基于單片機(jī)的醫(yī)用滅菌器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

滅菌器是保護(hù)人類生命健康的重要器材，發(fā)達(dá)國(guó)家無論是家用滅菌器還是商用滅菌器都很普及。

而滅菌器滅菌是否合格大部分取決于控制系統(tǒng)是否可靠，針對(duì)某醫(yī)療設(shè)備廠滅菌器控制系統(tǒng)不穩(wěn)定、人機(jī)界面不友好等實(shí)際問題，作者采用80C196KB單片機(jī)為該廠設(shè)計(jì)滅菌控制系統(tǒng)，消除原有系統(tǒng)的缺陷并相應(yīng)增加一些功能，相比51系列單片機(jī)，96系列片上資源更豐富，設(shè)計(jì)系統(tǒng)相對(duì)容易。

1 滅菌器控制分析

該滅菌器主要進(jìn)行包裹類、器械類、乳膠類、液體類及其它類五項(xiàng)進(jìn)行滅菌，其工藝大體相同，不同之處可由程序控制。通過其工作原理(圖1)可知，根據(jù)里外鍋的溫度和壓力是否達(dá)到規(guī)定值而進(jìn)行各種動(dòng)作控制。

模擬輸入量共4個(gè)：外鍋溫度TW，外鍋壓力PW，里鍋溫度TL，里鍋壓力PL;控制輸出量共16個(gè)：外鍋進(jìn)汽閥開關(guān)IW ，外鍋排汽閥開關(guān)OW，里鍋進(jìn)汽閥開關(guān)IL，里鍋排汽閥開關(guān)OL，真空閥開關(guān)ZK，干燥空氣閥開關(guān)GZ，油泵繼電器通斷YB，真空泵繼電器通斷ZB，電磁液壓閥(高壓閥GF、齒條閥CF、門閂閥MF)，信號(hào)指示(電源指示PowerL、總電源指示PowerZ、故障指示ERR、蜂鳴報(bào)警ALarm)。

圖1 工作原理

由上圖可見滅菌器的主體為一帶有夾套及密封門的高壓容器， 配有真空泵、真空閥、蒸汽閥等控制器件及溫度、壓力傳感器， 工作過程如圖2所示。

圖2 工作過程

2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如下圖3所示：

圖3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

滅菌室實(shí)際溫度和壓力值由半導(dǎo)體集成溫度傳感器AD590JH和集成壓力傳感器MPX5500D測(cè)量， 采集的2路溫度信號(hào)和2路壓力信號(hào)由P0.0～P0.3送入80C196CKB芯片。在80C196CKB中，有一個(gè)8通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器，適用于多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。一次A/D轉(zhuǎn)換需88個(gè)狀態(tài)周期(采用12MHz晶振時(shí)為22μs)。其優(yōu)點(diǎn)是在滿足工藝要求的情況下極大地簡(jiǎn)化了硬件電路，有益于電路的可靠性。

80C196CKB里的數(shù)字量經(jīng)數(shù)字濾波、標(biāo)度變換后一方面通過LCD顯示， 另一方面與設(shè)定進(jìn)行比較， 得到偏差E 和偏差變化率EC ， 為后續(xù)控制提供依據(jù)。采用并行輸出接口電路8255A來實(shí)現(xiàn)近20路開關(guān)控制量的輸出控制。溫度控制是由調(diào)節(jié)蒸汽閥門的開口來實(shí)現(xiàn)， 控制量經(jīng)D/ A 轉(zhuǎn)換為模擬量輸出， 功率放大后控制蒸汽閥的開口。用戶通過鍵盤設(shè)定滅菌溫度、時(shí)間和脈動(dòng)真空次數(shù)， 滿足各種消毒要求。

采用DS12887并行時(shí)鐘模塊

人機(jī)界面主要包括鍵盤、顯示和微型打印機(jī)接口電路。鍵盤采用軟鍵盤形式，由程序處理來實(shí)現(xiàn)鍵碼的識(shí)別、去抖動(dòng)和確認(rèn);通過一塊8255A實(shí)現(xiàn)了鍵盤和打印機(jī)的硬件接口。顯示器采用內(nèi)置T6963C控制器的LCD顯示模塊(和CPU以直接方式連接)，用以動(dòng)態(tài)顯示溫度、壓力、時(shí)間和操作提示等。打印機(jī)用于打印相關(guān)的運(yùn)行工藝參數(shù)。用戶界面在軟件上的實(shí)現(xiàn)是由分散而不是集中的軟件模塊來實(shí)現(xiàn)的。

本系統(tǒng)所有器件均采用單一+5V電源供電，由于實(shí)際應(yīng)用時(shí)，數(shù)據(jù)采集時(shí)信號(hào)容易受到干擾，因此在信號(hào)輸入輸出接點(diǎn)處采取光耦隔離電路，并采取屏蔽電阻等措施保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)功能很多， 為了便于設(shè)計(jì)和維護(hù)， 采用自頂向下逐步細(xì)化的結(jié)構(gòu)化模塊設(shè)計(jì)方法， 將具有獨(dú)立功能的子程序都設(shè)為子程序模塊，相關(guān)的功能均由相應(yīng)的功能子程序?qū)崿F(xiàn)。主程序由初始化、滅菌類別選擇和相關(guān)顯示、參數(shù)比較、執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出控制等組成，其核心是溫度和壓力參數(shù)的比較和相應(yīng)的輸出控制;時(shí)間的動(dòng)態(tài)顯示由定時(shí)器1溢出中斷處理程序執(zhí)行;4個(gè)通道的溫度、壓力數(shù)據(jù)采集處理和動(dòng)態(tài)顯示由A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷處理程序完成。由于顯示程序比較大，放在中斷處理程序中運(yùn)行使背景程序簡(jiǎn)潔，有利于軟件運(yùn)行的可靠性。程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程圖

程序運(yùn)行的基本過程是：初始化后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換以采集溫度、壓力信號(hào)，經(jīng)處理后，這些數(shù)據(jù)和用戶設(shè)定的運(yùn)行參數(shù)比較，然后決定系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同動(dòng)作以滿足運(yùn)行參數(shù)被控制在工藝要求的范圍內(nèi)。

本控制系統(tǒng)的軟件全部采用匯編語言，執(zhí)行效率高，運(yùn)行可靠，限于篇幅所限，不一一介紹。

4 結(jié)論

這是一個(gè)以80C196KB為核心的實(shí)用的嵌入式控制系統(tǒng)，其功能齊全，設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)潔。實(shí)際應(yīng)用表明整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，滅菌控制可靠。相對(duì)于具有相同功能而基于PLC的滅菌控制系統(tǒng)，它的成本低廉，人機(jī)界面友好，操作更容易，具有很好的推廣價(jià)值。