超声果蔬清洗机实际效果检测与控制电路的优化设计
摘 要自上世纪五十年代化学农药普遍使用开始，果蔬农残问题已经越来越严重地影响到人们的生活水平及质量。利用超声方案对果蔬进行清洗与农残降解，作为一种极具潜力的且无二次污染的新型技术正越来越多地受到人们的关注。本课题围绕国家自然科学基金(批准编号为11274092)中对果蔬农残的降解展开进一步的实际效果检测以及控制电路的优化。为达到较好的清洗效果，本文对超声果蔬清洗的实验平台进行了深入的优化。电路结构优化为超声模块与控制模块，其中超声模块包括可以提供不同频率信号的超声源，功率放大电路，匹配网络，超声换能器以及去干扰的光耦隔离电路；控制模块主要包括低功耗的MSP430系列的F149单片机，1602液晶显示模块，电容式触摸按键以及智能的水位检测电路和智能化的语音播报模块。实验平台采用超声协同臭氧方法对果蔬表面农残进行降解实验，采用不同频率的超声波进行处理，探究了不同频率的超声与降解率之间的关系，提高清洗效果。
目录
摘 要 I
Abstract II
目录 III
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景与现状 1
1.1.1 超声果蔬清洗研究背景 1
1.1.2超声清洗与降解研究现状 2
1.2 课题研究意义 3
1.3 本章小结 4
第2章 超声协同臭氧降解果蔬农残机理及应用研究 5
2.1 超声协同臭氧降解果蔬农残机理 5
2.2声化学降解的频率效应分析 6
2.2.1 超声波的频率效应 6
2.2.2 降解最佳的频率计算 6
2.3 本章小结 9
第三章 超声果蔬清洗机降解实际效果检测 10
3.1 清洗效果检测实验 10
3.1.1 实验试剂与仪器 10
3.1.2 降解实验操作步骤 10
3.2 降解率的分析 12
3.3 降解产物的分析 17
3.4 本章小结 18
第四章 超声果蔬清洗机控制电路的优化设计 19
4.1 按键优化设计 19
4.1.1 触摸按键的功能 19
4.1.
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2 触摸按键的原理 19
4.2 硬件开发环境的优化设计 20
4.3 软件开发环境的优化设计 22
4.4 本章小结 22
第5章 总结与展望 24
5.1 总结 24
5.2 展望 24
参考文献 26
致谢 30
附录 31
第一章 绪论
1.1 课题研究背景与现状
1.1.1 超声果蔬清洗研究背景
在现实生活中，主要的危害之一就是水果、蔬菜表面的农药残留，我们日常所喝的，吃的大部分都是在幼苗期被喷洒农药的植物，比如蔬菜，水果等等，这些残留农药的果蔬对人体有很大的危害，稍不注意，就会中毒，人类时时刻刻都处在危险之中，像慢性自杀一样。
目前，随着世界范围内化学合成农药的使用日趋广泛，农药滥用现象也日趋
严重。当消费者食用了含有农药残留较多的食品，严重的会导致急性中毒使人死亡，长期食用农药残留量较高的食品，会导致农药在人体内的蓄积，最终导致慢性中毒使机体生理功能发变化[1]。据有关部门统计，全世界每天都有几千起农药中毒事件发生起。上个世纪八十年代左右，我国每年有几十万人因为农药中毒而死亡。过几年后，虽然农药中毒率降低，但还是有很多人死亡。2013年12月23日至24日中央农村工作会议在北京举行，习近平在会上发表重要讲话，会议重点指出，保证老百姓的食品安全，是我们义不容辞的责任。如今果蔬农残污染越来越严重，保证老百姓的食品安全，成为当今众多科学家和技术工作者工作的重点。
图11蔬菜农残与农药喷洒图
清洗水果和蔬菜的方法有很多，家庭清洗主要以手搓和水洗，如果怕洗不干净的话在水中加入洗洁剂的话，同样会对身体产生危害。浸洗式、喷淋式、摩擦搅拌式等大规模的果蔬清洗方式通常在大型场合使用，比如：酒店，饭店等。相关学者在这些方面也取得了一系列的成果。乔永钦等设计的QXJ150型薯类清洗机和方迪等设计的滚筒式马铃薯清洗机，均达到了较好的清洗效果[23]。然而，使用上述的大型蔬果清洗机大多数只适用于根茎类蔬菜和质地较硬的水果，而不适用于表皮柔软的叶菜类蔬菜、软质水果等的清洗，且耗水量巨大，不利于家庭中的使用以及普及。
传统的农药降解方法也有很多。物理方法有吸附法、洗涤法和电离辐照法等；化学方法有氧化分解法、光催化法、水解法[45]。对于蔬果表面的农残降解，显然吸附法、洗涤法只能去除表面小部分农药，无法彻底将有毒农药降解成微毒甚至无毒产物排出。化学方法，则会在降解过程中带来其他物质，易产生二次污染。
近年来，随着声化学技术的崛起，功率超声作为一种实现清洗与降解功能的新型技术，已经受到广泛关注。超声不仅对蔬果表皮的清洗效果非常显著，而且超声能有很快的降解有机污染物，并且还可以和其他的降解技术共同使用，尤其是超声对有机磷农药的降解效果非常显著。与传统水处理技术中的化学法、生物法、生物化学法、活性炭吸附法等不同，超声降解技术是一项集高级氧化、热解、超临界氧化为一体的，以物理处理为主的新型水处理技术。它最大的优点是在降解农残过程中操作简单、降解速度快、不产生二次污染，对水体中的其他生物影响比较小[610]。
1.1.2超声清洗与降解研究现状
在超声清洗方面，王海鸥等设计了一款超声臭氧组合果蔬清洗机，具有自动清洗功能，设有超声臭氧清洗和二次喷淋过程，对草莓清洗试验表明，灭菌率超过90%，对敌敌畏、乙酰甲胺磷等农药降解率大85%[6]。但是该清洗机在清洗前后，草莓表皮易损害。因为采用的低频40 kHz的超声，该频率一般用于工业清洗，如汽车零件、仪器仪表、餐具等清洗。低频超声的机械效应强，能量大，会损害甚至刺破柔软蔬果表皮，导致营养流失。而且该清洗机辅以多次漂洗与喷淋，耗水量大，没有显示出超声清洗的优点。
在超声降解方面，张媛媛[7]等研究了超声波处理对苹果汁中甲胺磷的降解效果，结果表明：当超声功率为500W，处理时间为120min时，甲胺磷的降解率最大，达到57.2%；一级动力学模型能很好拟合超声波作用下的甲胺磷降解。Juanjuan Yao[22]等研究了水中离子对超声降解乐果的影响，试验结果表明，随着离子强度的增大，乐果的降解速率先增大后减小。王宏青等[8]研究了有机磷农药模拟废水在超声诱导作用下的降解，结果表明，溶液温度控制在20～40℃较好，浓度在(1.0~10)×104mol/L范围内都能降解。Kotronarou等[24]报道了超声降解有机磷农药对硫磷溶液的试验，在对硫磷的浓度为82μmol/L、pH为6、温度为30℃的条件下，用频率20kHz、声强75W/cm2的超声波辐照120min，对硫磷可以被完全降解。
以上这些超声降解农药的实验研究，都是在声化学反应器中倾入农药溶液，然后单独超声直接辐照降解，而没有联合其他技术开展实际的蔬果农残降解实验，效率低；其次，上述实验使用的频率都为低频段(20~40 kHz)，不利于蔬果农残降解。
超声清洗可以很大程度上提高清洗无机物表面的洁净度。据有关资料统计，以超声清洗作为参考，刷洗的清洗效果为超声清洗效果的90%，而化学溶剂清洗只为超声清洗效果的35%。
超声清洗效率高，在一定程度上减少了劳动力的使用，特别是很多的小物品，尤其适用于超声波清洗，超声波清洗机应用起来比较方面且整个过程比较连续。
1.2 课题研究意义
目录
摘 要 I
Abstract II
目录 III
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景与现状 1
1.1.1 超声果蔬清洗研究背景 1
1.1.2超声清洗与降解研究现状 2
1.2 课题研究意义 3
1.3 本章小结 4
第2章 超声协同臭氧降解果蔬农残机理及应用研究 5
2.1 超声协同臭氧降解果蔬农残机理 5
2.2声化学降解的频率效应分析 6
2.2.1 超声波的频率效应 6
2.2.2 降解最佳的频率计算 6
2.3 本章小结 9
第三章 超声果蔬清洗机降解实际效果检测 10
3.1 清洗效果检测实验 10
3.1.1 实验试剂与仪器 10
3.1.2 降解实验操作步骤 10
3.2 降解率的分析 12
3.3 降解产物的分析 17
3.4 本章小结 18
第四章 超声果蔬清洗机控制电路的优化设计 19
4.1 按键优化设计 19
4.1.1 触摸按键的功能 19
4.1.
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2 触摸按键的原理 19
4.2 硬件开发环境的优化设计 20
4.3 软件开发环境的优化设计 22
4.4 本章小结 22
第5章 总结与展望 24
5.1 总结 24
5.2 展望 24
参考文献 26
致谢 30
附录 31
第一章 绪论
1.1 课题研究背景与现状
1.1.1 超声果蔬清洗研究背景
在现实生活中，主要的危害之一就是水果、蔬菜表面的农药残留，我们日常所喝的，吃的大部分都是在幼苗期被喷洒农药的植物，比如蔬菜，水果等等，这些残留农药的果蔬对人体有很大的危害，稍不注意，就会中毒，人类时时刻刻都处在危险之中，像慢性自杀一样。
目前，随着世界范围内化学合成农药的使用日趋广泛，农药滥用现象也日趋
严重。当消费者食用了含有农药残留较多的食品，严重的会导致急性中毒使人死亡，长期食用农药残留量较高的食品，会导致农药在人体内的蓄积，最终导致慢性中毒使机体生理功能发变化[1]。据有关部门统计，全世界每天都有几千起农药中毒事件发生起。上个世纪八十年代左右，我国每年有几十万人因为农药中毒而死亡。过几年后，虽然农药中毒率降低，但还是有很多人死亡。2013年12月23日至24日中央农村工作会议在北京举行，习近平在会上发表重要讲话，会议重点指出，保证老百姓的食品安全，是我们义不容辞的责任。如今果蔬农残污染越来越严重，保证老百姓的食品安全，成为当今众多科学家和技术工作者工作的重点。
图11蔬菜农残与农药喷洒图
清洗水果和蔬菜的方法有很多，家庭清洗主要以手搓和水洗，如果怕洗不干净的话在水中加入洗洁剂的话，同样会对身体产生危害。浸洗式、喷淋式、摩擦搅拌式等大规模的果蔬清洗方式通常在大型场合使用，比如：酒店，饭店等。相关学者在这些方面也取得了一系列的成果。乔永钦等设计的QXJ150型薯类清洗机和方迪等设计的滚筒式马铃薯清洗机，均达到了较好的清洗效果[23]。然而，使用上述的大型蔬果清洗机大多数只适用于根茎类蔬菜和质地较硬的水果，而不适用于表皮柔软的叶菜类蔬菜、软质水果等的清洗，且耗水量巨大，不利于家庭中的使用以及普及。
传统的农药降解方法也有很多。物理方法有吸附法、洗涤法和电离辐照法等；化学方法有氧化分解法、光催化法、水解法[45]。对于蔬果表面的农残降解，显然吸附法、洗涤法只能去除表面小部分农药，无法彻底将有毒农药降解成微毒甚至无毒产物排出。化学方法，则会在降解过程中带来其他物质，易产生二次污染。
近年来，随着声化学技术的崛起，功率超声作为一种实现清洗与降解功能的新型技术，已经受到广泛关注。超声不仅对蔬果表皮的清洗效果非常显著，而且超声能有很快的降解有机污染物，并且还可以和其他的降解技术共同使用，尤其是超声对有机磷农药的降解效果非常显著。与传统水处理技术中的化学法、生物法、生物化学法、活性炭吸附法等不同，超声降解技术是一项集高级氧化、热解、超临界氧化为一体的，以物理处理为主的新型水处理技术。它最大的优点是在降解农残过程中操作简单、降解速度快、不产生二次污染，对水体中的其他生物影响比较小[610]。
1.1.2超声清洗与降解研究现状
在超声清洗方面，王海鸥等设计了一款超声臭氧组合果蔬清洗机，具有自动清洗功能，设有超声臭氧清洗和二次喷淋过程，对草莓清洗试验表明，灭菌率超过90%，对敌敌畏、乙酰甲胺磷等农药降解率大85%[6]。但是该清洗机在清洗前后，草莓表皮易损害。因为采用的低频40 kHz的超声，该频率一般用于工业清洗，如汽车零件、仪器仪表、餐具等清洗。低频超声的机械效应强，能量大，会损害甚至刺破柔软蔬果表皮，导致营养流失。而且该清洗机辅以多次漂洗与喷淋，耗水量大，没有显示出超声清洗的优点。
在超声降解方面，张媛媛[7]等研究了超声波处理对苹果汁中甲胺磷的降解效果，结果表明：当超声功率为500W，处理时间为120min时，甲胺磷的降解率最大，达到57.2%；一级动力学模型能很好拟合超声波作用下的甲胺磷降解。Juanjuan Yao[22]等研究了水中离子对超声降解乐果的影响，试验结果表明，随着离子强度的增大，乐果的降解速率先增大后减小。王宏青等[8]研究了有机磷农药模拟废水在超声诱导作用下的降解，结果表明，溶液温度控制在20～40℃较好，浓度在(1.0~10)×104mol/L范围内都能降解。Kotronarou等[24]报道了超声降解有机磷农药对硫磷溶液的试验，在对硫磷的浓度为82μmol/L、pH为6、温度为30℃的条件下，用频率20kHz、声强75W/cm2的超声波辐照120min，对硫磷可以被完全降解。
以上这些超声降解农药的实验研究，都是在声化学反应器中倾入农药溶液，然后单独超声直接辐照降解，而没有联合其他技术开展实际的蔬果农残降解实验，效率低；其次，上述实验使用的频率都为低频段(20~40 kHz)，不利于蔬果农残降解。
超声清洗可以很大程度上提高清洗无机物表面的洁净度。据有关资料统计，以超声清洗作为参考，刷洗的清洗效果为超声清洗效果的90%，而化学溶剂清洗只为超声清洗效果的35%。
超声清洗效率高，在一定程度上减少了劳动力的使用，特别是很多的小物品，尤其适用于超声波清洗，超声波清洗机应用起来比较方面且整个过程比较连续。
1.2 课题研究意义
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