高压蒸汽灭菌自动控制系统设计.doc
- 文档编号:8454926
- 上传时间:2023-05-13
- 格式:DOC
- 页数:68
- 大小:928.25KB
高压蒸汽灭菌自动控制系统设计.doc
《高压蒸汽灭菌自动控制系统设计.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《高压蒸汽灭菌自动控制系统设计.doc(68页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
摘要
随着生活水平的提高,人们对医疗灭菌消毒更加关注。
而中小诊所的消毒灭菌设备简陋,自动化程度低,消毒质量难以控制。
已经不能很好的满足实际需要了。
偏远贫困地区的小型社区医院往往完全使用手工操作灭菌设备或者是使用自动化程度很低的灭菌设备,不但灭菌温度无法把握,灭菌时间长短也不能精确的控制,严重影响了医疗质量。
本控制系统是采用AT89S51单片机为核心,对饱和蒸汽的温度、压力、灭菌时间和底部水位的实时监控。
由按键设定初值,通过压力和液位传感器进行信号的采集,由MAX197对其电压信号转换数字信号,而温度部分主要由AD590对温度信号采集以及转换,最终通过AT89S51单片机和键盘显示的处理来实时显示所对应的数据。
当所有设定值设定结束后,通过DAC0832将数字信号转换成模拟信号驱动电动调节阀进行排水直到设定值,然后启动加热棒加热到设定值。
在这个过程中,水变成蒸汽,进行杀菌。
时间到时,杀菌结束,启动电动调节阀进行排气排水。
软件部分采用一种智能控制方法,PID控制来控制系统的温度。
其最突出的优点是技术成熟、易熟悉和掌握、只需要建立简单数学模型、控制效果好等,这些优点使其得到广泛应用。
本系统实现了对饱和蒸汽的温度、压力、灭菌时间和底部的水位实时监控。
它不但工程造价较低、运行维护简单、运行费用低,而且是一种简便、可靠、经济、快速的灭菌方法。
关键词:
单片机;高压蒸汽灭菌器;比例积分微分;温度传感器
Abstract
Withtheimprovingofthestandardofliving,peoplehavepaidmoreattentiontothesterilizingeffect.Butthesterilizersintheclinicsweresimpleandcrude.Remotepoorareasofsmallcommunityhospitalstendtousingmanualoperationsterilizationequipmentcompletelyorusingsterilizationequipmentswhoseautomationdegreeislow,whichnotonlyleadstothatthesterilizationtemperaturecannothold,sterilizationtimecannotbeaccuratelycontrolledwhichimpactthemedicalqualityseriously.
AT89S51SCMusedasthecoreofthesystem,canmonitoringthetemperatureofthesaturatedsteam,pressure,sterilizationtimeandwaterlevelwhichisatthebottomoftheHightPressureSteamSterilizer.Initialvalueissettedbythekeys.Thepressureandliquidlevelsensorcollectthesignals.ThevoltagesignalisconversedtodigitalsignalsbyMAX197.ThetemperatureiscontrolledandconversedbyAD590anddealingwiththedatethroughAT89S51SCMandthekeyboarddisplay.Afterallofdatesaresetted,theDAC0832whichconversesthedigitalsignalstotheanalogsignals,drivestheelectriccontrollingvaluesfordrainageuntilthesettingpoint,thenthesystemstartsheatingthetemperaturetothepoint.Duringthisprocess,thewaterisheatedtosteamandthesteamkillsthebacteria.Afterthetimeandthesterilization,theelectricregulatingvalveisstartedtoexhaustdrainage.Softwarepartadoptsamethodofintelligentcontrolthetemperatureofthesystem.Themostprominentadvantageisthematuretechnologyandeasytobefamiliarwithandmaster.Onlyneedtobuildasimplemathematicalmodelandcontrollingeffectisgood,whichmakesitwidelyused.
Thissystemmonitoringthesteamtemperature,pressure,sterilizationtimeandwaterlevelwhichisatthebottomoftheHightPressureSteamSterilizeratanytime.Theconstructionisnotonlylow,operationmaintenanceissimple,operatingcostislow,itbutalsoisasimple,reliable,economicandrapidsterilizationmethods.
Keywords:
SCM;Highpressuresteamsterilizer;PID;Thetemperaturesensor
目录
第1章绪论 1
1.1温度压力灭菌设备的现状及特点 1
1.2高压蒸汽灭菌自动控制器的研究内容和意义 4
第2章系统的方案论证 5
2.1概述 5
2.2方案论证 5
2.2.1单片机的选择方案 5
2.2.2温度传感器的选择 7
2.2.3压力传感器的选择 8
2.2.4液位传感器的选择 10
2.2.5A/D转换器的选择 11
2.2.6D/A转换器的选择 12
2.2.7显示器件的选择 14
2.3整体方案设计概述 16
第3章系统硬件设计 17
3.1晶振、复位电路 17
3.2温度调理电路 17
3.3压力调理电路 19
3.4A/D转换电路 19
3.5D/A转换电路 20
3.6时钟电路的设计 21
3.7键盘电路的设计 22
3.8给水排水电路的设计 23
3.9加热电路的设计 24
3.10LCD显示电路 25
3.11报警电路的设计 25
3.12电源电路的设计 26
第4章软件设计 29
4.1PID控制算法 29
4.2主程序流程图 32
4.3数据采集流程图 33
4.4键盘子程序流程图 35
4.5显示子程序流程图 37
4.6控制输出子程序流程图 37
第5章结论 39
参考文献 40
致谢 41
附录Ⅰ 42
附录Ⅱ 43
附录Ⅲ 56
63
第1章绪论
1.1温度压力灭菌设备的现状及特点
利用温度进行灭菌、消毒或防腐,是最常用而又方便有效的方法。
高温可使微生物细胞内的蛋白质和酶类发生变性而失活,从而起灭菌作用。
这种方法又分为干热灭菌和湿热灭菌,干热灭菌是通过脱水干燥使蛋白质氧化、变性、碳化和电解质浓缩中毒而使微生物死亡;湿热灭菌是通过凝固微生物的蛋白质致其死亡。
它们的操作特点也各异,其根本区别在于消毒灭菌处理时,加热环境和微生物的湿度水平有所不同:
“湿热”加热在此指微生物内部和加热环境均处于湿度饱和状态的加热,此时微生物与纯净的水或饱和蒸汽呈平衡状态;而“干热”加热,则用于指加热环境中无水或不足以达到温度饱和状态下的加热,其湿度水平可以为零,或刚刚低于饱和状态。
一般情况下,微生物对干热的耐受力较对湿热者强,从而杀死微生物所需温度高得多;而且水分的存在有利于蛋白质凝固,在热作用的局部环境中,水分愈多或温度愈高,蛋白质凝固所需温度愈低,凝固速度愈快,对微生物的杀灭效果也愈好。
另外,温热的穿透性也比干热强,因为蒸汽和水传导热能的效率比空气高,其次蒸汽冷凝时放出大量的潜热,可使物体迅速加热,正是由于二者杀菌机理各加热特点的不同,湿热灭菌不仅效果可靠,而且也降低了杀菌温度和作用时间。
一般来说,灭菌柜容积在0.025立方米以下者为小型灭菌器,0.025立方米到1.5立方米者为中型灭菌柜,1.5立方米以上者为大型灭菌柜。
大型灭菌柜常用于工业灭菌,而小型则常用于医疗卫生机构和实验室。
按控制方式,可分成简易式、手控式和控制式三类。
简易式压力蒸汽灭菌器包括手提式和台式等小型灭菌器;手控式灭菌柜的整个灭菌过程全由操作者自行处理。
各步骤之间无有机联系;自动控制(程控)灭菌柜则可按不同灭菌物品的要求进行灭菌过程选择,除装卸物品外,整个灭菌过程连续地自动进行。
按杀菌因子热力介质的不同,湿热灭菌柜分为压力蒸汽灭菌柜、水浴式灭菌柜和蒸汽加空气混压灭菌柜三大类,如下表1.1所示。
其中水浴式灭菌柜根据柜内灭菌架的运动状态又可分为静态式和回转式二类,而压力蒸汽灭菌柜如根据排除柜内原有冷空气所需真空产生原理的不同,可分为下排气式(又称为重力置换式)和预真空式(包括一次抽真空和脉动真空二种)二类;如按蒸汽品质的不同,可分为普通蒸汽型和纯蒸汽型二类;如按用途的不同,又可分为通用型蒸汽灭菌柜和专用型蒸汽灭菌柜二类。
表1.1各种灭菌设备一览表
热力介质
设备类型
设备名称
饱
和
蒸
汽
纯蒸汽
专用型
卫生级灭菌柜
普通
蒸汽
通用型
下排气式
普通压力蒸汽灭菌柜
欲真空式
预真空压力蒸汽灭菌柜
脉动真空蒸汽灭菌柜
专用型
真空检漏灭菌柜
快速冷却灭菌柜
多功能中成药灭菌柜
蒸汽空气混压
专用型
软包装快冷却灭菌柜
通风干燥软包装灭菌柜
高温过热水
水浴式
静态
水浴式灭菌柜
动态
旋转水浴式灭菌柜
水浴式灭菌是首先向灭菌室内注人洁净的灭菌介质(目前国内常用纯化水)至一定液位(水量经过计算,以保证循环系统内流量),然后由循环泵从柜底部抽取灭菌用水经板式换热器加热,连续循环进人灭菌柜顶喷淋系统。
该法具有温度均匀性好,温度调控范围宽,生产率较高。
但其前期投资较大,辅助设备多,不太适合小型灭菌柜的应用。
蒸汽灭菌方法被用来杀灭各种微生物,与其它各种灭菌方法比较,蒸汽灭菌是最有效和廉价的。
普通压力蒸汽灭菌柜的饱和蒸汽通常是由工业锅炉提供的,并由于输送系统等原因,蒸汽内常含有杂质及为减少对蒸汽锅炉的损坏而多在水中加人的少量挥发性胺等物质的存在,使在灭菌过程中会沉积在被灭菌物品上,这对于进入无菌组织的医疗器械和诊断用品可对病人产生危害,对于盛装无菌物品的容器可对无菌物品产生再次污染,进人组织培养基中也不利于病毒的培养。
而纯蒸汽是经过汽液分离器和过滤器,所有传输管道均采用不锈钢卫生管,最大程度上避免了二次污染。
因而比普通压力蒸汽作为灭菌介质的灭菌柜更卫生、更洁净、更符合GMP要求,提升产品档次,更适于直接接触无菌组织的器材和无菌物品的容器、包装材料的灭菌。
压力蒸汽灭菌柜根据排除柜室内原有冷空气所需真空产生原理的不同分为预真空式和下排气式二类。
下排气式是利用重力置换原理,当蒸汽从灭菌器上方进入灭菌室内时,将从上往下把冷空气从下排气孔排出,使灭菌室内充满饱和蒸汽,一般使用122℃维持20~30min时间进行灭菌。
但因下排式灭菌器利用重力自然置换,灭菌室内冷空气极难彻底排尽,常存有死腔、死角,妨碍了蒸汽的穿透性,影响灭菌的效果。
据北京七家医院关于下排气式灭菌器的灭菌效果所进行的监测结果显示,灭菌合格率仅为47.5%。
预真空式与下排气式的根本区别在于将排除柜内冷空气的方式由被动性改为主动性,即由被蒸汽从上至下靠重力推出变为由真空泵抽出。
预真空压力蒸汽灭菌柜操作方法分为二类:
一是采用一次抽真空,将柜室内冷空气减少至规定要求程度的预真空法;另一是采用多次抽真空,将柜室内冷空气减少至规定要求程度的脉动真空法。
与下排气式压力蒸汽灭菌柜的比较,预真空压力蒸汽灭菌柜具有如下特点:
一:
柜室内冷空气的排除较下排气式彻底,从而作用温度提高,整个灭菌周期明显缩短。
二:
柜室内氧气随之减少,使作用时间缩短,故即使作用温度提升至较高,对物品的损坏亦较下排气式灭菌时为轻。
三:
具有比下排气式灭菌柜节约能源、减轻劳动强度、受包装和物品摆放等因素影响较小等优点。
四:
比下排气式灭菌柜结构复杂,制造成本高;一次抽真空,对真空泵和柜室的密封要求很高,增加维修工作量。
由于预真空法一次抽真空至-98.64KPa,对设备密封要求高,且可产生小装量效应,而脉动真空法在一次抽真空的预真空法基础上改为多次抽真空法,即灭菌时,先抽真空至-95.98KPa~-93.31KPa,送入蒸汽将压力上升至l01kPa,而后再抽气至负压状态,如此反复抽送3~5次,即可相当于一次抽真空至-98.64kPa时空气的排除程度。
虽然脉动真空法在抽真空上要多花一些时间,但负压较一次抽真空的预真空法小,因而对真空泵和柜室的密封要求较低,且可防止小装量效应的出现,效果更为可靠。
为此,对蒸汽灭菌柜而言,我国目前推广的主要是脉动真空式灭菌柜。
近期国外文献又报道了一种在脉动真空方式基础上发展出来,被称为“动态脉动式”的灭菌方式,这种灭菌方式突破了脉动真空方式的在常压与负压之间的脉动方式,在负压与正压之间反复进行增压减压,达到进一步增强蒸汽浸透性的目的。
这种动态脉动方式比脉动真空方式更具有升温速度快,灭菌彻底并可进一步缩短灭菌周期,预计将来动态脉动方式的蒸汽灭菌设备将会成为蒸汽灭菌的主流产品。
另一种趋势是向小型快速方向发展。
为适应口腔科器械和其它手术器械快速灭菌的需要,国外许多公司推出了小型快速蒸汽灭菌器。
这种灭菌器多采用高温高压的方式,使灭菌仓的温度可达121~134℃。
一般容积在10升左右的,灭菌仅需6~9分钟,可满足大部分临床的需要。
1.2高压蒸汽灭菌自动控制器的研究内容和意义
压力蒸汽灭菌是一种可靠、经济、快速、不遗留毒性和使用安全的灭菌方法。
灭菌介质是由纯净水产生的高压饱和蒸汽,饱和蒸汽遇冷快速凝聚,释放出大量的热能使物品温度上升,冷凝的同时,体积急剧收缩,产生局部负压,使随后的蒸汽穿透到物品深处。
灭菌效果取决于三个因素:
时间、温度和蒸汽纯度。
因此,本课题要求设计一个高压蒸汽灭菌自动控制系统,实现对饱和蒸汽的温度、压力、灭菌时间和底部的水位实时监控。
本系统设计的是一个基于单片机的高压蒸汽灭菌自动控制系统,采用单片机为系统的控制核心,对饱和蒸汽的温度、压力、灭菌时间和底部的水位实时监控。
利用温度传感器及信号处理单元将检测到的温度进行处理后传到主控电路上,再经过主控电路处理之后送到显示单元显示同时与给定的温度值进行比较,从而达到对温度的实时监控。
利用压力传感器及信号处理单元将检测到的压力进行处理后传到主控电路上,再经过主控电路处理之后送到显示单元显示同时与给定的压力值进行比较,从而达到对压力的实时监控。
利用单片机的软件部分实现时间的计时。
当预定的杀菌时间到,便停止杀菌,进行减压排气排水。
利用液位传感器及信号处理单元将检测到的压力进行处理后传到主控电路上,再经过主控电路处理之后送到显示单元显示同时与给定的液位值进行比较,从而达到对液位的实时监控。
高压蒸汽灭菌自动控制系统的优点是没有酸性气体、重金属等有毒有害物质产生。
利用温度进行灭菌、消毒或防腐,是最常用而又方便有效的方法。
高温可使微生物细胞内的蛋白质和酶类发生变性而失活,从而起灭菌作用。
由于水分的存在有利于蛋白质凝固,在热作用的局部环境中,水分愈多或温度愈高,蛋白质凝固所需温度愈低,凝固速度愈快,对微生物的杀灭效果也愈好。
另外,蒸汽和水传导热能的效率比空气高,其次蒸汽冷凝式放出大量的潜热,可使物体迅速加热,即热的穿透性好。
自动化程度高且实时显示蒸汽温度、压力、液位和剩余杀菌时间,具有一定的准确性和安全性;可以有效杀灭细菌和各类病菌、病毒;工程造价较低、运行维护简单、运行费用低,是一种简便、可靠、经济、快速的灭菌方法。
第2章系统的方案论证
2.1概述
本设计以51单片机为核心,通过键盘预设温度、压力、液位和杀菌时间,采取PID控制算法调节加热管的输出功率,实时显示蒸汽温度、压力、液位和剩余杀菌时间,当达到预定杀菌时间后停止加热,减压排气排水,测温范围:
0~150℃,额定工作温度126℃,测量精度为±0.5度;测压范围:
0~0.2Mpa,额定工作压力:
0.142Mpa,测量精度为±1;液位测量范围:
0~500mm,测量精度为2mm;控制精度为0.5%。
2.2方案论证
2.2.1单片机的选择方案
方案1:
选择AT89C4051为主控制器,AT89C4051是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C4051是它的一种精简版本。
该单片机还可以在片外扩展4KB程序存储器和4KB的数据存储器,带有15个并行I/O接口。
该单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
方案2:
选择AT89S51为主控制器。
AT89S51是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有如下特点:
40个引脚,4kBytesFlash片内程序存储器,128bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。
此外,AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。
其主要功能特性:
l兼容MCS-51指令系统,4k可反复擦写(>1000次)ISPFlashROM;
l32个双向I/O口,4.5-5.5V工作电压;
l2个16位可编程定时/计数器,时钟频率0-33MHz;
l全双工UART串行中断口线,128x8bit内部RAM;
l2个外部中断源,低功耗空闲和省电模式;
l中断唤醒省电模式,3级加密位;
l看门狗(WDT)电路,软件设置空闲和省电功能;
l灵活的ISP字节和分页编程,双数据寄存器指针;
可以看出AT89S51提供以下标准功能:
4K字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,看门狗(WDT),两个数据指针,两个16位定时器/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟。
同时,AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式何在RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直接到一个硬件复位。
AT89S51引角功能说明:
lVcc:
电源电压;
lGND:
地;
lP0口:
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口,作为输出口用时,每位能驱动8个TTL逻辑门电路,对端口写“1”可作为高阻抗输入端口。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻;
lP1口:
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号校验期间,P1接收低8位地址;
lP2口:
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I。
在访问8位地址的外部数据存储器(如执行:
MOVX@Ri指令)时,P2口线上的内(也即特殊功能寄存器,在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时,P2也接收高位地址和其它控制信号。
);
lP3口:
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
作输入端口时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流I。
P3口除了作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能;
综上所述,由于系统控制方案复杂,数据采集量大,采集的数据和系统控制所需的汇编程序将占用单片机大量内存。
AT89C4051内存不足,引脚有限,不能满足本系统需求。
而AT89S51能够以其自身的所有功能特点承担起本系统的中央处理器的责任。
所以选择方案2。
2.2.2温度传感器的选择
温度是该系统的主要控制量。
对温度的控制不仅影响到系统能耗,而且直接影响灭菌质量。
只有系统温度得到稳定控制到达灭菌要求温度时,才能开始灭菌计时,若计时后温度控制得不好使某一时间内系统温度低于灭菌要求温度,则灭菌计时就必须重新开始。
方案1:
选择pt100为本系统的温度传感器,pt100是铂热电阻,它的阻值会随着温度的变化而改变。
pt后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆,在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。
Pt100的工作温度范围:
-200°C至+850°C。
它的工作原理:
当pt100在0摄氏度的时候它的阻值为100欧姆,它的阻值会随着温度上升成匀速增涨的。
它可以应用在医疗、电机、工业、温度计算、阻值计算等高精温度设备。
金属铂具有电阻温度系数大,感应灵敏;电阻率高,元件尺寸小;电阻值随温度变化而变化基本呈线性关系;在测温范围内,物理、化学性能稳定,测量精度高,是目前公认制造热
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 高压 蒸汽 灭菌 自动控制系统 设计