果蔬清洗装置的设计

李凯丽，杨伯程，武圳睿，樊建强

（1.晋中信息学院，山西太谷030800；2.上海师范大学，上海201418）

目前市面上果蔬清洗装置的产品质量参差不齐，部分清洗装置无法兼顾到被清洗物品的种类，同时也无法保证清洗力度、清洗效率和清洗程度。对于一些独立的、体积相对较大的、完整的、坚硬的物品清洗效果较好，而对叶菜类、有枝杈或果实硬度不够的物品清洗效果不理想。特别是对于带有叶状的清洗物，有可能在清洗的过程中出现了损伤，或者清洗后变得杂乱无章，以致于影响到后续的食用。

针对上述问题，本设计采用AT89S51单片机作为主控芯片，采用超声波和臭氧杀菌相结合的方法，同时保留原有的水洗方式，既能清洁果蔬外表面上的灰尘，又能清洁果蔬残留的农药试剂，避免对于清洗物造成损伤，并通过LCD显示电路显示清洗结果。

智能果蔬清洗装置采用结构化设计方案，将系统分成几个相对独立的模块进行设计，最后再将所有模块协调起来，实现整个系统的功能。单片机作为智能果蔬清洗装置的人机交互系统的控制核心，配合其他相关模块，实现清洗机的智能化控制。果蔬清洗装置的总体设计框图如图1所示，包括单片机最小系统、输入输出模块、传感器模块，超声波臭氧发生电路模块、防干扰电路模块。

图1 果蔬清洗装置总体设计框图Fig.1 Overall design block diagram of fruit and vegetable cleaning device

1 基本原理

1.1 臭氧（水）灭菌原理

臭氧在常温状态下为淡蓝色、有刺激性气味的气体，具有强烈的氧化作用，被公认是高效的消毒剂。不稳定是臭氧的一个特征，室温下就可以分解成为原子氧和分子氧。臭氧溶解于水就可以成为臭氧水，臭氧消毒的原理是臭氧在水中发生氧化还原反应[1]。

1.2 超声波清洗技术原理

超声波是一种振动频率高于人耳可听声波范围的机械波，其传播需要能够反射、折射和聚焦的弹性介质。利用超声波的空化效应对果蔬进行清洗，将被清洗物表面的泥沙和被清洗物的吸附关系处理掉，这样就会使得表面的泥沙、污尘立刻脱落。所以，只要在清洗过程中能出现空化效应的部分，都会让清洗液提高效率，不受被清洗物表面形状的限制。

在果蔬清洗装置工作时，超声波和臭氧共同启动。超声波空化泡碎裂后产生冲击波与微射流，作用于被清洗物时就可以使被清洗物表面脏污物掉落。同时由于超声波的作用使得臭氧顺利进入细胞膜内，将细胞氧化，加快微生物灭活速度。超声波依靠高频率的振动让介质产生很大的加速度，被赋予加速度的介质分子剧烈碰撞使分子键断裂，让臭氧对有机物质的分解变得比原来更快[2]。另外，超声波所产生的振动还极大地提高了臭氧溶解于清洗液中的速度。随着溶解速度的增加，臭氧浓度在极短的时间里达到一个高度，促进了臭氧灭菌、降解生化药剂残留能力。

2 硬件设计

果蔬清洗装置控制系统采用主从单片机，联合传感器对浑浊度、水位等参数进行实时监测，再通过与预先设定好的参数进行对比，并对相应的数据进行处理，最后得出输出结果。果蔬清洗机系统主要由臭氧与超声波发生器装置、数模转换电路、水位传感器电路、浑浊度传感器电路、显示按键电路、报警提示电路等部分组成。

由于有着较多的输入输出量，输入的量既有开关量也有模拟量，因此整个控制系统的主机AT89S51单片机主要负责输入输出（显示和按键）电路、报警提示电路，以及各个开关量等，而从机AT89C51主要负责水位传感器、浑浊度传感器、臭氧及超声波发生器的数据采集任务。在整个清洗过程当中还要完成浑浊度传感器同主机AT89S51的之间的通信[3]。

2.1 控制芯片选择

鉴于果蔬清洗装置并不需要太过复杂的控制操作，所以本设计的果蔬清洗装置采用AT89S51单片机作为核心部件，AT89S51具有高密度和非易失性特点，共设置了40个引脚，内部含有4k字节的flash存储器。

2.2 超声波发生器

超声波发生器是把市电（220V或380V）转换为高频交流电信号，转换过后的交流电可直接传输给超声波换能器。超声波换能器实质是将电能转化为机械能，发出机械振动与电信号的频率处于同一幅度。

当超声波发生器打开系统时，超声波产生与传感器相对应的特定频率信号[4]。另外，为了增强清洗效果，超声波发生器还提供2种反馈信号。第一种：接入可以反馈输出功率的信号装置。输出功率会随着发生器电源的变化而变化，当电源改变时，机械振动会出现上下波动的情况，这就会影响最后清洗的效果。因此必须通过实时反馈而来的信号及时调节功率放大器，使输出功率稳定。第二种：加装可以跟踪频率信号的装置。随着使用时长增加，整个系统的器件慢慢的会发生老化，同时又因为外界的各种因素，换能器的谐振频率会发生改变。换能器工作在谐振频率时，系统的工作效率最高，清洗效果也最好。当出现微弱的频率漂移时，装置的清洗效果也会受到影响。这样就需要加上跟踪频率信号，使信号发生器能实时跟踪谐振数据，保证超声波发生器乃至整个清洗系统工作在最佳状态。

单片机和臭氧发生器与超声波发生器之间通过继电器连接，如图2所示。继电器的触点是否闭合决定了超声波发生器是否参与工作。当主机AT89S51单片机输出低电平后，三极管Q4导通，继电器参与工作，同时继电器线圈有电流通过，动断触点闭合，超声波产生电路通电开始工作，如继电器触点不闭合电路则不运作。

图2 继电器输出电路Fig.2 Relay output circuit

超声波换能器的作用是将超声波发生器产生的振荡信号转换为一个高频交流电信号，在清洗液中形成机械振荡——超声波[5]。

2.3 浊度传感器

浊度传感器主要是检测清洗后污水的浑浊度数值，浊度的单位是NTU，其值决定了清洗时间和清洗效果。设计中将使用APMS-10G浊度传感器，如图3所示。在清洗装置运行清洗的过程中，可能会出现浑浊度偏高或偏低，水位过高或过低的情况，这是由于一些反常状态下控制过程出现的意外错误，必须进行及时处理，否则会影响整个清洗进程。

图3 浊度传感器检测原理图Fig.3 Turbidity sensor detection principle diagram

清洗污水中的红外线透射率、散射率和电导率都会影响到NTU，浊度传感器通过检测这些数值，再经过数据处理，利用散射率与透射率的比值来确定清洗后污水的浑浊度值。

3 软件仿真

本设计采用Keil uVision4进行软件仿真。整个清洗过程为，将果蔬放入清洗槽中，按下启动按钮，程序开始。依照预先设定好的清洗水位注水，达到设定值时，超声波及臭氧发生器运作，开始清洗。通过传感器采集到的数据判断浊度是否饱和，没有饱和则一直清洗，如果饱和，且浊度值大于设定的阈值，超声波臭氧发生器停止工作，排出污水，重新注水再次清洗，直到浊度值小于设定的阈值。然后报警提醒，停止整个清洗流程。

果蔬清洗的控制系统可以实时监测果蔬运行过程，当按下启动按键之后，系统开始运转，果蔬机的屏幕将显示供使用者清洗的类型。随后系统自动提示操作人员选择所清洗物品的类型，可依据屏幕上的提示控制按键：启动、果蔬（完整）、果蔬（叶状）、肉鱼类、餐具、米类进行操作，如图4所示，其中第一行：GS（WZ）代表果蔬完整，GS（YZ）代表果蔬叶状；第二行：RYL代表肉鱼类，ML代表米类，GB代表关闭。

在使用者按下对应的按键之后，屏幕也会做出相应的显示。在仿真中选择被清洗物的类型，则屏幕会显示所对应的内容，见图4。

图4 待清洗物品类型Fig.4 Type of item to be cleaned

当选择好清洗物的类型之后系统将开始自动工作。首先按照程序设定进行注水，水量还到预先设定的位置。在注水过程中，屏幕也会相应显示。此处ZZZS代表正在注水。

注水达到设定好的标准时，果蔬清洗机显示正在清洗，臭氧发生电路和超声波发生电路开始工作，系统显示屏实时同步工作进程。ZZQX代表正在清洗，CSBCYZZGZ代表超声波臭氧正在工作，如图5所示。

图5 超声波臭氧电路工作状态显示Fig.5 Ultrasonic ozone circuit operating statusdisplay

在清洗过程中系统将持续判断浊度是否饱和。如果浊度值没有达到设定的饱和值时，系统将会一直工作。相反则会停止洗清进程，超声波臭氧电路停止，显示屏对应的部分关闭，开始放出已经浑浊的水并计算浊度值。当浊度值大于预先设定的值时，系统重新开始工作，重新注水，重新完成以上过程。

4 结论

本设计主要针对目前市场部分果蔬清洗装置的不足之处，提出设计一种智能化、高效化、节能化的清洗装置。

将超声波清洗和臭氧杀菌二者结合来对水果、蔬菜进行清洗、杀菌、减少农药残留是可行的，而且超声波清洗技术也对臭氧灭菌、降低农药残留也有着促进作用；将超声波和臭氧结合的方式设计的果蔬清洗装置适用范围广，它不仅能够像传统的清洗机那样对完整的、整齐的果蔬进行清洗、也能够对根茎类、叶类等不规整、繁杂的果蔬进行清洗，而且杀菌，降解农药效率高。

通过对整个果蔬清洗装置进行电路设计与仿真，实现了果蔬清洗装置的整体运行和运行情况的实时显示。