基于多种传感器的环氧乙烷灭菌监测系统设计

汤庆国，刘国永，刘 迪

（蚌埠学院，安徽 蚌埠233030）

0 引言

环氧乙烷可用于不耐高温、不耐湿的医疗器械的灭菌，在各大医疗机构和一次性医疗器械生产企业得到广泛应用［1］。为保证灭菌效果，需要对每一次灭菌过程进行监测和评价。目前对环氧乙烷灭菌效果的监测主要采用化学监测法和生物监测法。化学监测法在每个灭菌包外粘贴指示胶带，作为灭菌过程的标志；包内放置化学指示卡，作为灭菌效果的参考。根据包外指示胶带和包内指示卡的颜色变化来识别其是否灭菌过并判断灭菌效果。这种方法操作步骤多、消耗化学指示卡和指示胶带，监测成本高。生物监测法要在灭菌包中放置枯草杆菌黑色变种芽孢菌管，灭菌结束后要培养24～48小时，耗时长，成本更高［2］。本文采用物理监测法，通过传感器对灭菌柜内的温度、湿度和环氧乙烷浓度进行实时监测，对灭菌效果进行评价。不需消耗化学指示卡和指示菌，监测成本低，并能实现灭菌过程实时监测。

1 系统设计

1.1 监测系统总体设计

该监测系统包括设置于密闭灭菌柜内的温度传感器、湿度传感器和环氧乙烷浓度传感器，以及与之相连的采集数据的单片机（MCU），向外传输数据的蓝牙模块，接收数据并处理数据的计算机。系统工作原理如图1所示。

图1 系统工作原理框图

1.2 温度传感器模块设计

由于系统要求测量精度较高，所以选用铂热电阻PT100 作为温度传感器，铂热电阻PT100 具有复现性好，物理、化学性质稳定以及线性度好等优点。PT100传感器测温范围在-200～850℃之间，允许通过不高于5mA 的电流，它的非线性偏差不超过0.5℃，其分辨率可达0.01℃［3-4］。其电路设计如图2所示。PT100与高精度电阻组成电桥，采用两片高精度运放OPA2350 组成电阻-电压变换电路，其输出OUTT 送至A/D 转换，单片机通过程序完成电阻值计算，并根据PT100分度表换算出温度值，借助于算法补偿其温度测量精度可达0.05℃。

图2 温度传感器电路设计

1.3 湿度传感器模块设计

灭菌过程要对湿度进行监测，本系统采用的湿度传感器是HS1101。该传感器是一种电容式传感器，如果在一个湿度不变的环境中，它就相当于一个值为恒定的电容；环境湿度值不同，它的电容值就不同。该传感器具有运行可靠、响应速度快、稳定性高等特性［5］。其电路设计如图3 所示，采用HS1101 与555定时器组成振荡电路，产生频率信号Fout送至单片机。频率输出典型参数如表1所示，根据测量频率值，利用数据拟合方法求出湿度值。

1.4 环氧乙烷浓度传感器模块设计

本系统采用ETO-500环氧乙烷浓度传感器，该传感器为电化学传感器，当其置于一定浓度的环氧乙烷浓度气体中，就会产生一定的化学电动势［6］。运用图4所示电路实现浓度-电压变换，产生与浓度对应的电压值送A/D 转换，由单片机通过算法计算出浓度，其测量精度可达1%［7-8］。

图3 湿度传感器电路设计

表1 频率输出典型参数

1.5 主控模块设计

本系统需用多个传感器实时采集灭菌过程的温度、湿度和环氧乙烷浓度数据。这些数据都要传送到主控芯片，并通过蓝牙模块上传到灭菌柜外的计算机，因此对主控芯片的数据处理能力要求较高。本系统的主控采用宏晶单片机STC8A4K16S2A12，该单片机为1T 工作周期、多达16 通道12 位A/D 转换，可以节省A/D 转换电路，使电路设计更简单、可靠，如图5所示。

图4 环氧乙烷浓度传感器电路设计

图5 主控芯片设计

1.6 蓝牙模块

本系统采用HC-08 蓝牙模块用于各传感器节点与计算机通信，把测量的温度、湿度及环氧乙烷浓度数据送达计算机，由计算机完成对灭菌性能及效果的评价。

2 软件流程设计

计算机对接收到的数据进行处理并与环氧乙烷灭菌过程要求的参数进行比较。当灭菌柜各处的传感器监测到的数据落在下列范围内时，称为有效灭菌时间。

温度数值范围：40～50℃；

相对湿度数值范围：45～55%；

环氧乙烷浓度数值范围：800～1000mg/L；

有效灭菌时间达到4 小时以上时，判断灭菌有效，否则为无效。

根据以上监测数据要求，其程序设计流程如图6和图7所示。

图6 节点数据流程图

图7 上位机流程图

3 结语

本文设计了一种基于多种传感器的环氧乙烷灭菌监测系统，采用物理监测法，实时监测灭菌过程的温度、湿度和环氧乙烷浓度。监测数据经单片机处理后传送至上位机，根据监测数据对灭菌效果进行评价。与采用化学监测法和生物监测法相比，本监测系统监测成本低，是一种无接触式监测，避免了有毒化学气体对测试人员的伤害，有一定的实用价值。