一种果蔬清洁自动化设备的设计

陶义成 ，吴 薇

（黑龙江工商学院，黑龙江 哈尔滨 150016）

果蔬清洁人工方式效率低下，不能满足工业化和集约化生产的要求[1]。目前，关于果蔬清洁自动化设备的设计鲜有研究，大多数研究方向集中于果蔬的自动化采摘、包装、装卸等方面，而果蔬清洁作为果蔬产品生产的重要环节之一，也需要实现自动化，从而使该环节与自动化采摘、包装等环节有机衔接，实现果蔬全过程的自动化生产。将自动化技术集成应用于果蔬清洁设备设计中，可以实现设备自动化，进而使果蔬清洁工作得以高效开展，并为食品安全提供保障。

1 总体设计

果蔬清洁自动化设备包含了传感器电路、防干扰电路、超声波臭氧发生电路以及输入输出电路，该设备运用了臭氧灭菌技术以及超声波清洁技术，采用了自动控制系统对该设备的各项操作进行控制，利用超声波发生装置形成超声波，通过超声波使臭氧加速与清洁液融合，从而以最短的时间完成灭菌和农药降解。因此，该设备的核心技术便是臭氧灭菌技术、超声波清洁技术以及自动化控制技术。果蔬清洁自动化设备的总体设计框架见图1。

图1 果蔬清洁自动化设备的总体设计框架

1.1 臭氧灭菌技术原理

在常温环境下，臭氧是一种淡蓝色气体，具有刺激性气味，其氧化作用较强，是当前果蔬清洁普遍使用的高效消毒灭菌剂[2]。但臭氧具有不稳定性，在室温条件下，臭氧能够分解成分子氧以及原子氧，将其溶解于水中便形成臭氧水。因此，臭氧灭菌技术原理便是臭氧通过与水接触后，发生氧化还原反应，从而达到消毒灭菌的作用。

1.2 超声波清洁技术原理

超声波属于高频振动机械波，其频率超出了人耳获取的声波范围，并且超声波在传播时需要一定的弹性介质，该介质可以实现折射、反射以及聚焦。借助超声波产生的空化效应可以实现果蔬清洁，使果蔬表面附着的污尘泥沙得以脱落[3]。因此，利用超声波对果蔬进行清洁时，只要发生空化反应，则被该反应波及的果蔬均能够通过清洁液实现高效清洁，并且不被果蔬凹凸不平的表面所限制。

1.3 自动化控制技术原理

自动化控制技术的核心为自动控制系统，其核心部件为单片机，能够对果蔬清洗操作进行自动控制，同时与浊度传感器之间联通，当果蔬清洁时所产生的污水浑浊度达到一定数值时，浊度传感器会将信号传递至控制系统处，由控制系统对超声波发生装置进行控制，使超声波发生装置停止工作，并将污水排出；当清水再次注入后，浊度传感器会再次形成信号，传递至控制系统处，由控制系统启动超声波发生装置，形成超声波并与臭氧水结合对果蔬进行清洁；当浑浊度再次达到预定数值时，便会重复上述操作，以此循环直至果蔬清洁程度达到相应要求为止，从而实现对果蔬清洁的自动化控制[4]。

1.4 技术集成下果蔬清洁效果的实现

果蔬清洁自动化设备处于工作状态下，超声波发生装置在自动控制系统的启动下会与臭氧一起启动，超声波在空化反应后形成的空化泡出现碎裂之后，便会形成微射流以及冲击波，其能够在果蔬表面起到冲击作用，使果蔬表面的污泥、农药残留物脱落。超声波能够促使臭氧成功地进入到果蔬细胞膜之中，使细胞出现氧化，实现微生物快速灭活[5]。超声波通过高频振动可以促使介质加速度增加，使介质分子之间形成剧烈的碰撞，从而导致分子键发生断裂，加速臭氧对有机物分解，并且高频振动还能够使臭氧与清洁液加速溶解，从而提升臭氧降解农药和灭菌的能力，达到果蔬清洁预期效果。

2 硬件设计

果蔬清洁自动化设备使用的自动控制系统为主从单片机，其能够与传感器之间联合对清洁液的水位、浑浊度等多项参数展开实时监测，并与预设参数对比，自动处理相关数据，从而形成输出结果。该设备主要采用的硬件包括控制系统、超声波发生装置以及传感器。

2.1 控制系统

因该设备的输出输入量比较多，并且输入量中既包含开关量，又包含模拟量，所以该控制系统主机选用了AT89S51 单片机。AT89S51 单片机能够对输入输出以及报警提示等电路进行控制，系统主机AT89C51 则是对浑浊度传感器、水位传感器、超声波发生装置所产生的数据进行采集，在果蔬清洁时还需要负责实现传感器与主机之间的联络工作。由于该设备的控制操作并不过于复杂化，所以AT89S51 单片机即为该控制系统的核心部件，该单片机具有非易失性、高密度性等特点，其引脚共有40 个，内含4 k字节存储装置。

2.2 超声波发生装置

该装置是将220 V 市电或380 V 市电向交流电信号转换，形成的交流电信号可向超声波换能装置传输，然后由该装置将电能进行转化，使之形成机械能，机械能形成的机械振动同电信号频率之间的幅度一致。超声波发生装置开启时，所形成的超声波频率信号会与传感器之间相互对应。超声波发生装置会与臭氧发生装置、单片机之间利用继电器进行连接。继电器触点闭合状态能够决定超声波发生装置的启闭。若单片机主机出现输出低电平的情况，继电器会立即处于工作状态，并且其线圈会出现电流，动段触电处于闭合状态，超声波形成之后，电路开始通电并进入工作状态，如果触点未闭合，则电路不会运作。同时，为了提升果蔬清洁效果，该发生装置可提供以下两种反馈信号。

1）接入可对输出频率信号进行反馈的装置。当发生装置的电源出现变化时，输出功率随之变化，如果电源发生变化，则机械振动便会存在上下波动，导致清洗效果受到影响。因此，需要根据实时反馈信号对功率放大装置进行及时调节，确保输出功率能够达到稳定的状态[6]。

2）接入可对频率信号进行跟踪的装置。随着果蔬清洁自动化设备的使用时间不断增长，系统器件老化问题会显现，并且受外界因素影响，换能装置所产生的谐振频率将会出现变化。只有在谐振频率稳定的情况下，设备系统工作效率才会达到最佳状态，从而产生良好的清洁效果[7]。如果频率出现变动，则清洁效果会被影响。需要接入信号跟踪装置对写真数据进行实时跟踪，从而确保超声波发生装置和整个设备在实际运行时处于最佳状态。

2.3 传感器设备

果蔬清洁自动化设备中配置的传感器包括水位传感器以及浑浊度传感器。水位传感器主要功能是对该设备的清洗槽水位进行监测，当清洗槽水位达到预设水位时，该传感器会将信号传递至控制系统，由控制系统自动控制排水阀门，并将污水排出[8]；而浑浊度传感器则是对清洗槽中清洗液的浑浊程度进行监测，当果蔬清洁自动化设备对果蔬进行清洁时，果蔬上的污泥会与清洗液混合，从而使清洗液变得更加浑浊；当清洗液的浑浊度达到预设标准后，浑浊度传感器便会检测到浑浊度数值，并将信号传递至控制系统，由控制系统将超声波发生装置停止，水位传感器监测水位达到预定值后，便会将浑浊度达到预设标准的污水排出；当新的清洗液放入清洗槽后，进入下一监测周期[9]。

3 软件设计

针对果蔬清洁自动化设备的软件进行设计时，采用Keil μVision4 开展软件仿真。整个果蔬清洁的流程为：首先在清洗槽中放入预洗果蔬，然后按下启动按键使程序开始运行[10]。按照之前设置的水位进行注水，达到设定水位之后，超声波发生装置和臭氧发生装置便会同时运作，果蔬开始清洁，利用传感器装置可以对污水浑浊度数值进行采集，了解浑浊度是否达到预设，如果没有达到预设，则设备会一直持续清洗；若达到预设，则超声波发生装置以及臭氧发生装置会同时停止运行，并且水位会在持续增加的情况下触动水位传感器，从而通过传递水位信号，由控制系统打开排污水口，将清洗槽内部的污水全部排出，然后将清水注入后开展二次清洗，直至浑浊度达到设定值范围；当浑浊度达到设定值范围，发起警报，提醒操作人员将清洗好的果蔬处理，从而完成整个果蔬清洁过程。

果蔬清洁自动化设备控制系统能够对果蔬清洁过程进行实时监测，该系统在按下启动键后便已经开始运作，果蔬清洁自动化设备的显示屏幕会提示果蔬清洁类型的选择。例如，清洁的果蔬是叶状的还是块状的，均可进行选择，根据不同形状的果蔬自动调整清洁的力度，避免果蔬清洁时受损。

4 果蔬清洁自动化设备的实验应用

为了进一步确认该设备的实际应用效果，对果蔬清洁自动化设备进行了实验应用。果蔬清洁实验选择了两种果蔬，分别为苹果和大头油菜，数量分别为20 kg 和10 kg，两种果蔬都分为两个批次完成清洁。将苹果清洁的两个批次设置为批次A 和批次B，每个批次清洗10 kg，并记录相关数据，经人工分拣，批次A 的苹果表层污染物比较多；大头油菜也是分为两个批次清洗，分别设置为批次1 和批次2，每个批次清洗5 kg，并记录相关数据，经人工分拣，批次1 大头油菜表层附着的污染物比较多。实验使用的果蔬清洁自动化设备均为同一台设备，通过对数据进行记录得出实验数据汇总，见表1。

表1 两种果蔬清洗试验数据汇总

从表1 中可以看出，该设备运行3 min～4 min 基本能够将果蔬表面的污染物质清洁干净，数据显示，浑浊度会随着清洗时间的推移而逐渐降低，浑浊度最终均能够达到2 NTU 之内，洗净率均能够达到88%以上，说明该设备的清洗效果比较好，同时，该设备在清洗时对果蔬造成的损伤比较少。因此，该设备适合应用于果蔬清洁环节。

5 结语

综合上述，果蔬清洁自动化设备是当前果蔬生产环节中不可缺少的设备之一，对于提升果蔬的品质至关重要，在该设计之中，采用了臭氧灭菌技术和超声波清洁技术实现果蔬清洁，同时利用自动控制系统实现了设备的自动化控制和运行，解放了人力资源，并且通过实验得知该设备对果蔬的清洁效果也较为良好，可以在实际生产中投入规模化应用。