基于STC89C52單片機(jī)的脈動(dòng)真空滅菌器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在此主要敘述以STC89C52單片機(jī)為核心的脈動(dòng)真空滅菌器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，給出了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理、硬件組成及相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。在滅菌過(guò)程中，采用Fuzzy—PID混和算法對(duì)溫度進(jìn)行非線性控制。利用該系統(tǒng)的智能化軟件可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)脈動(dòng)真空滅菌器的自動(dòng)化控制。該系統(tǒng)在消毒滅菌的過(guò)程中，可以實(shí)時(shí)顯示參數(shù)和圖形化顯示滅菌過(guò)程，還可以儲(chǔ)存所需要的所有參數(shù)及打印等功能，同時(shí)還采取了軟、硬件抗干擾措施。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)提高了滅菌器的控制精度，功能齊全且實(shí)用性強(qiáng)，可以安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了滅菌器的自動(dòng)化工作過(guò)程。

現(xiàn)在人們生活水平提高了，人們更加的關(guān)注醫(yī)療滅菌消毒。在90年代中期，國(guó)內(nèi)研制了_種新型滅菌設(shè)備——脈動(dòng)真空滅菌系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了先進(jìn)的脈動(dòng)真空技術(shù)，其滅菌效果良好，因此在醫(yī)院供應(yīng)室、制藥廠、手術(shù)室及科研部門(mén)被廣泛應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了各式各樣滅菌器控制系統(tǒng)，本文根據(jù)這一現(xiàn)狀，開(kāi)發(fā)了一種由單片機(jī)控制的脈動(dòng)真空滅菌控制器。利用FUZZY—PID混和控制算法，通過(guò)控制滅菌溫度、壓力和時(shí)間等主要工藝參數(shù)，可以對(duì)多種物品進(jìn)行快速有效地滅菌，例如包裹類(lèi)、器械類(lèi)等。該系統(tǒng)上位機(jī)視圖監(jiān)控軟件采用VC++6．0來(lái)編寫(xiě)，通過(guò)采用串行通信接口，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。同時(shí)具有實(shí)時(shí)參數(shù)顯示、消毒滅菌過(guò)程參數(shù)存儲(chǔ)及打印等功能。該控制系統(tǒng)符合現(xiàn)代電子產(chǎn)品自動(dòng)化、智能化、模塊化、人性化的設(shè)計(jì)要求且人機(jī)界面友好。

1 脈動(dòng)真空滅菌器基本工作原理

脈動(dòng)真空滅菌器是由帶有夾層及密封門(mén)的高壓容器，內(nèi)部還有溫度、壓力傳感器及真空閥、進(jìn)氣閥、真空泵、排汽閥等控制器件組成。根據(jù)內(nèi)部溫度和壓力是否到達(dá)設(shè)定的溫度和壓力要求來(lái)進(jìn)行各種動(dòng)作控制。根據(jù)工藝流程要求，該控制系統(tǒng)的工藝流程包括準(zhǔn)備階段、脈動(dòng)真空階段、升溫升壓階段、恒溫滅菌階段、排氣階段、無(wú)菌階段等幾個(gè)階段，工作流程如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2．1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

脈動(dòng)真空滅菌器控制系統(tǒng)主要由5個(gè)部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)主控系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)量輸出／輸入控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和通信及人機(jī)交互系統(tǒng)。單片機(jī)采用STC89C52，晶振為12 MHz，單片機(jī)內(nèi)部的2個(gè)16位定時(shí)器，一個(gè)用于系統(tǒng)的定時(shí)，另外一個(gè)用于看門(mén)狗電路，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。在核心CPU板上有串行通信接口、開(kāi)關(guān)量輸入接口、繼電器輸出接口等。脈動(dòng)真空滅菌控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2．2 信號(hào)采集電路與開(kāi)關(guān)量輸入／輸出電路

溫度和壓力的采集是由信號(hào)采集電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中溫度傳感器使用鉑熱電阻，在-259～631℃之間它是標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)元件，PT100的阻值隨溫度的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，調(diào)理電路對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大、變換，輸出0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換送單片機(jī)，完成對(duì)溫度的采集。溫度采集電路如圖3所示。

壓力傳感器采用的電流型傳感器ETL-200-375系列。該產(chǎn)品提供4～20 mA電流輸出，體積小、質(zhì)量輕，適合于安裝空間受限場(chǎng)合。ETL-200-375M系列供電電壓(28±4)V DC。采用美國(guó)RURR-BROWN公司生產(chǎn)的精密電流環(huán)接收器芯片RCV420，可將壓力傳感器4～20 mA的電流直接轉(zhuǎn)換成0～5 V的電壓信號(hào)，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換送單片機(jī)，完成對(duì)壓力的采集。壓力采集轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。其中A／D部分采用美國(guó)TI公司生產(chǎn)的多通道、低價(jià)格的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC1543。它是10位逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，測(cè)量范圍為0～5 V。采集的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波變換后，通過(guò)通信電路傳到PC機(jī)上顯示，并且與設(shè)定的溫度等參數(shù)進(jìn)行比較，得到誤差與誤差變化率，可以提供后續(xù)控制的依據(jù)。開(kāi)關(guān)量輸入電路的主要作用是：在滅菌的過(guò)程中，用來(lái)判斷高溫高壓容器的密封門(mén)開(kāi)關(guān)和門(mén)限位開(kāi)關(guān)的開(kāi)與關(guān)。開(kāi)關(guān)量輸入電路的主要作用是：控制各個(gè)固態(tài)繼電器的通與斷，來(lái)控制所有的數(shù)字閥門(mén)的通與斷，從而達(dá)到控制滅菌器內(nèi)外的溫度和壓力作用。

2．3 通信電路

該部分電路主要作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)滅菌器的遠(yuǎn)程控制與診斷，首先控制系統(tǒng)通過(guò)發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)滅菌器進(jìn)行各種控制；在通過(guò)上傳的當(dāng)前的溫度與壓力等各種工藝參數(shù)來(lái)實(shí)時(shí)的反映滅菌的詳細(xì)情況。硬件電路使用的芯片是處理器STC89C52和MAX232。因?yàn)榭紤]到通信速度和傳送距離的問(wèn)題。采用RS 232C標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行單向數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為20 Kb，最大傳送距離為15 m，滿足不了遠(yuǎn)距離的控制。改用RS 485標(biāo)準(zhǔn)傳輸大幅度提高，最大傳輸距離為300 m，降低數(shù)據(jù)傳輸速率，可傳輸?shù)木嚯x可達(dá)到1 200 m?；旧蠞M足要求。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件分為2個(gè)部分，一部分是C51的單片機(jī)程序；另一部分是VC++的上位機(jī)程序，采用C語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行程序的編寫(xiě)。其設(shè)計(jì)思想是：采用劃分程序模塊的方法，先進(jìn)行各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)和調(diào)試，從而使程序更有條理性。采用自上向下的程序設(shè)計(jì)方式并采用中斷方式和CPU聯(lián)系，使整個(gè)系統(tǒng)的模塊化增強(qiáng)。從而提高了系統(tǒng)的可靠性。

3．1 系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)

主程序主要是用于鏈接各模塊程序，圖5為其流程圖。主程序先進(jìn)行各種初始化：系統(tǒng)初始化和繼電器控制各個(gè)信號(hào)初始化。首先設(shè)置所有初始化為關(guān)閉狀態(tài)。完成全部初始化后，單片機(jī)在主程序中不斷循環(huán)，在主程序中還要執(zhí)行各種相應(yīng)的自檢功能?？梢詸z測(cè)系統(tǒng)的各種狀態(tài)是否符合設(shè)計(jì)的要求。

3．2 定時(shí)中斷程序設(shè)計(jì)
定時(shí)中斷程序是整個(gè)系統(tǒng)的核心，整個(gè)控制都在定時(shí)中斷中完成。在整個(gè)設(shè)計(jì)中設(shè)置定時(shí)中斷100 ms，在中斷中完成溫度和壓力的測(cè)量，完成排除真空、升溫、恒溫滅菌、排空氣、干燥、結(jié)束等滅菌過(guò)程。其中排除真空主要是使滅菌器內(nèi)部盡量是真空狀態(tài)，可以根據(jù)需要設(shè)置脈動(dòng)次數(shù)；蒸汽通過(guò)進(jìn)汽閥門(mén)進(jìn)入，從而使滅菌器內(nèi)的溫度慢慢上升，在溫度上升的過(guò)程中，使用模糊控制算法，當(dāng)溫度升到132℃，開(kāi)始采用PID控制算法。
進(jìn)入恒溫滅菌階段，滅菌時(shí)間6～20 min自行設(shè)置，但不宜過(guò)長(zhǎng)。達(dá)到恒溫時(shí)間后自動(dòng)轉(zhuǎn)入干燥過(guò)程。干燥過(guò)程結(jié)束后，打開(kāi)進(jìn)汽閥門(mén)，直到滅菌過(guò)程全部結(jié)束。定時(shí)中斷流程圖如圖6所示。

3．3 滅菌控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用Visual C++開(kāi)發(fā)，主要用于各控制點(diǎn)的壓力和溫度的采集，并對(duì)采集到的溫度和壓力參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，還有各種數(shù)據(jù)信息的修改，打印以及歷史數(shù)據(jù)的查詢等等。使用VC++建立PC機(jī)和單片機(jī)可靠的串行通信，是保證數(shù)據(jù)傳送的及時(shí)性和正確性的關(guān)鍵。VC++強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)功能和API函數(shù)很好地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)操作和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線的生成。

4 FUZZY—PID混和控制算法

整個(gè)工作中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是滅菌器升溫和恒溫滅菌階段。在這個(gè)階段中，溫度上升的速度直接影響滅菌器室內(nèi)滅菌的效率，如當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，要求滅菌的物品內(nèi)部卻達(dá)不到所需要滅菌的要求；此外超熱的蒸汽溫度雖然很高，但是當(dāng)蒸汽遇到所要消毒的物品時(shí)，卻不能凝結(jié)成水珠，潛伏熱不能得到合理釋放，對(duì)滅菌非常不利。在滅菌過(guò)程中，為了保證滅菌系統(tǒng)的滅菌效果和提高滅菌的效率，本文采用FUZZY—PID混和控制方法來(lái)控制溫度的變化。當(dāng)滅菌器內(nèi)的溫度與設(shè)定值出現(xiàn)偏差時(shí)，這時(shí)使用模糊控制方法，從而使溫度理想的上升；當(dāng)溫度在偏差內(nèi)時(shí)，則PID控制自動(dòng)切換，從而得到高精度的溫度控制。模糊PID混和控制器結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種可靠性高的滅菌器控制系統(tǒng)，其滅菌過(guò)程是全自動(dòng)化的。該系統(tǒng)可以根據(jù)用戶不同的滅菌要求來(lái)靈活的設(shè)置滅菌器的各種工作參數(shù)，使滅菌器的應(yīng)用得到大大的擴(kuò)展。在滅菌消毒過(guò)程中，本文使用了先進(jìn)的控制理論方法，使溫度上升的過(guò)程得到優(yōu)化，從而使滅菌過(guò)程的壓力、溫度和時(shí)間得到精確控制，使滅菌設(shè)率得到大大的提高，因此具有很高的性價(jià)比.