基于MC96F6432单片机的电路在电解还原水机的应用

钟建伟，宁宇，张燕金

（1.韶关乳源东阳光机械有限公司，广东韶关512721；2.韶关学院物理与机电工程学院，广东韶关512005）

基于MC96F6432单片机的电路在电解还原水机的应用

钟建伟1，宁宇2*，张燕金1

（1.韶关乳源东阳光机械有限公司，广东韶关512721；2.韶关学院物理与机电工程学院，广东韶关512005）

电解还原水机的难点在于电极板的使用寿命以及要产生稳定优质的电解还原水.笔者采用了韩国现代单片机公司推出的MC96F6432芯片，设计了一种硬件电路，利用钛铂金电极板，通过模糊PID控制，实现一种恒流、变压和极性自动反转电源控制，可防止电极板结垢而影响电解还原水品质，同时延长钛铂金电极板的使用寿命，产生稳定优质的电解还原水.

触摸按键；恒流；变压；电压正负极性自动反转；模糊PID控制

电解还原水机的工作原理都是将交流转变为直流电压，加电在钛铂金电解极板上，通过电解水，在阴极产生了大量的氢氧根离子，这就是还原水.还原水容易清除体内的自由基，有效预防衰老和疾病［1-2］.饮用电解水机还原水能使人健康长寿，已成为日本、欧美等家庭“水装修”的普及产品，开始成为我国高端家电的一种新时尚.

国内电解还原水机市场上存在的问题有：控制电路简单，没有或较少有保护和检测电路，电解功率低（一般不超过150 W），输出电流不稳定等［3］.也没有考虑到全国各地水质的差异，溶解性固体总量TDS（Total dissolved solids）不同，水的电导率不一致；水压的不稳定，在电解时引起流量变化，这都容易引起过度电解和电解不充分，钛铂金电解极板迅速老化，铂金属涂层脱落.造成水机的使用寿命短；电解效果差，很难得到高品质稳定的抗氧化电解还原水.

笔者设计了一种基于MC96F6432芯片的模糊PID控制电源，电源输出功率大（400 W），实现输出恒流、电压可调，电解极板电压极性自动反转和水路自动反转的硬件控制电路，能有效解决以上问题.同时采用钛铂金电极板，实现了电解还原水机使用寿命长，电解效率高，提供浓度稳定的优质电解还原水.

1 硬件电路设计

1.1 总体电路设计

系统是以基于MC96F6432单片机的主控板为核心，总体电路设计见图1.市电先经过漏电空气开关，再供给设备. 12 V开关电源采用明纬的PS-35-12，给主控板供电；48 V开关电源采用基于M51995AP的开关电源，给电解还原水机电解供电.滤芯更换提醒用到神林电子的RSIR-2LB流量计，最大耐压0.49 MPa，测试范围0.3～2 L/min.按键显示面板采用触摸按键.出水电机采用三协电机的步进电机.

图1 总体电路设计框图

电路针对市场上的电解还原水机设计进行了改进：增加倒极电路和出水控制电路，防止电极结垢，提高电解水机的使用寿命和电解效果；增加恒流检测电路，使电解时，水机恒流工作，防止钛铂金电解极板迅速老化；还设有多种保护电路，如过温保护，过流保护和过压/欠压保护，确保水机安全可靠工作.

1.2 基于MC96F6432单片机的主控电路

MC96F6432是韩国ABOV推出具有节电模式的8位单片机，可以为许多嵌入式控制应用提供高效灵活低成本解决方案.具有32 Kb FLASH、256 Kb IRAM、768 Kb XRAM，实时定时器，8/16-bit定时器/计数器，12-bit A/D转换器，片内POR、LVR、LVI等特点.

以MC96F6432单片机为核心的主控制硬件电路见图2，主要包括：外部时钟源模块、流量检测模块、进水电磁阀模块、出水水路控制模块、音乐模块、记忆模块和触摸按键模块.记忆模块电路主要存储用户设定的参数，使水机有记忆功能.流量检测模块则是记录水机的使用时间，提醒用户更换进水过滤装置，确保水机正常使用.

图2 基于MC96F6432单片机的主控制硬件电路

通过按键面板启动电解还原水机时，进水电磁阀打开，水进入电解槽，单片机将控制电解开关电源工作，同时检测电解电源的电压和电流，使电解开关电源恒流输出；通过单片机程序控制，使电压倒极电路产生作用，每电解3次，单片机就控制电解电源的输出电压正负极性反转，配合水路的自动反转，不仅能有效防止电极板结垢，提高电解还原水品质，又能延长钛铂金极板的使用寿命.当水机工作过热时，将停止工作.当电解水达到设定值时，蜂鸣器提供美音音乐，提醒用户电解水可以使用了.

图3是触摸按键电路，触摸芯片是深圳芯邦推出的专用触摸芯片CMB7026，通过I2C与单片机通讯实现数据交换.此芯片采用的是自电容技术原理，确保采用基准信号的稳定和精度，通过单位时间内充放电采样机制，滤波、统计有效信号，高效的数据处理算法具备抗高低频噪音干扰的能力；具有自适应跟踪机制，当有水膜时可自适应调整按键的灵敏度，不会误触发，不影响正常使用，能够在2 mm的水膜环境下正常工作；采用对sensor寄生电容分辨与补偿机制，确保不同线长的按键灵敏度一致，芯片中内置自适应校准机制，确保在不同温度、湿度等环境下，上电参数自校准匹配.

触摸按键电路具有灵敏度高，抗干扰能力强，防尘防水，高可靠性等优点，能适应各种复杂的电磁环境，工作性能稳定使用便捷.

1.348 V电源模块

图3 触摸按键电路

48 V电源模块是采用MISUBISHI公司推出的专门为AC/DC变换而设计的开关电源控制芯片M51995AP，该芯片内置大容量半桥电路，可以直接驱动MOSFET.它不仅具有快速输出能力，而且具有快速响应的电流限制功能，具备过流及短路保护功能；本电路由市电供电，经整流桥整流和电容滤波后，变成直流电压，再由M51995AP芯片控制场效应管实现开关作用，经变压器后，转换方波，再经整流滤波输出约为48 V直流电压.电压电流反馈是确保输出所需的电解电压.电路设计时还增加了过流保护和过温保护电路，提供安全性能.

本开关电源设计最大的优势之一就是具有正负极性自动反转的特性.电解水机在电解过程中，电解槽内的电极板会出现电镀效应，水中的矿物质会吸附到电解板上形成一层水垢，导致电阻增大，电解能力下降，降低电解效率，甚至使电解失效，水机无法正常工作.目前很多电解水机在设计时无法解决这一问题，使电解水机的使用寿命短，电解效果不理想［4］.本电路在设计时增加电极正负极性自动反转电路，刚好能解决这一问题.将电解电极板的电压极性设计成可以自动转换，配合出水水路的转换，使电极板处无法长时间聚集水中的矿物质，避免电极板结垢，提高电解水机的使用寿命和电解效果［5-6］.

图448 V电源模块

本开关电源设计另外一个优势就是自动调节电压使其恒流工作.电解水机要产生浓度稳定的电解水，这就要求水机工作时能够恒流输出电压.因全国各地水质的差异，TDS不同，水的电导率不一致；水压的不稳定，会在电解时引起流量变化.如果不能使电解输出电压恒流输出，容易引起过度电解和电解不充分，钛铂金电解极板迅速老化，铂金属涂层脱落.造成水机的使用寿命短；电解效果差，很难得到高品质稳定的抗氧化电解还原水.在设计中，将采用模糊PID控制开关电源的输出电压，根据流量和水质的不同，调节输出电压，使其恒流输出，保证电解水的浓度稳定.

2 控制系统软件设计

系统采用的编译器是KEIL UVISION4.程序流程图见图5，包括：参数初始化，即硬件初始化（端口、中断和时钟初始化和看门狗初始化等）、I2C通讯初始化等；故障自检，由进出水自检、流量电路自检、过温电路自检等组成；读取EEPROM数据，提取用户的参数设置.读取流量总值，提醒更换滤芯；读写触摸按键模块，通过深圳芯邦芯片的I2C通讯实现；模糊PID电解模块、倒极模块和水路自动反转模块，通过电流的监测来调节电解电压，实现恒流控制，通过编程实现每电解3次，电解槽内的电极板正负极就会自动反转，同时出水水路控制电路也控制水路同时转换；音乐模块通过植入固定音乐程序实现，如果有故障马上停止电解.

模糊PID电解控制的原理是：通过读取取样电阻当前电压值，可求出差值k0.再根据k0、当前电压值和当前流量计算出需要补偿的误差值e和误差变化率ec，通过查表得到Kp、Ki和Kd.运行PID运算，计算出输出量.在电解过程中，不断检测e和ec的值，确定Kp、Ki和Kd这3个参数，来控制电解电源的电压输出，实现恒流控制.程序的采样时间设置为100 ms，能满足控制精度要求.

3 结语

笔者采用了韩国现代单片机公司推出的MC96F6432芯片设计一种硬件电路，实现一种恒流、变压、电压极性和水路自动反转电源控制电路在电解还原水机的应用，满足了电解还原水机的钛铂金电极板的使用寿命，确保产生稳定优质的电解还原水，同时采用多层槽的钛铂金电解板电解槽，增加水与电解钛铂金板的接触面积，提高电解的效率.

图5 控制系统程序流程图

［1］李小坚.电解水机智能控制系统设计[J].冶金自动化，2013（S2）：403-405.

［2］罗小军.钛涂铂电极在电解功能水机中的应用研究[J].电镀与涂饰，2009，28（10）：72-74.

［3］胡军霞，海春旭.电解还原水的研究进展[J].国外医药抗生素分册，2012，33（5）：204-206.

［4］王豫廉.电解水：生命的活水[M].上海：第二军医大学出版社，2008：197.

［5］许淑新.电解氧化水智能控制系统设计[D].北京：北方工业大学，2013.

［6］吴一非.家用电解水机设计[D].江西：南昌大学，2013.

Application in the Electrolytic Reduction Water Machine Based on MC96F6432

ZHONG Jian-wei1，NING Yu2，ZHANG Yan-jin1
（1.Ruyuan Dongyangguang Machinery Co.Ltd，Shaoguan 512721；2.School of Physics and Mechanical and Electrical Engineering，Shaoguan University，Shaoguan 512005，Guangdong，China）

The problems of the electrolytic reduction water machine are the service life of the electrode plate and how to produce stable and high quality electrolytic reduction water.This paper designs a hardware circuit using ABOV MC96F6432 chip，and uses the titanium platinum plate electrode，to achieve a constant current，voltage and polarity reversal automatic power control by fuzzy PID，which can prevent the fouling of electrode plate of electrolytic reduction water quality，and prolong the service life of the titanium platinum electrode plate，and produce stable quality electrolytic reduction water.

touch button；constant current；voltage transformer；positive and negative polarity reversal；fuzzy PID control

TM502

A

1007-5348（2017）06-0045-04

（责任编辑：欧恺）

2017-03-12

钟建伟（1985-），广东韶关人，韶关乳源东阳光机械有限公司电气工程师；研究方向：电气电子电路设计及其应用.*通讯作者.