手持喷雾水电解机的控制装置设计
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摘 要：电解水技术制氢产生氢自由基在去除污渍和杀菌方面有得天独厚的优势。本文设计一款手持式喷雾水电解机控制装置。该控制系统与传统系统相比，控制系统体积小，集成度高，低功耗，高可靠性，安全可靠，操作简单，使用的原材料易获得，成本较低。
关键词：电解水;控制系统;模块
在科技快速发展的今天，环境的破坏日益严重，人们逐渐意识到保护环境的重要性。[1，2，3]使用化学清洁消毒剂已成为当今社会人们离不开的生活必需品，化学清洁消毒剂的大量使用会导致环境污染。[4，5]不管是在公共场所、豪华饭店，还是在每个家庭、大众小吃摊，我们都可以看到使用化学清洁消毒剂的踪迹。在这些被包装得多彩多姿的化学清洁消毒剂的使用过程中，化学污染便不知不觉地通过各种渠道危害人类的健康和污染环境。[6]因而，能否找一种杀菌谱广、作用快速、性能稳定、对环境无污染及对人体无危害的方法来达到消毒清洁效果已成为人们研究的主要方向。
本课题意在开发一种基于单片机控制的电解水去污消毒装置，用它来替代日常生活中各式各样的化学去污消毒产品，减少人们对化学去污消毒产品的依赖，在达到有效去污消毒效果的同时，保护环境和人们的健康，提高人们的生活品质。
1 电解消毒水制备的相关原理
电解水是功能水的一种，是碱性电解水和酸性电解水的统称。[7]将日常使用的自来水（内含少量NaCl）装到隔膜电解槽中，通过电解槽中的正、负电极，在直流电场的作用下将水分子打散、变小、重新排列，使得其中一部分水的氧化还原电位（ORP）呈正值，另一部分水的氧化还原电位（ORP）呈负值，最后通過膜分离技术得到了酸性电解水和碱性电解水。酸性电解水，其氧化还原电位超过1000mV，具有较强的氧化性;同时，电解时生成了C12，进一步增强了酸性电解水的氧化性。大部分微生物生存的氧化还原电位处于400～900mV，因此，酸性电解水可有效除去各类细菌、病毒，如葡萄球菌209P、UTC73、大肠杆菌W3110等，在医院或家庭中可用作为杀菌消毒剂。
2 喷雾水电解机的控制装置设计
2.1 总体设计方案
自来水从注水口进入储水容器，注满后可将注水口盖盖好。按下把手上的启动按钮后，水溶液在电机及泵的驱动下通过水管进入电解池中进行电解，然后通过电机及电泵驱动水溶液经过高压电离池电离后，通过喷头以雾状喷出。当警示灯为红色时，则提醒用户充电，保证机器的有效运行。
2.2 硬件设计
根据硬件电路的设计原则，主要包括EM78P372K主芯片模块、电源控制模块、电机驱动模块、电解模块和电离模块。在对硬件模块中元器件进行选型时，根据CPU的选型标准，选择台湾义隆电子股份有限公司EM78P372K型号的8位单片机作为主控芯片;根据主控芯片的工作电压范围和提供的外部电源，选择具备过热保护、工作性能可靠的LM1117-5正向低压降稳压器实现24V转5V的要求;根据电解、电离模块需要正反导通的要求，选择具有过载保护、低功耗待机的A4950全桥式DMOS电动机驱动器。
EM78P372K是采用低功耗高速CMOS工艺设计开发的8位微控制器。EM78P372K在本程序作为控制芯片，控制泵和电机的启停，控制电池的低电压提醒，控制电解池和电离池的工作，并且采用控制芯片的低功耗功能，保证在长时间无人操作的情况下可以实现所用工作的自动休眠。
LM1117-5是正向低压降稳压器，提供3.5 A电流输出，采用外部应用PWM控制信号，具备过热、过流保护，工作性能可靠，能够为主控芯片EM78P372K提供稳定的5V电压，为主芯片的持续工作提供有力的保证。
L9110是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片IC之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。由主控制芯片控制，用于驱动电解池对自来水的正反向电解。
芯片DRV8800同L9110功能类似，可以输出较为准确的PWM波形，并在32KHZ的频率条件下不会出现波形的失真。并且其本身带有低功耗功能，可以有效地节省电路所需能耗，实现长时间的工作。由主控制芯片控制，用于驱动电离池对自来水的正反向快速电离。
芯片FA2786将DRV8800转换出来的低电压高频率的PWM波信号转换成2000V左右高频率的PWM波信号，并最终驱动电离池的正反快速电离。
芯片SI2306用于主控芯片来驱动直流电机的启停。类似一个N沟道MOSFET管和二极管的并联，在栅极为正电压输入时，MOSFET管导通，实现电机的转动，而二极管用于电压的放电，防止MOSFET管被烧坏。
3 控制程序设计
本程序采用模块化的程序设计思想，包括主程序模块、电解池工作模块、电离池工作模块、AD信号采集模块。
总的程序设计流程如下：在按键被按下的情况下，主芯片输出频率为1HZ，占空比为10%PWM波实现对自来水的电解，同时主芯片输出频率为32HZ，占空比为50%PWM波实现对自来水的电离，并且同时主芯片启动直流电机驱动水泵喷射出水，电池电压超过10V时信号灯亮起绿灯，电池电压低于或等于10V时信号灯亮起红灯。在按键弹起时，暂停以上所有工作，并在无按键操作的10秒之后进入低功耗模式，即主芯片休眠，DRV8800芯片休眠，所有工作完全停止，等待下一次被唤醒。
4 结语
本文在电解消毒水制备的原理上，设计了一款手持喷雾水电解机的控制装置，包括主芯片模块、电源控制模块、电机驱动模块、电解模块和电离模块的设计。本课题所研究的电解消毒水控制系统，与传统系统相比，控制系统体积小，集成度高，低功耗，高可靠性，安全可靠，操作简单，使用的原材料易获得，成本较低。
参考文献：
[1] 陈玉柱.基于单片机控制的离子水去污消毒装置的研究与开发[D].东华大学，2013.
[2] 李永玉.离子功能水的研究[D].中国农业大学，2001.
[3] 白峰. PLC在水电解制氢设备中的应用[D].哈尔滨工程大学，2008.
[4] 范植坚，王天诚.电解加工技术及其研究方法[M].北京：国防工业出版社，2004.
[5] 许淑新.电解氧化水智能控制系统设计[D].北方工业大学，2013.
[6] 祁伟，刘克江.单片机原理与接口技术[M].北京航空航天大学出版社，2017.
[7] 庄琳鼓.酸性氧化电位水的产生条件与作用的初步研究[D].同济大学，2007.
作者简介：丁奉龙（1996—），男，安徽人，本科生，研究方向：机电一体化。
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