硬件集成電路設計熱門培訓內容之射頻芯片MFRC522在讀寫器終端中的應用設計

時間:2018-03-23 10:15:00

現在人們生活水平提高了,人們更加的關注醫療滅菌消毒。在90年代中期,國內研制了_種新型滅菌設備——脈動真空滅菌系統。該系統采用了先進的脈動真空技術,其滅菌效果良好,因此在醫院供應室、制藥廠、手術室及科研部門被廣泛應用。目前國內外出現了各式各樣滅菌器控制系統,本文根據這一現狀,開發了一種由單片機控制的脈動真空滅菌控制器。利用FUZZY—PID混和控制算法,通過控制滅菌溫度、壓力和時間等主要工藝參數,可以對多種物品進行快速有效地滅菌,例如包裹類、器械類等。該系統上位機視圖監控軟件采用VC++6.0來編寫,通過采用串行通信接口,可以實現遠程監控的功能。同時具有實時參數顯示、消毒滅菌過程參數存儲及打印等功能。該控制系統符合現代電子產品自動化、智能化、模塊化、人性化的設計要求且人機界面友好。
    1 脈動真空滅菌器基本工作原理
    脈動真空滅菌器是由帶有夾層及密封門的高壓容器,內部還有溫度、壓力傳感器及真空閥、進氣閥、真空泵、排汽閥等控制器件組成。根據內部溫度和壓力是否到達設定的溫度和壓力要求來進行各種動作控制。根據工藝流程要求,該控制系統的工藝流程包括準備階段、脈動真空階段、升溫升壓階段、恒溫滅菌階段、排氣階段、無菌階段等幾個階段,工作流程如圖1所示。


    2 系統的硬件設計
    2.1 系統總體設計
    脈動真空滅菌器控制系統主要由5個部分組成:單片機主控系統、開關量輸出/輸入控制系統、數據采集系統和通信及人機交互系統。單片機采用STC89C52,晶振為12 MHz,單片機內部的2個16位定時器,一個用于系統的定時,另外一個用于看門狗電路,保證系統正常運行。在核心CPU板上有串行通信接口、開關量輸入接口、繼電器輸出接口等。脈動真空滅菌控制系統框圖如圖2所示。
    2.2 信號采集電路與開關量輸入/輸出電路
    溫度和壓力的采集是由信號采集電路來實現,其中溫度傳感器使用鉑熱電阻,在-259~631℃之間它是標準的校準元件,PT100的阻值隨溫度的變化轉換成電壓的變化,調理電路對電壓信號進行放大、變換,輸出0~5 V的標準信號,經A/D轉換送單片機,完成對溫度的采集。溫度采集電路如圖3所示。

    壓力傳感器采用的電流型傳感器ETL-200-375系列。該產品提供4~20 mA電流輸出,體積小、質量輕,適合于安裝空間受限場合。ETL-200-375M系列供電電壓(28±4)V DC。采用美國RURR-BROWN公司生產的精密電流環接收器芯片RCV420,可將壓力傳感器4~20 mA的電流直接轉換成0~5 V的電壓信號,經A/D轉換送單片機,完成對壓力的采集。壓力采集轉換電路如圖4所示。其中A/D部分采用美國TI公司生產的多通道、低價格的模/數轉換器TLC1543。它是10位逐次逼近式A/D轉換器,測量范圍為0~5 V。采集的數字信號,經過數字濾波變換后,通過通信電路傳到PC機上顯示,并且與設定的溫度等參數進行比較,得到誤差與誤差變化率,可以提供后續控制的依據。開關量輸入電路的主要作用是:在滅菌的過程中,用來判斷高溫高壓容器的密封門開關和門限位開關的開與關。開關量輸入電路的主要作用是:控制各個固態繼電器的通與斷,來控制所有的數字閥門的通與斷,從而達到控制滅菌器內外的溫度和壓力作用。


    2.3 通信電路
    該部分電路主要作用是實現對滅菌器的遠程控制與診斷,首先控制系統通過發送的命令和數據來對滅菌器進行各種控制;在通過上傳的當前的溫度與壓力等各種工藝參數來實時的反映滅菌的詳細情況。硬件電路使用的芯片是處理器STC89C52和MAX232。因為考慮到通信速度和傳送距離的問題。采用RS 232C標準進行單向數據傳輸時,最大數據傳輸速率為20 Kb,最大傳送距離為15 m,滿足不了遠距離的控制。改用RS 485標準傳輸大幅度提高,最大傳輸距離為300 m,降低數據傳輸速率,可傳輸的距離可達到1 200 m。基本上滿足要求。
    3 系統的軟件設計
    該系統的軟件分為2個部分,一部分是C51的單片機程序;另一部分是VC++的上位機程序,采用C語言來進行程序的編寫。其設計思想是:采用劃分程序模塊的方法,先進行各個模塊的設計和調試,從而使程序更有條理性。采用自上向下的程序設計方式并采用中斷方式和CPU聯系,使整個系統的模塊化增強。從而提高了系統的可靠性。
    3.1 系統的主程序設計
    主程序主要是用于鏈接各模塊程序,圖5為其流程圖。主程序先進行各種初始化:系統初始化和繼電器控制各個信號初始化。首先設置所有初始化為關閉狀態。完成全部初始化后,單片機在主程序中不斷循環,在主程序中還要執行各種相應的自檢功能。可以檢測系統的各種狀態是否符合設計的要求。


3.2 定時中斷程序設計
    定時中斷程序是整個系統的核心,整個控制都在定時中斷中完成。在整個設計中設置定時中斷100 ms,在中斷中完成溫度和壓力的測量,完成排除真空、升溫、恒溫滅菌、排空氣、干燥、結束等滅菌過程。其中排除真空主要是使滅菌器內部盡量是真空狀態,可以根據需要設置脈動次數;蒸汽通過進汽閥門進入,從而使滅菌器內的溫度慢慢上升,在溫度上升的過程中,使用模糊控制算法,當溫度升到132℃,開始采用PID控制算法。
    進入恒溫滅菌階段,滅菌時間6~20 min自行設置,但不宜過長。達到恒溫時間后自動轉入干燥過程。干燥過程結束后,打開進汽閥門,直到滅菌過程全部結束。定時中斷流程圖如圖6所示。

    3.3 滅菌控制系統上位機監控程序設計
    上位機實時監控系統軟件采用Visual C++開發,主要用于各控制點的壓力和溫度的采集,并對采集到的溫度和壓力參數進行動態顯示,還有各種數據信息的修改,打印以及歷史數據的查詢等等。使用VC++建立PC機和單片機可靠的串行通信,是保證數據傳送的及時性和正確性的關鍵。VC++強大的數據庫功能和API函數很好地實現了數據庫的實時操作和實時數據曲線的生成。
    4 FUZZY—PID混和控制算法
    整個工作中的關鍵環節是滅菌器升溫和恒溫滅菌階段。在這個階段中,溫度上升的速度直接影響滅菌器室內滅菌的效率,如當溫度達到設定值時,要求滅菌的物品內部卻達不到所需要滅菌的要求;此外超熱的蒸汽溫度雖然很高,但是當蒸汽遇到所要消毒的物品時,卻不能凝結成水珠,潛伏熱不能得到合理釋放,對滅菌非常不利。在滅菌過程中,為了保證滅菌系統的滅菌效果和提高滅菌的效率,本文采用FUZZY—PID混和控制方法來控制溫度的變化。當滅菌器內的溫度與設定值出現偏差時,這時使用模糊控制方法,從而使溫度理想的上升;當溫度在偏差內時,則PID控制自動切換,從而得到高精度的溫度控制。模糊PID混和控制器結構圖如圖7所示。
    5 結語
    本文介紹了一種可靠性高的滅菌器控制系統,其滅菌過程是全自動化的。該系統可以根據用戶不同的滅菌要求來靈活的設置滅菌器的各種工作參數,使滅菌器的應用得到大大的擴展。在滅菌消毒過程中,本文使用了先進的控制理論方法,使溫度上升的過程得到優化,從而使滅菌過程的壓力、溫度和時間得到精確控制,使滅菌設率得到大大的提高,因此具有很高的性價比。

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