基于ARM和HMI的脈動真空滅菌控制系統(tǒng)的設(shè)計

楊玲玲+黎楊梅+夏淵

摘 要： 利用ARM實現(xiàn)了人機交互式脈動真空滅菌控制系統(tǒng)的設(shè)計，給出了系統(tǒng)的實現(xiàn)原理、硬件組成及相關(guān)的軟件設(shè)計。針對實際醫(yī)用滅菌高效、可靠、方便等需求，該系統(tǒng)選擇以ARM為主控制器；同時，結(jié)合人機界面可以將不同的滅菌參數(shù)作為數(shù)據(jù)庫存儲起來，滿足多種類滅菌的實時選擇。實驗及測試結(jié)果表明該系統(tǒng)不僅功能齊全、方便實用，而且控制精度很高，自動化程度強，操作更加人性化。

關(guān)鍵詞： 脈動真空； 人機界面； ARM； 滅菌器

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）22?0095?03

Design of pulsating vacuum sterilizer control system based on ARM and HMI

YANG Ling?ling1， 2， LI Yang?mei2， XIA Yuan3

（1.School of Optical and Electronic Information， HUST， Wuhan 430074， China；

2. Wuhan Vocational College of Software and Engineering， Wuhan 430205， China； 3. Wuhan Oplink Communications Co.， Ltd， Wuhan 430074， China）

Abstract： A pulsating vacuum sterilizer control system based on ARM was designed. Principle， hardware composition and software design of the system are all given in detail. To meet the actual medical sterilization demand of efficiency， reliability and convenience， ARM was selected as the master controller of the system. In combination with human?computer interface， different sterilization parameters can be stored as a database， so as to meet the real?time choices of various type sterilization. Experimental and testing results show that the system not only has the advantages of full functions and convenient application， but also has high accuracy， high automation and great humanization operation.

Keywords： pulsating vacuum； human?computer interface； ARM； sterilizer

滅菌器是保護(hù)人類生命健康的重要設(shè)備，隨著人們對醫(yī)療器械殺菌消毒的日益重視，研發(fā)高性能的醫(yī)用滅菌器具有十分重大的意義。第一代滅菌器一般是使用沸水煮或高壓鍋，通過手工消毒進(jìn)行操作的，存在燃料需量大、蒸鍋笨重、溫度難控制且需要專人實時值守等缺點，更不利的是這種方式消毒質(zhì)量很差[1]，對塑料制品和紗布等不太適用；第二代滅菌器多為單片機控制和數(shù)碼管顯示[2]，能實現(xiàn)簡單的溫控。基于單片機的脈動真空滅菌器即近年國內(nèi)適用較多的一種先進(jìn)滅菌設(shè)備[3]，它是利用飽和蒸汽在冷凝時釋放出大量潛熱的物理特性，使待滅菌的物品處于高溫和潮濕的狀態(tài)，經(jīng)過一段時間的保溫從而達(dá)到滅菌的目的[4]。但這種滅菌器多采用的是51系列單片機控制，使用字符液晶顯示和按鍵輸入?yún)?shù)，而實際醫(yī)用滅菌器，針對不同的器械消毒，需要設(shè)置不同的滅菌參數(shù)，使用起來還是不方便；于是基于ARM的第三代滅菌器應(yīng)運而生，這種滅菌器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)精密溫控，而且操作更靈活更簡潔。

根據(jù)脈動真空器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理并結(jié)合其發(fā)展方向，提出了以ARM為核心控制器、結(jié)合人機交互界面（Human Machine Interface，HMI）的脈動真空滅菌器，通過對滅菌的主要工藝參數(shù)：溫度、壓力和時間的精確控制，可對敷料包、器械、紗布、醫(yī)用手套等進(jìn)行快速徹底滅菌及干燥；同時，由于不同器械消毒需要的不同滅菌參數(shù)，該系統(tǒng)采用交互式人機界面將這些參數(shù)作為配方數(shù)據(jù)庫存儲，使用時無需手動設(shè)置滅菌參數(shù)，只需在屏幕上的下拉菜單選擇即可。不僅操作方便，而且降低了對操作人員的專業(yè)技術(shù)要求，具有廣闊的實際應(yīng)用前景。

1 脈動真空控制滅菌原理

脈動真空滅菌器是以飽和水蒸汽作為滅菌介質(zhì)，采用機械強制脈動真空的空氣排除方式，經(jīng)過多次抽真空和多次注入高溫蒸汽交替作用，使滅菌室達(dá)到一定的真空度后，再充入飽和蒸汽，達(dá)到設(shè)定壓力和溫度，實現(xiàn)對滅菌物進(jìn)行滅菌的目的[5]。一個完整的工作流程包括：脈動真空、升溫升壓、恒溫滅菌、真空排氣、干燥結(jié)束等5個過程，工作示意圖如圖1所示。

圖1 脈動真空滅菌工作示意圖

脈動真空是用真空泵將內(nèi)室空氣強制排出的過程。室內(nèi)壓強設(shè)置上、下限，抽空到下限后注入飽和蒸汽，壓強上升到上限后再抽空，如此重復(fù)多次。因為這個過程壓力是反復(fù)上升下降的，波形為鋸齒狀，故稱為脈動；脈動結(jié)束后，內(nèi)室冷空氣基本被排出，通過蒸發(fā)器向內(nèi)室注入飽和蒸汽，內(nèi)室壓強和溫度不斷上升，直到達(dá)到設(shè)定壓強和溫度；當(dāng)內(nèi)室溫度達(dá)到設(shè)定滅菌溫度后開始滅菌計時，在一定時間內(nèi)進(jìn)行恒溫滅菌；滅菌結(jié)束后先將內(nèi)室蒸汽排除，內(nèi)室壓強下降到25 kPa時啟動真空泵開始干燥直至結(jié)束。干燥結(jié)束后，排氣閥打開以平衡室內(nèi)外壓強，當(dāng)室內(nèi)外壓力達(dá)到正負(fù)5 kPa之內(nèi)后，閉鎖接送解鎖電磁鐵打開即可去除消毒物品。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

脈動真空滅菌器智能控制系統(tǒng)主要由5個部分組成：ARM主控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)和輸出控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將腔體、蒸發(fā)器溫度及腔內(nèi)溫度和壓力信號通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入到ARM，同時，開關(guān)量信號通過光電耦合傳輸給ARM。ARM輸出用于控制滅菌器加熱 和水閥、氣閥等操作。此外，結(jié)合HMI能實現(xiàn)很好的人機交互。本系統(tǒng)中ARM型號為ST公司的STM32，此款CPU為Cortex?M3架構(gòu)，該處理器具有低功耗、低成本、高性能等優(yōu)勢，性價比很高。硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.2 溫度壓力采集電路

溫度壓力采集電路如圖3所示，為了實現(xiàn)信號的高精度采集，本系統(tǒng)選用了16位的AD7792芯片，非常適合低功耗、低噪聲的溫度和壓力信號采集轉(zhuǎn)換，該芯片還具有AD濾波功能，對溫度壓力信號的穩(wěn)定性很有幫助，因此符合該系統(tǒng)高精度的設(shè)計要求。內(nèi)室和鍋壁測溫使用的是PT100，該器件有跟高的測溫精度。滅菌室內(nèi)溫度和鍋壁溫度信號接入AD7792的模擬輸入通道，同時AD7792的恒流輸出Iout（1 mA）流過PT100產(chǎn)生一個電壓供AD7792采樣。PT100的阻值隨溫度的變化發(fā)生變化，故1 mA恒定電流流過PT100時，其電壓隨之發(fā)生線性變化，即可實現(xiàn)溫度采集供AD7792轉(zhuǎn)換。

圖2 ARM控制系統(tǒng)框圖

2.3 人機交互電路

采用人機界面是本設(shè)計的另一大特色，本系統(tǒng)使用的HMI型號為FE2070，其CPU是三星公司的ARM9，芯片為S3C2416。HMI與控制器之間的聯(lián)接非常簡單，僅一根RS 232交叉線即可實現(xiàn)，但與傳統(tǒng)的液晶顯示相比，HMI具有更大的優(yōu)勢和應(yīng)用前景。對于滅菌控制系統(tǒng)，由于不同材料器械需要設(shè)定的滅菌參數(shù)會有差異，因此可以將對應(yīng)的滅菌參數(shù)資料存儲到HMI數(shù)據(jù)庫中，使用時只需選則對應(yīng)的材料器械，滅菌參數(shù)即可立即顯示在屏幕上，同時實現(xiàn)參數(shù)的自動設(shè)置，無需人工設(shè)定，更可避免手動設(shè)定時出錯的可能性，而且數(shù)據(jù)參數(shù)可以通過HMI轉(zhuǎn)換成表格打印出來以備存檔或查詢。除此之外，操作者能夠透過HMI的圖形接口直接控制滅菌機臺等裝置，還可以定義報警產(chǎn)生條件，過流、溫度過度或壓力超過臨界值時系統(tǒng)會產(chǎn)生警報，更加符合現(xiàn)代電子設(shè)備高效、智能、安全的要求。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計及測試結(jié)果

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

滅菌系統(tǒng)的軟件主程序見圖4，開始滅菌后系統(tǒng)首先按照設(shè)定值進(jìn)行真空脈動，該過程完成后控制系統(tǒng)開始注入飽和蒸汽，升溫升壓，當(dāng)內(nèi)室溫度達(dá)到設(shè)定值時，轉(zhuǎn)入TASK2進(jìn)行恒溫滅菌階段。滅菌完成后進(jìn)入排氣干燥階段，干燥完成后主程序結(jié)束。

圖4 系統(tǒng)軟件主程序

3.2 界面設(shè)計及結(jié)果

滅菌設(shè)計的HMI界面設(shè)計除了要考慮合理性外還要注重易操作性，如果對使用者進(jìn)行簡單的培訓(xùn)即能上手操作，不僅可以降低用工成本而且可以大大提高操作效率。因此，在觸摸屏上，設(shè)計可以選擇不同的滅菌對象，系統(tǒng)認(rèn)存儲的有多組針對該滅菌對象的滅菌參數(shù)，在不損壞滅菌對象的前提下可以達(dá)到最好的滅菌效果。主操作界面如圖5所示。

4 結(jié) 語

本文介紹了一種以STM32為主控芯片的脈動真空滅菌控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時集成了人機界面，實現(xiàn)了滅菌控制的高性能、人性化和智能化。利用該系統(tǒng)實現(xiàn)的滅菌器性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、功能強大、A/D轉(zhuǎn)換速率快、采集效率高，并且操作簡單，抗干擾能力強，具有很好的市場應(yīng)用優(yōu)勢。

圖5 滅菌控制界面

參考文獻(xiàn)

[1] 陳為，馬興錄，胡剛.基于AT89C55的脈動真空滅菌器[J].青島科技大學(xué)學(xué)報，2006，27（3）：264?267.

[2] 邱利峰.基于單片機的脈動真空滅菌器控制器的設(shè)計[J].科技創(chuàng)業(yè)家，2011（4）：136?137.

[3] 周濤.淺談脈動真空滅菌器[J].機電信息，2011（14）：21?24.

[4] 馮春.脈動真空滅菌器的工作原理及維修保養(yǎng)[J].醫(yī)療裝備，2013，26（2）：79?81.

[5] 張素文，賈曉艷.脈動真空滅菌器的工作原理與常見故障分析[J].醫(yī)療裝備，2012，25（2）：66?67.

[6] 楊玲玲，丁馳竹，夏淵.基于ARM的激光電源控制系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（20）：159?162.

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

脈動真空滅菌器智能控制系統(tǒng)主要由5個部分組成：ARM主控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)和輸出控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將腔體、蒸發(fā)器溫度及腔內(nèi)溫度和壓力信號通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入到ARM，同時，開關(guān)量信號通過光電耦合傳輸給ARM。ARM輸出用于控制滅菌器加熱 和水閥、氣閥等操作。此外，結(jié)合HMI能實現(xiàn)很好的人機交互。本系統(tǒng)中ARM型號為ST公司的STM32，此款CPU為Cortex?M3架構(gòu)，該處理器具有低功耗、低成本、高性能等優(yōu)勢，性價比很高。硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.2 溫度壓力采集電路

溫度壓力采集電路如圖3所示，為了實現(xiàn)信號的高精度采集，本系統(tǒng)選用了16位的AD7792芯片，非常適合低功耗、低噪聲的溫度和壓力信號采集轉(zhuǎn)換，該芯片還具有AD濾波功能，對溫度壓力信號的穩(wěn)定性很有幫助，因此符合該系統(tǒng)高精度的設(shè)計要求。內(nèi)室和鍋壁測溫使用的是PT100，該器件有跟高的測溫精度。滅菌室內(nèi)溫度和鍋壁溫度信號接入AD7792的模擬輸入通道，同時AD7792的恒流輸出Iout（1 mA）流過PT100產(chǎn)生一個電壓供AD7792采樣。PT100的阻值隨溫度的變化發(fā)生變化，故1 mA恒定電流流過PT100時，其電壓隨之發(fā)生線性變化，即可實現(xiàn)溫度采集供AD7792轉(zhuǎn)換。

圖2 ARM控制系統(tǒng)框圖

2.3 人機交互電路

采用人機界面是本設(shè)計的另一大特色，本系統(tǒng)使用的HMI型號為FE2070，其CPU是三星公司的ARM9，芯片為S3C2416。HMI與控制器之間的聯(lián)接非常簡單，僅一根RS 232交叉線即可實現(xiàn)，但與傳統(tǒng)的液晶顯示相比，HMI具有更大的優(yōu)勢和應(yīng)用前景。對于滅菌控制系統(tǒng)，由于不同材料器械需要設(shè)定的滅菌參數(shù)會有差異，因此可以將對應(yīng)的滅菌參數(shù)資料存儲到HMI數(shù)據(jù)庫中，使用時只需選則對應(yīng)的材料器械，滅菌參數(shù)即可立即顯示在屏幕上，同時實現(xiàn)參數(shù)的自動設(shè)置，無需人工設(shè)定，更可避免手動設(shè)定時出錯的可能性，而且數(shù)據(jù)參數(shù)可以通過HMI轉(zhuǎn)換成表格打印出來以備存檔或查詢。除此之外，操作者能夠透過HMI的圖形接口直接控制滅菌機臺等裝置，還可以定義報警產(chǎn)生條件，過流、溫度過度或壓力超過臨界值時系統(tǒng)會產(chǎn)生警報，更加符合現(xiàn)代電子設(shè)備高效、智能、安全的要求。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計及測試結(jié)果

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

滅菌系統(tǒng)的軟件主程序見圖4，開始滅菌后系統(tǒng)首先按照設(shè)定值進(jìn)行真空脈動，該過程完成后控制系統(tǒng)開始注入飽和蒸汽，升溫升壓，當(dāng)內(nèi)室溫度達(dá)到設(shè)定值時，轉(zhuǎn)入TASK2進(jìn)行恒溫滅菌階段。滅菌完成后進(jìn)入排氣干燥階段，干燥完成后主程序結(jié)束。

圖4 系統(tǒng)軟件主程序

3.2 界面設(shè)計及結(jié)果

滅菌設(shè)計的HMI界面設(shè)計除了要考慮合理性外還要注重易操作性，如果對使用者進(jìn)行簡單的培訓(xùn)即能上手操作，不僅可以降低用工成本而且可以大大提高操作效率。因此，在觸摸屏上，設(shè)計可以選擇不同的滅菌對象，系統(tǒng)認(rèn)存儲的有多組針對該滅菌對象的滅菌參數(shù)，在不損壞滅菌對象的前提下可以達(dá)到最好的滅菌效果。主操作界面如圖5所示。

4 結(jié) 語

本文介紹了一種以STM32為主控芯片的脈動真空滅菌控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時集成了人機界面，實現(xiàn)了滅菌控制的高性能、人性化和智能化。利用該系統(tǒng)實現(xiàn)的滅菌器性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、功能強大、A/D轉(zhuǎn)換速率快、采集效率高，并且操作簡單，抗干擾能力強，具有很好的市場應(yīng)用優(yōu)勢。

圖5 滅菌控制界面

參考文獻(xiàn)

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[6] 楊玲玲，丁馳竹，夏淵.基于ARM的激光電源控制系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（20）：159?162.

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

脈動真空滅菌器智能控制系統(tǒng)主要由5個部分組成：ARM主控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)和輸出控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將腔體、蒸發(fā)器溫度及腔內(nèi)溫度和壓力信號通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入到ARM，同時，開關(guān)量信號通過光電耦合傳輸給ARM。ARM輸出用于控制滅菌器加熱 和水閥、氣閥等操作。此外，結(jié)合HMI能實現(xiàn)很好的人機交互。本系統(tǒng)中ARM型號為ST公司的STM32，此款CPU為Cortex?M3架構(gòu)，該處理器具有低功耗、低成本、高性能等優(yōu)勢，性價比很高。硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.2 溫度壓力采集電路

溫度壓力采集電路如圖3所示，為了實現(xiàn)信號的高精度采集，本系統(tǒng)選用了16位的AD7792芯片，非常適合低功耗、低噪聲的溫度和壓力信號采集轉(zhuǎn)換，該芯片還具有AD濾波功能，對溫度壓力信號的穩(wěn)定性很有幫助，因此符合該系統(tǒng)高精度的設(shè)計要求。內(nèi)室和鍋壁測溫使用的是PT100，該器件有跟高的測溫精度。滅菌室內(nèi)溫度和鍋壁溫度信號接入AD7792的模擬輸入通道，同時AD7792的恒流輸出Iout（1 mA）流過PT100產(chǎn)生一個電壓供AD7792采樣。PT100的阻值隨溫度的變化發(fā)生變化，故1 mA恒定電流流過PT100時，其電壓隨之發(fā)生線性變化，即可實現(xiàn)溫度采集供AD7792轉(zhuǎn)換。

圖2 ARM控制系統(tǒng)框圖

2.3 人機交互電路

采用人機界面是本設(shè)計的另一大特色，本系統(tǒng)使用的HMI型號為FE2070，其CPU是三星公司的ARM9，芯片為S3C2416。HMI與控制器之間的聯(lián)接非常簡單，僅一根RS 232交叉線即可實現(xiàn)，但與傳統(tǒng)的液晶顯示相比，HMI具有更大的優(yōu)勢和應(yīng)用前景。對于滅菌控制系統(tǒng)，由于不同材料器械需要設(shè)定的滅菌參數(shù)會有差異，因此可以將對應(yīng)的滅菌參數(shù)資料存儲到HMI數(shù)據(jù)庫中，使用時只需選則對應(yīng)的材料器械，滅菌參數(shù)即可立即顯示在屏幕上，同時實現(xiàn)參數(shù)的自動設(shè)置，無需人工設(shè)定，更可避免手動設(shè)定時出錯的可能性，而且數(shù)據(jù)參數(shù)可以通過HMI轉(zhuǎn)換成表格打印出來以備存檔或查詢。除此之外，操作者能夠透過HMI的圖形接口直接控制滅菌機臺等裝置，還可以定義報警產(chǎn)生條件，過流、溫度過度或壓力超過臨界值時系統(tǒng)會產(chǎn)生警報，更加符合現(xiàn)代電子設(shè)備高效、智能、安全的要求。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計及測試結(jié)果

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

滅菌系統(tǒng)的軟件主程序見圖4，開始滅菌后系統(tǒng)首先按照設(shè)定值進(jìn)行真空脈動，該過程完成后控制系統(tǒng)開始注入飽和蒸汽，升溫升壓，當(dāng)內(nèi)室溫度達(dá)到設(shè)定值時，轉(zhuǎn)入TASK2進(jìn)行恒溫滅菌階段。滅菌完成后進(jìn)入排氣干燥階段，干燥完成后主程序結(jié)束。

圖4 系統(tǒng)軟件主程序

3.2 界面設(shè)計及結(jié)果

滅菌設(shè)計的HMI界面設(shè)計除了要考慮合理性外還要注重易操作性，如果對使用者進(jìn)行簡單的培訓(xùn)即能上手操作，不僅可以降低用工成本而且可以大大提高操作效率。因此，在觸摸屏上，設(shè)計可以選擇不同的滅菌對象，系統(tǒng)認(rèn)存儲的有多組針對該滅菌對象的滅菌參數(shù)，在不損壞滅菌對象的前提下可以達(dá)到最好的滅菌效果。主操作界面如圖5所示。

4 結(jié) 語

本文介紹了一種以STM32為主控芯片的脈動真空滅菌控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時集成了人機界面，實現(xiàn)了滅菌控制的高性能、人性化和智能化。利用該系統(tǒng)實現(xiàn)的滅菌器性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、功能強大、A/D轉(zhuǎn)換速率快、采集效率高，并且操作簡單，抗干擾能力強，具有很好的市場應(yīng)用優(yōu)勢。

圖5 滅菌控制界面

參考文獻(xiàn)

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