基于多種傳感器的環(huán)氧乙烷滅菌監(jiān)測系統(tǒng)設計

湯慶國，劉國永，劉 迪

（蚌埠學院，安徽 蚌埠233030）

0 引言

環(huán)氧乙烷可用于不耐高溫、不耐濕的醫(yī)療器械的滅菌，在各大醫(yī)療機構和一次性醫(yī)療器械生產企業(yè)得到廣泛應用［1］。為保證滅菌效果，需要對每一次滅菌過程進行監(jiān)測和評價。目前對環(huán)氧乙烷滅菌效果的監(jiān)測主要采用化學監(jiān)測法和生物監(jiān)測法?；瘜W監(jiān)測法在每個滅菌包外粘貼指示膠帶，作為滅菌過程的標志；包內放置化學指示卡，作為滅菌效果的參考。根據包外指示膠帶和包內指示卡的顏色變化來識別其是否滅菌過并判斷滅菌效果。這種方法操作步驟多、消耗化學指示卡和指示膠帶，監(jiān)測成本高。生物監(jiān)測法要在滅菌包中放置枯草桿菌黑色變種芽孢菌管，滅菌結束后要培養(yǎng)24～48小時，耗時長，成本更高［2］。本文采用物理監(jiān)測法，通過傳感器對滅菌柜內的溫度、濕度和環(huán)氧乙烷濃度進行實時監(jiān)測，對滅菌效果進行評價。不需消耗化學指示卡和指示菌，監(jiān)測成本低，并能實現滅菌過程實時監(jiān)測。

1 系統(tǒng)設計

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)總體設計

該監(jiān)測系統(tǒng)包括設置于密閉滅菌柜內的溫度傳感器、濕度傳感器和環(huán)氧乙烷濃度傳感器，以及與之相連的采集數據的單片機（MCU），向外傳輸數據的藍牙模塊，接收數據并處理數據的計算機。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理框圖

1.2 溫度傳感器模塊設計

由于系統(tǒng)要求測量精度較高，所以選用鉑熱電阻PT100 作為溫度傳感器，鉑熱電阻PT100 具有復現性好，物理、化學性質穩(wěn)定以及線性度好等優(yōu)點。PT100傳感器測溫范圍在-200～850℃之間，允許通過不高于5mA 的電流，它的非線性偏差不超過0.5℃，其分辨率可達0.01℃［3-4］。其電路設計如圖2所示。PT100與高精度電阻組成電橋，采用兩片高精度運放OPA2350 組成電阻-電壓變換電路，其輸出OUTT 送至A/D 轉換，單片機通過程序完成電阻值計算，并根據PT100分度表換算出溫度值，借助于算法補償其溫度測量精度可達0.05℃。

圖2 溫度傳感器電路設計

1.3 濕度傳感器模塊設計

滅菌過程要對濕度進行監(jiān)測，本系統(tǒng)采用的濕度傳感器是HS1101。該傳感器是一種電容式傳感器，如果在一個濕度不變的環(huán)境中，它就相當于一個值為恒定的電容；環(huán)境濕度值不同，它的電容值就不同。該傳感器具有運行可靠、響應速度快、穩(wěn)定性高等特性［5］。其電路設計如圖3 所示，采用HS1101 與555定時器組成振蕩電路，產生頻率信號Fout送至單片機。頻率輸出典型參數如表1所示，根據測量頻率值，利用數據擬合方法求出濕度值。

1.4 環(huán)氧乙烷濃度傳感器模塊設計

本系統(tǒng)采用ETO-500環(huán)氧乙烷濃度傳感器，該傳感器為電化學傳感器，當其置于一定濃度的環(huán)氧乙烷濃度氣體中，就會產生一定的化學電動勢［6］。運用圖4所示電路實現濃度-電壓變換，產生與濃度對應的電壓值送A/D 轉換，由單片機通過算法計算出濃度，其測量精度可達1%［7-8］。

圖3 濕度傳感器電路設計

表1 頻率輸出典型參數

1.5 主控模塊設計

本系統(tǒng)需用多個傳感器實時采集滅菌過程的溫度、濕度和環(huán)氧乙烷濃度數據。這些數據都要傳送到主控芯片，并通過藍牙模塊上傳到滅菌柜外的計算機，因此對主控芯片的數據處理能力要求較高。本系統(tǒng)的主控采用宏晶單片機STC8A4K16S2A12，該單片機為1T 工作周期、多達16 通道12 位A/D 轉換，可以節(jié)省A/D 轉換電路，使電路設計更簡單、可靠，如圖5所示。

圖4 環(huán)氧乙烷濃度傳感器電路設計

圖5 主控芯片設計

1.6 藍牙模塊

本系統(tǒng)采用HC-08 藍牙模塊用于各傳感器節(jié)點與計算機通信，把測量的溫度、濕度及環(huán)氧乙烷濃度數據送達計算機，由計算機完成對滅菌性能及效果的評價。

2 軟件流程設計

計算機對接收到的數據進行處理并與環(huán)氧乙烷滅菌過程要求的參數進行比較。當滅菌柜各處的傳感器監(jiān)測到的數據落在下列范圍內時，稱為有效滅菌時間。

溫度數值范圍：40～50℃；

相對濕度數值范圍：45～55%；

環(huán)氧乙烷濃度數值范圍：800～1000mg/L；

有效滅菌時間達到4 小時以上時，判斷滅菌有效，否則為無效。

根據以上監(jiān)測數據要求，其程序設計流程如圖6和圖7所示。

圖6 節(jié)點數據流程圖

圖7 上位機流程圖

3 結語

本文設計了一種基于多種傳感器的環(huán)氧乙烷滅菌監(jiān)測系統(tǒng)，采用物理監(jiān)測法，實時監(jiān)測滅菌過程的溫度、濕度和環(huán)氧乙烷濃度。監(jiān)測數據經單片機處理后傳送至上位機，根據監(jiān)測數據對滅菌效果進行評價。與采用化學監(jiān)測法和生物監(jiān)測法相比，本監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測成本低，是一種無接觸式監(jiān)測，避免了有毒化學氣體對測試人員的傷害，有一定的實用價值。