多功能大气压非平衡等离子体射流消毒装置

2023-09-27周乐涛周晓华余彤

电子制作 2023年17期

周乐涛，周晓华，余彤

（1.西京学院电子信息学院，陕西西安，710123；2.西京学院医学院，陕西西安，710123）

0 引言

等离子体医学是近年来发展起来的一门交叉学科，研究发现等离子体在皮肤消毒、促进伤口愈合、癌症治疗等方面均具有显著效果。皮肤外表面受到破坏时，可能会长期处于炎症状态，长时间使用药物可能会使得伤口处的细菌产生抗药性。并且由于大量抗生素的不规范使用，超级细菌的抗药性不断增强。此外微生物主要以生物膜的形式存在，生物膜可以调整细菌的密度和进行一些群体行为，使病菌耐药性增强10-1000 倍，导致传统医学灭菌方法失去效果，且易引发长期感染。

大气压非平衡等离子体射流气体温度在室温附近，化学活性高，具有广谱的杀菌能力，能有效灭杀各类微生物。

过去关于等离子体的研究主要集中在低气压等离子体或平衡等离子体中，不适用于生物医学领域。部分大气压非平衡等离子体也要以惰性气体作为工作气体，但惰性气体价格昂贵并且不是所有的环境都能取得。因此，如果能以空气作为工作气体，将极大地提升大气压非平衡等离子体的价值。

1 等离子体射流消毒原理介绍

■1.1 等离子体射流直接杀菌原理

等离子体放电过程中生成大量活性粒子，杀菌有效成分众多。相关研究认为等离子体中的O原子和含氧活性粒子可能起主要作用，OH可能会与生物大分子反应杀死细胞，并生成H2O2破坏细胞内部的DNA。此外，等离子体中活性氮粒子如NO，，也被认为起到了重要作用。等离子体中还包含少量紫外线，对细菌灭杀起到了一定作用。

■1.2 等离子活化液消毒原理

液体被低温等离子体处理后，液体分子离解的产物与等离子体中的活性物质反应产生富含更多种类活性成分的液体溶液。

等离子体活化水具有多种应用场景。在食品保鲜应用中，将等离子体活化水制作成冰，可将水产品的保鲜期延后八到十五天。在伤口愈合应用中，活化液体中部分正负粒子、氢过氧化物和二烷基过氧化物等会发生反应，生成具有生物活性和细胞毒性的含氧活性粒子。在伤口处涂抹活化水可以促进细胞周期蛋白和血管内皮生长因子的产生，促进胶原合成和基质再生的诱导，从而促进伤口愈合。

■1.3 等离子体消毒装置的优势

与传统消毒手段相比，等离子体消毒可应用于精密仪器，敏感性肌肤等多种场景，且安全无副作用，绿色环保。

等离子体射流发生装置种类繁多，传统的放电只需要施加足够高的电压就能将放电间隙击穿从而产生等离子体，但是放电间隙的击穿电压非常高，且人体无法直接接触。本文设计的等离子体射流装置通过电离、激发、解离的方式，将大部分能量用于形成氮氧化物而非加热气体温度，使得人体可以直接接触。

此外放电间隙的尺寸会限制被处理物体的大小，间隙间无法放置较大物体。若将被处理物体放置在间隙附近，则会导致活性物质发挥作用前就已消散。本文设计了一种能够在开放的空间内产生等离子体的设备。

2 硬件系统设计

■2.1 介绍

多功能大气压非平衡等离子体射流消毒装置，包括大气压空气非平衡等离子体射流装置，温度警报系统和机械臂系统。

等离子体消毒装置控制系统分为硬件和软件部分。硬件部分采用STM32 进行控制，控制电路中包含六自由度机械臂，电源，温度传感器，显示屏，蜂鸣器。机械臂负责移动等离子体射流装置，当机械臂接收到按键信号时，会按照预设模式移动等离子体射流装置。机械臂的移动的角度由机械臂逆运动学角度坐标控制程序决定，移动由STM32 芯片发出PWM 信号控制。

在温度报警系统中，编写温度传感器控制程序，使用按键预设温度，检测到的温度会实时显示在LED 屏幕上，当温度传感器检测到等离子体温度高于预设温度时，蜂鸣器报警并切断电源。

■2.2 等离子体射流阵列模块

本文使用脉冲直流高压电源驱动。其电流峰值与交流驱动相比大了两个量级，且大多数谱线强度更强，灭杀细菌区域更大，活性粒子密度更高，气体温度更接近室温。

将单个等离子体射流装置中电源与100mΩ 电阻连接。电阻另一端连接着直径2mm 的钨针作为高压电极。采用多个等离子体射流装置并联组成等离子体阵列，当手掌靠近等离子体阵列时，手掌与阵列之间会出现长达2cm 的空气等离子体，手掌可靠近针电极甚至与针电极接触。

单个等离子体射流装置简化模型如图3 所示。图中，C1为包裹高压电极的内部介质管的电容，C2、R1 为管内等离子体的电容和电阻，C3 为外部介质管的电容，C4、R2 为周围空气中等离子体射流的电容和电阻，C5、R3 为人体简化模型的电阻和电容。通过分析可得，人体上的压降在几十伏之内，平均流过人体的电流为1.5mA。从用电安全上看，此设备是安全的，人体可以直接接触等离子体而不会产生不适。

在该装置中，中间的针电极被介质管包裹，各介质管外侧底部均装有环形电极，通过该结构设计，沿着等离子体射流轴向的电场得以增强。该结构具有以下优点：运输到等离子体的功率较低，等离子体温度更接近室温，放电射流可直接作用于人体。通过将多个等离子体射流消毒装置组成阵列可以扩大消毒面积，但各管间距过大或过小都会改变发射电场从而影响发射电流大小，因此需要合理调配阵列间距。

■2.3 机械臂模块

机械臂所持有该消毒装置，机械臂用于辅助大气非平衡等离子体射流装置的移动，使等离子体可以匀速地扫过人体组织，实现大面积的人体组织消毒。

机械臂主要由舵机控制，舵机构成部分如下所示：舵盘，减速齿轮组，直流电机，控制电路板，位置反馈电位计等。

其工作原理为：当控制电路板接收到信号线传输的信号，控制电机带动齿轮组转动，并传动至输出舵盘。舵盘转动时带动位置反馈电位计转动，电位计将信号反馈至控制电路板，控制电路根据反馈回来的信号判断当前位置是否与设定位置一致，决定是否需要再次进行转动电机。

舵机的控制信号是PWM 信号，脉冲周期为20ms，当脉冲宽度为0.5ms～2.5ms 时，对应舵盘位置为0～180 度，两者呈线性关系。给舵机一定脉宽，其输出轴会保持在对应的角度，直到接收到下一个脉宽，断电恢复后，机械臂控制芯片会自动读取最后一个脉冲信号，并将机械臂移动到相应角度，因此每次操作完成后，需将机械臂复位。

舵机内部存在一个基准电路，输出基准信号，接收到外加信号时，会将外加信号与基准信号进行比较，判断舵机转动方向与大小。舵机的转动范围不能超过180 度。

舵机规格选用DS3115，该舵机工作电压为直流4.8V～6V，工作电流为2A～3A，舵机供电电源为5V1A电源。

■2.4 温度警报模块

温度报警系统用于监测等离子体温度，主要用于测量“离子风”吹动的气流温度，并将温度实时显示到数码管上，当气流温度高于设定温度时，蜂鸣器报警，并切断电源，防止故障设备发射出的等离子体射流灼伤人体。

温度传感器选用DS18B20，DS18B20 是一款高精度单总线数字温度测量芯片，其工作稳定，体积小，功耗低，抗干扰能力强，可由数据线供电而不需要额外电源，其测量精度高于常见的温度传感器DHT11，其温度测量范围为-55℃～+125℃。当芯片断电时仍会保存报警温度和设定的分辨率。

■2.5 按键控制模块

按键模块通过按键信号接收器与舵机控制板连接，需要通过6 根杜邦线分别连接控制板的DI、DO、GND、VDD、CS、CLK 管脚。DI、DO 管脚功能为支持数据从按键模块流向主机和从主机流向按键模块，信号以8 比特位传输。VDD用于连接接收器工作电源，电源范围是3V～5V，实验中选用3V3。按键模块通信时序通过四线完成，分别是DI，DO，CS，CLK。DI 与DO 是一对同时传输的8 比特位串行数据，传输时CS 需要降为低电平，CLK 由高电平变低电平。

按键模块使用两节7 号1.5V 电池供电，接收器和单片机共用电源，电压源范围为3V～5V。按键模块上有电源开关，在开通情况下，一定时间内未搜索到接收器，按键模块会进入待机模式，指示灯将熄灭，直到按下“START”按键。在按键模块与接收器均供电打开的情况下，按键模块与接收器会自动匹配。

表1 按键接收器引脚与单片机接口接线

按键模块工作时需要注意以下几点。CS 在数据输出和输入时都是低电平，在数据传输时需要由高拉低，数据传输完成后再由低拉高。数据传输是全双工通信，DI 与DO 同时完成在时钟上升沿的时候，DI 与DO 的数据有交换部分，即此时不能进行数据的读写，读取到的数据不准确。因此只有等到时钟为下降沿，数据稳定后才能读取数据。数据从低位到高位进行读写。

当按键模块的信号传输给机械臂控制板时，机械臂会执行对应按键预设的程序。

3 软件设计

■3.1 机械臂控制程序设计

软件控制部分通过编写c 文件，使用Keil5 进行编译和调试。当编译STM32 程序完成后，通过Keil5 下载到STM32 的控制板中。

机械臂是由机械系统，电气系统组成。机械系统由旋转关节，机械连杆等串接而成。电气系统是机械臂的控制系统，由单片机、舵机、舵机控制板等组成。单片机负责发送舵机控制指令，舵机系统由6 个舵机组成，在接收指令后可调控六个自由度，完成具体动作。舵机控制板由STM32 构成，负责接收系统控制指令、放大信号并输送到各个舵机。

舵机手臂控制系统软件的任务是将编写好的程序烧录至舵机控制板并输送到各个舵机，实现机械臂的具体动作。在编写动作时，需要考虑各舵机的旋转角度。在通电后，按下复位按键后，系统先进行初始化，配置定时器，配置按键模块，从寄存器中读取PWM 数组，更新PWM 数组为最后一次接收到的数据，并使舵机运动到相应位置并保持，在循环中等待命令，当接收到新的动作命令时，更新寄存器中的设置，再一次读取PWM 数组，使舵机运动并保持到相应位置。

■3.2 机械臂运动路径计算程序设计

机械臂通常使用DH 模型进行描述。DH 模型至今仍是推导机器人运动学的标准方法。在找到两两相邻的关节坐标之间的关系后，通过有限次数的平移和旋转可以使用一个齐次线性矩阵表示这种关系，将相应的矩阵相乘，就可以得到任意两个坐标系之间的关系。当知道首关节与末关节的转换关系时，在首关节确定的情况下，通过该转换关系，就可以确定末端关节执行器的位置与姿态。

在实际应用中，我们通常使用机器人逆运动学确定机械臂到达理想位置时，各关节的转动角度，程序流程图如图11 所示。

图1 等离子体射流消毒装置系统框架图

图2 等离子体射流阵列

图3 等离子体射流阵列等效原理图

图4 机械臂实物图

图5 DS3115 机械臂控制板

图6 舵机控制原理图

图7 蜂鸣器与温度传感器电路图

图8 按键信号接收器实物

图9 按键信号接收器引脚功能图

图10 机械臂控制程序流程图

图11 机械臂逆运动学计算流程图

图12 温度警报系统流程图

图13 系统整体实物

图14 等离子体射流消毒

图15 等离子体活化水制造

图16 杀菌效果对比

■3.3 温度警报系统程序设计

温度控制系统包含DS18B20 温度传感器、数码管。DS18B20 内部主要由4 部分组成：64 位ROM、温度警报触发器TH 和Tl，温度传感器，配置寄存器。开启电源开关后，DS18B20 先进行初始化设置，之后发送读取数据，一位一位验证数据，验证完成后，数码管显示当前温度。其具体工作原理为，低温度系数晶振和高温度系数晶振分别将脉冲信号传输给计数器，温度寄存器根据基值和接收到的脉冲信号进行计数，从而得到准确的温度数值。

在操作过程中，在按下设置按键后，设定选择温度。选定温度将与测量温度进行比对，当测量温度超过选定温度后，蜂鸣器报警并切断电源。

4 系统测试

设备测试主要分为三个部分。大气非平衡等离子体射流发生装置测试，测试等离子体射流是否正常工作。机械臂控制系统测试，测试各舵机是否均能正常工作，机械臂能否按照规定路线移动等离子体设备。温度警报系统测试，主要测试能否正常测量等离子体温度，在温度超出选定值时能否让蜂鸣器发出警报。通过这三方面的测试与分析，进而对整体设备性能进行评估。

电路通过变压模块，限流模块，等离子体放电针，暗通道形成回路。通电时，手臂放置在平台上，机械臂将等离子体射流装置移动到手臂上，等离子体均匀地挥洒在手臂上，手臂无电击感和热感。温度传感器显示当前离子温度，接近室温。在温度传感器外侧放置一打火机后，蜂鸣器报警并通过继电器切断所有电源。

等离子体活化水制造时，无菌水放置在烧杯中，烧杯底部贴有平面电极，机械臂将空气等离子体射流阵列移动到水平面上方0.9cm 处，开始生产制造等离子体活化水，3 分钟后将完成制作。

取菌种分别放置于两组不同培养皿中，将实验组用等离子体射流持续照射十分钟，并将两组培养皿放置在无菌环境中培养，24h 后培养结果如图所示，说明等离子体射流存在广谱的杀菌效果。