（声强）是影响处理效果的最重要的物理因素之一9。钿蘇饌華檻杩鐵样说泻。对一台超声功率源而言，对超声换能器所能提供的超声频率和功率是重要的两项技术指标。而要确定这两项指标，则需要弄清楚功率超声在处理废水中的最佳频率和最佳声功率（声强）。为弄清功率超声的频率与废水处理效果之间的关系，本毕业设计团队所在的课题组在前期开展了超声降解模拟有机废水对硝基苯酚（p-nitrophenol，简称PNP）溶液的频率效应实验研究。戧礱風熗浇鄖适泞嚀贗。过阅读文献和进行前期的水处理试验发现，超声频率和声功率（声强）是影响超声水处理效果的两个重要因素，且处理不同物质所对应的最佳频率有所不同。其次，本课题的还需要兼顾实验室研究的需要，故需要设计的超声功率波形发生器满足如下条件：1、频率可调范围为40kHz1MHz；2频率步进可达当前频率的1%；3、在驱动全桥电路时，能加入死区时间控制以保证系统的稳定和安全。購櫛頁詩燦戶踐澜襯鳳。第二节 单片机及倍频电路设计方案 本功率源系统所驱动的超声换能器，对驱动信号的频率、相位稳定度要求较高。由上文可知，需要波形发生电路产生占空比约为50%的方波。尽管目前常用的单片机的定时器均有比较输出功能，但在本系统特殊的应用下却，却无法满足要求。以常用的单片机ATMEGA16为例，它的定时器产生波形原理如图所示10-11，16位的计数器TCNT在外部时钟的作用下进行累加，当累加到波形中预设的A点时候，波形输出脚复位，当累加到预设的B点时，引脚置位。令外部时钟为,单片机产生的波形频率为，预设点B对应的值为 (取值为1216)，则产生波形的频率为嗫奐闃頜瑷踯谫瓒兽粪。 (式3.1)AB图3.1 MEGA16快速PWM原理显然，上式为反比例函数。当使用8MHz的晶体振荡器作为ATMEGA16单片机的时钟源时，即=8MHz。设有两输出频率和，分别满足如下关系：虚龉鐮宠確嵝誄祷舻鋸。 (式3.2) (式3.3)令和的差值为，有： (式3.4)在系统所需要的最低频率点=40kHz时，计算得=200。+1=201，由式3.2得对应输出频率=39.800kHz，=200Hz。與顶鍔笋类謾蝾纪黾廢。在系统所需要的最高频率点=1MHz时，计算得=8。+1=9，由式3.3得对应输出频率=889kHz，=111kHz。結释鏈跄絞塒繭绽綹蕴。不难发现，满足反函数关系的式3.4在低频段，取值较大，此时较小。而在输出高频段，取值较小，此时较大。太大以后，使得单片机无法产生处于和之间的众多频率的波形，导致大量的调谐盲区出现，因而无法胜任课题要求。餑诎鉈鲻缥评缯肃鮮驃。下面，对加单片机输出信号加入倍频电路后进行理论分析。倍频电路的表达式为： (式3.5)其中是上文中已提到的单片机产生的波形频率，为对进行N倍频后的频率，将式3.1带入式3.5，得 (式3.6)按照上文中的分析方法，令此时为128倍频(N=128),单片机时钟晶振=8MHz。根据式3.6可以求得输出频率在课题所需的最低和最高频点的相关参数，如表3.1所示:爷缆鉅摯騰厕綁荩笺潑。表3.1 128倍频后的分频系数和频率步进关系+12/(+)40kHz256002560139.998kHz2Hz0.005%1000kHz10241025999.024kHz976Hz0.097%可见，通过倍频之后，在课题需求的频率段内，频率分辨率高很很多，完全能满足课题的需求。一、锁相环原理及倍频电路分析锁相环(PLL)是一个相位误差控制系统，是将参考信号与输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整输出信号的相位，以达到与参考信号同频的目的。基本的锁相环是由鉴相器(PD)，环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)三部分组成，其结构示意图如图3.2所示。锞炽邐繒萨蝦窦补飙赝。图3.2 锁相环结构示意图从上图可以看出，鉴相器是相位比较装置，用来比较输入信号与压控振荡器输出信号的相位，它的输出电压是对应于这两个信号相位差的函数。在环路滤波器的作用下，滤除中的高频成分和噪声，输出电压。与压控振荡器的输出信号的频率存在一定的函数关系。可见，只要环路设计恰当，上述变化能使输出信号和输入信号的频率一致起来，最终两者的频率能完全一致，而两者的相位差将保持某一恒定值，则环路低通滤波器的输出为一个直流电压，VCO的频率将停止变化，这时，环路处于“锁定状态”12。曠戗輔鑽襉倆瘋诌琿凤。锁相环频率合成技术是在上世纪40年代初根据控制理论的线性伺服环路发展起来的，最早用于电视机的扫描同步电路，以减少噪声对同步的影响，从而使电视的同步性能得到重大改进。同时，它的低噪声跟踪特性也得到人们的高度重视，发展越来越快，以至于今天被广泛的应用于无线电技术领域的各个方面。利用锁相环构成的频率合成器原理图如图3.3所示。令输入信号频率为，把它加载到相位比较器的一端，VCO输出的信号经过可预制分频器(N分频)后输出到相位比较器的另一端，这两个信号进行比较，当PLL锁定后，得到，移项有，达到了对输入信号进行N倍频的目的。轉厍蹺佥诎脚濒谘閥糞。图3.3 PLL频率合成器原理图二、基于锁相环74HC4046倍频电路硬件设计本设计所用的PLL倍频电弧由集成锁相环74HC4046与分频器CD4060一起构成。74HC4046是一款最大工作频率能达到12 MHz (VCC = 4.5V)的锁相环。其内部结构见图3.4 ，由于它内部的集成的是RC型的压控振荡器，因此必须外接电容C1和R1作为充放电元件以设置它工作的中心频率(Center Frequency)，当PLL对跟踪的输入信号的频率宽度有要求时，还需要外接电阻R2以设置最大偏移频率(Offset Frequency)。嬷鯀賊沣謁麩溝赉涞锯。图3.4 74HC4046内部结构考虑到本课题的频率要求，故设计PLL能提供的波形频率变化范围为40k2MHz。根据74HC4046数据手册上如图3.5(a)所示的典型中心频率图和图3.5 (b) ，并通过实验的方法最终选取R1=10k，R2 =,C1 = 330pF。讯鎬謾蝈贺綜枢辄锁廪。 (a)R1和C1与典型中心频率关系 (b)R2和频率偏移关系图3.5 74HC4046参数设置二进制串行计数器CD4060内部结构原理图如图，它具有14级计数，但只有10个计数输出端。图3.6 CD4060内部结构原理图在课题前期进行实际超声水处理实验时发现，超声换能器工作时所处环境(被处理对象)不同，换能器的实际工作时的谐振频率与标称频率略有不同，需根据换能器标称的谐振频率大致确定实际工作时的谐振频率所在的范围。以标称频率为中心频率，适当的通过频率增减来实现调谐，根据系统需要，调谐过程中的频率分辨率不能太大，本课题中，将频率分辨率设定为中心频率的1%。兒躉讀闶軒鲧擬钇標藪。在本章第二节的开始，已经通过理论分析可知，电路的倍频数为128就完全能胜任课题的要求。本设计原理图如图3.7所示，预留了128、256、512可选分频连接端口，以实现对应的倍频数。 繅藺詞嗇适篮异铜鑑骠。图3.7倍频电路原理图三、基于锁相环74HC4046倍频电路软件设计单片机产生规定频率的程序流程图如图3.8所示。当系统开机，单片机需要初始化定时器，即设置分频系数、计数值。实验室日常使用时，常希望开机后能希望仪器保持上此操作结束后的频率，故这里设计了EEPROM存储上次使用结束后的频率状态，待开机后定时器会自动载入该定时值。鮒簡觸癘鈄餒嬋锵户泼。机器运行的过程中，频率是允许用户调整的。系统时刻检测是否有修改频率指令，以完成对应操作。图3.8 基于倍频电路的软件流程图第三节 单片机及DDS设计方案DDS同 DSP（数字信号处理）一样，是一项关键的数字化技术。DDS是直接数字式频率合成器（Direct Digital Synthesizer）的英文缩写。与传统的频率合成器相比，因DDS技术有突出的特点，如输出波形灵活且相位连续、频率稳定度高、输出频率分辨率高、频率转换速度快、输出相位噪声低、集成度高、功耗低、体积小等，使其