摘要：在此主要敘述以STC89C52單片機為核心的脈動真空滅菌器控制系統(tǒng)的設計，給出了系統(tǒng)的實現(xiàn)原理、硬件組成及相應的軟件設計。在滅菌過程中，采用Fuzzy—PID混和算法對溫度進行非線性控制。利用該系統(tǒng)的智能化軟件可方便地實現(xiàn)對脈動真空滅菌器的自動化控制。該系統(tǒng)在消毒滅菌的過程中，可以實時顯示參數(shù)和圖形化顯示滅菌過程，還可以儲存所需要的所有參數(shù)及打印等功能，同時還采取了軟、硬件抗干擾措施。實驗表明該系統(tǒng)提高了滅菌器的控制精度，功能齊全且實用性強，可以安全運行，實現(xiàn)了滅菌器的自動化工作過程。
關鍵詞：STC89C52；Fuzzy—PID混和算法；控制精度；滅菌器

    現(xiàn)在人們生活水平提高了，人們更加的關注醫(yī)療滅菌消毒。在90年代中期，國內(nèi)研制了_種新型滅菌設備——脈動真空滅菌系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了先進的脈動真空技術，其滅菌效果良好，因此在醫(yī)院供應室、制藥廠、手術室及科研部門被廣泛應用。目前國內(nèi)外出現(xiàn)了各式各樣滅菌器控制系統(tǒng)，本文根據(jù)這一現(xiàn)狀，開發(fā)了一種由單片機控制的脈動真空滅菌控制器。利用FUZZY—PID混和控制算法，通過控制滅菌溫度、壓力和時間等主要工藝參數(shù)，可以對多種物品進行快速有效地滅菌，例如包裹類、器械類等。該系統(tǒng)上位機視圖監(jiān)控軟件采用VC++6．0來編寫，通過采用串行通信接口，可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控的功能。同時具有實時參數(shù)顯示、消毒滅菌過程參數(shù)存儲及打印等功能。該控制系統(tǒng)符合現(xiàn)
代電子產(chǎn)品自動化、智能化、模塊化、人性化的設計要求且人機界面友好。

1 脈動真空滅菌器基本工作原理
    脈動真空滅菌器是由帶有夾層及密封門的高壓容器，內(nèi)部還有溫度、壓力傳感器及真空閥、進氣閥、真空泵、排汽閥等控制器件組成。根據(jù)內(nèi)部溫度和壓力是否到達設定的溫度和壓力要求來進行各種動作控制。根據(jù)工藝流程要求，該控制系統(tǒng)的工藝流程包括準備階段、脈動真空階段、升溫升壓階段、恒溫滅菌階段、排氣階段、無菌階段等幾個階段，工作流程如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設計
2．1 系統(tǒng)總體設計
    脈動真空滅菌器控制系統(tǒng)主要由5個部分組成：單片機主控系統(tǒng)、開關量輸出／輸入控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和通信及人機交互系統(tǒng)。單片機采用STC89C52，晶振為12 MHz，單片機內(nèi)部的2個16位定時器，一個用于系統(tǒng)的定時，另外一個用于看門狗電路，保證系統(tǒng)正常運行。在核心CPU板上有串行通信接口、開關量輸入接口、繼電器輸出接口等。脈動真空滅菌控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。
2．2 信號采集電路與開關量輸入／輸出電路
    溫度和壓力的采集是由信號采集電路來實現(xiàn)，其中溫度傳感器使用鉑熱電阻，在-259～631℃之間它是標準的校準元件，PT100的阻值隨溫度的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，調(diào)理電路對電壓信號進行放大、變換，輸出0～5 V的標準信號，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換送單片機，完成對溫度的采集。溫度采集電路如圖3所示。

    壓力傳感器采用的電流型傳感器ETL-200-375系列。該產(chǎn)品提供4～20 mA電流輸出，體積小、質(zhì)量輕，適合于安裝空間受限場合。ETL-200-375M系列供電電壓(28±4)V DC。采用美國RURR-BROWN公司生產(chǎn)的精密電流環(huán)接收器芯片RCV420，可將壓力傳感器4～20 mA的電流直接轉(zhuǎn)換成0～5 V的電壓信號，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換送單片機，完成對壓力的采集。壓力采集轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。其中A／D部分采用美國TI公司生產(chǎn)的多通道、低價格的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC1543。它是10位逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，測量范圍為0～5 V。采集的數(shù)字信號，經(jīng)過數(shù)字濾波變換后，通過通信電路傳到PC機上顯示，并且與設定的溫度等參數(shù)進行比較，得到誤差與誤差變化率，可以提供后續(xù)控制的依據(jù)。開關量輸入電路的主要作用是：在滅菌的過程中，用來判斷高溫高壓容器的密封門開關和門限位開關的開與關。開關量輸入電路的主要作用是：控制各個固態(tài)繼電器的通與斷，來控制所有的數(shù)字閥門的通與斷，從而達到控制滅菌器內(nèi)外的溫度和壓力作用。

2．3 通信電路
    該部分電路主要作用是實現(xiàn)對滅菌器的遠程控制與診斷，首先控制系統(tǒng)通過發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)來對滅菌器進行各種控制；在通過上傳的當前的溫度與壓力等各種工藝參數(shù)來實時的反映滅菌的詳細情況。硬件電路使用的芯片是處理器STC89C52和MAX232。因為考慮到通信速度和傳送距離的問題。采用RS 232C標準進行單向數(shù)據(jù)傳輸時，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為20 Kb，最大傳送距離為15 m，滿足不了遠距離的控制。改用RS 485標準傳輸大幅度提高，最大傳輸距離為300 m，降低數(shù)據(jù)傳輸速率，可傳輸?shù)木嚯x可達到1 200 m?；旧蠞M足要求。

3 系統(tǒng)的軟件設計
    該系統(tǒng)的軟件分為2個部分，一部分是C51的單片機程序；另一部分是VC++的上位機程序，采用C語言來進行程序的編寫。其設計思想是：采用劃分程序模塊的方法，先進行各個模塊的設計和調(diào)試，從而使程序更有條理性。采用自上向下的程序設計方式并采用中斷方式和CPU聯(lián)系，使整個系統(tǒng)的模塊化增強。從而提高了系統(tǒng)的可靠性。
3．1 系統(tǒng)的主程序設計
    主程序主要是用于鏈接各模塊程序，圖5為其流程圖。主程序先進行各種初始化：系統(tǒng)初始化和繼電器控制各個信號初始化。首先設置所有初始化為關閉狀態(tài)。完成全部初始化后，單片機在主程序中不斷循環(huán)，在主程序中還要執(zhí)行各種相應的自檢功能?？梢詸z測系統(tǒng)的各種狀態(tài)是否符合設計的要求。

3．2 定時中斷程序設計
    定時中斷程序是整個系統(tǒng)的核心，整個控制都在定時中斷中完成。在整個設計中設置定時中斷100 ms，在中斷中完成溫度和壓力的測量，完成排除真空、升溫、恒溫滅菌、排空氣、干燥、結(jié)束等滅菌過程。其中排除真空主要是使滅菌器內(nèi)部盡量是真空狀態(tài)，可以根據(jù)需要設置脈動次數(shù)；蒸汽通過進汽閥門進入，從而使滅菌器內(nèi)的溫度慢慢上升，在溫度上升的過程中，使用模糊控制算法，當溫度升到132℃，開始采用PID控制算法。
    進入恒溫滅菌階段，滅菌時間6～20 min自行設置，但不宜過長。達到恒溫時間后自動轉(zhuǎn)入干燥過程。干燥過程結(jié)束后，打開進汽閥門，直到滅菌過程全部結(jié)束。定時中斷流程圖如圖6所示。

3．3 滅菌控制系統(tǒng)上位機監(jiān)控程序設計
    上位機實時監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用Visual C++開發(fā)，主要用于各控制點的壓力和溫度的采集，并對采集到的溫度和壓力參數(shù)進行動態(tài)顯示，還有各種數(shù)據(jù)信息的修改，打印以及歷史數(shù)據(jù)的查詢等等。使用VC++建立PC機和單片機可靠的串行通信，是保證數(shù)據(jù)傳送的及時性和正確性的關鍵。VC++強大的數(shù)據(jù)庫功能和API函數(shù)很好地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫的實時操作和實時數(shù)據(jù)曲線的生成。

4 FUZZY—PID混和控制算法
    整個工作中的關鍵環(huán)節(jié)是滅菌器升溫和恒溫滅菌階段。在這個階段中，溫度上升的速度直接影響滅菌器室內(nèi)滅菌的效率，如當溫度達到設定值時，要求滅菌的物品內(nèi)部卻達不到所需要滅菌的要求；此外超熱的蒸汽溫度雖然很高，但是當蒸汽遇到所要消毒的物品時，卻不能凝結(jié)成水珠，潛伏熱不能得到合理釋放，對滅菌非常不利。在滅菌過程中，為了保證滅菌系統(tǒng)的滅菌效果和提高滅菌的效率，本文采用FUZZY—PID混和控制方法來控制溫度的變化。當滅菌器內(nèi)的溫度與設定值出現(xiàn)偏差時，這時使用模糊控制方法，從而使溫度理想的上升；當溫度在偏差內(nèi)時，則PID控制自動切換，從而得到高精度的溫度控制。模糊PID混和控制器結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

5 結(jié)語
    本文介紹了一種可靠性高的滅菌器控制系統(tǒng)，其滅菌過程是全自動化的。該系統(tǒng)可以根據(jù)用戶不同的滅菌要求來靈活的設置滅菌器的各種工作參數(shù)，使滅菌器的應用得到大大的擴展。在滅菌消毒過程中，本文使用了先進的控制理論方法，使溫度上升的過程得到優(yōu)化，從而使滅菌過程的壓力、溫度和時間得到精確控制，使滅菌設率得到大大的提高，因此具有很高的性價比。