1、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+0.0
2、01MPa: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
3、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
4、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；显示目录第 1 章 绪论 .11.1 设计的意义 .11.2 压力灭菌的基本知识 .11.3 设 计 任 务 及 要 求 .1第 2 章 方案论证 .32.1 智能仪器的概述 .32.2 系统的总体框图 .32.3 方案论证 .42.3.1 主控芯片的选择 .42.3.2 温
5、度传感器和变送器的选择.52.3.3 压力传感器和变送器的选择.62.3.4 调节阀的选择.72.3.5 显示模块的选择.8第 3 硬件的设计 .93.1 单片机复位电路的设计 .93.2 按键电路的设计 .93.3 显示电路的设计 .103.4 电磁阀和加热管的电路设计 .113.5 A/D 转换电路的设计 .123.6 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
6、，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
7、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
8、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
9、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，
10、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
11、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 。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
12、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
13、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
14、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；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
15、力变送器器转换电路 AT89S52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 8
16、0C51 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 RA
17、M、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
18、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
19、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
20、换为可传送的标准化输出信号的仪表。主要用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
21、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
22、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。CEMPX 124 性能规范
