多功能大氣壓非平衡等離子體射流消毒裝置

周樂濤，周曉華，余彤

（1.西京學院 電子信息學院，陜西西安，710123；2.西京學院 醫學院，陜西西安，710123）

0 引言

等離子體醫學是近年來發展起來的一門交叉學科，研究發現等離子體在皮膚消毒、促進傷口愈合、癌癥治療等方面均具有顯著效果。皮膚外表面受到破壞時，可能會長期處于炎癥狀態，長時間使用藥物可能會使得傷口處的細菌產生抗藥性。并且由于大量抗生素的不規范使用，超級細菌的抗藥性不斷增強。此外微生物主要以生物膜的形式存在，生物膜可以調整細菌的密度和進行一些群體行為，使病菌耐藥性增強10-1000 倍，導致傳統醫學滅菌方法失去效果，且易引發長期感染。

大氣壓非平衡等離子體射流氣體溫度在室溫附近，化學活性高，具有廣譜的殺菌能力，能有效滅殺各類微生物。

過去關于等離子體的研究主要集中在低氣壓等離子體或平衡等離子體中，不適用于生物醫學領域。部分大氣壓非平衡等離子體也要以惰性氣體作為工作氣體，但惰性氣體價格昂貴并且不是所有的環境都能取得。因此，如果能以空氣作為工作氣體，將極大地提升大氣壓非平衡等離子體的價值。

1 等離子體射流消毒原理介紹

■1.1 等離子體射流直接殺菌原理

等離子體放電過程中生成大量活性粒子，殺菌有效成分眾多。相關研究認為等離子體中的O原子和含氧活性粒子可能起主要作用，OH可能會與生物大分子反應殺死細胞，并生成H2O2破壞細胞內部的DNA。此外，等離子體中活性氮粒子如NO，，也被認為起到了重要作用。等離子體中還包含少量紫外線，對細菌滅殺起到了一定作用。

■1.2 等離子活化液消毒原理

液體被低溫等離子體處理后，液體分子離解的產物與等離子體中的活性物質反應產生富含更多種類活性成分的液體溶液。

等離子體活化水具有多種應用場景。在食品保鮮應用中，將等離子體活化水制作成冰，可將水產品的保鮮期延后八到十五天。在傷口愈合應用中，活化液體中部分正負粒子、氫過氧化物和二烷基過氧化物等會發生反應，生成具有生物活性和細胞毒性的含氧活性粒子。在傷口處涂抹活化水可以促進細胞周期蛋白和血管內皮生長因子的產生，促進膠原合成和基質再生的誘導，從而促進傷口愈合。

■1.3 等離子體消毒裝置的優勢

與傳統消毒手段相比，等離子體消毒可應用于精密儀器，敏感性肌膚等多種場景，且安全無副作用，綠色環保。

等離子體射流發生裝置種類繁多，傳統的放電只需要施加足夠高的電壓就能將放電間隙擊穿從而產生等離子體，但是放電間隙的擊穿電壓非常高，且人體無法直接接觸。本文設計的等離子體射流裝置通過電離、激發、解離的方式，將大部分能量用于形成氮氧化物而非加熱氣體溫度，使得人體可以直接接觸。

此外放電間隙的尺寸會限制被處理物體的大小，間隙間無法放置較大物體。若將被處理物體放置在間隙附近，則會導致活性物質發揮作用前就已消散。本文設計了一種能夠在開放的空間內產生等離子體的設備。

2 硬件系統設計

■2.1 介紹

多功能大氣壓非平衡等離子體射流消毒裝置，包括大氣壓空氣非平衡等離子體射流裝置，溫度警報系統和機械臂系統。

等離子體消毒裝置控制系統分為硬件和軟件部分。硬件部分采用STM32 進行控制，控制電路中包含六自由度機械臂，電源，溫度傳感器，顯示屏，蜂鳴器。機械臂負責移動等離子體射流裝置，當機械臂接收到按鍵信號時，會按照預設模式移動等離子體射流裝置。機械臂的移動的角度由機械臂逆運動學角度坐標控制程序決定，移動由STM32 芯片發出PWM 信號控制。

在溫度報警系統中，編寫溫度傳感器控制程序，使用按鍵預設溫度，檢測到的溫度會實時顯示在LED 屏幕上，當溫度傳感器檢測到等離子體溫度高于預設溫度時，蜂鳴器報警并切斷電源。

■2.2 等離子體射流陣列模塊

本文使用脈沖直流高壓電源驅動。其電流峰值與交流驅動相比大了兩個量級，且大多數譜線強度更強，滅殺細菌區域更大，活性粒子密度更高，氣體溫度更接近室溫。

將單個等離子體射流裝置中電源與100mΩ 電阻連接。電阻另一端連接著直徑2mm 的鎢針作為高壓電極。采用多個等離子體射流裝置并聯組成等離子體陣列，當手掌靠近等離子體陣列時，手掌與陣列之間會出現長達2cm 的空氣等離子體，手掌可靠近針電極甚至與針電極接觸。

單個等離子體射流裝置簡化模型如圖3 所示。圖中，C1為包裹高壓電極的內部介質管的電容，C2、R1 為管內等離子體的電容和電阻，C3 為外部介質管的電容，C4、R2 為周圍空氣中等離子體射流的電容和電阻，C5、R3 為人體簡化模型的電阻和電容。通過分析可得，人體上的壓降在幾十伏之內，平均流過人體的電流為1.5mA。從用電安全上看，此設備是安全的，人體可以直接接觸等離子體而不會產生不適。

在該裝置中，中間的針電極被介質管包裹，各介質管外側底部均裝有環形電極，通過該結構設計，沿著等離子體射流軸向的電場得以增強。該結構具有以下優點：運輸到等離子體的功率較低，等離子體溫度更接近室溫，放電射流可直接作用于人體。通過將多個等離子體射流消毒裝置組成陣列可以擴大消毒面積，但各管間距過大或過小都會改變發射電場從而影響發射電流大小，因此需要合理調配陣列間距。

■2.3 機械臂模塊

機械臂所持有該消毒裝置，機械臂用于輔助大氣非平衡等離子體射流裝置的移動，使等離子體可以勻速地掃過人體組織，實現大面積的人體組織消毒。

機械臂主要由舵機控制，舵機構成部分如下所示：舵盤，減速齒輪組，直流電機，控制電路板，位置反饋電位計等。

其工作原理為：當控制電路板接收到信號線傳輸的信號，控制電機帶動齒輪組轉動，并傳動至輸出舵盤。舵盤轉動時帶動位置反饋電位計轉動，電位計將信號反饋至控制電路板，控制電路根據反饋回來的信號判斷當前位置是否與設定位置一致，決定是否需要再次進行轉動電機。

舵機的控制信號是PWM 信號，脈沖周期為20ms，當脈沖寬度為0.5ms～2.5ms 時，對應舵盤位置為0～180 度，兩者呈線性關系。給舵機一定脈寬，其輸出軸會保持在對應的角度，直到接收到下一個脈寬，斷電恢復后，機械臂控制芯片會自動讀取最后一個脈沖信號，并將機械臂移動到相應角度，因此每次操作完成后，需將機械臂復位。

舵機內部存在一個基準電路，輸出基準信號，接收到外加信號時，會將外加信號與基準信號進行比較，判斷舵機轉動方向與大小。舵機的轉動范圍不能超過180 度。

舵機規格選用DS3115，該舵機工作電壓為直流4.8V～6V，工作電流為2A～3A，舵機供電電源為5V1A電源。

■2.4 溫度警報模塊

溫度報警系統用于監測等離子體溫度，主要用于測量“離子風”吹動的氣流溫度，并將溫度實時顯示到數碼管上，當氣流溫度高于設定溫度時，蜂鳴器報警，并切斷電源，防止故障設備發射出的等離子體射流灼傷人體。

溫度傳感器選用DS18B20，DS18B20 是一款高精度單總線數字溫度測量芯片，其工作穩定，體積小，功耗低，抗干擾能力強，可由數據線供電而不需要額外電源，其測量精度高于常見的溫度傳感器DHT11，其溫度測量范圍為-55℃～+125℃。當芯片斷電時仍會保存報警溫度和設定的分辨率。

■2.5 按鍵控制模塊

按鍵模塊通過按鍵信號接收器與舵機控制板連接，需要通過6 根杜邦線分別連接控制板的DI、DO、GND、VDD、CS、CLK 管腳。DI、DO 管腳功能為支持數據從按鍵模塊流向主機和從主機流向按鍵模塊，信號以8 比特位傳輸。VDD用于連接接收器工作電源，電源范圍是3V～5V，實驗中選用3V3。按鍵模塊通信時序通過四線完成，分別是DI，DO，CS，CLK。DI 與DO 是一對同時傳輸的8 比特位串行數據，傳輸時CS 需要降為低電平，CLK 由高電平變低電平。

按鍵模塊使用兩節7 號1.5V 電池供電，接收器和單片機共用電源，電壓源范圍為3V～5V。按鍵模塊上有電源開關，在開通情況下，一定時間內未搜索到接收器，按鍵模塊會進入待機模式，指示燈將熄滅，直到按下“START”按鍵。在按鍵模塊與接收器均供電打開的情況下，按鍵模塊與接收器會自動匹配。

表1 按鍵接收器引腳與單片機接口接線

按鍵模塊工作時需要注意以下幾點。CS 在數據輸出和輸入時都是低電平，在數據傳輸時需要由高拉低，數據傳輸完成后再由低拉高。數據傳輸是全雙工通信，DI 與DO 同時完成在時鐘上升沿的時候，DI 與DO 的數據有交換部分，即此時不能進行數據的讀寫，讀取到的數據不準確。因此只有等到時鐘為下降沿，數據穩定后才能讀取數據。數據從低位到高位進行讀寫。

當按鍵模塊的信號傳輸給機械臂控制板時，機械臂會執行對應按鍵預設的程序。

3 軟件設計

■3.1 機械臂控制程序設計

軟件控制部分通過編寫c 文件，使用Keil5 進行編譯和調試。當編譯STM32 程序完成后，通過Keil5 下載到STM32 的控制板中。

機械臂是由機械系統，電氣系統組成。機械系統由旋轉關節，機械連桿等串接而成。電氣系統是機械臂的控制系統，由單片機、舵機、舵機控制板等組成。單片機負責發送舵機控制指令，舵機系統由6 個舵機組成，在接收指令后可調控六個自由度，完成具體動作。舵機控制板由STM32 構成，負責接收系統控制指令、放大信號并輸送到各個舵機。

舵機手臂控制系統軟件的任務是將編寫好的程序燒錄至舵機控制板并輸送到各個舵機，實現機械臂的具體動作。在編寫動作時，需要考慮各舵機的旋轉角度。在通電后，按下復位按鍵后，系統先進行初始化，配置定時器，配置按鍵模塊，從寄存器中讀取PWM 數組，更新PWM 數組為最后一次接收到的數據，并使舵機運動到相應位置并保持，在循環中等待命令，當接收到新的動作命令時，更新寄存器中的設置，再一次讀取PWM 數組，使舵機運動并保持到相應位置。

■3.2 機械臂運動路徑計算程序設計

機械臂通常使用DH 模型進行描述。DH 模型至今仍是推導機器人運動學的標準方法。在找到兩兩相鄰的關節坐標之間的關系后，通過有限次數的平移和旋轉可以使用一個齊次線性矩陣表示這種關系，將相應的矩陣相乘，就可以得到任意兩個坐標系之間的關系。當知道首關節與末關節的轉換關系時，在首關節確定的情況下，通過該轉換關系，就可以確定末端關節執行器的位置與姿態。

在實際應用中，我們通常使用機器人逆運動學確定機械臂到達理想位置時，各關節的轉動角度，程序流程圖如圖11 所示。

圖1 等離子體射流消毒裝置系統框架圖

圖2 等離子體射流陣列

圖3 等離子體射流陣列等效原理圖

圖4 機械臂實物圖

圖5 DS3115 機械臂控制板

圖6 舵機控制原理圖

圖7 蜂鳴器與溫度傳感器電路圖

圖8 按鍵信號接收器實物

圖9 按鍵信號接收器引腳功能圖

圖10 機械臂控制程序流程圖

圖11 機械臂逆運動學計算流程圖

圖12 溫度警報系統流程圖

圖13 系統整體實物

圖14 等離子體射流消毒

圖15 等離子體活化水制造

圖16 殺菌效果對比

■3.3 溫度警報系統程序設計

溫度控制系統包含DS18B20 溫度傳感器、數碼管。DS18B20 內部主要由4 部分組成：64 位ROM、溫度警報觸發器TH 和Tl，溫度傳感器，配置寄存器。開啟電源開關后，DS18B20 先進行初始化設置，之后發送讀取數據，一位一位驗證數據，驗證完成后，數碼管顯示當前溫度。其具體工作原理為，低溫度系數晶振和高溫度系數晶振分別將脈沖信號傳輸給計數器，溫度寄存器根據基值和接收到的脈沖信號進行計數，從而得到準確的溫度數值。

在操作過程中，在按下設置按鍵后，設定選擇溫度。選定溫度將與測量溫度進行比對，當測量溫度超過選定溫度后，蜂鳴器報警并切斷電源。

4 系統測試

設備測試主要分為三個部分。大氣非平衡等離子體射流發生裝置測試，測試等離子體射流是否正常工作。機械臂控制系統測試，測試各舵機是否均能正常工作，機械臂能否按照規定路線移動等離子體設備。溫度警報系統測試，主要測試能否正常測量等離子體溫度，在溫度超出選定值時能否讓蜂鳴器發出警報。通過這三方面的測試與分析，進而對整體設備性能進行評估。

電路通過變壓模塊，限流模塊，等離子體放電針，暗通道形成回路。通電時，手臂放置在平臺上，機械臂將等離子體射流裝置移動到手臂上，等離子體均勻地揮灑在手臂上，手臂無電擊感和熱感。溫度傳感器顯示當前離子溫度，接近室溫。在溫度傳感器外側放置一打火機后，蜂鳴器報警并通過繼電器切斷所有電源。

等離子體活化水制造時，無菌水放置在燒杯中，燒杯底部貼有平面電極，機械臂將空氣等離子體射流陣列移動到水平面上方0.9cm 處，開始生產制造等離子體活化水，3 分鐘后將完成制作。

取菌種分別放置于兩組不同培養皿中，將實驗組用等離子體射流持續照射十分鐘，并將兩組培養皿放置在無菌環境中培養，24h 后培養結果如圖所示，說明等離子體射流存在廣譜的殺菌效果。

5 結語

本文設計一種實用的等離子體殺菌消毒，可用于人體外部和內部組織、醫療器械、食品消毒。設計的等離子體射流發生裝置工作性能安全可靠。但是，目前對于等離子體劑量，醫學上尚未有明確標準，當劑量過高時，可能會導致一系列的病理生理效應。