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毕业设计论文毕业设计论文 课题名称：离子水去污消毒装置的开发 学院：机械工程学院 专业：机械工程及自动化 姓名： 学号： 指导教师： 课题名称：离子水去污消毒装置的开发 学院：机械工程学院 专业：机械工程及自动化 姓名： 学号： 指导教师： 2016 年 5 月 14 日 离子水去污消毒装置的开发 离子水去污消毒装置的开发离子水去污消毒装置的开发 摘要 随着经济和工业快速发展，环境污染问题逐渐引起了人们的重视。离子水作 为一种安全、高效、环保的新型去污消毒剂开始进入到人们的视野。其原料简单 易得、作用迅速高效、无有害物质残留、性能稳定等特点使其开始作为各领域的 绿色环保清洁剂投入研究和生产， 离子水去污消毒方式正在逐渐代替传统的化学 消毒方式。 本文基于电解水技术、电穿孔技术及单片机控制技术等，开发了一种基于 单片机控制的离子水去污消毒装置，可以产生具有去污消毒功能的离子水。其主 要组成部分包括： （1）电解槽部分，满足体积小、效率高的要求，且实现 DC-DC 升压；（2）控制系统部分，产生各模块所需电信号，控制整个装置正常运行。 论文给出系统的总体设计方案、外部装置设计、硬件电路设计以及软件设计的方 法。 经过调试，本文设计的离子水去污消毒装置工作稳定，能够基本实现系统所 需功能。辅以基于电穿孔技术的高压模块，将进一步提高其去污消毒能力。 关键词：离子水，电穿孔，单片机，消毒，去污 离子水去污消毒装置的开发 DEVELOPMENT OF IONIZED WATER CLEANING AND SANITIZING DEVICE ABSTRACT With the rapid development of economy and industry, the problems of environmental pollution have attracted peoples attention gradually.Ionized water as a kind of safe, efficient, environmentally friendly new disinfectant began to enter peoples vision.Because its raw material is easy to get,its role is rapid and efficient, and its stable performance without harmful substances residue and so on,ionized water began as a green environmental cleaning agent being researched and producted in various fields.and ionized water decontamination and disinfection methods are gradually replacing the traditional way of chemical disinfection. This paper based on water electrolysis technology, electroporation technology and microcomputer control technology, developed an ionized water cleaning and sanitizing device based on single-chip microcomputer,which can produce the weak acid ionized water with decontamination and disinfection function.The main components include:(1)the part of electrolytic cell,which have met the requirements of small size, high efficiency, and achieved DC-DC boost;(2) the part of control system,to generate the required electrical signals of each module, control the normal operation of the entire device.Then this Paper introduces the overall design method include the external device design,hardware design and the software design method of the whole system. After commissioning, this ionized water cleaning and sanitizing device designed in this paper works stability,and is able to reach the system desired functionality.With high pressure module based on electroporation technology, its 离子水去污消毒装置的开发 ability of cleaning and sanitizing will be further improved. Key words: Ionized Water, Electroporation ， Single Chip Microcomputer, Disinfection, Decontamination 离子水去污消毒装置的开发 目录 1.绪论-1 1.1课题背景及研究意义- 1 1.1.1 课题背景- 1 1.1.2 课题研究意义- 1 1.2课题理论基础- 2 1.2.1 电解水技术- 2 1.2.2电穿孔现象及其原理- 4 1.3国内外发展状况及趋势- 5 1.4主要研究内容- 7 1.5章节安排- 7 2.装置总体方案设计-9 2.1 装置功能需求分析-9 2.2 整体结构设计-9 2.3 装置的主要构成部分-10 2.3.1 电解槽模块-10 2.3.2 吸水泵模块-11 2.3.3 指示灯模块-12 2.4 装置的预期功能介绍-12 2.4.1 去污功能原理-12 2.4.2 消毒杀菌功能原理-13 3.高效电解槽装置设计- 15 3.1 整体结构设计-16 3.2 工作原理及应用场合介绍-18 4.硬件电路设计及软件设计-20 离子水去污消毒装置的开发 4.1 单片机选用-20 4.2 DC-DC升压电路-21 4.3 吸水泵驱动电路-23 4.4 指示灯电路-24 4.5 高压模块设计-24 5.系统调试-26 6.总结与展望- 27 6.1 论文工作总结-27 6.2 前景展望-27 参考文献- 29 致谢- 32 译文及原文- 33 离子水去污消毒装置的开发 1 1绪论 1.1 课题背景及研究意义 1.1.1 课题背景 随着工业发展，环境形势变得越来越严峻，逐渐引起了人们的重视。同时， 由于人们生活水平的提高，其对于生活质量的追求也提高了。因此，用于日常生 活、 医疗等的传统化学药剂消毒方式的弊端变得越来越明显。对于常见的消毒杀 菌剂而言，往往在消毒现场留有残毒，残毒性随消毒剂的毒性和浓度增加而增加 1 。传统的化学消毒剂、洗涤剂作用后有害残留物较多不易或无法分解，直接排 放到空气和水中易造成空气污染和水污染，且对人畜健康也有一定的危害。实现 去污消毒剂高效与环保的结合是摆在相关研究者面前的重要课题。 电解水去污消毒杀菌技术属于机械物理杀菌中的非加热杀菌。 电解水杀菌由 于成本低，设备简单，安全性高，杀菌效果显著而残效性低，因此近年来备受瞩 目 1 。强酸性离子水在国外被普遍应用于食品加工、医疗及植物栽培等方面的消 毒和植病防治 2 ，此外它还是一种对人体皮肤、粘膜无刺激、无毒副作用的新型 消毒杀菌剂。除了用于病床病床物体表面、空气、污染器械，医护人员手的消毒 灭菌外，对烧伤的创面还具有很好的抗炎灭菌作用 3 。离子水的这些优良性能使 其在消毒杀菌方面表现出极大的潜力。所以本文以电解水技术为主要研究对象， 开发一种通过单片机控制的离子水去污消毒装置，可应用在日常生活、工作或医 疗领域等。 1.1.2 课题研究意义 我国是化学消毒剂、洗涤剂消费大国，每时每刻都有不计其数的化学消毒 剂被排放到空气中和水中，由于这些有害物质在大气、水、土地等自然环境中很 难自动降解，所以化学污染最终损害的还是人类自身。而离子水杀菌高效瞬时、 无污染、无残留、 价格低廉的特点使其作为一种新型环保去污消毒剂投入研究和 生产。通过对离子水去污消毒装置的开发，能够有效缓解以上问题，提高去污消 离子水去污消毒装置的开发 2 毒杀菌领域的环保性，实现环境的可持续发展。 1.2 课题理论基础 本文主要基于离子水技术、电穿孔技术、高压脉冲电场技术以及单片机控制 技术， 单片机控制技术将在硬件电路设计中涉及到， 高压脉冲技术作为理论基础 进行探讨。下面分别对电解水和电穿孔技术的基本原理进行详细的介绍。 1.2.1 电解水技术 电解离子水(Electrolyzed water)，又称电生功能水，是通过电解稀电解质溶 液得到的具有特殊理化性质的功能性水 4 。 将净化后的自来水装入电解槽中， 正 负电极通电，在直流电场作用下，在电解槽的阴极生成浓度较高的 OH -，同时 释放出 H2，使出水含有弱碱性;在阳极，生成浓度较高的 H ，释放出 O2，使 出水含有弱酸性， 即得到电解水的产物碱性离子水和酸性离子水。 下图为电 解水原理图： 图图 1-11-1 电解水原理图电解水原理图 酸性离子水和碱性离子水中又可分为强/弱酸性离子水以及强/弱碱性离子 水，各有其不同的制备方法和功效。本节将以酸碱性分类，对这几类离子水分别 予以介绍： (1）酸性离子水 酸性离子水根据 pH 值的不同，可分为强酸性离子水和弱酸性离子水。 强酸性离子水在研究中也常被称为强氧化离子水， 是通过在电解槽中添加少 离子水去污消毒装置的开发 3 量 NaCl 或 KCl 等电解质，经电解生成含有 HCl 和 HClO 的电解水。细菌、病毒、 真菌等微生物生存环境的 pH 值为 49，ORP 值为+400+900mV，而强酸性离子水 的 pH 值为 2.32.7，ORP 值在+1100+1200mV，能够使细菌繁殖体、真菌、病毒、 芽孢等微生物细胞膜电位发生变化，导致其细胞膜通透性增加/细胞代谢酶被破 坏，进而导致微生物死亡，故能够强烈抑制和消灭微生物繁殖和生存。经实验证 明，强酸性离子水对多种微生物在作用 20s30s 内的杀灭率达 90%以上，作用 10min 以上时为 100%，其中包括金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、沙门氏菌、肠炎弧 菌等。 强酸性离子水的杀菌作用取决于：氧化还原电位（ORP 值）的高低；pH 值；其中溶解的有效氯含量（游离氯浓度）。其对微生物的杀灭率与氧化还原 电位成正比，与 pH 值成反比，与游离氯浓度（其值为 35 ppm）成正比。强酸 性离子水高效、瞬时的杀菌功效是有效氯，pH 值，ORP 值三者共同作用的结果， 有效氯是对杀菌效果影响最大的最重要因数，但它在不同 pH 值下的不同构成比 对酸性离子水杀菌效果也有非常大的影响 5 。 强酸性离子水作用后即为普通水， 不再具有强氧化性， 且无残留物和毒副作 用， 故可以设计为喷雾状或液态消毒剂， 直接排放到空气或水中也不会对环境造 成影响，对使用环境的通风要求不高；消毒对象也无须再用水冲洗，操作过程方 便快捷。 此外值得一提的是强酸性离子水与人体皮肤接触时， 因其放出电子而致 氧化还原电位下降，pH 值恢复中性功能，故对皮肤粘膜无刺激性 6 ，可应用于 医疗工作者的手部消毒以及病患烧伤创面的抗炎治疗等。 弱酸性离子水的 pH 值为 56.5，氧化还原电位为+400+500mV。其具有收敛 性，可收缩肌肤、增强弹性，还可防治青春痘、黑斑，促进肌肤新陈代射和防止 老化，具有美容的功效 7 。弱酸性离子水还可以恢复头发的光泽，促进皮肤的光 滑度，抑制特异性皮炎。 （2）碱性离子水 碱性离子水根据 pH 值的不同，可分为强碱性离子水和弱碱性离子水。 强碱性离子水的 pH 值在 10.5 以上， 主要用于清洁去污。 因其具有高吸附性 的特点， 强碱性离子水泡沫能够吸附在待清洁表面的污垢上， 由于泡沫所带的是 离子水去污消毒装置的开发 4 同种电荷，同种电荷相斥，从而使污垢微粒相互分离，并从被清洁物表面脱离， 达到去污目的。 弱碱性离子水的 pH 值为 7.59.5，ORP 值为-250-350mV，是 67 个水分子 缔合的小分子团。供饮用的弱碱性离子水有“健康之水”、 “生命之源”的美称， 对人体具有显著的保健和治疗功效。 弱碱性离子水对人体的功效主要表现在以下几个方面：调节人体酸碱平 衡，降低人体总体酸度水平；结合并消除体内自由基，使其恢复稳定状态，不 再破坏健康组织； 促进人体的新陈代谢， 有利于营养物质的吸收和废物的排出； 与原水相比，其携带较高的的微量元素 8 。经检测表明，弱碱性离子水对许多 慢性病都有预防、改善和辅助治疗的作用，如糖尿病、高血压、高血脂等，且服 在用之后测得其对人体器官及各项免疫指标均无影响。 可以说， 弱碱性离子水是 一种健康的活性水。 1.2.2 电穿孔现象及其原理 在正常生理条件下， 由于细胞膜的磷脂双分子层的阻挡作用， 离子或亲水分 子无法进入细胞， 然而， 细胞膜对于离子的通透性在受到附加的跨膜电位影响时 很容易发生改变。 在电脉冲的作用下， 在细胞膜磷脂双分子层上形成的瞬时微孔， 使细胞膜的通透性和膜电导瞬时增大， 从而在细胞膜的磷脂双分子层中形成亲水 性通道，使得亲水分子、病毒颗粒、DNA、蛋白质以及染料颗粒等能够通过细胞 膜而进出细胞 9 。 这个瞬时大幅提高膜的通透能力的生物物理过程即为细胞膜的 电穿孔。 日常生活中常见的细菌有大肠杆菌、沙门氏菌、葡萄球菌、链球菌和念珠菌 等，这些细菌散落分布在办公桌、牙刷、马桶甚至人们手上。这些微生物细胞膜 的平均厚度在 510nm 之间，在静息状态下，膜内外的电位差约为 70mV。通过实 验数据可知，引起细胞膜穿孔的击穿电压值为 0.51.5V，即当膜内外电位差达 到 0.51.5V 时，细胞膜上会发生电穿孔现象。 根据 H.P.Schwan 方程，膜内外电位差（跨膜电位）： )1 (cos5 . 1 / t m egEa （1-1） m为跨膜电位；g 为细胞膜的相对电通透性常数；E 为外加电场强度；a 为细 离子水去污消毒装置的开发 5 胞半径；为外加电场方向与细胞膜被测点法向量之间的夹角；t 为时间；为 细胞膜充电时间常数 10 。其中，细胞膜充电时间常数取决于细胞膜膜电容和 充电通路的等效电阻。假设目的细菌的细胞膜厚度为 10nm，则电场强度在 11.5kV/cm，脉冲宽度在s-ms 级别即可造成该细菌的细胞膜电穿孔。 电穿孔现象根据其永久性可分为可逆电穿孔和不可逆电穿孔两种。 通常，幅值较低、持续时间较短的脉冲刺激仅仅致使细胞膜充电。随着脉冲 电场的持续作用， 电穿孔现象发生。 如果在电流陡增前撤去外电场或者处于两脉 冲的间隔时期，则跨膜电位 U(t)快速衰减，细胞膜放电，膜屏障功能恢复，则 称此现象为可逆性电击穿(REB);否则微孔数量增加或者孔径激增， 以至于膜组织 断裂，细胞死亡，称此现象为不可逆性电击穿(IREB)。目前，由于多种因素的影 响，人们还无法确定可逆性电击穿和不可逆性电击穿之间的界限 11 。 目前，可逆电穿孔技术主要应用在肿瘤治疗方面的电化学疗法和基因疗法 中。 电化学疗法即采用电穿孔手段减弱靶细胞膜的天然屏障功能， 提高化疗药物 的渗透率，大大降低其使用剂量 10 。基因疗法主要借助电穿孔技术向靶细胞中 导入 DNA 大分子，实现基因层面的治疗。 利用电脉冲刺激下细胞膜的不可逆性电击穿特性可以实现在低能量状态下 杀死细胞 14 。不可逆电穿孔具有效率高、无残余毒性等优点，被广泛应用于水 处理、食品保鲜、治疗肿瘤细胞等领域。 1.3 国内外发展状况及趋势 我国的相关研究起步较晚， 加之国家对离子水研究投入较少， 使得国内的离 子水研究较日本、 美国等国家要慢一些。 目前利用离子水进行清洁去污的领域主 要为工业领域。 利用工业碱性电解离子水可完成以下工作： 五金冲压件除油清洗； 五金机加后除油清洗；电子玻璃行业（TP/CG)代替 NAOH 等强碱工艺清洗方案； 钕铁硼钨钢片线割后除胶清洗； 医疗植入器件行业的精密清洗。 以下是近年来国 内发布的离子水设备及相关技术： （1）离子水洗衣机 2004 年，海尔公司推出了“变频 A8 双动刀”离子水洗衣机，它基于电解水 离子水去污消毒装置的开发 6 技术产生碱性离子水，通过制造出碱性环境来洗涤衣物。 （2）活化离子水（HOH）技术 2014 年，中加风尚环境科技有限公司发布了“活化离子水”(HOH)技术开发 及初步应用进程。 活化离子水即将普通的自来水通过离子发生器后， 得到大流量、 高浓度的电解水，向其中加入环保型 HOH 活化剂，使之成为产业用洁净剂。该公 司还配合 HOH 水的使用，研发了“食方心洁净机”、全自动离子水洗机及系统等 一系列设备。 （3）透雷离子抑菌去污液 2015 年，上海翔诺生物科技有限公司推出了专利技术产品透雷离子抑菌去 污液，是用特殊专利设备将水进行电解后，进行专业调质处理制作而成的。其 PH 值为 12.5， 比具有同样 PH 值的碱水具有更加强的活性。 其主要用途是解决日 常生活的污垢的清理问题，可应用于厨房、办公场所、公共区域等领域的去污消 毒消毒。 在国外，对于离子水的研究早在上世纪 90 年代就已经引起重视，并开始逐 渐投入生产。 （1）理论研究方面 在一些发达国家，尤其是日本，离子水技术的相关研究进展十分迅速。随着 对强氧化性离子水的杀菌功效及其原理的研究， 其制备方式、 应用场合也更多地 被人们研究和发掘。 （2）应用研究方面 在应用方面，离子水在日常生活、医疗等方面广泛应用。上一世纪 90 年代， 日本的松下、JWC 等电气公司先后推出离子水生成器，而后被厚生省指定为医疗 器械。近年来，越来越多的不同形式的离子水相关设备投入生产，并出现在人们 的日常生活中， 其价位普通家庭也可以负担得起。 如日本三洋公司生产的离子水 洗衣机、 各式各样的离子水产生器以及美国坦能公司所研发的离子水洗地机和家 用便携式消毒器 ionator HOM 等产品。 产品 ionator HOM 是由美国坦能公司研发的一款家用便携式清洁消毒器， 该 清洁消毒器基于电解水技术对自来水进行解离， 利用产物酸性离子水和碱性离子 水混合液对物体进行消毒去污， 并利用高压脉冲电场实现对微生物细胞膜的不可 离子水去污消毒装置的开发 7 逆电穿孔，提高其灭菌能力。ionator HOM 用法方便快捷，便于携带，是一款适 合在多种场合使用的新型环保去污消毒器。 此外， 坦能公司还开创了新的离子水 应用领域，使得离子水研究有了进一步研究。 图图 1-21-2 家用便携式消毒器家用便携式消毒器 ionatorionator HOMHOM 1.4 主要研究内容 本课题中的离子水去污消毒装置的开发主要包括装置机械外观的设计及其 控制系统的设计。 机械结构的设计部分将装置的各部分合理配置并集合， 设计了一个离子水发 生装置，基本实现了微型高效的要求；在控制部分，通过对 DC-DC 升压电路、吸 水泵驱动电路、 指示灯电路的设计以及高压生成电路等的学习， 实现了控制系统 对电解槽、吸水泵、指示灯等对象的控制。考虑到高压模块的研究耗时较多，任 务量大，本课题仅对高压脉冲电场技术进行理论学习，并未进行相关电路设计。 1.5 章节安排 本论文分为七大部分，每一部分的主要研究内容和安排如下： 第 1 节以工业、农业、医疗等领域的去污消毒为应用背景，详述了本课题 的理论基础及研究意义， 对离子水技术和电穿孔技术的国内外发展状况做出了一 些简介，并介绍了本文的主要内容。 第 2 节根据装置的功能要求提出了其总体设计方案，确定了装置的各个组 离子水去污消毒装置的开发 8 成部分的构成并对其进行了简介，此外还阐述了该装置实现去污消毒的机理。 第 3 节提出了了该电解槽的一种新型机械外观，对其结构、工作原理等进 行了详述， 并结合本课题的国内外发展状况提出了该离子水去污消毒喷头的应用 场合及使用方法。 第 4 节简述装置控制系统的各组成部分，并对主要硬件电路的设计做了详 细介绍与说明。 第 5 节重点阐述了高压脉冲电场技术致使细胞膜产生不可逆电穿孔现象的 作用机理，简述了本课题所用高压生成电路。 第 6 节主要进行了控制系统的软件设计。 第 7 节主要进行了装置控制系统的测试验证，并简述了测试过程和结果。 第 8 节进行了本论文的总结和展望，总结了本课题开发的离子水去污装置 的实现的功能与存在的不足，提出了对其进一步优化的展望。 离子水去污消毒装置的开发 9 2 总体方案设计 2.1 装置功能需求分析 基于市场对新型环保去污消毒装置的需求以及离子水自身优良的去污消毒 性能，提出了系统的功能需求：产生酸性离子水和碱性离子水混合液，该混合液 具有去污杀菌作用，并满足生产效率高、作用高效快捷的要求。 闭合开关，装置工作电路通电，电解槽、吸水泵得电工作，原水被连续地 从蓄水罐泵入电解槽中电解，然后经高压电场端子、雾化喷头后被雾化喷出。雾 化喷头能够持续有效地喷射雾状微型水滴，水滴体积小，喷雾细腻均匀，喷雾颗 粒能够较长时间漂移悬浮在空气中。 喷雾的射程范围理想， 整个喷射过程连续无 障碍。 高压电场端子得电后在需要处理的物体表面形成高压脉冲电场， 使物体表 面微生物出现细胞膜电穿孔现象，作为装置的二次灭菌操作。 断开开关，整个电路断电，各部分停止工作。电路得电、断电或出现故障 时，相应的状态指示灯亮或灭。 图图 2-12-1 装置的工作示意图装置的工作示意图 2.2 装置整体结构设计 基于以上离子水去污消毒装置的功能要求， 提出了该装置的整体结构设计。 离子水去污消毒装置的开发 10 该装置理论结构由以下几个主要部分组成（如图 2-1 所示）： 蓄水罐 1，与其相连的一槽无膈膜式电解槽 2，利用电机将电解槽生成的离 子水泵出的吸水泵 3，安装在出水口的雾化喷头 5，以及为装置控制系统提供电 力的电源 6 和电路板 7。 为实现对待消毒物体表面的二次杀菌，在吸水泵与雾 化喷头之间的管道上安装的高压电场端子 4。状态指示灯 8 未在图中标出。 装置的整体结构设计框图如下： 图图 2-22-2 装置的装置的整体结构整体结构框图框图 2.3 装置的主要构成部分 根据该装置的整体结构设计，对其进行模块化设计，主要分为电解槽模块、 吸水泵模块、指示灯模块以及高压模块，下面对这几个模块进行介绍。高压模块 将与高压脉冲技术单独作为一节内容在下文中详述。 2.3.1 电解槽模块 目前，电解离子水的生产设备主要有两大类:一类是传统的隔膜式电解槽， 二是新型的无隔膜式电解槽。制备方式不同，电解得到的产物也不同（表 2-1）。 由表 1 可知， 二槽隔膜式电解槽其阳极和阴极间有离子隔膜， 能够生产出可供饮 用的弱碱性电解水和具有杀菌作用的强酸性电解水;一槽无隔膜式电解槽，其阳 极和阴极间无离子隔膜，其产物为弱酸性电解水，具有一定的杀菌作用 1 。 离子水去污消毒装置的开发 11 利用隔膜式电解槽能够制得具有良好杀菌能力的强酸性电解水， 但是隔膜式 发生器电解槽中隔膜成本较高，并且易堵塞易被污染，使用寿命较短，需要定期 更换才能保证制备的电解离子水的各项指标。且强酸性电解水 pH 较低，有效氯 使用浓度较高且易于损失，因此逐渐被新型的弱酸性电解水取代 4 。 表表 2-12-1 电解水的生成方式电解水的生成方式 制造装置电解水种类阳极（+）阴极（-） 二槽隔膜式弱酸/碱性电解水pH3.5 以上，洗脸pH910，饮用 强酸/碱性电解水pH2.7 以下，杀菌pH11.5,洗涤 一槽无膈膜式弱酸性电解水 pH56 本课题研究的离子水去污消毒装置采用一槽无膈膜式电解槽， 并将其两极产 物全部用于去污消毒，不对其进行选择性利用。这样减少了原水的浪费，也降低 了装置的生产成本。 由于电解槽的质量和寿命主要取决于电极， 故实验过程中对于电极材料的要 求很高。除满足导电性、惰性外还需考虑多方面因素，如机械强度、价格、使用 过程中是否脱落等。本课题选用整体性价比较高的钛基铂电极。 由于对于同种电极，电极面积越大，所产的离子水水质越优 12 ，且对于离 子水的 pH 值及 ORP 值都有一定的影响，故本课题在电极结构的设计中将网状电 极以同心圆的形式配置。 在增大可利用的电极面积的同时， 又尽可能地缩小了电 解槽的体积，提高了电解效率。 2.3.2 吸水泵模块 由于在本课题所设计的装置中， 电解产生的酸性离子水和碱性离子水混合后 沿同一路径喷出，为避免两者在雾化喷出之前已经中和、失效，需要实现一旦通 电电解后离子水迅速被喷出。 所以选用吸水泵时除要优先考虑其功率、 流量等性 能参数。此外，还应考虑体积、价格、有无自吸功能等。综合考虑以上因素，本 装置选用了一款 12V 工作电压的直流微型自吸吸水泵，能够较好地满足以上要 求。 离子水去污消毒装置的开发 12 图图 2-2-3 3 12V12V 直流微型自吸吸水泵直流微型自吸吸水泵 2.3.3 指示灯模块 在指示灯模块中，用两组不同颜色的 LED 灯来表示装置的工作情况。绿色 LED 灯亮代表工作正常，红色 LED 等两代表出现故障。 2.4 装置的预期功能介绍 本课题开发的离子水去污消毒装置基于电解水技术直接对自来水进行电解， 其两极产物碱性离子水和酸性离子水经吸水泵混合、 雾化喷头雾化， 最终全 部用于去污消毒。 为增强装置整体的杀菌能力， 可在离子水雾化喷出之前加入高 压模块， 在出水口与待消毒表面形成高压电场， 从而实现对微生物细胞膜的不可 逆电穿孔，致使微生物细胞死亡。整个操作过程简便快捷，无毒无害，反应生成 物为原水，不需进行后续处理，对环境通风要求不高。下面详细介绍其去污功能 及消毒杀菌功能的作用机理。 2.4.1 去污功能原理 本装置去污功能的实现主要依靠其阴极产物碱性离子水。 经实验研究证 明， 酸性离子水与碱性离子水在混合后的很短时间内不会发生中和， 所以由雾化 喷头喷出的雾状离子水仍保持其未混合时的原有特性。 电解时产生的氢气使雾状碱性离子水在待清洁表面以泡沫形式存在， 同时碱 性离子水自身的高吸附性使泡沫吸附在污垢微粒上。碱性离子水泡沫带有负电 荷，同种电荷相斥，使得污垢微粒相互分离并从待清洁物体表面脱离，进入离子 水溶液。将离子水与污垢微粒的悬浮液清理掉即可实现对待处理物体的清洁去 离子水去污消毒装置的开发 13 污。 2.4.2 消毒杀菌功能原理 本装置的消毒杀菌功能由两部分实现， 分别为： 阳极电解产物酸性离 子水的杀菌能力；高压脉冲电场技术。 本文第一章提到酸性离子水的杀菌效果由有效氯， pH 值， ORP 值三者共同决 定，本装置制得的弱酸性离子水因其相比于强氧化离子水 pH 值较高、氧化还原 电位较低，杀菌能力有所降低。但在通过在喷雾区建立一定强度的电场，致使微 生物细胞膜发生不可逆电穿孔现象而死亡，可以大大增强装置的灭菌性能。 高压脉冲电场技术对微生物有良好的杀灭效果，具有杀菌高效、环保、能耗 低等优点， 是近年来研究最多的非热力杀菌技术。 通过针状电极或平板电极引入 机体组织内部或细胞悬液中， 施加合适剂量的电脉冲后， 即可造成脉冲电场中细 胞的细胞膜一定程度的击穿 13 。 影响细胞膜电穿孔的因素有很多， 而高压脉冲电场对细胞电穿孔的影响主要 通过以下三个参数来实现：（1）脉冲幅值；（2）脉冲宽度；（3）脉冲累积时 间。 （1）由上文已知跨膜电位直接影响细胞是否发生电穿孔现象，而跨膜电位 与高压脉冲电场的幅值密切相关。 低于一定幅值的电脉冲不能引起细胞膜电穿孔 或者电穿孔效率较低 11 。 （2）脉冲宽度也在一定程度上影响电穿孔现象。当外加高压脉冲电场脉冲 宽度较小时，要达到有效的程度的电穿孔所需的脉冲幅度通常很高。反之，当脉 冲宽度大时，所需脉冲幅值较低。此外，脉冲宽度 t w的影响与细胞膜充电时间 常数有关：随着 t w减小，外电场对细胞核及核膜影响增强。当 w t，高压 脉冲电场主要对细胞膜产生电穿孔作用；当 w t，脉冲电场主要是对细胞内进 行电处理。 许多相关实验表明， 当外加脉冲电场强度达到 kV/cm 量级， 脉冲宽度达到 m/ms 量级时，处于外加脉冲电场中的细胞将会发生电穿孔现象。 （3）值得重点说明的是电穿孔的累积效应。细胞膜的跨膜电位主要取决于 离子水去污消毒装置的开发 14 膜上累积的电荷总量。电穿孔的累积效应与细胞膜的充电时间即脉冲宽度 t w、 细胞膜放电所需时间 t r和脉冲间隔 ti密切相关。当 trtw,ti时，在下一个脉 冲到来时，细胞膜刚刚开始放电，电穿孔效应是完全累积的;当 t rti时，下一 个脉冲到来时，细胞膜已经有一部分放电，电穿孔效应是部分累积的;当 t rti 时，下一个脉冲到来时，细胞膜放电已经结束，电穿孔效应是完全不累积的 15 。 在本装置中， 高压电场端子安装在吸水泵至雾化喷头之间的管道上， 利用离 子水良好的导电性能形成导电路径， 最终使其与待杀菌表面形成一定强度的高压 脉冲电场。 高压电场作用于悬浮在离子水液体中的微生物上， 使其细胞膜发生电 穿孔现象。 通过选择、 控制高压脉冲电场的作用强度和作用时间即可造成微生物 细胞膜的不可逆电穿孔，实现装置的消毒杀菌要求。 离子水去污消毒装置的开发 15 3 高效电解槽装置设计 在机械外观设计部分， 本文电解水原理与电穿孔现象为理论基础， 设计了一 种具有去污消毒能力的微型离子水发生装置。 该离子水去污消毒装置的主体为壳体， 壳体的一端设有进水口， 另一端上设 有雾化喷头。 在壳体内设有外层电解模块及外层电解模块内的内层电解模块， 外 层电解模块与内层电解模块仅通过极室通道相通， 水由进水口进入后经由分水盖 仅布水至外层电解模块， 水再由极室通道进入内层电解模块， 水经过外层电解模 块与内层电解模块充分电解后再通过位于壳体内的高压装置形成的高压脉冲电 场后经由导水槽自雾化喷头喷出。 装置的整体外观图、爆炸视图、结构剖视图如下。 图图 3-13-1 装置的整体外观图装置的整体外观图 离子水去污消毒装置的开发 16 图图 3-23-2 装置的爆炸视图装置的爆炸视图 3.1 整体结构设计 如图 3-1、3-2、3-3 所示，该离子水去污消毒装置，包括壳体 3、进水口 1、 雾化喷头 2、分水盖 11、外层电解模块 9、隔水层、内层电解模块 10、高压装置 12、导水槽 7 以及相应的电源和控制电路。结构 6 用来安放控制电路，实现对装 置的电信号控制。 隔水层将外层电解模块 9 与内层电解模块 10 隔绝开来，使其只能通过极室 通道 8 相通。 外层电解模块 9 与内层电解模块 10 采用串联相同电极室结构设计，充分凸 显本设计的优势之处，大大提高了电解效率，减小了电解室整体体积，其中： 外层电解模块9包括网状电极板一4-1及位于网状电极板一4-1内的网状电 极板二 4-2，在网状电极板一 4-1 与网状电极板二 4-2 之间设有离子膜一 4-3， 通过网状绝缘层一保证网状电极板一4-1与网状电极板二4-2间不会因离子膜一 4-3 破损而造成直接接触的短路。 内层电解模块 10 包括网状电极板三 5-1 及位于网状电极板三 5-1 内的网状 电极板四 5-2， 在网状电极板三 5-1 与网状电极板四 5-2 之间设有离子膜二 5-3， 离子水去污消毒装置的开发 17 通过网状绝缘层二保证网状电极板三5-1与网状电极板四5-2间不会因离子膜二 5-3 破损而造成直接接触的短路。 图图 3-33-3 装置的结构剖视图装置的结构剖视图 电解模块采用网状电极板一方面可以增大电极板与电解液的接触面积， 另一 方面有利于打乱平行流动的水流， 使其紊乱， 这样在电极板中流过的电解液都有 机会与电极板接触。 离子膜被加在两块电极板之间， 由网状绝缘层保证两块电极 板间不会因离子膜破损而造成直接接触的短路。 网状绝缘层设计为网格状， 为两 电极板间离子交换提供充足的空间。这样，既有利于离子膜间的离子交换，又可 以充分保证与电极接触的电解液充分电解。 离子水去污消毒装置的开发 18 图图 3-43-4 装置的水流向图装置的水流向图 3.2 工作原理及应用场合介绍 由图 3-4 可以看出装置在使用时的水流路径。 将进水口 1 卡在自来水喷头或 者其他装置中，自来水（或者其他电解水）由进水口 1 进入，经导水盖 11 将水 分流进入外层电解模块 9， 随后经由极室通道 8 进入内层电解模块 10。 水经过外 层电解模块9与内层电解模块10充分电解后再经过由高压装置12产生的高压脉 冲电场。最后该离子水混合液由雾化喷头 2 喷出。 高压装置 12 内含高压端子，其材质为铜或者其他金属，其导管内表面用镀 银可以提高其电场效率。 其控制系统电路部分紧贴于壳体 3 外部， 实际应用时可以采用独立电池置于 其中实现对该装置整个工作过程的控制。 该离子水去污消毒装置可与红外线反射原理相结合， 作为感应式去污消毒喷 头应用在医疗、公共卫生等领域。由于离子水消毒过程对人体皮肤无刺激性，且 该装置无需通过触碰机械开关控制，便捷卫生，能够实现对医护人员手部、烧伤 患者烧伤创面等的清洁消毒。 该喷头也可单独使用， 直接与自来水喷头相连或安装到其他出水装置上， 应 离子水去污消毒装置的开发 19 用于餐饮业、食品加工、农业、养殖业等领域。在传统的食品加工过程中大多采 用高温手段消毒， 除易造成灭菌不彻底外， 往往还会出现消毒温度过高或时间过 长而导致食品质量下降的问题。 由于离子水消毒过程中不会影响食物的风味而且 杀菌经济高效， 可以在净菜加工及无菌包装领域发挥作用。 离子水消毒还可作为 一种减农药、无农药栽培的有效手段，它杀菌高效瞬时、价格低廉，是植物病害 防治的一种新的途径 5 。所以，该离子水去污消毒装置也可实现对餐具、食品、 农作物、畜禽等的杀菌消毒处理。 离子水去污消毒装置的开发 20 4 硬件电路设计及软件设计 由第 2 节中装置的总体方案结构框图可知，该装置的控制系统作用对象为 电解槽、吸水泵、高压电场端子及镍氢电池组。故装置的控制系统部分的设计主 要为以下几部分电路设计：电解槽直流供电电路、吸水泵驱动电路、高压生成电 路等， 此外还包括控制电路板上单片机的选用。 下面对主要设计电路做详细介绍 与说明。 4.1 单片机选用 作为控制系统的核心，本课题选用了 ATMEL 公司生产的 AT89C2051 单片机。 AT89C2051 是一带有 2K 字节闪速可编程可擦除只读存储器（EEPROM）的低电压， 高性能 8 位 CMOS 微处理器。 AT89C2051 提供以下标准功能： 和 MCS-51 产品 兼容；2KB 可重编程 FLASH 存储器（10000 次）；2.7-6V 电压范围；全静 态工作：0Hz-24MHz；2 级程序存储器保密锁定；128*8 位内部 RAM；15 条可编程 I/O 线；两个 16 位定时器/计数器；可编程串行通道。 AT89C2051 的引脚和最小系统如图 4-1 所示： 图图 4-1AT89C2051 的引脚和最小系统图的引脚和最小系统图 4.2 DC-DC 升压电路 离子水去污消毒装置的开发 21 实验结果表明:氯化钠浓度、电解电压、电解时间和电极板距离均会影响有 效氯浓度，增加氯化钠浓度、升高电解电压、延长电解时间或减小电极板距离均 会使有效氯浓度增加 4 。 所以电解电压的强弱将直接影响电解槽的工作效率。 由 相关实验得到的数据已知，电解水时的最优电解电压为 22V，故本装置通过一个 DC-DC 升压电路控制电解槽工作的电压范围，同时得到较为稳定的电解电流。 该升压电路采用深圳市硕芯科技有限公司设计研发的 SX1308 作为升压元 件， 通过调节电路中电阻的大小实现输入电压+12V， 输出电压 （即最大电解电压） 为+24V 的设计要求。SX1308 是一款固定频率、SOT23-6 封装的电流模式升压变 换器，高达 1.2MHz 的工作频率使得外围电感电容可以选择更小的规格，内置软 启动功能减小了启动冲击电流， 小尺寸的封装给 PCB 省下更多的空间。 轻载时自 动切换至 PFM 模式。包含了输入欠压锁定，电流限制以及过热保护功能。 SX1308 提供以下标准功能：内部集成 80m功率 MOSFET；2V 到 24V 的 宽输入电压范围；1.2