基于ARM和HMI的脉动真空灭菌控制系统的设计

杨玲玲+黎杨梅+夏渊

摘 要： 利用ARM实现了人机交互式脉动真空灭菌控制系统的设计，给出了系统的实现原理、硬件组成及相关的软件设计。针对实际医用灭菌高效、可靠、方便等需求，该系统选择以ARM为主控制器；同时，结合人机界面可以将不同的灭菌参数作为数据库存储起来，满足多种类灭菌的实时选择。实验及测试结果表明该系统不仅功能齐全、方便实用，而且控制精度很高，自动化程度强，操作更加人性化。

关键词： 脉动真空； 人机界面； ARM； 灭菌器

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 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

灭菌器是保护人类生命健康的重要设备，随着人们对医疗器械杀菌消毒的日益重视，研发高性能的医用灭菌器具有十分重大的意义。第一代灭菌器一般是使用沸水煮或高压锅，通过手工消毒进行操作的，存在燃料需量大、蒸锅笨重、温度难控制且需要专人实时值守等缺点，更不利的是这种方式消毒质量很差[1]，对塑料制品和纱布等不太适用；第二代灭菌器多为单片机控制和数码管显示[2]，能实现简单的温控。基于单片机的脉动真空灭菌器即近年国内适用较多的一种先进灭菌设备[3]，它是利用饱和蒸汽在冷凝时释放出大量潜热的物理特性，使待灭菌的物品处于高温和潮湿的状态，经过一段时间的保温从而达到灭菌的目的[4]。但这种灭菌器多采用的是51系列单片机控制，使用字符液晶显示和按键输入参数，而实际医用灭菌器，针对不同的器械消毒，需要设置不同的灭菌参数，使用起来还是不方便；于是基于ARM的第三代灭菌器应运而生，这种灭菌器不仅能够实现精密温控，而且操作更灵活更简洁。

根据脉动真空器的基本结构、工作原理并结合其发展方向，提出了以ARM为核心控制器、结合人机交互界面（Human Machine Interface，HMI）的脉动真空灭菌器，通过对灭菌的主要工艺参数：温度、压力和时间的精确控制，可对敷料包、器械、纱布、医用手套等进行快速彻底灭菌及干燥；同时，由于不同器械消毒需要的不同灭菌参数，该系统采用交互式人机界面将这些参数作为配方数据库存储，使用时无需手动设置灭菌参数，只需在屏幕上的下拉菜单选择即可。不仅操作方便，而且降低了对操作人员的专业技术要求，具有广阔的实际应用前景。

1 脉动真空控制灭菌原理

脉动真空灭菌器是以饱和水蒸汽作为灭菌介质，采用机械强制脉动真空的空气排除方式，经过多次抽真空和多次注入高温蒸汽交替作用，使灭菌室达到一定的真空度后，再充入饱和蒸汽，达到设定压力和温度，实现对灭菌物进行灭菌的目的[5]。一个完整的工作流程包括：脉动真空、升温升压、恒温灭菌、真空排气、干燥结束等5个过程，工作示意图如图1所示。

图1 脉动真空灭菌工作示意图

脉动真空是用真空泵将内室空气强制排出的过程。室内压强设置上、下限，抽空到下限后注入饱和蒸汽，压强上升到上限后再抽空，如此重复多次。因为这个过程压力是反复上升下降的，波形为锯齿状，故称为脉动；脉动结束后，内室冷空气基本被排出，通过蒸发器向内室注入饱和蒸汽，内室压强和温度不断上升，直到达到设定压强和温度；当内室温度达到设定灭菌温度后开始灭菌计时，在一定时间内进行恒温灭菌；灭菌结束后先将内室蒸汽排除，内室压强下降到25 kPa时启动真空泵开始干燥直至结束。干燥结束后，排气阀打开以平衡室内外压强，当室内外压力达到正负5 kPa之内后，闭锁接送解锁电磁铁打开即可去除消毒物品。

2 控制系统硬件设计

2.1 系统总体结构

脉动真空灭菌器智能控制系统主要由5个部分组成：ARM主控系统、数据采集系统、开关量输入/输出系统、人机交互系统和输出控制系统。数据采集系统将腔体、蒸发器温度及腔内温度和压力信号通过A/D转换成数字信号输入到ARM，同时，开关量信号通过光电耦合传输给ARM。ARM输出用于控制灭菌器加热 和水阀、气阀等操作。此外，结合HMI能实现很好的人机交互。本系统中ARM型号为ST公司的STM32，此款CPU为Cortex?M3架构，该处理器具有低功耗、低成本、高性能等优势，性价比很高。硬件系统框图如图2所示。

2.2 温度压力采集电路

温度压力采集电路如图3所示，为了实现信号的高精度采集，本系统选用了16位的AD7792芯片，非常适合低功耗、低噪声的温度和压力信号采集转换，该芯片还具有AD滤波功能，对温度压力信号的稳定性很有帮助，因此符合该系统高精度的设计要求。内室和锅壁测温使用的是PT100，该器件有跟高的测温精度。灭菌室内温度和锅壁温度信号接入AD7792的模拟输入通道，同时AD7792的恒流输出Iout（1 mA）流过PT100产生一个电压供AD7792采样。PT100的阻值随温度的变化发生变化，故1 mA恒定电流流过PT100时，其电压随之发生线性变化，即可实现温度采集供AD7792转换。

图2 ARM控制系统框图

2.3 人机交互电路

采用人机界面是本设计的另一大特色，本系统使用的HMI型号为FE2070，其CPU是三星公司的ARM9，芯片为S3C2416。HMI与控制器之间的联接非常简单，仅一根RS 232交叉线即可实现，但与传统的液晶显示相比，HMI具有更大的优势和应用前景。对于灭菌控制系统，由于不同材料器械需要设定的灭菌参数会有差异，因此可以将对应的灭菌参数资料存储到HMI数据库中，使用时只需选则对应的材料器械，灭菌参数即可立即显示在屏幕上，同时实现参数的自动设置，无需人工设定，更可避免手动设定时出错的可能性，而且数据参数可以通过HMI转换成表格打印出来以备存档或查询。除此之外，操作者能够透过HMI的图形接口直接控制灭菌机台等装置，还可以定义报警产生条件，过流、温度过度或压力超过临界值时系统会产生警报，更加符合现代电子设备高效、智能、安全的要求。

3 控制系统软件设计及测试结果

3.1 系统主程序设计

灭菌系统的软件主程序见图4，开始灭菌后系统首先按照设定值进行真空脉动，该过程完成后控制系统开始注入饱和蒸汽，升温升压，当内室温度达到设定值时，转入TASK2进行恒温灭菌阶段。灭菌完成后进入排气干燥阶段，干燥完成后主程序结束。

图4 系统软件主程序

3.2 界面设计及结果

灭菌设计的HMI界面设计除了要考虑合理性外还要注重易操作性，如果对使用者进行简单的培训即能上手操作，不仅可以降低用工成本而且可以大大提高操作效率。因此，在触摸屏上，设计可以选择不同的灭菌对象，系统认存储的有多组针对该灭菌对象的灭菌参数，在不损坏灭菌对象的前提下可以达到最好的灭菌效果。主操作界面如图5所示。

4 结 语

本文介绍了一种以STM32为主控芯片的脉动真空灭菌控制系统，该系统同时集成了人机界面，实现了灭菌控制的高性能、人性化和智能化。利用该系统实现的灭菌器性能稳定、结构紧凑、功能强大、A/D转换速率快、采集效率高，并且操作简单，抗干扰能力强，具有很好的市场应用优势。

图5 灭菌控制界面

参考文献

[1] 陈为，马兴录，胡刚.基于AT89C55的脉动真空灭菌器[J].青岛科技大学学报，2006，27（3）：264?267.

[2] 邱利峰.基于单片机的脉动真空灭菌器控制器的设计[J].科技创业家，2011（4）：136?137.

[3] 周涛.浅谈脉动真空灭菌器[J].机电信息，2011（14）：21?24.

[4] 冯春.脉动真空灭菌器的工作原理及维修保养[J].医疗装备，2013，26（2）：79?81.

[5] 张素文，贾晓艳.脉动真空灭菌器的工作原理与常见故障分析[J].医疗装备，2012，25（2）：66?67.

[6] 杨玲玲，丁驰竹，夏渊.基于ARM的激光电源控制系统设计[J].现代电子技术，2013，36（20）：159?162.

2 控制系统硬件设计

2.1 系统总体结构

脉动真空灭菌器智能控制系统主要由5个部分组成：ARM主控系统、数据采集系统、开关量输入/输出系统、人机交互系统和输出控制系统。数据采集系统将腔体、蒸发器温度及腔内温度和压力信号通过A/D转换成数字信号输入到ARM，同时，开关量信号通过光电耦合传输给ARM。ARM输出用于控制灭菌器加热 和水阀、气阀等操作。此外，结合HMI能实现很好的人机交互。本系统中ARM型号为ST公司的STM32，此款CPU为Cortex?M3架构，该处理器具有低功耗、低成本、高性能等优势，性价比很高。硬件系统框图如图2所示。

2.2 温度压力采集电路

温度压力采集电路如图3所示，为了实现信号的高精度采集，本系统选用了16位的AD7792芯片，非常适合低功耗、低噪声的温度和压力信号采集转换，该芯片还具有AD滤波功能，对温度压力信号的稳定性很有帮助，因此符合该系统高精度的设计要求。内室和锅壁测温使用的是PT100，该器件有跟高的测温精度。灭菌室内温度和锅壁温度信号接入AD7792的模拟输入通道，同时AD7792的恒流输出Iout（1 mA）流过PT100产生一个电压供AD7792采样。PT100的阻值随温度的变化发生变化，故1 mA恒定电流流过PT100时，其电压随之发生线性变化，即可实现温度采集供AD7792转换。

图2 ARM控制系统框图

2.3 人机交互电路

采用人机界面是本设计的另一大特色，本系统使用的HMI型号为FE2070，其CPU是三星公司的ARM9，芯片为S3C2416。HMI与控制器之间的联接非常简单，仅一根RS 232交叉线即可实现，但与传统的液晶显示相比，HMI具有更大的优势和应用前景。对于灭菌控制系统，由于不同材料器械需要设定的灭菌参数会有差异，因此可以将对应的灭菌参数资料存储到HMI数据库中，使用时只需选则对应的材料器械，灭菌参数即可立即显示在屏幕上，同时实现参数的自动设置，无需人工设定，更可避免手动设定时出错的可能性，而且数据参数可以通过HMI转换成表格打印出来以备存档或查询。除此之外，操作者能够透过HMI的图形接口直接控制灭菌机台等装置，还可以定义报警产生条件，过流、温度过度或压力超过临界值时系统会产生警报，更加符合现代电子设备高效、智能、安全的要求。

3 控制系统软件设计及测试结果

3.1 系统主程序设计

灭菌系统的软件主程序见图4，开始灭菌后系统首先按照设定值进行真空脉动，该过程完成后控制系统开始注入饱和蒸汽，升温升压，当内室温度达到设定值时，转入TASK2进行恒温灭菌阶段。灭菌完成后进入排气干燥阶段，干燥完成后主程序结束。

图4 系统软件主程序

3.2 界面设计及结果

灭菌设计的HMI界面设计除了要考虑合理性外还要注重易操作性，如果对使用者进行简单的培训即能上手操作，不仅可以降低用工成本而且可以大大提高操作效率。因此，在触摸屏上，设计可以选择不同的灭菌对象，系统认存储的有多组针对该灭菌对象的灭菌参数，在不损坏灭菌对象的前提下可以达到最好的灭菌效果。主操作界面如图5所示。

4 结 语

本文介绍了一种以STM32为主控芯片的脉动真空灭菌控制系统，该系统同时集成了人机界面，实现了灭菌控制的高性能、人性化和智能化。利用该系统实现的灭菌器性能稳定、结构紧凑、功能强大、A/D转换速率快、采集效率高，并且操作简单，抗干扰能力强，具有很好的市场应用优势。

图5 灭菌控制界面

参考文献

[1] 陈为，马兴录，胡刚.基于AT89C55的脉动真空灭菌器[J].青岛科技大学学报，2006，27（3）：264?267.

[2] 邱利峰.基于单片机的脉动真空灭菌器控制器的设计[J].科技创业家，2011（4）：136?137.

[3] 周涛.浅谈脉动真空灭菌器[J].机电信息，2011（14）：21?24.

[4] 冯春.脉动真空灭菌器的工作原理及维修保养[J].医疗装备，2013，26（2）：79?81.

[5] 张素文，贾晓艳.脉动真空灭菌器的工作原理与常见故障分析[J].医疗装备，2012，25（2）：66?67.

[6] 杨玲玲，丁驰竹，夏渊.基于ARM的激光电源控制系统设计[J].现代电子技术，2013，36（20）：159?162.

2 控制系统硬件设计

2.1 系统总体结构

脉动真空灭菌器智能控制系统主要由5个部分组成：ARM主控系统、数据采集系统、开关量输入/输出系统、人机交互系统和输出控制系统。数据采集系统将腔体、蒸发器温度及腔内温度和压力信号通过A/D转换成数字信号输入到ARM，同时，开关量信号通过光电耦合传输给ARM。ARM输出用于控制灭菌器加热 和水阀、气阀等操作。此外，结合HMI能实现很好的人机交互。本系统中ARM型号为ST公司的STM32，此款CPU为Cortex?M3架构，该处理器具有低功耗、低成本、高性能等优势，性价比很高。硬件系统框图如图2所示。

2.2 温度压力采集电路

温度压力采集电路如图3所示，为了实现信号的高精度采集，本系统选用了16位的AD7792芯片，非常适合低功耗、低噪声的温度和压力信号采集转换，该芯片还具有AD滤波功能，对温度压力信号的稳定性很有帮助，因此符合该系统高精度的设计要求。内室和锅壁测温使用的是PT100，该器件有跟高的测温精度。灭菌室内温度和锅壁温度信号接入AD7792的模拟输入通道，同时AD7792的恒流输出Iout（1 mA）流过PT100产生一个电压供AD7792采样。PT100的阻值随温度的变化发生变化，故1 mA恒定电流流过PT100时，其电压随之发生线性变化，即可实现温度采集供AD7792转换。

图2 ARM控制系统框图

2.3 人机交互电路

采用人机界面是本设计的另一大特色，本系统使用的HMI型号为FE2070，其CPU是三星公司的ARM9，芯片为S3C2416。HMI与控制器之间的联接非常简单，仅一根RS 232交叉线即可实现，但与传统的液晶显示相比，HMI具有更大的优势和应用前景。对于灭菌控制系统，由于不同材料器械需要设定的灭菌参数会有差异，因此可以将对应的灭菌参数资料存储到HMI数据库中，使用时只需选则对应的材料器械，灭菌参数即可立即显示在屏幕上，同时实现参数的自动设置，无需人工设定，更可避免手动设定时出错的可能性，而且数据参数可以通过HMI转换成表格打印出来以备存档或查询。除此之外，操作者能够透过HMI的图形接口直接控制灭菌机台等装置，还可以定义报警产生条件，过流、温度过度或压力超过临界值时系统会产生警报，更加符合现代电子设备高效、智能、安全的要求。

3 控制系统软件设计及测试结果

3.1 系统主程序设计

灭菌系统的软件主程序见图4，开始灭菌后系统首先按照设定值进行真空脉动，该过程完成后控制系统开始注入饱和蒸汽，升温升压，当内室温度达到设定值时，转入TASK2进行恒温灭菌阶段。灭菌完成后进入排气干燥阶段，干燥完成后主程序结束。

图4 系统软件主程序

3.2 界面设计及结果

灭菌设计的HMI界面设计除了要考虑合理性外还要注重易操作性，如果对使用者进行简单的培训即能上手操作，不仅可以降低用工成本而且可以大大提高操作效率。因此，在触摸屏上，设计可以选择不同的灭菌对象，系统认存储的有多组针对该灭菌对象的灭菌参数，在不损坏灭菌对象的前提下可以达到最好的灭菌效果。主操作界面如图5所示。

4 结 语

本文介绍了一种以STM32为主控芯片的脉动真空灭菌控制系统，该系统同时集成了人机界面，实现了灭菌控制的高性能、人性化和智能化。利用该系统实现的灭菌器性能稳定、结构紧凑、功能强大、A/D转换速率快、采集效率高，并且操作简单，抗干扰能力强，具有很好的市场应用优势。

图5 灭菌控制界面

参考文献

[1] 陈为，马兴录，胡刚.基于AT89C55的脉动真空灭菌器[J].青岛科技大学学报，2006，27（3）：264?267.

[2] 邱利峰.基于单片机的脉动真空灭菌器控制器的设计[J].科技创业家，2011（4）：136?137.

[3] 周涛.浅谈脉动真空灭菌器[J].机电信息，2011（14）：21?24.

[4] 冯春.脉动真空灭菌器的工作原理及维修保养[J].医疗装备，2013，26（2）：79?81.

[5] 张素文，贾晓艳.脉动真空灭菌器的工作原理与常见故障分析[J].医疗装备，2012，25（2）：66?67.

[6] 杨玲玲，丁驰竹，夏渊.基于ARM的激光电源控制系统设计[J].现代电子技术，2013，36（20）：159?162.