手持噴霧水電解機的控制裝置設計

丁奉龍 周海燕

摘 要：電解水技術制氫產生氫自由基在去除污漬和殺菌方面有得天獨厚的優勢。本文設計一款手持式噴霧水電解機控制裝置。該控制系統與傳統系統相比，控制系統體積小，集成度高，低功耗，高可靠性，安全可靠，操作簡單，使用的原材料易獲得，成本較低。

關鍵詞：電解水;控制系統;模塊

在科技快速發展的今天，環境的破壞日益嚴重，人們逐漸意識到保護環境的重要性。[1，2，3]使用化學清潔消毒劑已成為當今社會人們離不開的生活必需品，化學清潔消毒劑的大量使用會導致環境污染。[4，5]不管是在公共場所、豪華飯店，還是在每個家庭、大眾小吃攤，我們都可以看到使用化學清潔消毒劑的蹤跡。在這些被包裝得多彩多姿的化學清潔消毒劑的使用過程中，化學污染便不知不覺地通過各種渠道危害人類的健康和污染環境。[6]因而，能否找一種殺菌譜廣、作用快速、性能穩定、對環境無污染及對人體無危害的方法來達到消毒清潔效果已成為人們研究的主要方向。

本課題意在開發一種基于單片機控制的電解水去污消毒裝置，用它來替代日常生活中各式各樣的化學去污消毒產品，減少人們對化學去污消毒產品的依賴，在達到有效去污消毒效果的同時，保護環境和人們的健康，提高人們的生活品質。

1 電解消毒水制備的相關原理

電解水是功能水的一種，是堿性電解水和酸性電解水的統稱。[7]將日常使用的自來水（內含少量NaCl）裝到隔膜電解槽中，通過電解槽中的正、負電極，在直流電場的作用下將水分子打散、變小、重新排列，使得其中一部分水的氧化還原電位（ORP）呈正值，另一部分水的氧化還原電位（ORP）呈負值，最后通過膜分離技術得到了酸性電解水和堿性電解水。酸性電解水，其氧化還原電位超過1000mV，具有較強的氧化性;同時，電解時生成了C12，進一步增強了酸性電解水的氧化性。大部分微生物生存的氧化還原電位處于400～900mV，因此，酸性電解水可有效除去各類細菌、病毒，如葡萄球菌209P、UTC73、大腸桿菌W3110等，在醫院或家庭中可用作為殺菌消毒劑。

2 噴霧水電解機的控制裝置設計

2.1 總體設計方案

自來水從注水口進入儲水容器，注滿后可將注水口蓋蓋好。按下把手上的啟動按鈕后，水溶液在電機及泵的驅動下通過水管進入電解池中進行電解，然后通過電機及電泵驅動水溶液經過高壓電離池電離后，通過噴頭以霧狀噴出。當警示燈為紅色時，則提醒用戶充電，保證機器的有效運行。

2.2 硬件設計

根據硬件電路的設計原則，主要包括EM78P372K主芯片模塊、電源控制模塊、電機驅動模塊、電解模塊和電離模塊。在對硬件模塊中元器件進行選型時，根據CPU的選型標準，選擇臺灣義隆電子股份有限公司EM78P372K型號的8位單片機作為主控芯片;根據主控芯片的工作電壓范圍和提供的外部電源，選擇具備過熱保護、工作性能可靠的LM1117-5正向低壓降穩壓器實現24V轉5V的要求;根據電解、電離模塊需要正反導通的要求，選擇具有過載保護、低功耗待機的A4950全橋式DMOS電動機驅動器。

EM78P372K是采用低功耗高速CMOS工藝設計開發的8位微控制器。EM78P372K在本程序作為控制芯片，控制泵和電機的啟停，控制電池的低電壓提醒，控制電解池和電離池的工作，并且采用控制芯片的低功耗功能，保證在長時間無人操作的情況下可以實現所用工作的自動休眠。

LM1117-5是正向低壓降穩壓器，提供3.5 A電流輸出，采用外部應用PWM控制信號，具備過熱、過流保護，工作性能可靠，能夠為主控芯片EM78P372K提供穩定的5V電壓，為主芯片的持續工作提供有力的保證。

L9110是為控制和驅動電機設計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片IC之中，使外圍器件成本降低，整機可靠性提高。內置的鉗位二極管能釋放感性負載的反向沖擊電流，使它在驅動繼電器、直流電機、步進電機或開關功率管的使用上安全可靠。由主控制芯片控制，用于驅動電解池對自來水的正反向電解。

芯片DRV8800同L9110功能類似，可以輸出較為準確的PWM波形，并在32KHZ的頻率條件下不會出現波形的失真。并且其本身帶有低功耗功能，可以有效地節省電路所需能耗，實現長時間的工作。由主控制芯片控制，用于驅動電離池對自來水的正反向快速電離。

芯片FA2786將DRV8800轉換出來的低電壓高頻率的PWM波信號轉換成2000V左右高頻率的PWM波信號，并最終驅動電離池的正反快速電離。

芯片SI2306用于主控芯片來驅動直流電機的啟停。類似一個N溝道MOSFET管和二極管的并聯，在柵極為正電壓輸入時，MOSFET管導通，實現電機的轉動，而二極管用于電壓的放電，防止MOSFET管被燒壞。

3 控制程序設計

本程序采用模塊化的程序設計思想，包括主程序模塊、電解池工作模塊、電離池工作模塊、AD信號采集模塊。

總的程序設計流程如下：在按鍵被按下的情況下，主芯片輸出頻率為1HZ，占空比為10%PWM波實現對自來水的電解，同時主芯片輸出頻率為32HZ，占空比為50%PWM波實現對自來水的電離，并且同時主芯片啟動直流電機驅動水泵噴射出水，電池電壓超過10V時信號燈亮起綠燈，電池電壓低于或等于10V時信號燈亮起紅燈。在按鍵彈起時，暫停以上所有工作，并在無按鍵操作的10秒之后進入低功耗模式，即主芯片休眠，DRV8800芯片休眠，所有工作完全停止，等待下一次被喚醒。

4 結語

本文在電解消毒水制備的原理上，設計了一款手持噴霧水電解機的控制裝置，包括主芯片模塊、電源控制模塊、電機驅動模塊、電解模塊和電離模塊的設計。本課題所研究的電解消毒水控制系統，與傳統系統相比，控制系統體積小，集成度高，低功耗，高可靠性，安全可靠，操作簡單，使用的原材料易獲得，成本較低。

參考文獻：

[1] 陳玉柱.基于單片機控制的離子水去污消毒裝置的研究與開發[D].東華大學，2013.

[2] 李永玉.離子功能水的研究[D].中國農業大學，2001.

[3] 白峰. PLC在水電解制氫設備中的應用[D].哈爾濱工程大學，2008.

[4] 范植堅，王天誠.電解加工技術及其研究方法[M].北京：國防工業出版社，2004.

[5] 許淑新.電解氧化水智能控制系統設計[D].北方工業大學，2013.

[6] 祁偉，劉克江.單片機原理與接口技術[M].北京航空航天大學出版社，2017.

[7] 莊琳鼓.酸性氧化電位水的產生條件與作用的初步研究[D].同濟大學，2007.

作者簡介：丁奉龍（1996—），男，安徽人，本科生，研究方向：機電一體化。