压力蒸汽灭菌器的设计

I 课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：测控技术与仪器 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号 080301030 学生姓名 刘明丽 专业班级 测控081 设计题目 压力蒸汽灭菌器 课程设计（论文）任务 设计任务： 灭菌器是利用压力饱和蒸汽对物品进行迅速而可靠的消毒灭菌设备，适用于医疗卫 生事业.、科研、农业等单位，可以对医疗器械、敷料、玻璃器皿、溶液培养基等进行 消毒灭菌。设计一款压力蒸汽灭菌器，具有自动恒温、恒压和定时功能。 设计内容及参数指标 1、 温度检测范围：室温-150，检测精度+0.2； 2、 压力检测范围：0.1MPa-0.3MPa,检测精度+0.001MPa: 3、 用于加热的是两个 2KW 的加热管； 4、 当压力超过设定值时启动电磁阀进行泄压，并提出声光报警； 5、 采用 1602 液晶显示器显示当前温度值、压力值和灭菌时间。 6、 设计 4 个按键，用于设定灭菌器的温度、压力和灭菌时间。 设计要求 1、 完成系统的理论设计； 2、 在条件具备的情况下，完成实际的软件调试； 3、 对测试的数据进行分析； 4、 完成任务书的编写（包括：摘要、绪论、方案论证、硬件电路设计、软件设 计、参数分析、总结、参考文献等几部分） ，字数应在 4000 字以上; 5、 尽可能降低设计中的硬件成本； 6、 严禁使用芯片介绍；7、严禁抄袭。 工作计划 1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。 （2 天） 2、确定系统的设计方案，选择核心和外围器件。 （1 天） 3、确定硬件电路。 （1 天） 4、按系统的要求，设计系统软件流程，并编写程序。 （3 天） 5、上机调试、修改程序、答辩。 （2 天） 6、撰写、打印设计说明书（1 天） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日 II 摘要 压力蒸汽灭菌技术已有 100 多年的应用历史，第一台压力蒸汽灭菌器产生于 1880 年，是全世界公认的最可靠的灭菌技术之一，广泛的应用于医疗卫生和工农业 各领域。压力蒸汽灭菌温度高，灭菌效果可靠，易于掌握和控制，因此在灭菌技术 高速发展的今天，这一经典的灭菌方法在消毒灭菌领域仍占有重要地位。 本文介绍了压力蒸汽灭菌器的基本原理，利用 JCJ100G 温度变送器、HR131 系 列压力变送器、A/D 转换电路、AT89S52 单片机、固态继电器驱动电路、按键控制电 路和 1602 液晶显示电路设计一款压力蒸汽灭菌器，具有自动恒温、恒压和定时功能。 关键词：压力蒸汽灭菌器；变送器；单片机；驱动；显示 本科生课程设计（论文） III 目录 第 1 章 绪论 1 1.1 设计的意义 .1 1.2 压力灭菌的基本知识 .1 1.3 设 计 任 务 及 要 求 .1 第 2 章 方案论证 .3 2.1 智能仪器的概述 3 2.2 系统的总体框图 .3 2.3 方案论证 .4 2.3.1 主控芯片的选择 .4 2.3.2 温度传感器和变送器的选择5 2.3.3 压力传感器和变送器的选择6 2.3.4 调节阀的选择.7 2.3.5 显示模块的选择8 第 3 硬件的设计 .9 3.1 单片机复位电路的设计 .9 3.2 按键电路的设计 .9 3.3 显示电路的设计 .10 3.4 电磁阀和加热管的电路设计 .11 3.5 A/D 转换电路的设计 .12 3.6 声光报警电路的设计 .12 第 4 章 软件的设计 13 第 5 章 课程设计总结 .16 参考文献 .17 附录一 18 附录二 19 IV 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 设计意义 压力蒸汽灭菌技术是目前全世界公认的最可靠的灭菌技术之一，广泛地应用在 医疗卫生和工农业各领域。压力蒸汽灭菌温度高，灭菌效果可靠，易于掌握和控制， 因此在灭菌技术高速发展的今天，这一经典灭菌方法在消毒灭菌领域仍占有重要地 位。 蒸汽灭菌是对耐热、耐湿物品进行灭菌的常用方法，该灭菌方法可杀灭所有微 生物，包括芽孢。蒸汽是一种无色、无味、无毒的无害气体，生产成本低，获取方 法简单，温度高、穿透力强，是一种灭菌效果好、无污染的灭菌方法。因此，所有 可行的灭菌方法中蒸汽灭菌是用最广泛、效果最可靠的方法口。压力蒸汽灭菌器以 蒸汽作为灭菌因子，在灭菌器内不存在冷空气的条件下，充入纯蒸汽并施加压力可 提高蒸汽的温度，当蒸汽与物品充分接触时放出潜热加热物品达到杀灭微生物的目 的。 1880 年 Charles Chamberland 研制出压力蒸汽灭菌器，1881 年，Koch 进行了 117湿热和干热的比较，指出细菌的耐热性在有无蒸汽存在的条件下差别很大，同 年进行了在水蒸汽饱和与不饱和的情况下灭菌效果的研究。Kinyoun(1888)提出，在 用压力蒸汽灭菌器灭菌时，若能在通蒸汽前设法排出灭菌器内的空气,使其接近于真 空，则灭菌易于成功，此称为预真空压力蒸汽灭菌器。1897 年，Kinyoun 研制了夹 层压力蒸汽灭菌器，用蒸汽充满夹层保持高湿，加之预真空，使消毒物品易于干燥。 Underwood(1915)设想在压力蒸汽灭菌器上安装气管，蒸汽进入灭菌器时，遇到物品 后热被吸收，蒸汽的比重随温度下降而增加，饱和蒸汽通过灭菌器上部时，温度低 的蒸汽因比重关系随之移至下部，如在消毒器底部装上排气管，则较重的蒸汽或水 可被引出，有利于蒸汽的流通。Kinyoun 将此设想应用于实际，此后对压力蒸汽灭 菌器作了进一步的改进，至 1933 年 Underwood 完成了今天所用压力蒸汽灭菌器的 基本结构。近年来，压力蒸汽灭菌又有很大发展，主要表现在脉动真空和预真空压 力蒸汽灭菌器的发展，自动化控灭菌器是利用压力饱和蒸汽对物品进行迅速而可靠 的消毒灭菌设备，适用于医疗卫生事业、科研、农业等单位，可以对医疗器械、敷 料、玻璃器皿、溶液培养基等进行消毒灭菌。 压力蒸汽灭菌器以其灭菌速度快、灭菌成本低等特点广泛应用于实验室、医疗 卫生领域和工业灭菌。下排气式压力蒸汽灭菌器在欧美等发达国家只作为消毒使用 而不用于灭菌，其理由是在蒸汽置换冷空气时具有不彻底性和灭菌内室的上下层温 2 差过大等缺点，不能保证所灭菌的器材都达到灭菌要求。国内大型综型医院目前很 少使用下排气式压力蒸汽灭菌器，仅用于液体和玻璃器皿类器材的灭菌。预真空式 压力蒸汽灭 菌器在国内大中型医疗机构使用较多，尤其是三级甲等医院将其作为必备灭菌设备。 1.2 压 力 蒸 汽 灭 菌 的 基 本 知 识 在蒸汽灭菌器内不存在冷空气的条件下，冲入纯蒸汽并施加压力可提高蒸汽的 温度，当蒸汽与物品充分接触时放出潜热加热物品达到杀灭微生物的目的。热力杀 菌机理主要是使蛋白质等生物分子变性，加热使蛋白质分子运动加速，互相撞击， 可导致连接肽的副键断裂，使其分子由有规律的紧密结构变为无秩序的、散温结构。 大量的疏水基暴露于分子表面，并互相结合成为较大的聚合体而凝固、沉淀。蒸汽 灭菌是通过不可逆的破坏醛和结构蛋白，从而杀灭微生物使物品达到灭菌。 压力蒸汽灭菌器的关键技术是在灭菌前需排除柜室内的冷空气，因为冷空气导 热性差，阻碍蒸汽接触待灭菌物品，并且还可减低蒸汽气压，使之不能达到应有的 温度。因此，根据灭菌器排除灭菌舱内冷空气的方式，压力蒸汽灭菌器分为下排气 式灭菌器和预真空式灭菌器。 下排气工作原理是利用重力置换(蒸汽比重明显低于冷空气)，使热蒸汽在灭菌 器中从上而下，将冷空气由灭菌器底部排气孔排出，排出的冷空气由饱和蒸汽取代。 此类灭菌器设计简单，但空气排除不彻底，温度不宜超过126C，所需灭菌时间较长。 预真空式灭菌器工作原理是利用机械抽真空的方法，首先将灭菌器内冷空气用 抽气泵抽出98 以上，使灭菌柜室内形成负压，蒸汽得以迅速穿透到物品内部进行 灭菌。灭菌器内蒸汽压力达2058 kPa(21 kgcm )，温度达132C或以上。根据 一次性或多次抽真空的不同，分为预真空和脉动真空两种，后者因多次抽真空，空 气排除更彻底，效果更可靠。此类灭菌器空气排除彻底，热力穿透迅速，可在较高 温度(132134C )进行灭菌，所需灭菌时间短 。 本科生课程设计（论文） 3 第 2 章 方案论证 2.1 智能仪器的概述 智能仪器是含有微型计算机或者微型处理器的测量仪器，拥有对数据的存储运 算逻辑判断及自动化操作等功能。它的出现，极大地扩充了传统仪器的应用范围。 智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势，迅速地在家用电器、科研单位和 工业企业中得到了广泛的应用。 其工作原理为传感器拾取被测参量的信息并转换成电信号，经滤波去除干扰后 送入多路模拟开关；由单片机逐路选通模拟开关将各输入通道的信号逐一送入程控 增益放大器，放大后的信号经 AD 转换器转换成相应的脉冲信号后送入单片机中； 单片机根据仪器所设定的初值进行相应的数据运算和处理(如非线性校正等)；运算 的结果被转换为相应的数据进行显示和打印；同时单片机把运算结果与存储于片内 FlashROM(闪速存储器)或 E2PROM(电可擦除存贮器)内的设定参数进行运算比较后， 根据运算结果和控制要求，输出相应的控制信号(如报警装置触发、继电器触点等)。 此外，智能仪器还可以与 PC 机组成分布式测控系统，由单片机作为下位机采集各 种测量信号与数据，通过串行通信将信息传输给上位机PC 机，由 PC 机进行全 局管理。 伴随着网络技术的飞速发展，Internet 技术正在逐渐向工业控制和智能仪器仪表 系统设计领域渗透，实现智能仪器仪表系统基于 Internet 的通讯能力以及对设计好的 智能仪器仪表系统进行远程升级、功能重置和系统维护。因此，智能仪表有着无限 的发展前景。 2.2 系统的总体框图 灭菌器是利用压力饱和蒸汽对物品进行迅速而可靠的消毒灭菌设备，适用于医 疗卫生事业.、科研、农业等单位，可以对医疗器械、敷料、玻璃器皿、溶液培养基 等进行消毒灭菌。本次的任务是设计一款压力蒸汽灭菌器，具有自动恒温、恒压和 定时功能。参数要求和技术性能指标如下： 1、温度检测范围：室温-150，检测精度+0.2； 4 2、压力检测范围：0.1MPa-0.3MPa,检测精度+0.001MPa: 3、用于加热的是两个 2KW 的加热管； 4、当压力超过设定值时启动电磁阀进行泄压，并提出声光报警； 5、采用 1602 液晶显示器显示当前温度值、压力值和灭菌时间。 6、设计 4 个按键，用于设定灭菌器的温度、压力和灭菌时间。 结合压力蒸汽灭菌的原理，给出如下的系统框图： 温度变送器 压力变送器器 转 换 电 路 AT 89S 52 按键 控制 电路 加热丝驱动 电路 电磁阀驱 动电路 1602 液晶 显示 温度传感器 压力传感器 图 2.1 系统总体框图 由该框图可以看出，该系统是通过按键设定所要求灭菌的温度、压力和灭菌时 间，通过温度变送器和压力变送器来检测当前的温度值和压力值与设定值进行比较 来调节电磁阀的开度，达到灭菌的目的。 2.3 方案的论证 2.3.1 主控芯片的选择 本次设计中主控芯片选用美国 ATMEL 公司生产的 AT89S52 单片机。AT89S52 是 一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使 用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全 兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上， 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用 系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash， 256 字节 RAM，32 位 I/O 口线， 看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结 本科生课程设计（论文） 5 构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操 作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S52 单片机最大的优 点 是比较便宜，而且很容易购买到，相关的资料非常丰富。 2.3.2 温度传感器和变送器的选择 温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和 IC 温度传感器 热电偶应用很广泛，因为它们非常坚固而且不太贵。热电偶有多种类型，它们 覆盖非常宽的温度范围，从 200到 2000。它们的特点是：低灵敏度、低稳定性、 中等精度、响应速度慢、高温下容易老化和有漂移，以及非线性。 RTD 精度极高且具有中等线性度。它们特别稳定，并有许多种配置。但它们的 最高工作温度只能达到 400左右。它们也有很大的 TC，且价格昂贵( 是热电偶的 410 倍) ，并且需要一个外部参考源。 模拟输出 IC 温度传感器具有很高的线性度 (如果配合一个模数转换器或 ADC 可产生数字输出) 、低成本、高精度(大约 1%)、小尺寸和高分辨率。它们的不足之处 在于温度范围有限(+55 +150 )，并且需要一个外部参考源。 数字输出 IC 温度传感器带有一个内置参考源，它们的响应速度也相当慢(100 ms 数量级 )。虽然它们固有地会自身发热，但可以采用自动关闭和单次转换模式使 其在需要测量之前将 IC 设置为低功耗状态，从而将自身发热降到最低。 IC 温度传感器具有很高的线性，低系统成本，集成复杂的功能，能够提供一个 数字输出，并能够在一个相当有用的范围内进行温度测量。 考虑到设计中的温度范围的要求并且综合经济成本考虑，本次选用 WZP 型铂电 阻温度传感器 Pt1000 作为测温元件。WZP 型铂电阻温度传感器 Pt1000 是利用元件 电磁参量随温度变化的特性对温度与温度有关的参量进行检测的装置。因其线性度 相对较好，耐氧化能力很强，并且温度范围宽，其测温的范围从-50+350，目 前在工业生产和医学研究工作中得到广泛使用。 由于传感器输出的信号均在 Mv 级较微弱而且会有许多干扰，故需要经过温度变 送器将其转换为标准信号输出。 温度变送器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。主要用 6 于工业过程温度参数的测量和控制。 本次设计中中综合考虑经济和温度的检测范围选择的变送器型号为 JCJ100G 温 度变送器。JCJ100G 是将所测的温度数值通过电路处理，经信号放大后转化成标准 的电压或电流信号。信号可以供数字仪表、记录仪、模拟调节器、DCS 系统，广泛 用于 工业生产过程检测与控制系统。 本温度变送器采用优质电子器件，性能远高于其他 同类产品，物美价廉，能够很好的提供低成本高性能的解决方案。 其具有以下优点： 1、二线制输出，抗干扰能力强； 2、节省补偿导线及安装温度变送器费用； 3、测量范围大；使用率高，标准级输出信号； 4、冷端温度自动补偿，非线性校正电路。 2.3.3 压力传感器和变送器选择 压力压力传感器的种类繁多，其性能也有较大的差异，在实际应用中，应根据 具体的使用场合、条件和要求，选择较为适用的传感器，做到经济、合理。压力传 感器的主要性能参数： 额定压力范围是满足标准规定值的压力范围。也就是在最高和最低温度之间， 传感器输出符合规定工作特性的压力范围。在实际应用时传感器所测压力在该范围 之内。最大压力范围是指传感器能长时间承受的最大压力，且不引起输出特性永久 性改变。特别是半导体压力传感器，为提高线性和温度特性，一般都大幅度减小额 定压力范围。因此，即使在额定压力以上连续使用也不会被损坏。一般最大压力是 额定压力最高值的倍。损坏压力是指能够加工在传感器上且不使传感器元件 或传感器外壳损坏的最大压力。线性度是指在工作压力范围内，传感器输出与压力 之间直线关系的最大偏离。为在室温下及工作压力范围内，从最小工作压力和最大 工作压力趋近某一压力时，传感器输出之差。压力传感器的温度范围分为补偿温度 范围和工作温度范围。补偿温度范围是由于施加了温度补偿，精度进入额定范围内 的温度范围。工作温度范围是保证压力传感器能正常工作的温度范围。 综合以上的所有问题考虑现有两款压力可供选传感器可供选择： 1、CEMPX 124高精度微差压传感器选用国外著名品牌传感器，该压力传感器 具有极高的性能、精度、稳定性及快速的动态响应。壳体采用铝合金材料，外型美 观、性价比高，有多种接口形式可选。特别适用于工业控制、空气调节机净化设备、 气动表、风压表、医疗器械等。 本科生课程设计（论文） 7 CEMPX 124 性能规范 特点： 体积小、外形美观；毫伏电压输出；特别适用微差压测量结构坚固、性 能稳定。 性能指标：测量介质无腐蚀性、无粉尘、干燥气体；量程范围 010 kPa至 0700kPa；过载压力 2倍额定值。 技术指标：线性度、迟滞及重复性误差之和0.2%FS（典型值）0.5%FS（最 大 值）。 电气参数：电路 4线；电源电压：24VDC（1236VDC）；输出 30150mV。 2、LDN500 系列压力传感器选用美国进口的高精度、高稳定性、隔离式敏感组 件，该组件把固态集成工艺与隔离膜片技术结合在一起，产品可在恶劣环境下工作， 仍保持优良的灵敏度、线性度和稳定性。 技术参数： 1、量程：010kPa040MPa 2、压力类型：表压（及负压），绝压，密封压 3、最大过载：2 倍极限压力 4、长期稳定性：0.1%F.S/年 5、零位温漂：0.2%F.S(070)(典型值) 6、满度温漂：0.2%F.S(070)(典型值) 7、输出：传感器：mV 信号输出 8、电源电压：24VDC（1236VDC） 根据测量的量程需要和精度要求，最终选用CEMPX-124-D型压力传感器，其量程 范围为0-500KPa。 与温度传感器同样需要将输出的微弱的信号进行处理故选用HR131系列隔离式压 力变送器，该变送器是采用进口的高精度、高稳定性的带不锈钢隔离膜片的硅力敏 芯片，经激光调阻和先进的厚膜技术温度补偿，线性补偿、信号放大、V/I转换，逆 极性保护，压力过载限流等信号处理，输出工业标准的电流、电压信号。 该变送器可广泛应用于冶金、电力、石油、化工、医药、食品、轻纺、水利、地质 等领域对腐蚀性气体、液体、蒸汽的压力测量和控制。相关技术参数如表2.1所示。 表 2.1 HR131 系列隔离式压力变送器的技术参数 010、351000(KPa) 420mA 二线制量 程 范 围 02、20200(MPa) 输 出 信 号 15V 三线制 过 载 压 力 2 倍满量程 供 电 电 压 1236VDC (标定值为+24VDC) 8 测 量 介 质 与 316L 不锈钢兼容的气体、液体 长 期 稳 定 性 0.2%F.S/年 精 确 度 0.1% 0.2%F.S 0.3%F.S 介 质 温 度 20+85 补 偿 温 度 10+70 储 存 温 度 40+125 2.3.4 调节阀的选择 在现代化工厂的自动控制中，调节阀起着十分重要的作用，这些工厂的生产取 决 于流动着的液体和气体的正确分配和控制。这些控制无论是能量的交换、压力的降 低或者是简单的容器加料，都需要某些最终控制元件去完成。最终控制元件可以认 为是自动控制的“体力”。在调节器的低能量级和执行流动流体控制所需的高能级 功能之间，最终控制元件完成了必要的功率放大作用。 蒸汽调节阀就是以压缩空气为动力源，以气缸为执行器，并借助于电气阀门定 位器、转换器、电磁阀、保位阀等附件去驱动阀门，实现开关量或比例式调节，接 收工业自动化控制系统的控制信号来完成调节管道介质的：流量、压力、温度等各 种工艺参数。气动调节阀的特点就是控制简单，反应快速，且本质安全，不需另外 再采取防爆措施。 构造特点是构造形式:专角型或 Z-型；结构尺寸：阀座直径 28200mm；排放能 力：KV 值 8800m3/h；特征曲线：线性/等比例；阀体：锻造，材料和管接头按客户 技术要求生产；蒸汽筛：为安全闭锁功能时配备, 筛孔径为 3mm；喷射水：出口后 接工作蒸汽喷射；节流：可调不可调；传动方式：液压，气动；渗透值：可达到 DIN 3230 渗透值 1 及 ANSI/FCI 70-2 V 级；安装方式：直立，横放或悬挂。 本次课设选择 ZZYP-16-64B 型蒸汽调节阀。 2.3.5 显示模块的选择 本设计要求用液晶显示液晶显示器件有以下特点：低压微功耗；平板型结 构；被动显示（不怕光冲刷、无眩光，不刺激人眼）；显示信息量大（像素小） ；易于彩色化（一般使用滤色法和干涉法，使其在色谱上得到准确的复现）； 无电磁辐射和 X 射线（利于信息保密，对人体安全）；长寿命（液晶背光寿命有 限，不过可更换背光部分） 液晶屏的选型包括 LCD 类型、品牌与价格、供货、分辨率与尺寸、温度与亮度、 接口方式等关键指标。常见液晶分为以下几类：段式、字符型和图形点阵。段式液 晶的每字为 8 段组成，即 8 字和一点，只能显示数字和部分字母，如要显示其他 本科生课程设计（论文） 9 少量字符、汉字，需要厂家将所要显示的内容固化在指定的位置。字符型液晶用于 显示字符和数字的，也可用上述方法显示少量字符、汉字。 这里用 1602 液晶显示屏 第三章 硬件电路的设计 3.1 单片机复位电路的设计 采用 AT89S52 单片机作为系统的控制器。它是一种低功耗、高性能 CMOS 八位微 控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼 容。时钟使用外部时钟电路晶振选择 12MHz。复位电路使用上电加手动的复位电路。 原理如下图： 图 3.1 单片机复位电路 3.2 按键电路的设计 按键的连接方式有两种：一种是独立式按键，适用于按键的数目较少时可直接 EA/VP31 X119 X218 RESET9 RD17 WR16 INT012 INT1 13 T014 T1 15 P101 P112 P123 P134 P145 P156 P167 P178 P00 39P01 38 P02 37P03 36 P04 35P05 34 P06 33P07 32 P20 21P21 22 P22 23P23 24 P24 25P25 26 P26 27P27 28 PSEN 29ALE/P 30TXD 11 RXD 10 U1 STC89C52 2K200K 4.7K4.7K4.7K R6 R7 10K 10u 30pF 30pF 150p S1 S2 S3 S4 VCC 12MHz VCC D1 LS Vc cR EF 20 Vin(-)7 lsbDB0 18DB1 17 Vin(+)6 DB2 16DB3 15 DB4 14A-GND8 DB5 13 DB6 12msbDB7 11 Vref/29 INTR 5 CLK-R19 CS 1RD 2 CLK-IN4 WR 3 U2ADC0804 VCC P2.4 P3.0 RES*8 VSS1 VCC2 VEE3 RS4 R/W5 E6 D07 D18 D29 D310 D411 D512 D613 D714 L+15 L-16 LCD 1602 RW110KVCC VCC VCC P2.5P2.6 P2.7 GN D DQ VD D DS18B20 VCC 10u NC P0.0 P0.1P0.2 P0.3P0.4 P0.5P0.6 P0.7 S1 P3.1 4.7K VCC P2.1 P2.2 P2.3 P1.0P1.1 P1.2P1.3 P1.4P1.5 P1.6P1.7 P2.0 INT0 RDWR 10 与单片机或其他接口芯片的端口相连；一种是矩阵式按键，适用于按键数目较多时， 能够减少所占用的端口。 本次设计任务中要求用四个按键来设定灭菌器的温度、压力和灭菌时间。按键 数目较少所以按键与单片机的连接形式采用独立式的，连接方式如图 3.2 所示。 图 3.2 按键电路 3.3 显示电路的设计 液晶显示(LCD)1602 分为带背光和不带背光两种。由于本设计为家用加湿器， 夜间仍需工作并加以显示，故选用带背光 LCD1602。出于节能考虑，白天及夜间无 人观看时避免浪费电能，所以在背光处加一个开关，不用背光时可以关闭。 2K 2K 2K 2K VCC DB012 P10 27DB113 P11 28 DB214 P12 29DB315 P13 30 DB416 P14 31DB517 P15 32 DB618 P16 33DB719 P17 34 INT6 P20 21T01 P21 22 T139 P22 23P23 24 RD8 P24 35WR10 P25 36 ALE11 P26 37PSEN9 P27 38 SS5 PROG25 Vdd 26 EA7 Xtal-1 2 RESET4 Xtal-2 3 U? 89s52 本科生课程设计（论文） 11 图 3.3 显示电路 3.4 电磁阀和加热管的驱动电路 由单片机输出的开关量，开关量输出时数字化驱动输出的一种方式，可以通过 控制外部对象处于开或者关状态的时间来达到运行控制的目的。当对外部设备进行 驱动控制时，控制状态一般需要保持到下一个新状态值给出为止，可以采用 74LS273、 74LS373 等器件作开关量信号锁存器。由于被控设备需要一定的电压和电流，锁存 器的驱动能力有限，不能直接驱动被控设备，因此，在锁存器后级必须配有足够驱 动能力的输出驱动电路。 本设计中的加热管加热驱动电路和电磁阀驱动电路都需要正常的交流 220V 电压 才可以正常运行，固体继电器内含有晶体管或晶闸管输出驱动，具有具有直流和交 流两种固体继电器。固体继电器无触点接触控制，与普通电磁式继电器和磁力开关 相比，具有无机械触点噪声，不会产生抖动和回跳，开关速度快，体积小，质量轻， 寿命长。工作可靠等优点，特别适用于控制大功率设备的场合。 直流型固体继电器主要用于直流大功率控制场合；交流型固体继电器主要用于 交流大功率控制场合，分为过零型和非过零型。 ，过零型对于交流负载的通/断与负 载电源电压的相位有关，当输入控制信号有效后，必须在负载电源过零时才能接通 输出端的负载电源，当输入端控制信号撤消后，必须等到交流负载电流的过零时刻 才能关断输出端的负载电源。对于非过零型交流固体继电器，对交流负载的通/断与 负载电源的相位无关，在输入信号有效时，负载端电源就立刻接通。 所以本次采用非过零型型固体继电器 AC SSR 来驱动，驱动接口电路如下图 所示 EA/VP31 X119 X218 RESET9 RD17 WR16 INT012 INT113 T014 T115 P101 P112 P123 P134 P145 P156 P167 P178 P00 39P01 38 P02 37P03 36 P04 35P05 34 P06 33P07 32 P20 21P21 22 P22 23P23 24 P24 25P25 26 P26 27P27 28 PSEN 29ALE/P 30 TXD 11RXD 10 U1 STC89C52 R1R2 4.7K4.7K4.7K R6 R7 10K C1 30pF 30pF 150p S1 S2 S3 S4 VCC 12MHz VCC D1 LS Vcc REF 20 Vin(-)7 lsbDB0 18DB1 17 Vin(+)6 DB2 16DB3 15 DB4 14A-GND8 DB5 13 DB6 12msbDB7 11 Vref/29 INTR 5 CLK-R19 CS 1RD 2 CLK-IN4 WR 3U2 ADC0804 VCC P2.4 P3.0 RES*8 VSS1 VCC2 VEE3 RS4 R/W5 E6 D07 D18 D29 D310 D411 D512 D613 D714 L+15 L-16 LCD 1602 RW110KVCC VCC VCC P2.5P2.6 P2.7 GNDDQVDD DS18B20 VCC 10u NC P1.0P1.1 P1.2P1.3 P1.4P1.5 P1.6P1.7 S1 P3.1 4.7K VCC P2.1 P2.2 P2.3 P0.0P0.1 P0.2P0.3 P0.4P0.5 P0.6P0.7 P2.0 INT0 RDWR 12 因为本系统负载均为感性负载，需要在固态继电器输出端加氧化锌压敏电阻 RV 进行 保护。电动机的电流大于 3A,用外接 RC 保护电路。 图 3.4 驱动电路 3.5 A/D 转换电路 由温度变送器和压力变送器输出的信号均为模拟的电压、电流信号，而单片机 只能接收数字信号，所以必须经过模数转换电路，在本次任务中并没有具体的相关 的技术指标要求，所以选用了比较常用而且经济性好的 ADC0809 转换芯片，ADC0808 与单片机的典型接口电路如附录一所示。 3.6 声光报警电路 当压力超过设定值时要求在启动调节阀进行泄压的同时，并提出声光报警，声 光报警电路如下图所示。 5 6 3 4 7 8 CL K 11 OE1 74LS374 WR P2.4 P2.5 P2.6 P2.7 89S52 U? 10K RV RV0.2K SSR1 SSR2 0.1uF 5V 220V 220V 本科生课程设计（论文） 13 第 4 章 软件电路的设计 开始 温度检测与显示 压力检测与显示 序 控制子程序 与设定值有变 差？ 、？ Y N 图 4.1 主程序流程图 14 开始 读取温度值 1602 显示 数据处理过程 读取压力值 图 4.2 检测与显示程序 图 4.1 为主程序流程图，进行单片机的初始化后，调用检测与显示子程序并通 过 1602 液晶进行显示，同时在单片机内部将检测到的温度和压力信号与设定的温度 值和压力值进行比较。若有差值则调用控制子程序。 图 4.2 为检测与显示子程序，把温度传感器和压力传感器检测到的温度和压力 信号经过变送器转换为标准的电压信号后送入 A/D 转换然后进入单片机最后通过液 晶屏 1602 进行显示。 开始 温度小于设定 值？ 压力大于设定 值？ 调节调节阀 的开度声光报警 返回 启动加热管 进行加热 压力等于设定 值？ Y Y Y N N N 本科生课程设计（论文） 15 图 4.3 控制程序 图 4.3 为控制程序的流程图主要的任务是将检测到的温度值、压力值与设定的 温度值、压力值进行比较。若检测到的温度值小于设定值，则启动电动机通过加热 管进 行加热来提高温度。当检测到的温度值与设定值相等时就停止加热。当检测到的压 力值大于设定值时，首先判断出差值的大小，然后根据差值来调节调节阀的开度进 行泄压同时声光报警。一直到压力值等于设定值则调节阀的开度保持不变。这是才 真正的进入高温灭菌的环节。 16 第 5 章 课程设计总结 蒸汽灭菌是对耐热、耐湿物品进行灭菌的常用方法，该灭菌方法可杀灭所有微 生物，包括芽孢。蒸汽是一种无色、无味、无毒的无害气体，生产成本低，获取方 法简单，温度高、穿透力强，是一种灭菌效果好、无污染的灭菌方法。因此，所有 可行的灭菌方法中蒸汽灭菌是用最广泛、效果最可靠的方法口。压力蒸汽灭菌器以 蒸汽作为灭菌因子，在灭菌器内不存在冷空气的条件下，充入纯蒸汽并施加压力可 提高蒸汽的温度，当蒸汽与物品充分接触时放出潜热加热物品达到杀灭微生物的目 的。 本次课程设计利用智能仪表、单片机和相关的驱动电路设计出了一款具有自动 恒温、恒压和定时功能的压力蒸汽灭菌器。能够广泛的应用于医疗卫生行业。当然 本次设计中还有很多考虑不周的地方，比如温度的检测、变送和 A/D 转换部分应该 有合适的数字式智能仪表代替这样不仅节约了成本而且降低了电路的复杂程度并且 能够使控制更加精确。 本科生课程设计（论文） 17 参考文献 1 周航慈,朱兆优 ,李跃忠,智能仪器原理与设计M.北京航空航天大学出版社,2005 2 王晓明,胡晓柏 ,电动机的单片机控制M.北京航空航天大学出版社，2002. 3 梅丽凤,单片机原理及接口技术M.清华大学出版社，2009. 4 李海滨,片春媛 ,许瑞雪.单片机技术课程设计与项目实例J.中国电力出版社.2009. 5 陈岚.蒸汽灭菌及微生物验证 J .海南医学,2008 6 殷兴光.孙瑜 . 仪表技术及传感器J.机电一体化 2009. 7 任南.压力蒸汽灭菌的若干问题 J .中国感染控制杂志，2004 8 孙笑辉,韩曾晋.减少感应电动机直接转矩控制系统转矩脉动的方法J. 电气传动. 2001. 9智能仪器原理及应用(第二版) 赵 茂 泰 电 子 工 业 出 版 社 2006 年 06 月 10 /view/1190330.htm 11 /sells/c1896/zrnyb_5024480.html 12 /100zsx.htm 13 /components/2010100231773.html 14 /view/53167e70f242336c1eb95e44.html 18 . 附录一 A/D 转换电路 本科生课程设计（论文） 19 IN- 0 26 D0 21 D1 20 IN- 1 27 D3 19 D4 18 IN- 2 28 D5 8 D6 15 IN- 3 1 D7 14 D2 17 IN- 4 2 EO C 7 IN- 5 3 AD D-A 25 IN- 6 4 AD D-B 24 AD D-C 23 IN- 7 5 AL E 22 ref( -) 16 EN AB LE 9 STA RT 6 ref( +) 12 CL OC K 10 AD C08 09 RD 17 WR 16 INT 0 12 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P27 28 AL E/P 30 89S 52 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 G74LS3 73 U?A AD 附录二 程序 20 #include #include sbit rs = P25; sbit rw = P26; sbit ep = P27; typedef unsigned char BYTE; extern GetTemp(); /测温子程序 extern BYTE scan_key(); /独立按键获取键值 extern lcd_pos(BYTE pos); /设定显示位置 extern lcd_wdat(BYTE dat); /写入字符显示数据到 LCD extern lcd_init(); /LCD 初始化设定 extern unsigned int datpro(); /ADC0804 读出的数据处理,取平均值 extern unsigned char adc0804(); /读 AD0804 子程序 extern unsigned int idata Temperature; /DS18B20 温度值 unsigned long wenduzhi; unsigned int flag=0; unsigned int flag_cishu=0; unsigned char yalizhi,shedingzhi=30; un