果蔬清洗裝置的設計

李凱麗，楊伯程，武圳睿，樊建強

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

目前市面上果蔬清洗裝置的產品質量參差不齊，部分清洗裝置無法兼顧到被清洗物品的種類，同時也無法保證清洗力度、清洗效率和清洗程度。對于一些獨立的、體積相對較大的、完整的、堅硬的物品清洗效果較好，而對葉菜類、有枝杈或果實硬度不夠的物品清洗效果不理想。特別是對于帶有葉狀的清洗物，有可能在清洗的過程中出現了損傷，或者清洗后變得雜亂無章，以致于影響到后續的食用。

針對上述問題，本設計采用AT89S51單片機作為主控芯片，采用超聲波和臭氧殺菌相結合的方法，同時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藥試劑，避免對于清洗物造成損傷，并通過LCD顯示電路顯示清洗結果。

智能果蔬清洗裝置采用結構化設計方案，將系統分成幾個相對獨立的模塊進行設計，最后再將所有模塊協調起來，實現整個系統的功能。單片機作為智能果蔬清洗裝置的人機交互系統的控制核心，配合其他相關模塊，實現清洗機的智能化控制。果蔬清洗裝置的總體設計框圖如圖1所示，包括單片機最小系統、輸入輸出模塊、傳感器模塊，超聲波臭氧發生電路模塊、防干擾電路模塊。

圖1 果蔬清洗裝置總體設計框圖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

臭氧在常溫狀態下為淡藍色、有刺激性氣味的氣體，具有強烈的氧化作用，被公認是高效的消毒劑。不穩定是臭氧的一個特征，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生氧化還原反應[1]。

1.2 超聲波清洗技術原理

超聲波是一種振動頻率高于人耳可聽聲波范圍的機械波，其傳播需要能夠反射、折射和聚焦的彈性介質。利用超聲波的空化效應對果蔬進行清洗，將被清洗物表面的泥沙和被清洗物的吸附關系處理掉，這樣就會使得表面的泥沙、污塵立刻脫落。所以，只要在清洗過程中能出現空化效應的部分，都會讓清洗液提高效率，不受被清洗物表面形狀的限制。

在果蔬清洗裝置工作時，超聲波和臭氧共同啟動。超聲波空化泡碎裂后產生沖擊波與微射流，作用于被清洗物時就可以使被清洗物表面臟污物掉落。同時由于超聲波的作用使得臭氧順利進入細胞膜內，將細胞氧化，加快微生物滅活速度。超聲波依靠高頻率的振動讓介質產生很大的加速度，被賦予加速度的介質分子劇烈碰撞使分子鍵斷裂，讓臭氧對有機物質的分解變得比原來更快[2]。另外，超聲波所產生的振動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間里達到一個高度，促進了臭氧滅菌、降解生化藥劑殘留能力。

2 硬件設計

果蔬清洗裝置控制系統采用主從單片機，聯合傳感器對渾濁度、水位等參數進行實時監測，再通過與預先設定好的參數進行對比，并對相應的數據進行處理，最后得出輸出結果。果蔬清洗機系統主要由臭氧與超聲波發生器裝置、數模轉換電路、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，輸入的量既有開關量也有模擬量，因此整個控制系統的主機AT89S51單片機主要負責輸入輸出（顯示和按鍵）電路、報警提示電路，以及各個開關量等，而從機AT89C51主要負責水位傳感器、渾濁度傳感器、臭氧及超聲波發生器的數據采集任務。在整個清洗過程當中還要完成渾濁度傳感器同主機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復雜的控制操作，所以本設計的果蔬清洗裝置采用AT89S51單片機作為核心部件，AT89S51具有高密度和非易失性特點，共設置了40個引腳，內部含有4k字節的flash存儲器。

2.2 超聲波發生器

超聲波發生器是把市電（220V或380V）轉換為高頻交流電信號，轉換過后的交流電可直接傳輸給超聲波換能器。超聲波換能器實質是將電能轉化為機械能，發出機械振動與電信號的頻率處于同一幅度。

當超聲波發生器打開系統時，超聲波產生與傳感器相對應的特定頻率信號[4]。另外，為了增強清洗效果，超聲波發生器還提供2種反饋信號。第一種：接入可以反饋輸出功率的信號裝置。輸出功率會隨著發生器電源的變化而變化，當電源改變時，機械振動會出現上下波動的情況，這就會影響最后清洗的效果。因此必須通過實時反饋而來的信號及時調節功率放大器，使輸出功率穩定。第二種：加裝可以跟蹤頻率信號的裝置。隨著使用時長增加，整個系統的器件慢慢的會發生老化，同時又因為外界的各種因素，換能器的諧振頻率會發生改變。換能器工作在諧振頻率時，系統的工作效率最高，清洗效果也最好。當出現微弱的頻率漂移時，裝置的清洗效果也會受到影響。這樣就需要加上跟蹤頻率信號，使信號發生器能實時跟蹤諧振數據，保證超聲波發生器乃至整個清洗系統工作在最佳狀態。

單片機和臭氧發生器與超聲波發生器之間通過繼電器連接，如圖2所示。繼電器的觸點是否閉合決定了超聲波發生器是否參與工作。當主機AT89S51單片機輸出低電平后，三極管Q4導通，繼電器參與工作，同時繼電器線圈有電流通過，動斷觸點閉合，超聲波產生電路通電開始工作，如繼電器觸點不閉合電路則不運作。

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生器產生的振蕩信號轉換為一個高頻交流電信號，在清洗液中形成機械振蕩——超聲波[5]。

2.3 濁度傳感器

濁度傳感器主要是檢測清洗后污水的渾濁度數值，濁度的單位是NTU，其值決定了清洗時間和清洗效果。設計中將使用APMS-10G濁度傳感器，如圖3所示。在清洗裝置運行清洗的過程中，可能會出現渾濁度偏高或偏低，水位過高或過低的情況，這是由于一些反常狀態下控制過程出現的意外錯誤，必須進行及時處理，否則會影響整個清洗進程。

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

清洗污水中的紅外線透射率、散射率和電導率都會影響到NTU，濁度傳感器通過檢測這些數值，再經過數據處理，利用散射率與透射率的比值來確定清洗后污水的渾濁度值。

3 軟件仿真

本設計采用Keil uVision4進行軟件仿真。整個清洗過程為，將果蔬放入清洗槽中，按下啟動按鈕，程序開始。依照預先設定好的清洗水位注水，達到設定值時，超聲波及臭氧發生器運作，開始清洗。通過傳感器采集到的數據判斷濁度是否飽和，沒有飽和則一直清洗，如果飽和，且濁度值大于設定的閾值，超聲波臭氧發生器停止工作，排出污水，重新注水再次清洗，直到濁度值小于設定的閾值。然后報警提醒，停止整個清洗流程。

果蔬清洗的控制系統可以實時監測果蔬運行過程，當按下啟動按鍵之后，系統開始運轉，果蔬機的屏幕將顯示供使用者清洗的類型。隨后系統自動提示操作人員選擇所清洗物品的類型，可依據屏幕上的提示控制按鍵：啟動、果蔬（完整）、果蔬（葉狀）、肉魚類、餐具、米類進行操作，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代表肉魚類，ML代表米類，GB代表關閉。

在使用者按下對應的按鍵之后，屏幕也會做出相應的顯示。在仿真中選擇被清洗物的類型，則屏幕會顯示所對應的內容，見圖4。

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

當選擇好清洗物的類型之后系統將開始自動工作。首先按照程序設定進行注水，水量還到預先設定的位置。在注水過程中，屏幕也會相應顯示。此處ZZZS代表正在注水。

注水達到設定好的標準時，果蔬清洗機顯示正在清洗，臭氧發生電路和超聲波發生電路開始工作，系統顯示屏實時同步工作進程。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顯示Fig.5 Ultrasonic ozone circuit operating statusdisplay

在清洗過程中系統將持續判斷濁度是否飽和。如果濁度值沒有達到設定的飽和值時，系統將會一直工作。相反則會停止洗清進程，超聲波臭氧電路停止，顯示屏對應的部分關閉，開始放出已經渾濁的水并計算濁度值。當濁度值大于預先設定的值時，系統重新開始工作，重新注水，重新完成以上過程。

4 結論

本設計主要針對目前市場部分果蔬清洗裝置的不足之處，提出設計一種智能化、高效化、節能化的清洗裝置。

將超聲波清洗和臭氧殺菌二者結合來對水果、蔬菜進行清洗、殺菌、減少農藥殘留是可行的，而且超聲波清洗技術也對臭氧滅菌、降低農藥殘留也有著促進作用；將超聲波和臭氧結合的方式設計的果蔬清洗裝置適用范圍廣，它不僅能夠像傳統的清洗機那樣對完整的、整齊的果蔬進行清洗、也能夠對根莖類、葉類等不規整、繁雜的果蔬進行清洗，而且殺菌，降解農藥效率高。

通過對整個果蔬清洗裝置進行電路設計與仿真，實現了果蔬清洗裝置的整體運行和運行情況的實時顯示。