丁奉龍 周海燕

摘 要：電解水技術(shù)制氫產(chǎn)生氫自由基在去除污漬和殺菌方面有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。本文設(shè)計(jì)一款手持式噴霧水電解機(jī)控制裝置。該控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，控制系統(tǒng)體積小，集成度高，低功耗，高可靠性，安全可靠，操作簡單，使用的原材料易獲得，成本較低。

關(guān)鍵詞：電解水;控制系統(tǒng);模塊

在科技快速發(fā)展的今天，環(huán)境的破壞日益嚴(yán)重，人們逐漸意識到保護(hù)環(huán)境的重要性。[1，2，3]使用化學(xué)清潔消毒劑已成為當(dāng)今社會人們離不開的生活必需品，化學(xué)清潔消毒劑的大量使用會導(dǎo)致環(huán)境污染。[4，5]不管是在公共場所、豪華飯店，還是在每個家庭、大眾小吃攤，我們都可以看到使用化學(xué)清潔消毒劑的蹤跡。在這些被包裝得多彩多姿的化學(xué)清潔消毒劑的使用過程中，化學(xué)污染便不知不覺地通過各種渠道危害人類的健康和污染環(huán)境。[6]因而，能否找一種殺菌譜廣、作用快速、性能穩(wěn)定、對環(huán)境無污染及對人體無危害的方法來達(dá)到消毒清潔效果已成為人們研究的主要方向。

本課題意在開發(fā)一種基于單片機(jī)控制的電解水去污消毒裝置，用它來替代日常生活中各式各樣的化學(xué)去污消毒產(chǎn)品，減少人們對化學(xué)去污消毒產(chǎn)品的依賴，在達(dá)到有效去污消毒效果的同時，保護(hù)環(huán)境和人們的健康，提高人們的生活品質(zhì)。

1 電解消毒水制備的相關(guān)原理

電解水是功能水的一種，是堿性電解水和酸性電解水的統(tǒng)稱。[7]將日常使用的自來水（內(nèi)含少量NaCl）裝到隔膜電解槽中，通過電解槽中的正、負(fù)電極，在直流電場的作用下將水分子打散、變小、重新排列，使得其中一部分水的氧化還原電位（ORP）呈正值，另一部分水的氧化還原電位（ORP）呈負(fù)值，最后通過膜分離技術(shù)得到了酸性電解水和堿性電解水。酸性電解水，其氧化還原電位超過1000mV，具有較強(qiáng)的氧化性;同時，電解時生成了C12，進(jìn)一步增強(qiáng)了酸性電解水的氧化性。大部分微生物生存的氧化還原電位處于400～900mV，因此，酸性電解水可有效除去各類細(xì)菌、病毒，如葡萄球菌209P、UTC73、大腸桿菌W3110等，在醫(yī)院或家庭中可用作為殺菌消毒劑。

2 噴霧水電解機(jī)的控制裝置設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

自來水從注水口進(jìn)入儲水容器，注滿后可將注水口蓋蓋好。按下把手上的啟動按鈕后，水溶液在電機(jī)及泵的驅(qū)動下通過水管進(jìn)入電解池中進(jìn)行電解，然后通過電機(jī)及電泵驅(qū)動水溶液經(jīng)過高壓電離池電離后，通過噴頭以霧狀噴出。當(dāng)警示燈為紅色時，則提醒用戶充電，保證機(jī)器的有效運(yùn)行。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件電路的設(shè)計(jì)原則，主要包括EM78P372K主芯片模塊、電源控制模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、電解模塊和電離模塊。在對硬件模塊中元器件進(jìn)行選型時，根據(jù)CPU的選型標(biāo)準(zhǔn)，選擇臺灣義隆電子股份有限公司EM78P372K型號的8位單片機(jī)作為主控芯片;根據(jù)主控芯片的工作電壓范圍和提供的外部電源，選擇具備過熱保護(hù)、工作性能可靠的LM1117-5正向低壓降穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)24V轉(zhuǎn)5V的要求;根據(jù)電解、電離模塊需要正反導(dǎo)通的要求，選擇具有過載保護(hù)、低功耗待機(jī)的A4950全橋式DMOS電動機(jī)驅(qū)動器。

EM78P372K是采用低功耗高速CMOS工藝設(shè)計(jì)開發(fā)的8位微控制器。EM78P372K在本程序作為控制芯片，控制泵和電機(jī)的啟停，控制電池的低電壓提醒，控制電解池和電離池的工作，并且采用控制芯片的低功耗功能，保證在長時間無人操作的情況下可以實(shí)現(xiàn)所用工作的自動休眠。

LM1117-5是正向低壓降穩(wěn)壓器，提供3.5 A電流輸出，采用外部應(yīng)用PWM控制信號，具備過熱、過流保護(hù)，工作性能可靠，能夠?yàn)橹骺匦酒珽M78P372K提供穩(wěn)定的5V電壓，為主芯片的持續(xù)工作提供有力的保證。

L9110是為控制和驅(qū)動電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片IC之中，使外圍器件成本降低，整機(jī)可靠性提高。內(nèi)置的鉗位二極管能釋放感性負(fù)載的反向沖擊電流，使它在驅(qū)動繼電器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或開關(guān)功率管的使用上安全可靠。由主控制芯片控制，用于驅(qū)動電解池對自來水的正反向電解。

芯片DRV8800同L9110功能類似，可以輸出較為準(zhǔn)確的PWM波形，并在32KHZ的頻率條件下不會出現(xiàn)波形的失真。并且其本身帶有低功耗功能，可以有效地節(jié)省電路所需能耗，實(shí)現(xiàn)長時間的工作。由主控制芯片控制，用于驅(qū)動電離池對自來水的正反向快速電離。

芯片F(xiàn)A2786將DRV8800轉(zhuǎn)換出來的低電壓高頻率的PWM波信號轉(zhuǎn)換成2000V左右高頻率的PWM波信號，并最終驅(qū)動電離池的正反快速電離。

芯片SI2306用于主控芯片來驅(qū)動直流電機(jī)的啟停。類似一個N溝道MOSFET管和二極管的并聯(lián)，在柵極為正電壓輸入時，MOSFET管導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，而二極管用于電壓的放電，防止MOSFET管被燒壞。

3 控制程序設(shè)計(jì)

本程序采用模塊化的程序設(shè)計(jì)思想，包括主程序模塊、電解池工作模塊、電離池工作模塊、AD信號采集模塊。

總的程序設(shè)計(jì)流程如下：在按鍵被按下的情況下，主芯片輸出頻率為1HZ，占空比為10%PWM波實(shí)現(xiàn)對自來水的電解，同時主芯片輸出頻率為32HZ，占空比為50%PWM波實(shí)現(xiàn)對自來水的電離，并且同時主芯片啟動直流電機(jī)驅(qū)動水泵噴射出水，電池電壓超過10V時信號燈亮起綠燈，電池電壓低于或等于10V時信號燈亮起紅燈。在按鍵彈起時，暫停以上所有工作，并在無按鍵操作的10秒之后進(jìn)入低功耗模式，即主芯片休眠，DRV8800芯片休眠，所有工作完全停止，等待下一次被喚醒。

4 結(jié)語

本文在電解消毒水制備的原理上，設(shè)計(jì)了一款手持噴霧水電解機(jī)的控制裝置，包括主芯片模塊、電源控制模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、電解模塊和電離模塊的設(shè)計(jì)。本課題所研究的電解消毒水控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，控制系統(tǒng)體積小，集成度高，低功耗，高可靠性，安全可靠，操作簡單，使用的原材料易獲得，成本較低。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳玉柱.基于單片機(jī)控制的離子水去污消毒裝置的研究與開發(fā)[D].東華大學(xué)，2013.

[2] 李永玉.離子功能水的研究[D].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2001.

[3] 白峰. PLC在水電解制氫設(shè)備中的應(yīng)用[D].哈爾濱工程大學(xué)，2008.

[4] 范植堅(jiān)，王天誠.電解加工技術(shù)及其研究方法[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.

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

[6] 祁偉，劉克江.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2017.

[7] 莊琳鼓.酸性氧化電位水的產(chǎn)生條件與作用的初步研究[D].同濟(jì)大學(xué)，2007.

作者簡介：丁奉龍（1996—），男，安徽人，本科生，研究方向：機(jī)電一體化。