一種果蔬清潔自動化設備的設計

陶義成 ，吳 薇

（黑龍江工商學院，黑龍江 哈爾濱 150016）

果蔬清潔人工方式效率低下，不能滿足工業化和集約化生產的要求[1]。目前，關于果蔬清潔自動化設備的設計鮮有研究，大多數研究方向集中于果蔬的自動化采摘、包裝、裝卸等方面，而果蔬清潔作為果蔬產品生產的重要環節之一，也需要實現自動化，從而使該環節與自動化采摘、包裝等環節有機銜接，實現果蔬全過程的自動化生產。將自動化技術集成應用于果蔬清潔設備設計中，可以實現設備自動化，進而使果蔬清潔工作得以高效開展，并為食品安全提供保障。

1 總體設計

果蔬清潔自動化設備包含了傳感器電路、防干擾電路、超聲波臭氧發生電路以及輸入輸出電路，該設備運用了臭氧滅菌技術以及超聲波清潔技術，采用了自動控制系統對該設備的各項操作進行控制，利用超聲波發生裝置形成超聲波，通過超聲波使臭氧加速與清潔液融合，從而以最短的時間完成滅菌和農藥降解。因此，該設備的核心技術便是臭氧滅菌技術、超聲波清潔技術以及自動化控制技術。果蔬清潔自動化設備的總體設計框架見圖1。

圖1 果蔬清潔自動化設備的總體設計框架

1.1 臭氧滅菌技術原理

在常溫環境下，臭氧是一種淡藍色氣體，具有刺激性氣味，其氧化作用較強，是當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，臭氧滅菌技術原理便是臭氧通過與水接觸后，發生氧化還原反應，從而達到消毒滅菌的作用。

1.2 超聲波清潔技術原理

超聲波屬于高頻振動機械波，其頻率超出了人耳獲取的聲波范圍，并且超聲波在傳播時需要一定的彈性介質，該介質可以實現折射、反射以及聚焦。借助超聲波產生的空化效應可以實現果蔬清潔，使果蔬表面附著的污塵泥沙得以脫落[3]。因此，利用超聲波對果蔬進行清潔時，只要發生空化反應，則被該反應波及的果蔬均能夠通過清潔液實現高效清潔，并且不被果蔬凹凸不平的表面所限制。

1.3 自動化控制技術原理

自動化控制技術的核心為自動控制系統，其核心部件為單片機，能夠對果蔬清洗操作進行自動控制，同時與濁度傳感器之間聯通，當果蔬清潔時所產生的污水渾濁度達到一定數值時，濁度傳感器會將信號傳遞至控制系統處，由控制系統對超聲波發生裝置進行控制，使超聲波發生裝置停止工作，并將污水排出；當清水再次注入后，濁度傳感器會再次形成信號，傳遞至控制系統處，由控制系統啟動超聲波發生裝置，形成超聲波并與臭氧水結合對果蔬進行清潔；當渾濁度再次達到預定數值時，便會重復上述操作，以此循環直至果蔬清潔程度達到相應要求為止，從而實現對果蔬清潔的自動化控制[4]。

1.4 技術集成下果蔬清潔效果的實現

果蔬清潔自動化設備處于工作狀態下，超聲波發生裝置在自動控制系統的啟動下會與臭氧一起啟動，超聲波在空化反應后形成的空化泡出現碎裂之后，便會形成微射流以及沖擊波，其能夠在果蔬表面起到沖擊作用，使果蔬表面的污泥、農藥殘留物脫落。超聲波能夠促使臭氧成功地進入到果蔬細胞膜之中，使細胞出現氧化，實現微生物快速滅活[5]。超聲波通過高頻振動可以促使介質加速度增加，使介質分子之間形成劇烈的碰撞，從而導致分子鍵發生斷裂，加速臭氧對有機物分解，并且高頻振動還能夠使臭氧與清潔液加速溶解，從而提升臭氧降解農藥和滅菌的能力，達到果蔬清潔預期效果。

2 硬件設計

果蔬清潔自動化設備使用的自動控制系統為主從單片機，其能夠與傳感器之間聯合對清潔液的水位、渾濁度等多項參數展開實時監測，并與預設參數對比，自動處理相關數據，從而形成輸出結果。該設備主要采用的硬件包括控制系統、超聲波發生裝置以及傳感器。

2.1 控制系統

因該設備的輸出輸入量比較多，并且輸入量中既包含開關量，又包含模擬量，所以該控制系統主機選用了AT89S51 單片機。AT89S51 單片機能夠對輸入輸出以及報警提示等電路進行控制，系統主機AT89C51 則是對渾濁度傳感器、水位傳感器、超聲波發生裝置所產生的數據進行采集，在果蔬清潔時還需要負責實現傳感器與主機之間的聯絡工作。由于該設備的控制操作并不過于復雜化，所以AT89S51 單片機即為該控制系統的核心部件，該單片機具有非易失性、高密度性等特點，其引腳共有40 個，內含4 k字節存儲裝置。

2.2 超聲波發生裝置

該裝置是將220 V 市電或380 V 市電向交流電信號轉換，形成的交流電信號可向超聲波換能裝置傳輸，然后由該裝置將電能進行轉化，使之形成機械能，機械能形成的機械振動同電信號頻率之間的幅度一致。超聲波發生裝置開啟時，所形成的超聲波頻率信號會與傳感器之間相互對應。超聲波發生裝置會與臭氧發生裝置、單片機之間利用繼電器進行連接。繼電器觸點閉合狀態能夠決定超聲波發生裝置的啟閉。若單片機主機出現輸出低電平的情況，繼電器會立即處于工作狀態，并且其線圈會出現電流，動段觸電處于閉合狀態，超聲波形成之后，電路開始通電并進入工作狀態，如果觸點未閉合，則電路不會運作。同時，為了提升果蔬清潔效果，該發生裝置可提供以下兩種反饋信號。

1）接入可對輸出頻率信號進行反饋的裝置。當發生裝置的電源出現變化時，輸出功率隨之變化，如果電源發生變化，則機械振動便會存在上下波動，導致清洗效果受到影響。因此，需要根據實時反饋信號對功率放大裝置進行及時調節，確保輸出功率能夠達到穩定的狀態[6]。

2）接入可對頻率信號進行跟蹤的裝置。隨著果蔬清潔自動化設備的使用時間不斷增長，系統器件老化問題會顯現，并且受外界因素影響，換能裝置所產生的諧振頻率將會出現變化。只有在諧振頻率穩定的情況下，設備系統工作效率才會達到最佳狀態，從而產生良好的清潔效果[7]。如果頻率出現變動，則清潔效果會被影響。需要接入信號跟蹤裝置對寫真數據進行實時跟蹤，從而確保超聲波發生裝置和整個設備在實際運行時處于最佳狀態。

2.3 傳感器設備

果蔬清潔自動化設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該設備的清洗槽水位進行監測，當清洗槽水位達到預設水位時，該傳感器會將信號傳遞至控制系統，由控制系統自動控制排水閥門，并將污水排出[8]；而渾濁度傳感器則是對清洗槽中清洗液的渾濁程度進行監測，當果蔬清潔自動化設備對果蔬進行清潔時，果蔬上的污泥會與清洗液混合，從而使清洗液變得更加渾濁；當清洗液的渾濁度達到預設標準后，渾濁度傳感器便會檢測到渾濁度數值，并將信號傳遞至控制系統，由控制系統將超聲波發生裝置停止，水位傳感器監測水位達到預定值后，便會將渾濁度達到預設標準的污水排出；當新的清洗液放入清洗槽后，進入下一監測周期[9]。

3 軟件設計

針對果蔬清潔自動化設備的軟件進行設計時，采用Keil μVision4 開展軟件仿真。整個果蔬清潔的流程為：首先在清洗槽中放入預洗果蔬，然后按下啟動按鍵使程序開始運行[10]。按照之前設置的水位進行注水，達到設定水位之后，超聲波發生裝置和臭氧發生裝置便會同時運作，果蔬開始清潔，利用傳感器裝置可以對污水渾濁度數值進行采集，了解渾濁度是否達到預設，如果沒有達到預設，則設備會一直持續清洗；若達到預設，則超聲波發生裝置以及臭氧發生裝置會同時停止運行，并且水位會在持續增加的情況下觸動水位傳感器，從而通過傳遞水位信號，由控制系統打開排污水口，將清洗槽內部的污水全部排出，然后將清水注入后開展二次清洗，直至渾濁度達到設定值范圍；當渾濁度達到設定值范圍，發起警報，提醒操作人員將清洗好的果蔬處理，從而完成整個果蔬清潔過程。

果蔬清潔自動化設備控制系統能夠對果蔬清潔過程進行實時監測，該系統在按下啟動鍵后便已經開始運作，果蔬清潔自動化設備的顯示屏幕會提示果蔬清潔類型的選擇。例如，清潔的果蔬是葉狀的還是塊狀的，均可進行選擇，根據不同形狀的果蔬自動調整清潔的力度，避免果蔬清潔時受損。

4 果蔬清潔自動化設備的實驗應用

為了進一步確認該設備的實際應用效果，對果蔬清潔自動化設備進行了實驗應用。果蔬清潔實驗選擇了兩種果蔬，分別為蘋果和大頭油菜，數量分別為20 kg 和10 kg，兩種果蔬都分為兩個批次完成清潔。將蘋果清潔的兩個批次設置為批次A 和批次B，每個批次清洗10 kg，并記錄相關數據，經人工分揀，批次A 的蘋果表層污染物比較多；大頭油菜也是分為兩個批次清洗，分別設置為批次1 和批次2，每個批次清洗5 kg，并記錄相關數據，經人工分揀，批次1 大頭油菜表層附著的污染物比較多。實驗使用的果蔬清潔自動化設備均為同一臺設備，通過對數據進行記錄得出實驗數據匯總，見表1。

表1 兩種果蔬清洗試驗數據匯總

從表1 中可以看出，該設備運行3 min～4 min 基本能夠將果蔬表面的污染物質清潔干凈，數據顯示，渾濁度會隨著清洗時間的推移而逐漸降低，渾濁度最終均能夠達到2 NTU 之內，洗凈率均能夠達到88%以上，說明該設備的清洗效果比較好，同時，該設備在清洗時對果蔬造成的損傷比較少。因此，該設備適合應用于果蔬清潔環節。

5 結語

綜合上述，果蔬清潔自動化設備是當前果蔬生產環節中不可缺少的設備之一，對于提升果蔬的品質至關重要，在該設計之中，采用了臭氧滅菌技術和超聲波清潔技術實現果蔬清潔，同時利用自動控制系統實現了設備的自動化控制和運行，解放了人力資源，并且通過實驗得知該設備對果蔬的清潔效果也較為良好，可以在實際生產中投入規?；瘧?。