果蔬清洗裝置的設(shè)計(jì)

李凱麗，楊伯程，武圳睿，樊建強(qiáng)

（1.晉中信息學(xué)院，山西太谷030800；2.上海師范大學(xué)，上海201418）

目前市面上果蔬清洗裝置的產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，部分清洗裝置無(wú)法兼顧到被清洗物品的種類，同時(shí)也無(wú)法保證清洗力度、清洗效率和清洗程度。對(duì)于一些獨(dú)立的、體積相對(duì)較大的、完整的、堅(jiān)硬的物品清洗效果較好，而對(duì)葉菜類、有枝杈或果實(shí)硬度不夠的物品清洗效果不理想。特別是對(duì)于帶有葉狀的清洗物，有可能在清洗的過(guò)程中出現(xiàn)了損傷，或者清洗后變得雜亂無(wú)章，以致于影響到后續(xù)的食用。

針對(duì)上述問(wèn)題，本設(shè)計(jì)采用AT89S51單片機(jī)作為主控芯片，采用超聲波和臭氧殺菌相結(jié)合的方法，同時(shí)保留原有的水洗方式，既能清潔果蔬外表面上的灰塵，又能清潔果蔬殘留的農(nóng)藥試劑，避免對(duì)于清洗物造成損傷，并通過(guò)LCD顯示電路顯示清洗結(jié)果。

智能果蔬清洗裝置采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方案，將系統(tǒng)分成幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后再將所有模塊協(xié)調(diào)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。單片機(jī)作為智能果蔬清洗裝置的人機(jī)交互系統(tǒng)的控制核心，配合其他相關(guān)模塊，實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)的智能化控制。果蔬清洗裝置的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、輸入輸出模塊、傳感器模塊，超聲波臭氧發(fā)生電路模塊、防干擾電路模塊。

圖1 果蔬清洗裝置總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Overall design block diagram of fruit and vegetable cleaning device

1 基本原理

1.1 臭氧（水）滅菌原理

臭氧在常溫狀態(tài)下為淡藍(lán)色、有刺激性氣味的氣體，具有強(qiáng)烈的氧化作用，被公認(rèn)是高效的消毒劑。不穩(wěn)定是臭氧的一個(gè)特征，室溫下就可以分解成為原子氧和分子氧。臭氧溶解于水就可以成為臭氧水，臭氧消毒的原理是臭氧在水中發(fā)生氧化還原反應(yīng)[1]。

1.2 超聲波清洗技術(shù)原理

超聲波是一種振動(dòng)頻率高于人耳可聽(tīng)聲波范圍的機(jī)械波，其傳播需要能夠反射、折射和聚焦的彈性介質(zhì)。利用超聲波的空化效應(yīng)對(duì)果蔬進(jìn)行清洗，將被清洗物表面的泥沙和被清洗物的吸附關(guān)系處理掉，這樣就會(huì)使得表面的泥沙、污塵立刻脫落。所以，只要在清洗過(guò)程中能出現(xiàn)空化效應(yīng)的部分，都會(huì)讓清洗液提高效率，不受被清洗物表面形狀的限制。

在果蔬清洗裝置工作時(shí)，超聲波和臭氧共同啟動(dòng)。超聲波空化泡碎裂后產(chǎn)生沖擊波與微射流，作用于被清洗物時(shí)就可以使被清洗物表面臟污物掉落。同時(shí)由于超聲波的作用使得臭氧順利進(jìn)入細(xì)胞膜內(nèi)，將細(xì)胞氧化，加快微生物滅活速度。超聲波依靠高頻率的振動(dòng)讓介質(zhì)產(chǎn)生很大的加速度，被賦予加速度的介質(zhì)分子劇烈碰撞使分子鍵斷裂，讓臭氧對(duì)有機(jī)物質(zhì)的分解變得比原來(lái)更快[2]。另外，超聲波所產(chǎn)生的振動(dòng)還極大地提高了臭氧溶解于清洗液中的速度。隨著溶解速度的增加，臭氧濃度在極短的時(shí)間里達(dá)到一個(gè)高度，促進(jìn)了臭氧滅菌、降解生化藥劑殘留能力。

2 硬件設(shè)計(jì)

果蔬清洗裝置控制系統(tǒng)采用主從單片機(jī)，聯(lián)合傳感器對(duì)渾濁度、水位等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，再通過(guò)與預(yù)先設(shè)定好的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后得出輸出結(jié)果。果蔬清洗機(jī)系統(tǒng)主要由臭氧與超聲波發(fā)生器裝置、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、水位傳感器電路、渾濁度傳感器電路、顯示按鍵電路、報(bào)警提示電路等部分組成。

由于有著較多的輸入輸出量，輸入的量既有開(kāi)關(guān)量也有模擬量，因此整個(gè)控制系統(tǒng)的主機(jī)AT89S51單片機(jī)主要負(fù)責(zé)輸入輸出（顯示和按鍵）電路、報(bào)警提示電路，以及各個(gè)開(kāi)關(guān)量等，而從機(jī)AT89C51主要負(fù)責(zé)水位傳感器、渾濁度傳感器、臭氧及超聲波發(fā)生器的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。在整個(gè)清洗過(guò)程當(dāng)中還要完成渾濁度傳感器同主機(jī)AT89S51的之間的通信[3]。

2.1 控制芯片選擇

鑒于果蔬清洗裝置并不需要太過(guò)復(fù)雜的控制操作，所以本設(shè)計(jì)的果蔬清洗裝置采用AT89S51單片機(jī)作為核心部件，AT89S51具有高密度和非易失性特點(diǎn)，共設(shè)置了40個(gè)引腳，內(nèi)部含有4k字節(jié)的flash存儲(chǔ)器。

2.2 超聲波發(fā)生器

超聲波發(fā)生器是把市電（220V或380V）轉(zhuǎn)換為高頻交流電信號(hào)，轉(zhuǎn)換過(guò)后的交流電可直接傳輸給超聲波換能器。超聲波換能器實(shí)質(zhì)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，發(fā)出機(jī)械振動(dòng)與電信號(hào)的頻率處于同一幅度。

當(dāng)超聲波發(fā)生器打開(kāi)系統(tǒng)時(shí)，超聲波產(chǎn)生與傳感器相對(duì)應(yīng)的特定頻率信號(hào)[4]。另外，為了增強(qiáng)清洗效果，超聲波發(fā)生器還提供2種反饋信號(hào)。第一種：接入可以反饋輸出功率的信號(hào)裝置。輸出功率會(huì)隨著發(fā)生器電源的變化而變化，當(dāng)電源改變時(shí)，機(jī)械振動(dòng)會(huì)出現(xiàn)上下波動(dòng)的情況，這就會(huì)影響最后清洗的效果。因此必須通過(guò)實(shí)時(shí)反饋而來(lái)的信號(hào)及時(shí)調(diào)節(jié)功率放大器，使輸出功率穩(wěn)定。第二種：加裝可以跟蹤頻率信號(hào)的裝置。隨著使用時(shí)長(zhǎng)增加，整個(gè)系統(tǒng)的器件慢慢的會(huì)發(fā)生老化，同時(shí)又因?yàn)橥饨绲母鞣N因素，換能器的諧振頻率會(huì)發(fā)生改變。換能器工作在諧振頻率時(shí)，系統(tǒng)的工作效率最高，清洗效果也最好。當(dāng)出現(xiàn)微弱的頻率漂移時(shí)，裝置的清洗效果也會(huì)受到影響。這樣就需要加上跟蹤頻率信號(hào)，使信號(hào)發(fā)生器能實(shí)時(shí)跟蹤諧振數(shù)據(jù)，保證超聲波發(fā)生器乃至整個(gè)清洗系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。

單片機(jī)和臭氧發(fā)生器與超聲波發(fā)生器之間通過(guò)繼電器連接，如圖2所示。繼電器的觸點(diǎn)是否閉合決定了超聲波發(fā)生器是否參與工作。當(dāng)主機(jī)AT89S51單片機(jī)輸出低電平后，三極管Q4導(dǎo)通，繼電器參與工作，同時(shí)繼電器線圈有電流通過(guò)，動(dòng)斷觸點(diǎn)閉合，超聲波產(chǎn)生電路通電開(kāi)始工作，如繼電器觸點(diǎn)不閉合電路則不運(yùn)作。

圖2 繼電器輸出電路Fig.2 Relay output circuit

超聲波換能器的作用是將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)高頻交流電信號(hào)，在清洗液中形成機(jī)械振蕩——超聲波[5]。

2.3 濁度傳感器

濁度傳感器主要是檢測(cè)清洗后污水的渾濁度數(shù)值，濁度的單位是NTU，其值決定了清洗時(shí)間和清洗效果。設(shè)計(jì)中將使用APMS-10G濁度傳感器，如圖3所示。在清洗裝置運(yùn)行清洗的過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)渾濁度偏高或偏低，水位過(guò)高或過(guò)低的情況，這是由于一些反常狀態(tài)下控制過(guò)程出現(xiàn)的意外錯(cuò)誤，必須進(jìn)行及時(shí)處理，否則會(huì)影響整個(gè)清洗進(jìn)程。

圖3 濁度傳感器檢測(cè)原理圖Fig.3 Turbidity sensor detection principle diagram

清洗污水中的紅外線透射率、散射率和電導(dǎo)率都會(huì)影響到NTU，濁度傳感器通過(guò)檢測(cè)這些數(shù)值，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，利用散射率與透射率的比值來(lái)確定清洗后污水的渾濁度值。

3 軟件仿真

本設(shè)計(jì)采用Keil uVision4進(jìn)行軟件仿真。整個(gè)清洗過(guò)程為，將果蔬放入清洗槽中，按下啟動(dòng)按鈕，程序開(kāi)始。依照預(yù)先設(shè)定好的清洗水位注水，達(dá)到設(shè)定值時(shí)，超聲波及臭氧發(fā)生器運(yùn)作，開(kāi)始清洗。通過(guò)傳感器采集到的數(shù)據(jù)判斷濁度是否飽和，沒(méi)有飽和則一直清洗，如果飽和，且濁度值大于設(shè)定的閾值，超聲波臭氧發(fā)生器停止工作，排出污水，重新注水再次清洗，直到濁度值小于設(shè)定的閾值。然后報(bào)警提醒，停止整個(gè)清洗流程。

果蔬清洗的控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)果蔬運(yùn)行過(guò)程，當(dāng)按下啟動(dòng)按鍵之后，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，果蔬機(jī)的屏幕將顯示供使用者清洗的類型。隨后系統(tǒng)自動(dòng)提示操作人員選擇所清洗物品的類型，可依據(jù)屏幕上的提示控制按鍵：?jiǎn)?dòng)、果蔬（完整）、果蔬（葉狀）、肉魚(yú)類、餐具、米類進(jìn)行操作，如圖4所示，其中第一行：GS（WZ）代表果蔬完整，GS（YZ）代表果蔬葉狀；第二行：RYL代表肉魚(yú)類，ML代表米類，GB代表關(guān)閉。

在使用者按下對(duì)應(yīng)的按鍵之后，屏幕也會(huì)做出相應(yīng)的顯示。在仿真中選擇被清洗物的類型，則屏幕會(huì)顯示所對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，見(jiàn)圖4。

圖4 待清洗物品類型Fig.4 Type of item to be cleaned

當(dāng)選擇好清洗物的類型之后系統(tǒng)將開(kāi)始自動(dòng)工作。首先按照程序設(shè)定進(jìn)行注水，水量還到預(yù)先設(shè)定的位置。在注水過(guò)程中，屏幕也會(huì)相應(yīng)顯示。此處ZZZS代表正在注水。

注水達(dá)到設(shè)定好的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，果蔬清洗機(jī)顯示正在清洗，臭氧發(fā)生電路和超聲波發(fā)生電路開(kāi)始工作，系統(tǒng)顯示屏實(shí)時(shí)同步工作進(jìn)程。ZZQX代表正在清洗，CSBCYZZGZ代表超聲波臭氧正在工作，如圖5所示。

圖5 超聲波臭氧電路工作狀態(tài)顯示Fig.5 Ultrasonic ozone circuit operating statusdisplay

在清洗過(guò)程中系統(tǒng)將持續(xù)判斷濁度是否飽和。如果濁度值沒(méi)有達(dá)到設(shè)定的飽和值時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)一直工作。相反則會(huì)停止洗清進(jìn)程，超聲波臭氧電路停止，顯示屏對(duì)應(yīng)的部分關(guān)閉，開(kāi)始放出已經(jīng)渾濁的水并計(jì)算濁度值。當(dāng)濁度值大于預(yù)先設(shè)定的值時(shí)，系統(tǒng)重新開(kāi)始工作，重新注水，重新完成以上過(guò)程。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)主要針對(duì)目前市場(chǎng)部分果蔬清洗裝置的不足之處，提出設(shè)計(jì)一種智能化、高效化、節(jié)能化的清洗裝置。

將超聲波清洗和臭氧殺菌二者結(jié)合來(lái)對(duì)水果、蔬菜進(jìn)行清洗、殺菌、減少農(nóng)藥殘留是可行的，而且超聲波清洗技術(shù)也對(duì)臭氧滅菌、降低農(nóng)藥殘留也有著促進(jìn)作用；將超聲波和臭氧結(jié)合的方式設(shè)計(jì)的果蔬清洗裝置適用范圍廣，它不僅能夠像傳統(tǒng)的清洗機(jī)那樣對(duì)完整的、整齊的果蔬進(jìn)行清洗、也能夠?qū)Ωo類、葉類等不規(guī)整、繁雜的果蔬進(jìn)行清洗，而且殺菌，降解農(nóng)藥效率高。

通過(guò)對(duì)整個(gè)果蔬清洗裝置進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與仿真，實(shí)現(xiàn)了果蔬清洗裝置的整體運(yùn)行和運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)顯示。