摘 要： 利用ARM實現了人機交互式脈動真空滅菌控制系統的設計，給出了系統的實現原理、硬件組成及相關的軟件設計。針對實際醫用滅菌高效、可靠、方便等需求，該系統選擇以ARM為主控制器;同時，結合人機界面可以將不同的滅菌參數作為數據庫存儲起來，滿足多種類滅菌的實時選擇。實驗及測試結果表明該系統不僅功能齊全、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。

　　關鍵詞： 電子信息類論文刊物,脈動真空,人機界面,ARM,滅菌器

　　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

　　滅菌器是保護人類生命健康的重要設備，隨著人們對醫療器械殺菌消毒的日益重視，研發高性能的醫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碼管顯示[2]，能實現簡單的溫控。基于單片機的脈動真空滅菌器即近年國內適用較多的一種先進滅菌設備[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，經過一段時間的保溫從而達到滅菌的目的[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參數，而實際醫用滅菌器，針對不同的器械消毒，需要設置不同的滅菌參數，使用起來還是不方便;于是基于ARM的第三代滅菌器應運而生，這種滅菌器不僅能夠實現精密溫控，而且操作更靈活更簡潔。

　　根據脈動真空器的基本結構、工作原理并結合其發展方向，提出了以ARM為核心控制器、結合人機交互界面(Human Machine Interface，HMI)的脈動真空滅菌器，通過對滅菌的主要工藝參數：溫度、壓力和時間的精確控制，可對敷料包、器械、紗布、醫用手套等進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，該系統采用交互式人機界面將這些參數作為配方數據庫存儲，使用時無需手動設置滅菌參數，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技術要求，具有廣闊的實際應用前景。

　　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，采用機械強制脈動真空的空氣排除方式，經過多次抽真空和多次注入高溫蒸汽交替作用，使滅菌室達到一定的真空度后，再充入飽和蒸汽，達到設定壓力和溫度，實現對滅菌物進行滅菌的目的[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室空氣強制排出的過程。室內壓強設置上、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，如此重復多次。因為這個過程壓力是反復上升下降的，波形為鋸齒狀，故稱為脈動;脈動結束后，內室冷空氣基本被排出，通過蒸發器向內室注入飽和蒸汽，內室壓強和溫度不斷上升，直到達到設定壓強和溫度;當內室溫度達到設定滅菌溫度后開始滅菌計時，在一定時間內進行恒溫滅菌;滅菌結束后先將內室蒸汽排除，內室壓強下降到25 kPa時啟動真空泵開始干燥直至結束。干燥結束后，排氣閥打開以平衡室內外壓強，當室內外壓力達到正負5 kPa之內后，閉鎖接送解鎖電磁鐵打開即可去除消毒物品。 　　2 控制系統硬件設計

　　2.1 系統總體結構

　　脈動真空滅菌器智能控制系統主要由5個部分組成：ARM主控系統、數據采集系統、開關量輸入/輸出系統、人機交互系統和輸出控制系統。數據采集系統將腔體、蒸發器溫度及腔內溫度和壓力信號通過A/D轉換成數字信號輸入到ARM，同時，開關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，結合HMI能實現很好的人機交互。本系統中ARM型號為ST公司的STM32，此款CPU為Cortex?M3架構，該處理器具有低功耗、低成本、高性能等優勢，性價比很高。硬件系統框圖如圖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，為了實現信號的高精度采集，本系統選用了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換，該芯片還具有AD濾波功能，對溫度壓力信號的穩定性很有幫助，因此符合該系統高精度的設計要求。內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產生一個電壓供AD7792采樣。PT100的阻值隨溫度的變化發生變化，故1 mA恒定電流流過PT100時，其電壓隨之發生線性變化，即可實現溫度采集供AD7792轉換。

　　圖2 ARM控制系統框圖

　　2.3 人機交互電路

　　采用人機界面是本設計的另一大特色，本系統使用的HMI型號為FE2070，其CPU是三星公司的ARM9，芯片為S3C2416。HMI與控制器之間的聯接非常簡單，僅一根RS 232交叉線即可實現，但與傳統的液晶顯示相比，HMI具有更大的優勢和應用前景。對于滅菌控制系統，由于不同材料器械需要設定的滅菌參數會有差異，因此可以將對應的滅菌參數資料存儲到HMI數據庫中，使用時只需選則對應的材料器械，滅菌參數即可立即顯示在屏幕上，同時實現參數的自動設置，無需人工設定，更可避免手動設定時出錯的可能性，而且數據參數可以通過HMI轉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，還可以定義報警產生條件，過流、溫度過度或壓力超過臨界值時系統會產生警報，更加符合現代電子設備高效、智能、安全的要求。

　　3 控制系統軟件設計及測試結果

　　3.1 系統主程序設計

　　滅菌系統的軟件主程序見圖4，開始滅菌后系統首先按照設定值進行真空脈動，該過程完成后控制系統開始注入飽和蒸汽，升溫升壓，當內室溫度達到設定值時，轉入TASK2進行恒溫滅菌階段。滅菌完成后進入排氣干燥階段，干燥完成后主程序結束。

　　圖4 系統軟件主程序

　　3.2 界面設計及結果

　　滅菌設計的HMI界面設計除了要考慮合理性外還要注重易操作性，如果對使用者進行簡單的培訓即能上手操作，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，設計可以選擇不同的滅菌對象，系統認存儲的有多組針對該滅菌對象的滅菌參數，在不損壞滅菌對象的前提下可以達到最好的滅菌效果。主操作界面如圖5所示。

　　4 結 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，該系統同時集成了人機界面，實現了滅菌控制的高性能、人性化和智能化。利用該系統實現的滅菌器性能穩定、結構緊湊、功能強大、A/D轉換速率快、采集效率高，并且操作簡單，抗干擾能力強，具有很好的市場應用優勢。

　　圖5 滅菌控制界面

　　參考文獻

　　[1] 陳為，馬興錄，胡剛.基于AT89C55的脈動真空滅菌器[J].青島科技大學學報，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計[J].科技創業家，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[J].醫療裝備，2013，26(2)：79?81.