基于單片機的空氣消毒機紫外線燈累計工作時間優化管理系統的設計

林廣富

惠州市中心人民醫院醫學工程部 （廣東 惠州 516032）

肯格王YKX-B-1000型動態空氣消毒機采用紫外線循環風消毒，可有效殺滅進入消毒器內的細菌、真菌、芽孢、病毒等微生物。其工作原理為通過啟動動態空氣消毒機的卷動式循環風機，位于下方的進風口吸入環境中被污染的空氣（未消毒），經過活性炭過濾器和紫外線—光觸媒系統后，伴隨負離子清新空氣（已消毒）從機器頂部的出風口排出到環境中，最終達到消毒和凈化環境中空氣的目的[1]。該型號空氣消毒機設置了備用紫外線燈啟動裝置，主管失效備管自動支援，采用超強度、長壽命、高標準C 波段（波長253.7 nm）無臭氧紫外線循環風殺菌消毒。其中，紫外線可通過破壞微生物細胞內的核糖核酸、脫氧核糖核酸的分子結構使其失去轉化能力而達到殺菌消毒的目的[2]。根據某廠家提供的數據，紫外線燈的使用壽命長達5 000 h[3]。

以肯格王YKX-B-1000型動態空氣消毒機為例，該設備共有8組紫外線燈，假設N（0≤N ≤8）組發生了故障，則需要更換N 組紫外線燈，另外的8-N組未更換，因目前的空氣消毒機的累計工作時間是指設備消毒的累計工作時間，只能反映出整體的運行時間，而不能單獨反映每組紫外線燈的實際累計工作時間，但實際情況是新更換的紫外線燈與舊的紫外線燈的累計工作時間并不一致，即累計工作時間以任意一種作為參考均無法準確反映真實情況，從而對空氣消毒機紫外線燈的管理造成了困擾。基于此，本研究基于單片機，擬設計一套空氣消毒機紫外線燈累計工作時間的優化管理系統，用以單獨計算并顯示各個紫外線燈的累計工作時間，以解決兩個問題，一是以新紫外線燈工作時間為準而導致的殺菌消毒效果差，二是以舊紫外線燈工作時間為準而導致的成本浪費。

1 系統總體設計

本研究設計的肯格王空氣消毒機紫外線燈累計工作時間優化管理系統以STC89C52RC 單片機最小系統為核心，由主控制模塊、時鐘模塊、顯示模塊、輸入模塊、存儲模塊組成，以便于臨床管理為設計理念，根據實際需求設計而成。

現擬設計針對4組紫外線燈累計工作時間的優化管理系統。每組的操作界面只有1個按鍵（R 鍵）和4個數碼管，每組紫外線燈與1個時鐘芯片DS1302對應，在機器端接220 V 轉5 V 電壓給單片機系統供電。當紫外線燈工作時，通電信號傳輸至單片機，開始計數，計時格式是HHHH；當紫外線燈不工作時（包括備用和燈管損壞的情況），DS1302自動暫停計數，保持原有數值且顯示于數碼管上；若燈管發生了損壞，則更換新燈管后，需手動按復位按鍵（R1-R4鍵）；關機重啟后，數碼管上可顯示關機前的累計時間。系統總體設計的protues 仿真電路圖[4]見圖1。

2 系統硬件設計

2.1 主控制模塊

STC89C52RC 單片機使用經典的MCS-51作為內核，功能比傳統的51單片機齊全，具有低功耗、高性能的優點，可為眾多嵌入式控制應用系統提供靈活、智能、有效的解決方案[5]。因此，本設計選用STC89C52RC 單片機作為控制核心，負責接收按鍵及DS1302的信號、發送信號至數碼管、存儲信號等。

2.2 時鐘模塊

本系統采用4個DS1302用以單獨計算紫外線燈的累計工作時間。DS1302是慢速充電時鐘芯片，包括實時時鐘/日歷和31字節的靜態隨機存儲器（random access memory，RAM）。該芯片經過1個簡單的串行接口與微處理器通信，通過實時時鐘/日歷提供秒、分、時、日、周、月和年等信息。對于小于31 d 的月份，月末的日期自動進行調整，此外，其還具有閏年校正的功能[6]。同步串行通信簡化了DS1302與微處理器的通信，與時鐘/RAM 的通信僅需3根線：（1）RST（復位），分別接單片機P2.1，P2.4，P3.1，P3.4口；（2）I/O（數據線），分別接單片機P2.2，P2.5，P3.2，P3.5口；（3）SCLK（串行時鐘），分別接單片機P2.3，P2.6，P3.3，P3.6口。

2.3 顯示模塊

本系統采用數碼管作為顯示模塊以顯示紫外線燈累計工作時間信息。74HC139含有兩個單獨的2線—4線譯碼器，74HC138譯碼器可接受3位二進制加權地址輸入，P0口作為數碼管段選信號，P1^7為74HC139輸入端，將輸入端A、B 短接，使輸出只有Y0、Y3；P1^6、P1^5、P1^4接到兩個74HC138的A、B、C信號輸入端，Y0、Y3分別接到接在74HC138的使能端E1，用于選通74HC138，從而控制4組（共16個）數碼管，顯示出實時的計時。

2.4 輸入模塊

按鍵R1、R2、R3、R4用于重置對應DS1302的數值。

3 系統軟件設計

系統軟件程序由聲明語句、主程序、DS1302寫入讀取函數、BCD 進制轉換10進制處理函數、E2PROM 寫入讀取函數、數碼管顯示函數、掃描函數等函數組成。斷電重啟后，E2PROM 讀取函數將存儲在E2PROM 的數據讀出來，然后寫入DS1302，再通過DS1302讀取函數將DS1302讀取出來，用處理函數進行處理數據；然后通過掃描STOP0～STOP3 4個端口，判斷是否通電，如果通電則讀取時鐘芯片DS1302，再通過函數將BCD 碼轉成10進制數，通過變量month、day、hour 進行累計，得到累計工作時間，計時格式是HHHH，用4個數碼管顯示累計小時數，可以顯示的范圍為0000～9999；最后通過顯示函數將結果顯示在數碼管上，并且將讀出的結果用E2PROM 寫入函數寫到E2PROM 內。如果斷電則不繼續讀取DS1032，而顯示斷電前的累計數。通過掃描函數不斷掃描R1-R4以判斷是否需要重置對應DS1302的數值。DS1302初始數據為2000年1周1月1日0時0分0秒。

如圖2所示，其程序設計流程為：設備開機后，第一步，單片機先讀取E2PROM內存儲的數據，并寫入DS1302；第二步，讀取DS1302的數據；第三步，檢測燈管是否通電；第四步，若檢測到通電，則對數據進行處理，并存入E2PROM，若未檢測到通電，則不作處理；第五步，顯示實際累計時間；第六步，檢測R1-R4狀態，若檢測到被按下，則將對應計時器復位再轉到第三步，否則直接轉到第三步；開機后一直循環以上步驟。

4 系統測試結果

系統的實際測試結果見圖3。開機后，4組數碼管能正常計數且顯示，當燈管亮時，工作1 h后累計1 h，當燈管暗時，保持當前數值；然后，關機后再通電，能夠顯示關機前的數值；按R1-R4鍵，4組數碼管均可正常復位（注：“亮亮亮暗”代表第1、2、3組紫外線燈亮，第4組紫外線燈暗；“亮亮暗亮”代表第1、2、4組紫外線燈亮，第3組紫外線燈暗；以此類推）。

5 結論

本研究設計的基于單片機的空氣消毒機紫外線燈累計工作時間優化管理系統能單獨對4組紫外線進行計時，即可單獨反映各組紫外線燈的使用情況，因此，其可協助相關人員對空氣消毒機進行優化管理，以保障紫外線燈的殺菌消毒效果，并最大限度地節省成本，同時，其還可根據機器紫外線燈的實際數量進行擴展設計，滿足多元化的需求。