1、 南华大学机械工程学院毕业设计 I 基于单片机自动控制的蒸汽灭菌器设计 摘要： 脉动真空灭菌器的主体为一带有夹套及密封门的高压容器，配有真空泵、真空阀等控制器件及温度、压力、水位传感器。该系统以 PIC16F877 单片机为控制核心模块；采用下排气式脉动预真空技术；用真空泵三次抽取气体以获得真空加快预热过程，通过电加热获得饱和蒸汽以形成高压饱和热蒸汽灭菌介质；分别采用 Pt100 热电阻温度传感器、集成微芯压力传感器 MPX2200DP、自动水位传感器对温度、压力和水位信号进行采集处理；采用固态整流器 SSS-40 DA 以弱电流驱动系统而节省能源；在人机交 流方面采用中文液晶显示并通过独立键
2、盘进行用户设置；为提高控制精度，系统采用了 FUZZY-PID 混合模糊控制算法对温度进行非线性控制；通过以上途径最终实现了高温高压蒸汽灭菌。本系统功能齐全，实现了灭菌器工作过程自动化，温度控制精度可达 1 ， 压力浮动范围保持在 3kpa，在保证灭菌效果的前提下缩短了工作周期，人机交流方便、界面友好。 关键词： 蒸汽；灭菌器；单片机；自动控制 南华大学机械工程学院毕业设计 II Automatic control based on single chip design of the steam sterilizer Abstract： Pulsating vacuum sterilizer
3、for the main jacket with a closed door and a high-pressure containers, equipped with vacuum pumps, vacuum valve control device and the temperature, pressure and water level sensors.This system takes PIC16F877 monolithic integrated circuit as control core module; uses under-exhausts pulsation initial
4、 vacuum technology; obtains the vacuum with the vacuum pump three extraction gas to speed up the preheating process, obtains the saturated steam through the electric heating to form the high pressure saturated hot steam sterilizing medium; uses the Pt100 thermal resistance temperature sensor separat
5、ely, integrates micro core pressure transmitter MPX2200DP, the self-made water level sensor to the temperature, the pressure and the water level signal carries on gathering processing; uses solid state rectifier SSS-40 DA to save the energy by the weak-current actuation system; uses Chinese liquid c
6、rystal display in the man-machine exchange aspect and carries on the user establishment through the independent keyboard; In order to enhance the control precision system to use FUZZY-PID to mix the fuzzy control algorithm to carry on the non-linear control to the temperature; Finally realized the h
7、igh temperature high pressure steam through above way to be antiseptic.This system function was complete, it can realizes the sterilizer work process by itself, the temperature control precision has been reach 1 degree; the pressure fluctuation scope in 3kpa, it reduces the sterilization time, has g
8、ood look and operate easily. keywords: sterilizer； steamy； chip microprocessor； automatic control 南华大学机械工程学院毕业设计 III 目录 引言 . 1 1、 杀菌简介 . 2 1.1、基本概念 . 2 1.2、消毒灭菌方法 . 3 1.3、影响消毒灭菌的因素 . 5 2、压力蒸汽灭菌器 . 7 2.1、国内外研究现状 . 7 2.2、脉动式真空高压蒸汽灭菌器工作原理、特点和结构 . 8 2.3、操作流程 . 9 2.4、 注意事项 . 10 2.5、几款灭菌器 . 11 3、灭菌器机械设计 .
9、 13 3.1、相关参数和要求 . 13 3.2、灭菌器缸体的设计 . 13 3.3、封盖螺栓的选型计算及结果 . 15 3.4、螺栓载荷的计算 . 16 3.5、活结螺栓选型 . 17 3.6、椭圆封头设计计算 . 18 3.7、法兰连接的选择 . 19 3.8、筒壁开口补强 . 20 3.9、保温层的厚度计算 . 21 3.10、真空泵的选型 . 21 4、系统的电子控制部分设计 . 24 4.1、系统的控制，显示与驱动 . 24 4.2、控制系统硬件结构 . 24 4.3、压力、水位、温度信号的采集与处理 . 25 4.4、电源、运算放大器、触发器等的选择 . 28 4.5、键盘输入系统
10、设计 . 31 南华大学机械工程学院毕业设计 IV 4.6、 LCD 显示器输出 系统设计 . 34 4.7、系统程序设计和 FUZZY-PID 算法 . 37 参考文献 . 40 中英文翻译 . 41 Aging and Life Management System of Reactor Pressure Vessel . 41 中文译文 . 53 反应堆压力容器的老化和生命体系 . 53 谢 词 . 64 南华大学机械工程学院毕业设计 第 1 页 共 64 页 引言 随着科技和经济的不断发展，越来越多的场合和设备需要消毒和杀菌，医院和食品行业的杀菌消毒是必不可少的，消毒灭菌设备也达到了飞速
11、发展。高温灭菌设备、微波灭菌设备、电离辐射灭菌设备等各种不同类型的灭菌 设备，适用于不同的场合，而且各有千秋。在我国，灭菌设备也得到很大发展，各种类型灭菌设备都是种类繁多，而且功能齐全。同样，在发达国家，灭菌设备也是有着巨大的进步。 消毒杀菌方法主要分为物理 灭菌方法 和 化学灭菌 方法。而且根据不同的方法，设计出不同原理，效果，杀菌范围的灭菌设备。如一些比较常用的杀菌设备 :微波杀菌设备，紫外线杀菌设备，臭氧杀菌设备，超高温杀菌机等。 不同的设备，成本和杀菌效果也是有差异的。本文选择脉动蒸汽压力杀菌器设计，主要是考虑其灭菌时间短，不需要高的真空度；而且蒸汽是无色，无味，无毒的气体，获取 容易
12、，生产成本低，杀菌效果好，目前很多大中型医院都选择此类杀菌器作为消毒的设备，发达国家已经达到了普遍的水平，可见其未来的前景是非常广阔的。 该设计主要分为俩个部分的设计。包括灭菌缸体的设计和杀菌器的电子系统控制部分的设计。其中电子系统控制部分的设计是重点和难点。 未来的脉动蒸汽压力杀菌器也有研究的前景。主要是研究杀菌设备的杀菌范围，使其适用于不同物品之间的杀菌；提高能源的利用率，提高传热效率及减少能量损耗，并实现高温短时的杀菌工艺。 通过此次设计，不仅加深了我对专业知识的理解和应用，也使我养成了面对困难， 迎难而上的积极的心态，培养了自己发现问题，分析问题和解决问题的能力。最终在段老师和各位老师
13、同学的帮助下，完成了此次设计，在此，我表示诚挚的感谢！南华大学机械工程学院毕业设计 第 2 页 共 64 页 1、杀菌简介 1.1、基本概念 空气排除 将灭菌室中和负载中空气充分去除，使得蒸汽更容易穿透负载 。 自动控制器 能响应预置的过程参数，使 得 灭菌器按照程序步骤的要求 ， 持续运行的装置 。 室内温度 灭菌室内最冷点的温度 。 行程结束指示 灭菌行程按照要求结束 ， 同时被灭过菌的负载能够 ， 从灭菌室内取出的状态表示 。 小型蒸汽灭菌器的保持时间包含可用空间 、 温度测量参考点在内的所有点的温度 ， 都保持在灭菌温度范围内的阶段 注：保持时间紧随平衡时间之后 ， 保持时间的长短与灭
14、菌温度有关。 消毒 清除或 者 杀灭传播媒介上病原微生物 ， 使其达到无害化处理。 灭菌 保证灭菌器负载无菌的过程 。 无菌 使微生物 ， 不能在医疗器械上存活的条件 。 灭菌周期 为达到灭菌目的，灭菌器按照操作步骤的自动顺序执行过程 。 灭菌周期类型 基于操作周期的灭菌过程分类 。 注 1： 此分类按照标准中列出的相关检测确认 。 南华大学机械工程学院毕业设计 第 3 页 共 64 页 注 2 ：本标准中定义了三个灭菌周期类型： B、 N 和 S。可以提出其他声明，但不应参考所列的灭菌周期类型。 灭菌单元 灭菌器内尺寸 300mm300mm600mm 抽象的矩形平行六面体的可用空间 。 灭菌
15、温度 灭菌温度范围的最小值 。 灭菌温度范围 灭菌温度 及 在保持时间内遍及负载的最高允许温度之间的温度范围 。 1.2、消毒灭菌方法 消毒灭菌方法主要分 物理灭菌方法 和 化学灭菌 方法。 1.2.1、 物理消毒灭菌法 物理消毒灭菌法师利用高温或紫外线等方法杀死微生物。如加热使微生物蛋白质发生变形，最终导致微生物死亡。 1.2.1.1、 热力消毒灭菌法 ： 利用热力作用破坏微生物的蛋白质 ， 核酸 ， 细 胞壁 ， 细胞膜 等 ，导致其死亡 。 可分为干热法 与 湿热法。 （ 1） 燃烧法：属于干热法，是一种简单、迅速、彻底的灭菌方法。 (2) 干烤法：属于干热法 。 利用特制的烤箱，热力通
16、过空气对流和介质传导进行灭菌，效果可靠。 （ 3） 煮沸消毒法：属于湿热法， 即利用煮沸 100 经 5min 可杀死一切细菌的繁殖体。 （ 4） 压力蒸汽灭菌法：属于湿热法，是一种临床上应用最广泛，效果最为可靠的灭菌方法 。 南华大学机械工程学院毕业设计 第 4 页 共 64 页 操作人员要使用防烫棉手套，长袖工作服方可接触高温物品和设备，排除蒸汽泄露故障时要进行防护，避免皮肤的灼伤。 1.2.1.2、 光照消毒法（又称辐射消 毒） ： 主要是 利用 紫外线的杀菌作用，使 微生物 菌体蛋白发生变性， 最终 导致 微生物 死亡。 （ 1） 日光暴晒法：利用日光的热、干燥、紫外线的作用来杀菌，将
17、床垫、毛毯、书籍、衣服等放在阳光下直射，暴晒 6 小时可达到消毒效果，中间要定时翻动。 （ 2） 紫外线灯管消毒法：紫外线属电磁波辐射，常用于空气、物品表面的消毒 ，具有广谱杀菌能力，无二次污染 。 (3)臭氧灭菌消毒法： 臭氧是一种强氧化剂 ， 利用臭氧的氧化作用进行杀菌 方法称为 臭氧灭菌消毒法。臭氧灭菌消毒法 杀菌彻底，杀菌广谱，且无残留。 1.2.1.3、 电离辐射灭菌法 (又称冷灭菌 )： 是 利 用 放射性同位素 放射的 射线 ，伦琴射线或电离辐射 杀灭 微生物 及 芽孢 的方法。 尤其适用于怕热的物 品杀菌。 1.2.1.4、 微波消毒灭菌法 ： 微波是一种频率高 ， 波长短的电
18、磁波 。其灭菌机理分俩个方面。包括热效应灭菌和非热效应灭菌。当微波加热时， 可使 细菌体中蛋白质，核酸等 极化分子发生极化，进行高速 旋转 运动， 一方面加热使细菌凝固死亡，宁一方面使蛋白质变性死亡，达到双重杀菌效果。但 不能用于金属物品的消毒 。 1.2.2、 化学消毒灭菌法 使用化学药物灭杀病原微生物的方法，称为化学消毒灭菌法。主要有： 1.2.2.1、 浸泡法 将物品洗净擦干，浸泡在消毒液中，在标准浓度与一定时间内达到消毒灭菌作用。 1.2.2.2、 擦拭法 南华大学机械工程学院毕业设计 第 5 页 共 64 页 选用易溶于水 ， 穿透性强的消毒剂，擦拭物品表面，在标准的浓度和时间里达到
19、消毒灭菌目的。 1.2.2.3、 薰蒸法 将消毒剂 加热或加入氧化剂，使消毒 液 呈气体，在标准的浓度和时间里达到消毒灭菌目的。 1.2.2.4、 喷雾法 将药液用喷雾器均匀的喷洒，进行空气及物品表面对消毒，在标准浓度和一定时间里达到消毒的目的。 1.2.2.5、 环氧乙烷气体密闭消毒法 将环氧乙烷气体置于密闭容器内，在标准的浓度、湿度和时间内达到消毒灭菌目的。 1.3、影响消毒灭菌的因素 消毒灭菌时，不仅应注意消毒方法本身的 性质和特点，而且还要注意其他因素对消毒效果的影响。只有将这些因素的掌握和加以利用，才能提高其消毒效果，达到事倍功半。 主要影响因素有以下几个方面： 1.3.1、消毒剂的
20、剂量 消毒剂的剂量是杀灭微生物的基本条件，主要包括消毒强度和时间两方面。一般来说，增加消毒强度能相应提高消毒杀菌的速度，而减少消毒时间会降低消毒效果。 1.3.2、微生物污染的种类和数量 不同种类的生物，对其消毒的效果也自然不同。微生物的数量也会影响消毒效果。 1.3.3、温度 南华大学机械工程学院毕业设计 第 6 页 共 64 页 除了热力消毒完全依靠温度作用来杀灭微生物，其他各种消毒方法也受温 度变化的影响。而且无论在物理消毒还是化消毒，都是温度越高，效果越好。 1.3.4、湿度 气体消毒和熏蒸消毒受到消毒环境相对湿度对的影响十分明显，而且湿度过高或者过低都会影响消毒杀菌效果，有时甚至导致消毒失败。 1.3.5、 PH 值 PH值的变化可直接影响某些消毒方法的效果。 PH 值不仅对消毒剂本身影响，而且也对微生物影响。 1.3.6、有机物质 消毒环境中的有机物质，其往往能抑制或减弱消毒因子的杀菌能力，尤其是化学消毒剂的杀菌能力。一般，如果有机物存在，消毒剂量则应加大。 1.3.7、拮抗物质 拮抗物质对化学消 毒剂会产生中和和干扰作用，从而影响消毒杀菌效果。 1.3.8、穿透作用 消毒杀菌时，由于杀菌因子必须直接作用到微生物本身才能起杀菌作用，而不同消毒因子穿透力不同，所以也会影响消毒效果。
