鐘建偉，寧宇，張燕金

（1.韶關(guān)乳源東陽(yáng)光機(jī)械有限公司，廣東韶關(guān)512721；2.韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東韶關(guān)512005）

基于MC96F6432單片機(jī)的電路在電解還原水機(jī)的應(yīng)用

鐘建偉1，寧宇2*，張燕金1

（1.韶關(guān)乳源東陽(yáng)光機(jī)械有限公司，廣東韶關(guān)512721；2.韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東韶關(guān)512005）

電解還原水機(jī)的難點(diǎn)在于電極板的使用壽命以及要產(chǎn)生穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的電解還原水.筆者采用了韓國(guó)現(xiàn)代單片機(jī)公司推出的MC96F6432芯片，設(shè)計(jì)了一種硬件電路，利用鈦鉑金電極板，通過(guò)模糊PID控制，實(shí)現(xiàn)一種恒流、變壓和極性自動(dòng)反轉(zhuǎn)電源控制，可防止電極板結(jié)垢而影響電解還原水品質(zhì)，同時(shí)延長(zhǎng)鈦鉑金電極板的使用壽命，產(chǎn)生穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的電解還原水.

觸摸按鍵；恒流；變壓；電壓正負(fù)極性自動(dòng)反轉(zhuǎn)；模糊PID控制

電解還原水機(jī)的工作原理都是將交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷?，加電在鈦鉑金電解極板上，通過(guò)電解水，在陰極產(chǎn)生了大量的氫氧根離子，這就是還原水.還原水容易清除體內(nèi)的自由基，有效預(yù)防衰老和疾?。?-2］.飲用電解水機(jī)還原水能使人健康長(zhǎng)壽，已成為日本、歐美等家庭“水裝修”的普及產(chǎn)品，開(kāi)始成為我國(guó)高端家電的一種新時(shí)尚.

國(guó)內(nèi)電解還原水機(jī)市場(chǎng)上存在的問(wèn)題有：控制電路簡(jiǎn)單，沒(méi)有或較少有保護(hù)和檢測(cè)電路，電解功率低（一般不超過(guò)150 W），輸出電流不穩(wěn)定等［3］.也沒(méi)有考慮到全國(guó)各地水質(zhì)的差異，溶解性固體總量TDS（Total dissolved solids）不同，水的電導(dǎo)率不一致；水壓的不穩(wěn)定，在電解時(shí)引起流量變化，這都容易引起過(guò)度電解和電解不充分，鈦鉑金電解極板迅速老化，鉑金屬涂層脫落.造成水機(jī)的使用壽命短；電解效果差，很難得到高品質(zhì)穩(wěn)定的抗氧化電解還原水.

筆者設(shè)計(jì)了一種基于MC96F6432芯片的模糊PID控制電源，電源輸出功率大（400 W），實(shí)現(xiàn)輸出恒流、電壓可調(diào)，電解極板電壓極性自動(dòng)反轉(zhuǎn)和水路自動(dòng)反轉(zhuǎn)的硬件控制電路，能有效解決以上問(wèn)題.同時(shí)采用鈦鉑金電極板，實(shí)現(xiàn)了電解還原水機(jī)使用壽命長(zhǎng)，電解效率高，提供濃度穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)電解還原水.

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 總體電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)是以基于MC96F6432單片機(jī)的主控板為核心，總體電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1.市電先經(jīng)過(guò)漏電空氣開(kāi)關(guān)，再供給設(shè)備. 12 V開(kāi)關(guān)電源采用明緯的PS-35-12，給主控板供電；48 V開(kāi)關(guān)電源采用基于M51995AP的開(kāi)關(guān)電源，給電解還原水機(jī)電解供電.濾芯更換提醒用到神林電子的RSIR-2LB流量計(jì)，最大耐壓0.49 MPa，測(cè)試范圍0.3～2 L/min.按鍵顯示面板采用觸摸按鍵.出水電機(jī)采用三協(xié)電機(jī)的步進(jìn)電機(jī).

圖1 總體電路設(shè)計(jì)框圖

電路針對(duì)市場(chǎng)上的電解還原水機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)：增加倒極電路和出水控制電路，防止電極結(jié)垢，提高電解水機(jī)的使用壽命和電解效果；增加恒流檢測(cè)電路，使電解時(shí)，水機(jī)恒流工作，防止鈦鉑金電解極板迅速老化；還設(shè)有多種保護(hù)電路，如過(guò)溫保護(hù)，過(guò)流保護(hù)和過(guò)壓/欠壓保護(hù)，確保水機(jī)安全可靠工作.

1.2 基于MC96F6432單片機(jī)的主控電路

MC96F6432是韓國(guó)ABOV推出具有節(jié)電模式的8位單片機(jī)，可以為許多嵌入式控制應(yīng)用提供高效靈活低成本解決方案.具有32 Kb FLASH、256 Kb IRAM、768 Kb XRAM，實(shí)時(shí)定時(shí)器，8/16-bit定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，12-bit A/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)POR、LVR、LVI等特點(diǎn).

以MC96F6432單片機(jī)為核心的主控制硬件電路見(jiàn)圖2，主要包括：外部時(shí)鐘源模塊、流量檢測(cè)模塊、進(jìn)水電磁閥模塊、出水水路控制模塊、音樂(lè)模塊、記憶模塊和觸摸按鍵模塊.記憶模塊電路主要存儲(chǔ)用戶設(shè)定的參數(shù)，使水機(jī)有記憶功能.流量檢測(cè)模塊則是記錄水機(jī)的使用時(shí)間，提醒用戶更換進(jìn)水過(guò)濾裝置，確保水機(jī)正常使用.

圖2 基于MC96F6432單片機(jī)的主控制硬件電路

通過(guò)按鍵面板啟動(dòng)電解還原水機(jī)時(shí)，進(jìn)水電磁閥打開(kāi)，水進(jìn)入電解槽，單片機(jī)將控制電解開(kāi)關(guān)電源工作，同時(shí)檢測(cè)電解電源的電壓和電流，使電解開(kāi)關(guān)電源恒流輸出；通過(guò)單片機(jī)程序控制，使電壓倒極電路產(chǎn)生作用，每電解3次，單片機(jī)就控制電解電源的輸出電壓正負(fù)極性反轉(zhuǎn)，配合水路的自動(dòng)反轉(zhuǎn)，不僅能有效防止電極板結(jié)垢，提高電解還原水品質(zhì)，又能延長(zhǎng)鈦鉑金極板的使用壽命.當(dāng)水機(jī)工作過(guò)熱時(shí)，將停止工作.當(dāng)電解水達(dá)到設(shè)定值時(shí)，蜂鳴器提供美音音樂(lè)，提醒用戶電解水可以使用了.

圖3是觸摸按鍵電路，觸摸芯片是深圳芯邦推出的專(zhuān)用觸摸芯片CMB7026，通過(guò)I2C與單片機(jī)通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換.此芯片采用的是自電容技術(shù)原理，確保采用基準(zhǔn)信號(hào)的穩(wěn)定和精度，通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)充放電采樣機(jī)制，濾波、統(tǒng)計(jì)有效信號(hào)，高效的數(shù)據(jù)處理算法具備抗高低頻噪音干擾的能力；具有自適應(yīng)跟蹤機(jī)制，當(dāng)有水膜時(shí)可自適應(yīng)調(diào)整按鍵的靈敏度，不會(huì)誤觸發(fā)，不影響正常使用，能夠在2 mm的水膜環(huán)境下正常工作；采用對(duì)sensor寄生電容分辨與補(bǔ)償機(jī)制，確保不同線長(zhǎng)的按鍵靈敏度一致，芯片中內(nèi)置自適應(yīng)校準(zhǔn)機(jī)制，確保在不同溫度、濕度等環(huán)境下，上電參數(shù)自校準(zhǔn)匹配.

觸摸按鍵電路具有靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，防塵防水，高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，能適應(yīng)各種復(fù)雜的電磁環(huán)境，工作性能穩(wěn)定使用便捷.

1.348 V電源模塊

圖3 觸摸按鍵電路

48 V電源模塊是采用MISUBISHI公司推出的專(zhuān)門(mén)為AC/DC變換而設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源控制芯片M51995AP，該芯片內(nèi)置大容量半橋電路，可以直接驅(qū)動(dòng)MOSFET.它不僅具有快速輸出能力，而且具有快速響應(yīng)的電流限制功能，具備過(guò)流及短路保護(hù)功能；本電路由市電供電，經(jīng)整流橋整流和電容濾波后，變成直流電壓，再由M51995AP芯片控制場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)作用，經(jīng)變壓器后，轉(zhuǎn)換方波，再經(jīng)整流濾波輸出約為48 V直流電壓.電壓電流反饋是確保輸出所需的電解電壓.電路設(shè)計(jì)時(shí)還增加了過(guò)流保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)電路，提供安全性能.

本開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)最大的優(yōu)勢(shì)之一就是具有正負(fù)極性自動(dòng)反轉(zhuǎn)的特性.電解水機(jī)在電解過(guò)程中，電解槽內(nèi)的電極板會(huì)出現(xiàn)電鍍效應(yīng)，水中的礦物質(zhì)會(huì)吸附到電解板上形成一層水垢，導(dǎo)致電阻增大，電解能力下降，降低電解效率，甚至使電解失效，水機(jī)無(wú)法正常工作.目前很多電解水機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)法解決這一問(wèn)題，使電解水機(jī)的使用壽命短，電解效果不理想［4］.本電路在設(shè)計(jì)時(shí)增加電極正負(fù)極性自動(dòng)反轉(zhuǎn)電路，剛好能解決這一問(wèn)題.將電解電極板的電壓極性設(shè)計(jì)成可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換，配合出水水路的轉(zhuǎn)換，使電極板處無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間聚集水中的礦物質(zhì)，避免電極板結(jié)垢，提高電解水機(jī)的使用壽命和電解效果［5-6］.

圖448 V電源模塊

本開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓使其恒流工作.電解水機(jī)要產(chǎn)生濃度穩(wěn)定的電解水，這就要求水機(jī)工作時(shí)能夠恒流輸出電壓.因全國(guó)各地水質(zhì)的差異，TDS不同，水的電導(dǎo)率不一致；水壓的不穩(wěn)定，會(huì)在電解時(shí)引起流量變化.如果不能使電解輸出電壓恒流輸出，容易引起過(guò)度電解和電解不充分，鈦鉑金電解極板迅速老化，鉑金屬涂層脫落.造成水機(jī)的使用壽命短；電解效果差，很難得到高品質(zhì)穩(wěn)定的抗氧化電解還原水.在設(shè)計(jì)中，將采用模糊PID控制開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓，根據(jù)流量和水質(zhì)的不同，調(diào)節(jié)輸出電壓，使其恒流輸出，保證電解水的濃度穩(wěn)定.

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的編譯器是KEIL UVISION4.程序流程圖見(jiàn)圖5，包括：參數(shù)初始化，即硬件初始化（端口、中斷和時(shí)鐘初始化和看門(mén)狗初始化等）、I2C通訊初始化等；故障自檢，由進(jìn)出水自檢、流量電路自檢、過(guò)溫電路自檢等組成；讀取EEPROM數(shù)據(jù)，提取用戶的參數(shù)設(shè)置.讀取流量總值，提醒更換濾芯；讀寫(xiě)觸摸按鍵模塊，通過(guò)深圳芯邦芯片的I2C通訊實(shí)現(xiàn)；模糊PID電解模塊、倒極模塊和水路自動(dòng)反轉(zhuǎn)模塊，通過(guò)電流的監(jiān)測(cè)來(lái)調(diào)節(jié)電解電壓，實(shí)現(xiàn)恒流控制，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)每電解3次，電解槽內(nèi)的電極板正負(fù)極就會(huì)自動(dòng)反轉(zhuǎn)，同時(shí)出水水路控制電路也控制水路同時(shí)轉(zhuǎn)換；音樂(lè)模塊通過(guò)植入固定音樂(lè)程序?qū)崿F(xiàn)，如果有故障馬上停止電解.

模糊PID電解控制的原理是：通過(guò)讀取取樣電阻當(dāng)前電壓值，可求出差值k0.再根據(jù)k0、當(dāng)前電壓值和當(dāng)前流量計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)恼`差值e和誤差變化率ec，通過(guò)查表得到Kp、Ki和Kd.運(yùn)行PID運(yùn)算，計(jì)算出輸出量.在電解過(guò)程中，不斷檢測(cè)e和ec的值，確定Kp、Ki和Kd這3個(gè)參數(shù)，來(lái)控制電解電源的電壓輸出，實(shí)現(xiàn)恒流控制.程序的采樣時(shí)間設(shè)置為100 ms，能滿足控制精度要求.

3 結(jié)語(yǔ)

筆者采用了韓國(guó)現(xiàn)代單片機(jī)公司推出的MC96F6432芯片設(shè)計(jì)一種硬件電路，實(shí)現(xiàn)一種恒流、變壓、電壓極性和水路自動(dòng)反轉(zhuǎn)電源控制電路在電解還原水機(jī)的應(yīng)用，滿足了電解還原水機(jī)的鈦鉑金電極板的使用壽命，確保產(chǎn)生穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的電解還原水，同時(shí)采用多層槽的鈦鉑金電解板電解槽，增加水與電解鈦鉑金板的接觸面積，提高電解的效率.

圖5 控制系統(tǒng)程序流程圖

［1］李小堅(jiān).電解水機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].冶金自動(dòng)化，2013（S2）：403-405.

［2］羅小軍.鈦涂鉑電極在電解功能水機(jī)中的應(yīng)用研究[J].電鍍與涂飾，2009，28（10）：72-74.

［3］胡軍霞，海春旭.電解還原水的研究進(jìn)展[J].國(guó)外醫(yī)藥抗生素分冊(cè)，2012，33（5）：204-206.

［4］王豫廉.電解水：生命的活水[M].上海：第二軍醫(yī)大學(xué)出版社，2008：197.

［5］許淑新.電解氧化水智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2013.

［6］吳一非.家用電解水機(jī)設(shè)計(jì)[D].江西：南昌大學(xué)，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

（責(zé)任編輯：歐愷）

2017-03-12

鐘建偉（1985-），廣東韶關(guān)人，韶關(guān)乳源東陽(yáng)光機(jī)械有限公司電氣工程師；研究方向：電氣電子電路設(shè)計(jì)及其應(yīng)用.*通訊作者.