一種果蔬清潔自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)

陶義成 ，吳 薇

（黑龍江工商學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150016）

果蔬清潔人工方式效率低下，不能滿足工業(yè)化和集約化生產(chǎn)的要求[1]。目前，關(guān)于果蔬清潔自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)鮮有研究，大多數(shù)研究方向集中于果蔬的自動(dòng)化采摘、包裝、裝卸等方面，而果蔬清潔作為果蔬產(chǎn)品生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一，也需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，從而使該環(huán)節(jié)與自動(dòng)化采摘、包裝等環(huán)節(jié)有機(jī)銜接，實(shí)現(xiàn)果蔬全過(guò)程的自動(dòng)化生產(chǎn)。將自動(dòng)化技術(shù)集成應(yīng)用于果蔬清潔設(shè)備設(shè)計(jì)中，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化，進(jìn)而使果蔬清潔工作得以高效開(kāi)展，并為食品安全提供保障。

1 總體設(shè)計(jì)

果蔬清潔自動(dòng)化設(shè)備包含了傳感器電路、防干擾電路、超聲波臭氧發(fā)生電路以及輸入輸出電路，該設(shè)備運(yùn)用了臭氧滅菌技術(shù)以及超聲波清潔技術(shù)，采用了自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)該設(shè)備的各項(xiàng)操作進(jìn)行控制，利用超聲波發(fā)生裝置形成超聲波，通過(guò)超聲波使臭氧加速與清潔液融合，從而以最短的時(shí)間完成滅菌和農(nóng)藥降解。因此，該設(shè)備的核心技術(shù)便是臭氧滅菌技術(shù)、超聲波清潔技術(shù)以及自動(dòng)化控制技術(shù)。果蔬清潔自動(dòng)化設(shè)備的總體設(shè)計(jì)框架見(jiàn)圖1。

圖1 果蔬清潔自動(dòng)化設(shè)備的總體設(shè)計(jì)框架

1.1 臭氧滅菌技術(shù)原理

在常溫環(huán)境下，臭氧是一種淡藍(lán)色氣體，具有刺激性氣味，其氧化作用較強(qiáng)，是當(dāng)前果蔬清潔普遍使用的高效消毒滅菌劑[2]。但臭氧具有不穩(wěn)定性，在室溫條件下，臭氧能夠分解成分子氧以及原子氧，將其溶解于水中便形成臭氧水。因此，臭氧滅菌技術(shù)原理便是臭氧通過(guò)與水接觸后，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而達(dá)到消毒滅菌的作用。

1.2 超聲波清潔技術(shù)原理

超聲波屬于高頻振動(dòng)機(jī)械波，其頻率超出了人耳獲取的聲波范圍，并且超聲波在傳播時(shí)需要一定的彈性介質(zhì)，該介質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)折射、反射以及聚焦。借助超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)果蔬清潔，使果蔬表面附著的污塵泥沙得以脫落[3]。因此，利用超聲波對(duì)果蔬進(jìn)行清潔時(shí)，只要發(fā)生空化反應(yīng)，則被該反應(yīng)波及的果蔬均能夠通過(guò)清潔液實(shí)現(xiàn)高效清潔，并且不被果蔬凹凸不平的表面所限制。

1.3 自動(dòng)化控制技術(shù)原理

自動(dòng)化控制技術(shù)的核心為自動(dòng)控制系統(tǒng)，其核心部件為單片機(jī)，能夠?qū)咔逑床僮鬟M(jìn)行自動(dòng)控制，同時(shí)與濁度傳感器之間聯(lián)通，當(dāng)果蔬清潔時(shí)所產(chǎn)生的污水渾濁度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，濁度傳感器會(huì)將信號(hào)傳遞至控制系統(tǒng)處，由控制系統(tǒng)對(duì)超聲波發(fā)生裝置進(jìn)行控制，使超聲波發(fā)生裝置停止工作，并將污水排出；當(dāng)清水再次注入后，濁度傳感器會(huì)再次形成信號(hào)，傳遞至控制系統(tǒng)處，由控制系統(tǒng)啟動(dòng)超聲波發(fā)生裝置，形成超聲波并與臭氧水結(jié)合對(duì)果蔬進(jìn)行清潔；當(dāng)渾濁度再次達(dá)到預(yù)定數(shù)值時(shí)，便會(huì)重復(fù)上述操作，以此循環(huán)直至果蔬清潔程度達(dá)到相應(yīng)要求為止，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)果蔬清潔的自動(dòng)化控制[4]。

1.4 技術(shù)集成下果蔬清潔效果的實(shí)現(xiàn)

果蔬清潔自動(dòng)化設(shè)備處于工作狀態(tài)下，超聲波發(fā)生裝置在自動(dòng)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)下會(huì)與臭氧一起啟動(dòng)，超聲波在空化反應(yīng)后形成的空化泡出現(xiàn)碎裂之后，便會(huì)形成微射流以及沖擊波，其能夠在果蔬表面起到?jīng)_擊作用，使果蔬表面的污泥、農(nóng)藥殘留物脫落。超聲波能夠促使臭氧成功地進(jìn)入到果蔬細(xì)胞膜之中，使細(xì)胞出現(xiàn)氧化，實(shí)現(xiàn)微生物快速滅活[5]。超聲波通過(guò)高頻振動(dòng)可以促使介質(zhì)加速度增加，使介質(zhì)分子之間形成劇烈的碰撞，從而導(dǎo)致分子鍵發(fā)生斷裂，加速臭氧對(duì)有機(jī)物分解，并且高頻振動(dòng)還能夠使臭氧與清潔液加速溶解，從而提升臭氧降解農(nóng)藥和滅菌的能力，達(dá)到果蔬清潔預(yù)期效果。

2 硬件設(shè)計(jì)

果蔬清潔自動(dòng)化設(shè)備使用的自動(dòng)控制系統(tǒng)為主從單片機(jī)，其能夠與傳感器之間聯(lián)合對(duì)清潔液的水位、渾濁度等多項(xiàng)參數(shù)展開(kāi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并與預(yù)設(shè)參數(shù)對(duì)比，自動(dòng)處理相關(guān)數(shù)據(jù)，從而形成輸出結(jié)果。該設(shè)備主要采用的硬件包括控制系統(tǒng)、超聲波發(fā)生裝置以及傳感器。

2.1 控制系統(tǒng)

因該設(shè)備的輸出輸入量比較多，并且輸入量中既包含開(kāi)關(guān)量，又包含模擬量，所以該控制系統(tǒng)主機(jī)選用了AT89S51 單片機(jī)。AT89S51 單片機(jī)能夠?qū)斎胼敵鲆约皥?bào)警提示等電路進(jìn)行控制，系統(tǒng)主機(jī)AT89C51 則是對(duì)渾濁度傳感器、水位傳感器、超聲波發(fā)生裝置所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在果蔬清潔時(shí)還需要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)傳感器與主機(jī)之間的聯(lián)絡(luò)工作。由于該設(shè)備的控制操作并不過(guò)于復(fù)雜化，所以AT89S51 單片機(jī)即為該控制系統(tǒng)的核心部件，該單片機(jī)具有非易失性、高密度性等特點(diǎn)，其引腳共有40 個(gè)，內(nèi)含4 k字節(jié)存儲(chǔ)裝置。

2.2 超聲波發(fā)生裝置

該裝置是將220 V 市電或380 V 市電向交流電信號(hào)轉(zhuǎn)換，形成的交流電信號(hào)可向超聲波換能裝置傳輸，然后由該裝置將電能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使之形成機(jī)械能，機(jī)械能形成的機(jī)械振動(dòng)同電信號(hào)頻率之間的幅度一致。超聲波發(fā)生裝置開(kāi)啟時(shí)，所形成的超聲波頻率信號(hào)會(huì)與傳感器之間相互對(duì)應(yīng)。超聲波發(fā)生裝置會(huì)與臭氧發(fā)生裝置、單片機(jī)之間利用繼電器進(jìn)行連接。繼電器觸點(diǎn)閉合狀態(tài)能夠決定超聲波發(fā)生裝置的啟閉。若單片機(jī)主機(jī)出現(xiàn)輸出低電平的情況，繼電器會(huì)立即處于工作狀態(tài)，并且其線圈會(huì)出現(xiàn)電流，動(dòng)段觸電處于閉合狀態(tài)，超聲波形成之后，電路開(kāi)始通電并進(jìn)入工作狀態(tài)，如果觸點(diǎn)未閉合，則電路不會(huì)運(yùn)作。同時(shí)，為了提升果蔬清潔效果，該發(fā)生裝置可提供以下兩種反饋信號(hào)。

1）接入可對(duì)輸出頻率信號(hào)進(jìn)行反饋的裝置。當(dāng)發(fā)生裝置的電源出現(xiàn)變化時(shí)，輸出功率隨之變化，如果電源發(fā)生變化，則機(jī)械振動(dòng)便會(huì)存在上下波動(dòng)，導(dǎo)致清洗效果受到影響。因此，需要根據(jù)實(shí)時(shí)反饋信號(hào)對(duì)功率放大裝置進(jìn)行及時(shí)調(diào)節(jié)，確保輸出功率能夠達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)[6]。

2）接入可對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行跟蹤的裝置。隨著果蔬清潔自動(dòng)化設(shè)備的使用時(shí)間不斷增長(zhǎng)，系統(tǒng)器件老化問(wèn)題會(huì)顯現(xiàn)，并且受外界因素影響，換能裝置所產(chǎn)生的諧振頻率將會(huì)出現(xiàn)變化。只有在諧振頻率穩(wěn)定的情況下，設(shè)備系統(tǒng)工作效率才會(huì)達(dá)到最佳狀態(tài)，從而產(chǎn)生良好的清潔效果[7]。如果頻率出現(xiàn)變動(dòng)，則清潔效果會(huì)被影響。需要接入信號(hào)跟蹤裝置對(duì)寫(xiě)真數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，從而確保超聲波發(fā)生裝置和整個(gè)設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行時(shí)處于最佳狀態(tài)。

2.3 傳感器設(shè)備

果蔬清潔自動(dòng)化設(shè)備中配置的傳感器包括水位傳感器以及渾濁度傳感器。水位傳感器主要功能是對(duì)該設(shè)備的清洗槽水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)清洗槽水位達(dá)到預(yù)設(shè)水位時(shí)，該傳感器會(huì)將信號(hào)傳遞至控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)自動(dòng)控制排水閥門(mén)，并將污水排出[8]；而渾濁度傳感器則是對(duì)清洗槽中清洗液的渾濁程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)果蔬清潔自動(dòng)化設(shè)備對(duì)果蔬進(jìn)行清潔時(shí)，果蔬上的污泥會(huì)與清洗液混合，從而使清洗液變得更加渾濁；當(dāng)清洗液的渾濁度達(dá)到預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)后，渾濁度傳感器便會(huì)檢測(cè)到渾濁度數(shù)值，并將信號(hào)傳遞至控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)將超聲波發(fā)生裝置停止，水位傳感器監(jiān)測(cè)水位達(dá)到預(yù)定值后，便會(huì)將渾濁度達(dá)到預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的污水排出；當(dāng)新的清洗液放入清洗槽后，進(jìn)入下一監(jiān)測(cè)周期[9]。

3 軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)果蔬清潔自動(dòng)化設(shè)備的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用Keil μVision4 開(kāi)展軟件仿真。整個(gè)果蔬清潔的流程為：首先在清洗槽中放入預(yù)洗果蔬，然后按下啟動(dòng)按鍵使程序開(kāi)始運(yùn)行[10]。按照之前設(shè)置的水位進(jìn)行注水，達(dá)到設(shè)定水位之后，超聲波發(fā)生裝置和臭氧發(fā)生裝置便會(huì)同時(shí)運(yùn)作，果蔬開(kāi)始清潔，利用傳感器裝置可以對(duì)污水渾濁度數(shù)值進(jìn)行采集，了解渾濁度是否達(dá)到預(yù)設(shè)，如果沒(méi)有達(dá)到預(yù)設(shè)，則設(shè)備會(huì)一直持續(xù)清洗；若達(dá)到預(yù)設(shè)，則超聲波發(fā)生裝置以及臭氧發(fā)生裝置會(huì)同時(shí)停止運(yùn)行，并且水位會(huì)在持續(xù)增加的情況下觸動(dòng)水位傳感器，從而通過(guò)傳遞水位信號(hào)，由控制系統(tǒng)打開(kāi)排污水口，將清洗槽內(nèi)部的污水全部排出，然后將清水注入后開(kāi)展二次清洗，直至渾濁度達(dá)到設(shè)定值范圍；當(dāng)渾濁度達(dá)到設(shè)定值范圍，發(fā)起警報(bào)，提醒操作人員將清洗好的果蔬處理，從而完成整個(gè)果蔬清潔過(guò)程。

果蔬清潔自動(dòng)化設(shè)備控制系統(tǒng)能夠?qū)咔鍧嵾^(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)在按下啟動(dòng)鍵后便已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)作，果蔬清潔自動(dòng)化設(shè)備的顯示屏幕會(huì)提示果蔬清潔類(lèi)型的選擇。例如，清潔的果蔬是葉狀的還是塊狀的，均可進(jìn)行選擇，根據(jù)不同形狀的果蔬自動(dòng)調(diào)整清潔的力度，避免果蔬清潔時(shí)受損。

4 果蔬清潔自動(dòng)化設(shè)備的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

為了進(jìn)一步確認(rèn)該設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用效果，對(duì)果蔬清潔自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。果蔬清潔實(shí)驗(yàn)選擇了兩種果蔬，分別為蘋(píng)果和大頭油菜，數(shù)量分別為20 kg 和10 kg，兩種果蔬都分為兩個(gè)批次完成清潔。將蘋(píng)果清潔的兩個(gè)批次設(shè)置為批次A 和批次B，每個(gè)批次清洗10 kg，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)人工分揀，批次A 的蘋(píng)果表層污染物比較多；大頭油菜也是分為兩個(gè)批次清洗，分別設(shè)置為批次1 和批次2，每個(gè)批次清洗5 kg，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)人工分揀，批次1 大頭油菜表層附著的污染物比較多。實(shí)驗(yàn)使用的果蔬清潔自動(dòng)化設(shè)備均為同一臺(tái)設(shè)備，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總，見(jiàn)表1。

表1 兩種果蔬清洗試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

從表1 中可以看出，該設(shè)備運(yùn)行3 min～4 min 基本能夠?qū)⒐弑砻娴奈廴疚镔|(zhì)清潔干凈，數(shù)據(jù)顯示，渾濁度會(huì)隨著清洗時(shí)間的推移而逐漸降低，渾濁度最終均能夠達(dá)到2 NTU 之內(nèi)，洗凈率均能夠達(dá)到88%以上，說(shuō)明該設(shè)備的清洗效果比較好，同時(shí)，該設(shè)備在清洗時(shí)對(duì)果蔬造成的損傷比較少。因此，該設(shè)備適合應(yīng)用于果蔬清潔環(huán)節(jié)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜合上述，果蔬清潔自動(dòng)化設(shè)備是當(dāng)前果蔬生產(chǎn)環(huán)節(jié)中不可缺少的設(shè)備之一，對(duì)于提升果蔬的品質(zhì)至關(guān)重要，在該設(shè)計(jì)之中，采用了臭氧滅菌技術(shù)和超聲波清潔技術(shù)實(shí)現(xiàn)果蔬清潔，同時(shí)利用自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的自動(dòng)化控制和運(yùn)行，解放了人力資源，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知該設(shè)備對(duì)果蔬的清潔效果也較為良好，可以在實(shí)際生產(chǎn)中投入規(guī)模化應(yīng)用。