具有臭氧消毒功能的水銀體溫計甩降器的研制

詹寧波，陳愛華，楊樹欣，高磊，田林懷

中國人民解放軍第三○二醫(yī)院，北京100039

具有臭氧消毒功能的水銀體溫計甩降器的研制

詹寧波，陳愛華，楊樹欣，高磊，田林懷

中國人民解放軍第三○二醫(yī)院，北京100039

本文闡述了一種具有臭氧消毒功能的水銀體溫計甩降器的系統(tǒng)架構(gòu)、硬件及軟件設(shè)計過程和實驗驗證過程。該裝置由人機界面、系統(tǒng)控制器、自動甩表機構(gòu)、自動消毒機構(gòu)和電源管理模塊構(gòu)成，能夠迅速將水銀柱甩降到初始位置，并對體溫計進(jìn)行自動臭氧消毒，從而能夠減輕醫(yī)務(wù)人員的工作強度，提高其工作效率。

水銀體溫計；甩降器；臭氧消毒；單片機

水銀體溫計廣泛應(yīng)用于體溫測量，使用前必須將其汞柱甩降至 35 ℃位置以下，同時還必須對其進(jìn)行消毒。人工甩降方法費時費力，在病人較多的情況下效率較低，不僅會加重醫(yī)護(hù)人員的工作強度，降低工作效率，還容易導(dǎo)致體溫計破損[1-2]。

目前，市場上涌現(xiàn)出了大量具有自動甩降功能的水銀體溫計甩降器，多通過離心機對體溫計進(jìn)行高速離心甩降，可在短時間內(nèi)將汞柱甩降至初始位置。但是絕大多數(shù)甩降器不具備自動消毒功能，水銀體溫計在甩降后還需進(jìn)行回收消毒，在醫(yī)務(wù)人員工作強度較大的情況下，容易出現(xiàn)漏消毒以及消毒不完全的情況[3]。

針對上述問題，筆者研制了一種具有臭氧消毒功能的水銀體溫計甩降器，能夠迅速將水銀柱甩降到初始位置，并對體溫計進(jìn)行自動臭氧消毒，以提高體溫計的甩降和消毒效率，減輕醫(yī)務(wù)人員的工作強度。

1 總體設(shè)計

水銀體溫計甩降器主要人機界面、系統(tǒng)控制器、自動甩表機構(gòu)、自動消毒機構(gòu)和電源管理模塊5部分構(gòu)成，可分別實現(xiàn)系統(tǒng)人機交互、電機和消毒機構(gòu)控制驅(qū)動、水銀體溫計甩降、自動消毒和電源管理功能。整體設(shè)計框圖，見圖1。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計框圖

整機結(jié)構(gòu)可分為上、中、下 3 層，見圖 2(a)。上層為控制層，安裝系統(tǒng)控制器和臭氧發(fā)生器；中層為甩降消毒層，使用離心旋轉(zhuǎn)支架鎖緊水銀體溫計離心管，通過臭氧進(jìn)氣口對離心管內(nèi)的水銀體溫計進(jìn)行消毒處理；下層為驅(qū)動層，安裝步進(jìn)電機與離心電機，利用步進(jìn)電機支撐離心電機的升降，以分別完成對甩降消毒層的密封和對旋轉(zhuǎn)軸的釋放。甩降消毒層的離心旋轉(zhuǎn)支架共有6個離心管固定架，每個離心管最多可放置8支水銀體溫計，整機一次可進(jìn)行 48支水銀體溫計的甩降消毒。離心旋轉(zhuǎn)支架結(jié)構(gòu)，見圖 2(b)。

圖2 系統(tǒng)整機結(jié)構(gòu)與離心旋架結(jié)構(gòu)

2 工作原理

水銀體溫計甩降器可以對體溫計進(jìn)行快速的機械甩降復(fù)位，并可以在復(fù)位之后自動進(jìn)行消毒操作。

2.1 甩降復(fù)位

利用離心原理對體溫計進(jìn)行甩降。離心旋轉(zhuǎn)架上共有6 個試管插孔，可以插放試管，然后在試管內(nèi)放入 6～8 支體溫計。甩降器工作時，安裝在旋轉(zhuǎn)架下方的離心電機旋轉(zhuǎn)，帶動旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速可達(dá) 1350 rpm，可以在 3 s 內(nèi)將水銀體溫計汞柱從 42 ℃位置甩降至 35 ℃位置以下。

2.2 臭氧消毒

傳統(tǒng)的滅菌消毒方法，如紫外線、化學(xué)熏蒸法等，都有消毒不徹底、有死角、有殘留污染或有異味等缺點，并可能會損害人體健康。臭氧消毒廣譜、徹底；穩(wěn)定性差，很快會自行分解為氧氣或單個氧原子，不會殘留任何有毒物質(zhì)，是一種無污染消毒劑；能迅速彌漫到整個滅菌空間，滅菌無死角。因此，甩降器采用臭氧消毒方式。

參照醫(yī)用器皿消毒標(biāo)準(zhǔn)（國標(biāo) YY0215.2-95），臭氧消毒濃度應(yīng)該達(dá)到 20 PPM，即每立方米每小時產(chǎn)生臭氧量為50～100 mg，消毒時間為 60 min。

甩降器中的消毒空間為 0.05 m3，臭氧產(chǎn)量為 50 mg/h，即每立方米每小時產(chǎn)生的臭氧量為 1000 mg，可以滿足消毒需要。

2.3 工作模式

系統(tǒng)共有3種工作模式：甩降模式、消毒模式、全模式。甩降模式下，系統(tǒng)只甩降不消毒；消毒模式下，系統(tǒng)只消毒不甩降；全模式下，系統(tǒng)全部完成甩降和消毒工作。

以全模式為例，整個系統(tǒng)工作方式如下：將體溫計放入離心管并關(guān)閉密封艙門后，醫(yī)護(hù)人員通過人機界面設(shè)定工作模式（全模式），并監(jiān)測甩降和消毒時間 ；系統(tǒng)控制器驅(qū)動離心電機完成離心甩降；在完成甩降任務(wù)后，步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動，帶動絲杠將離心電機向上托起，使兩個O型密封圈接觸并壓緊，以阻隔臭氧進(jìn)入電機室損傷電機；在步進(jìn)電機密閉完成后，系統(tǒng)控制器驅(qū)動臭氧發(fā)生器釋放臭氧進(jìn)行消毒。

3 硬件設(shè)計

3.1 整體設(shè)計

該裝置以 C8051F340 單片機為控制核心，驅(qū)動液晶觸摸屏、離心電機、步進(jìn)電機驅(qū)動器和臭氧發(fā)生器進(jìn)行全自動化的甩降消毒操作。硬件設(shè)計框圖，見圖3。C8051F340 單片機是一款完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型單片機，采用 CIP-51 微控制器內(nèi)核，最大系統(tǒng)時鐘頻率可達(dá) 24 MHz；同時具有豐富的外設(shè)，可完全滿足本系統(tǒng)的控制設(shè)計要求。

圖3 硬件設(shè)計框圖

3.2 人機交互模塊

人機交互模塊采用 4.3 寸（480×272 點陣）迪文液晶觸摸屏。迪文液晶屏可采用串口通信方式工作，極大地節(jié)省了單片機的輸入輸出資源，控制方法簡單，工作性能可靠，采用觸摸屏漂移補償技術(shù)，抗干擾能力強[4]。本研究應(yīng)用該液晶觸摸屏設(shè)計的人機交互界面，見圖4。

圖4 人機交互界面

3.3 步進(jìn)電機驅(qū)動器

步進(jìn)電機驅(qū)動采用 M542 步進(jìn)電機驅(qū)動器。該驅(qū)動器采用平均電流控制，兩相正弦電流驅(qū)動輸出，可驅(qū)動兩相和四相步進(jìn)電機，具有過壓、欠壓、過流、相間短路保護(hù)功能，控制接口簡單，操作方便，可靠性強[5]。

3.4 離心電機

離心電機采用 40 W，220 V 高轉(zhuǎn)速（1350 rpm）交流電機。交流電機故障率低、維護(hù)成本低、結(jié)構(gòu)簡單、供電電源方便[6]。

3.5 滾珠螺母機構(gòu)

旋轉(zhuǎn)平臺的上升與下落過程采用步進(jìn)電機帶動滾珠螺母運行進(jìn)行控制。滾珠螺母是一種新型螺旋傳動機構(gòu)，其具有螺旋槽的絲杠與螺母之間裝有中間傳動元件-滾珠。滾珠絲杠螺母機構(gòu)由絲杠、螺母、滾珠、反向器4部分組成。絲杠轉(zhuǎn)動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動，為防止?jié)L珠從滾道端面掉出，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有滾珠回程引導(dǎo)裝置，構(gòu)成滾珠的循環(huán)返回通道，從而形成滾珠流動的閉合通路。滾珠螺母主要用來將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動或?qū)⒅本€運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。

3.6 臭氧發(fā)生器

臭氧產(chǎn)生采用四通公司生產(chǎn)的一體化臭氧發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計合理、統(tǒng)配性強；工作噪聲低、溫升低、氣泵出氣量穩(wěn)定、臭氧發(fā)生效率高；采用氣隙放電生成臭氧技術(shù)，工作穩(wěn)定；臭氧發(fā)生電路、臭氧管及硅膠泵集成一體化；通電后，從排氣口排出具有一定壓力的臭氧氣體；臭氧產(chǎn)生方式為管狀放電，臭氧產(chǎn)量為 50 mg/h，可完全滿足裝備的臭氧消毒要求[7-8]。

4 軟件設(shè)計

該裝置的軟件控制流程圖，見圖5。首先，系統(tǒng)啟動之后進(jìn)行初始化工作，包括端口初始化、定時器初始化、串口初始化和變量初始化；初始化完成之后，進(jìn)行模式選擇，系統(tǒng)辨識“甩降模式”、“消毒模式”和“全模式”中，哪種按鍵被按下；系統(tǒng)完成模式按鍵辨識后，即啟動相應(yīng)模式進(jìn)行工作。進(jìn)入甩降模式后，即進(jìn)行離心甩降，15 s即可完成甩降工作；進(jìn)入消毒模式后，啟動臭氧發(fā)生器消毒 1 h ；進(jìn)入全模式后，先進(jìn)行 15 s 甩降，再進(jìn)行 1 h 消毒。

圖5 軟件控制流程圖

5 實驗驗證

實驗驗證內(nèi)容包括甩降復(fù)位效果和消毒效果的驗證。

（1）甩降復(fù)位效果。分 3 批次使用，每批次滿載 48 支體溫計，均甩降 15 s，所有體溫計的水銀柱全部被甩降到最低點。

（2）消毒效果。實驗材料包括 ：25 支體溫計（臨床科室空氣中暴露處理≥ 24 h）、3M 細(xì)菌培養(yǎng)紙、培養(yǎng)皿。具體設(shè)計方案為：第1組7支體溫計作為本底對照組；第2組9支體溫計經(jīng)全模式處理；第3組9支體溫計在全模式處理前先用自來水進(jìn)行了沖洗（去除有機物對臭氧消毒的影響）。

消毒效果，見表1。3組中，細(xì)菌培養(yǎng)紙上菌落數(shù)遞減，消毒效果良好，達(dá)到了國標(biāo) YY0215.2-95 的要求。

表1 消毒效果對比實驗結(jié)果（個）

6 結(jié)論

筆者研制的水銀體溫計甩降器可在 15 s 內(nèi)一次性完成48 支水銀體溫計的甩降復(fù)位以及臭氧消毒；經(jīng)臭氧消毒后，48 支水銀體溫計均達(dá)到國標(biāo) YY0215.2-95 要求的消毒標(biāo)準(zhǔn)。本裝置可減輕醫(yī)務(wù)人員頻繁手工甩降和批量消毒水銀體溫計的工作強度，提高其工作效率，適用于醫(yī)院門診、急診、各科室病房。實驗證明體溫計表面的殘存有機物對消毒效果影響較大，下一步研究將著力解決有機物的影響，必要時可嘗試復(fù)合消毒方法，如添加紫外線等。

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[4]姚建真．迪文DGUS與Modbus協(xié)議的基本應(yīng)用[J]．電子技術(shù)應(yīng)用,2013,39(1):8-9．

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Development of A Mercury Thermometer Centrifuge with Ozone Disinfection Function

ZHAN Ning-bo, CHEN Ai-hua, YANG Shu-xin, GAO Lei, TIAN Lin-huai
The 302thHospital of PLA, Beijing 100039, China

This paper introduced the system architecture, hardware and software design processes as well as the experimental verif i cation process of a mercury thermometer centrifuge with ozone disinfection function. The centrifuge was composed of human-computer interface, system controller, automatic centrifugal device, automatic disinfection device and power management module. The mercury column of the thermometer can be dropped to the initial position rapidly and the ozone disinfection of the thermometer can be conducted automatically with the application of the centrifuge, thus, the working intensity of medical staff can be alleviated and the work eff i ciency of medical staff can be improved.

mercury thermometer; centrifuge; ozone disinfection; single chip microcomputer

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.08.004

1674-1633(2014)08-0017-03

2014-04-09

解放軍第三○二醫(yī)院院長基金資助項目（2011029）。

本文作者：詹寧波，碩士，工程師。

作者郵箱：zhan7ng@gmail．com