高压蒸汽灭菌自动控制系统设计.doc

摘 要
随着生活水平的提高，人们对医疗灭菌消毒更加关注。而中小诊所的消毒灭菌设备简陋，自动化程度低，消毒质量难以控制。已经不能很好的满足实际需要了。偏远贫困地区的小型社区医院往往完全使用手工操作灭菌设备或者是使用自动化程度很低的灭菌设备，不但灭菌温度无法把握，灭菌时间长短也不能精确的控制，严重影响了医疗质量。
本控制系统是采用AT89S51单片机为核心，对饱和蒸汽的温度、压力、灭菌时间和底部水位的实时监控。由按键设定初值，通过压力和液位传感器进行信号的采集，由MAX197对其电压信号转换数字信号，而温度部分主要由AD590对温度信号采集以及转换，最终通过AT89S51单片机和键盘显示的处理来实时显示所对应的数据。当所有设定值设定结束后，通过DAC0832将数字信号转换成模拟信号驱动电动调节阀进行排水直到设定值，然后启动加热棒加热到设定值。在这个过程中，水变成蒸汽，进行杀菌。时间到时，杀菌结束，启动电动调节阀进行排气排水。软件部分采用一种智能控制方法，PID控制来控制系统的温度。其最突出的优点是技术成熟、易熟悉和掌握、只需要建立简单数学模型、控制效果好等，这些优点使其得到广泛应用。
本系统实现了对饱和蒸汽的温度、压力、灭菌时间和底部的水位实时监控。它不但工程造价较低、运行维护简单、运行费用低，而且是一种简便、可靠、经济、快速的灭菌方法。

关键词：单片机；高压蒸汽灭菌器；比例积分微分；温度传感器

Abstract
With the improving of the standard of living,people have paid more attention to the sterilizing effect.But the sterilizers in the clinics were simple and crude. Remote poor areas of small community hospitals tend to using manual operation sterilization equipment completely or using sterilization equipments whose automation degree is low,which not only leads to that the sterilization temperature can not hold,sterilization time cannot be accurately controlled which impact the medical quality seriously.
AT89S51 SCM used as the core of the system, can monitoring the temperature of the saturated steam,pressure ,sterilization time and water level which is at the bottom of the Hight Pressure Steam Sterilizer. Initial value is setted by the keys.The pressure and liquid level sensor collect the signals. The voltage signal is conversed to digital signals by MAX197. The temperature is controlled and conversed by AD590 and dealing with the date through AT89S51 SCM and the keyboard display.After all of dates are setted ,the DAC0832 which converses the digital signals to the analog signals, drives the electric controlling values for drainage until the setting point, then the system starts heating the temperature to the point.During this process ,the water is heated to steam and the steam kills the bacteria .After the time and the sterilization,the electric regulating valve is started to exhaust drainage.Software part adopts a method of intelligent control the temperature of the system.The most prominent advantage is the mature technology and easy to be familiar with and master.Only need to build a simple mathematical model and controlling effect is good ,which makes it widely used.
This system monitoring the steam temperature,pressure,sterilization time and water level which is at the bottom of the Hight Pressure Steam Sterilizer at any time.The construction is not only low,operation maintenance is simple ,operating cost is low,it but also is a simple,reliable ,economic and rapid sterilization methods.

Key words：SCM ；High pressure steam sterilizer；PID；The temperature sensor
目 录
第1章 绪 论 1
1.1温度压力灭菌设备的现状及特点 1
1.2高压蒸汽灭菌自动控制器的研究内容和意义 4
第2章系统的方案论证 5
2.1概述 5
2.2方案论证 5
2.2.1单片机的选择方案 5
2.2.2温度传感器的选择 7
2.2.3压力传感器的选择 8
2.2.4液位传感器的选择 10
2.2.5A/D转换器的选择 11
2.2.6D/A转换器的选择 12
2.2.7显示器件的选择 14
2.3整体方案设计概述 16
第3章 系统硬件设计 17
3.1晶振、复位电路 17
3.2温度调理电路 17
3.3压力调理电路 19
3.4A/D转换电路 19
3.5D/A转换电路 20
3.6时钟电路的设计 21
3.7键盘电路的设计 22
3.8给水排水电路的设计 23
3.9加热电路的设计 24
3.10 LCD显示电路 25
3.11报警电路的设计 25
3.12电源电路的设计 26
第4章软件设计 29
4.1PID控制算法 29
4.2主程序流程图 32
4.3数据采集流程图 33
4.4键盘子程序流程图 35
4.5显示子程序流程图 37
4.6控制输出子程序流程图 37
第5章 结论 39
参考文献 40
致谢 41
附录Ⅰ 42
附录Ⅱ 43
附录Ⅲ 56

63
第1章 绪 论
1.1温度压力灭菌设备的现状及特点
利用温度进行灭菌、消毒或防腐，是最常用而又方便有效的方法。高温可使微生物细胞内的蛋白质和酶类发生变性而失活，从而起灭菌作用。这种方法又分为干热灭菌和湿热灭菌，干热灭菌是通过脱水干燥使蛋白质氧化、变性、碳化和电解质浓缩中毒而使微生物死亡；湿热灭菌是通过凝固微生物的蛋白质致其死亡。它们的操作特点也各异，其根本区别在于消毒灭菌处理时，加热环境和微生物的湿度水平有所不同:“湿热”加热在此指微生物内部和加热环境均处于湿度饱和状态的加热，此时微生物与纯净的水或饱和蒸汽呈平衡状态；而“干热”加热，则用于指加热环境中无水或不足以达到温度饱和状态下的加热，其湿度水平可以为零，或刚刚低于饱和状态。一般情况下，微生物对干热的耐受力较对湿热者强，从而杀死微生物所需温度高得多；而且水分的存在有利于蛋白质凝固，在热作用的局部环境中，水分愈多或温度愈高，蛋白质凝固所需温度愈低，凝固速度愈快，对微生物的杀灭效果也愈好。另外，温热的穿透性也比干热强，因为蒸汽和水传导热能的效率比空气高，其次蒸汽冷凝时放出大量的潜热，可使物体迅速加热，正是由于二者杀菌机理各加热特点的不同，湿热灭菌不仅效果可靠，而且也降低了杀菌温度和作用时间。
一般来说，灭菌柜容积在 0.025立方米以下者为小型灭菌器，0.025立方米到 1.5 立方米者为中型灭菌柜，1.5 立方米以上者为大型灭菌柜。 大型灭菌柜常用于工业灭菌，而小型则常用于医疗卫生机构和实验室。按控制方式，可分成简易式、手控式和控制式三类。简易式压力蒸汽灭菌器包括手提式和台式等小型灭菌器；手控式灭菌柜的整个灭菌过程全由操作者自行处理。各步骤之间无有机联系；自动控制(程控)灭菌柜则可按不同灭菌物品的要求进行灭菌过程选择，除装卸物品外，整个灭菌过程连续地自动进行。
按杀菌因子热力介质的不同，湿热灭菌柜分为压力蒸汽灭菌柜、水浴式灭菌柜和蒸汽加空气混压灭菌柜三大类，如下表1.1所示。其中水浴式灭菌柜根据柜内灭菌架的运动状态又可分为静态式和回转式二类，而压力蒸汽灭菌柜如根据排除柜内原有冷空气所需真空产生原理的不同，可分为下排气式(又称为重力置换式)和预真空式(包括一次抽真空和脉动真空二种)二类；如按蒸汽品质的不同，可分为普通蒸汽型和纯蒸汽型二类；如按用途的不同，又可分为通用型蒸汽灭菌柜和专用型蒸汽灭菌柜二类。
表1.1各种灭菌设备一览表
热力介质
设备类型
设备名称

饱
和
蒸
汽
纯蒸汽
专用型
卫生级灭菌柜

普通
蒸汽
通用型
下排气式
普通压力蒸汽灭菌柜
欲真空式
预真空压力蒸汽灭菌柜
脉动真空蒸汽灭菌柜

专用型
真空检漏灭菌柜
快速冷却灭菌柜
多功能中成药灭菌柜
蒸汽空气混压
专用型
软包装快冷却灭菌柜
通风干燥软包装灭菌柜
高温过热水
水浴式
静态
水浴式灭菌柜
动态
旋转水浴式灭菌柜

水浴式灭菌是首先向灭菌室内注人洁净的灭菌介质(目前国内常用纯化水)至一定液位(水量经过计算，以保证循环系统内流量)，然后由循环泵从柜底部抽取灭菌用水经板式换热器加热，连续循环进人灭菌柜顶喷淋系统。该法具有温度均匀性好，温度调控范围宽，生产率较高。但其前期投资较大，辅助设备多，不太适合小型灭菌柜的应用。
蒸汽灭菌方法被用来杀灭各种微生物，与其它各种灭菌方法比较，蒸汽灭菌是最有效和廉价的。普通压力蒸汽灭菌柜的饱和蒸汽通常是由工业锅炉提供的，并由于输送系统等原因，蒸汽内常含有杂质及为减少对蒸汽锅炉的损坏而多在水中加人的少量挥发性胺等物质的存在，使在灭菌过程中会沉积在被灭菌物品上，这对于进入无菌组织的医疗器械和诊断用品可对病人产生危害，对于盛装无菌物品的容器可对无菌物品产生再次污染，进人组织培养基中也不利于病毒的培养。而纯蒸汽是经过汽液分离器和过滤器，所有传输管道均采用不锈钢卫生管，最大程度上避免了二次污染。因而比普通压力蒸汽作为灭菌介质的灭菌柜更卫生、更洁净、更符合 GMP 要求，提升产品档次，更适于直接接触无菌组织的器材和无菌物品的容器、包装材料的灭菌。
压力蒸汽灭菌柜根据排除柜室内原有冷空气所需真空产生原理的不同分为预真空式和下排气式二类。下排气式是利用重力置换原理，当蒸汽从灭菌器上方进入灭菌室内时，将从上往下把冷空气从下排气孔排出，使灭菌室内充满饱和蒸汽，一般使用122℃维持 20～30min 时间进行灭菌。但因下排式灭菌器利用重力自然置换，灭菌室内冷空气极难彻底排尽，常存有死腔、死角，妨碍了蒸汽的穿透性，影响灭菌的效果。据北京七家医院关于下排气式灭菌器的灭菌效果所进行的监测结果显示，灭菌合格率仅为 47.5%。预真空式与下排气式的根本区别在于将排除柜内冷空气的方式由被动性改为主动性，即由被蒸汽从上至下靠重力推出变为由真空泵抽出。
预真空压力蒸汽灭菌柜操作方法分为二类:一是采用一次抽真空，将柜室内冷空气减少至规定要求程度的预真空法；另一是采用多次抽真空，将柜室内冷空气减少至规定要求程度的脉动真空法。与下排气式压力蒸汽灭菌柜的比较，预真空压力蒸汽灭菌柜具有如下特点：一：柜室内冷空气的排除较下排气式彻底，从而作用温度提高，整个灭菌周期明显缩短。二：柜室内氧气随之减少，使作用时间缩短，故即使作用温度提升至较高，对物品的损坏亦较下排气式灭菌时为轻。三：具有比下排气式灭菌柜节约能源、减轻劳动强度、受包装和物品摆放等因素影响较小等优点。四：比下排气式灭菌柜结构复杂，制造成本高；一次抽真空，对真空泵和柜室的密封要求很高，增加维修工作量。
由于预真空法一次抽真空至-98.64KPa，对设备密封要求高，且可产生小装量效应，而脉动真空法在一次抽真空的预真空法基础上改为多次抽真空法，即灭菌时，先抽真空至-95.98KPa～-93.31 KPa，送入蒸汽将压力上升至 l01kPa，而后再抽气至负压状态，如此反复抽送 3 ～5 次，即可相当于一次抽真空至-98.64kPa 时空气的排除程度。虽然脉动真空法在抽真空上要多花一些时间，但负压较一次抽真空的预真空法小，因而对真空泵和柜室的密封要求较低，且可防止小装量效应的出现，效果更为可靠。为此，对蒸汽灭菌柜而言，我国目前推广的主要是脉动真空式灭菌柜。
近期国外文献又报道了一种在脉动真空方式基础上发展出来，被称为“动态脉动式”的灭菌方式，这种灭菌方式突破了脉动真空方式的在常压与负压之间的脉动方式，在负压与正压之间反复进行增压减压，达到进一步增强蒸汽浸透性的目的。这种动态脉动方式比脉动真空方式更具有升温速度快，灭菌彻底并可进一步缩短灭菌周期，预计将来动态脉动方式的蒸汽灭菌设备将会成为蒸汽灭菌的主流产品。
另一种趋势是向小型快速方向发展。为适应口腔科器械和其它手术器械快速灭菌的需要，国外许多公司推出了小型快速蒸汽灭菌器。这种灭菌器多采用高温高压的方式，使灭菌仓的温度可达 121～134℃。一般容积在 10 升左右的，灭菌仅需 6～9 分钟，可满足大部分临床的需要。

1.2高压蒸汽灭菌自动控制器的研究内容和意义
压力蒸汽灭菌是一种可靠、经济、快速、不遗留毒性和使用安全的灭菌方法。灭菌介质是由纯净水产生的高压饱和蒸汽，饱和蒸汽遇冷快速凝聚，释放出大量的热能使物品温度上升，冷凝的同时，体积急剧收缩，产生局部负压，使随后的蒸汽穿透到物品深处。灭菌效果取决于三个因素：时间、温度和蒸汽纯度。因此，本课题要求设计一个高压蒸汽灭菌自动控制系统，实现对饱和蒸汽的温度、压力、灭菌时间和底部的水位实时监控。
本系统设计的是一个基于单片机的高压蒸汽灭菌自动控制系统，采用单片机为系统的控制核心，对饱和蒸汽的温度、压力、灭菌时间和底部的水位实时监控。利用温度传感器及信号处理单元将检测到的温度进行处理后传到主控电路上，再经过主控电路处理之后送到显示单元显示同时与给定的温度值进行比较，从而达到对温度的实时监控。利用压力传感器及信号处理单元将检测到的压力进行处理后传到主控电路上，再经过主控电路处理之后送到显示单元显示同时与给定的压力值进行比较， 从而达到对压力的实时监控。利用单片机的软件部分实现时间的计时。当预定的杀菌时间到，便停止杀菌，进行减压排气排水。利用液位传感器及信号处理单元将检测到的压力进行处理后传到主控电路上，再经过主控电路处理之后送到显示单元显示同时与给定的液位值进行比较，从而达到对液位的实时监控。
高压蒸汽灭菌自动控制系统的优点是没有酸性气体、重金属等有毒有害物质产生。利用温度进行灭菌、消毒或防腐，是最常用而又方便有效的方法。高温可使微生物细胞内的蛋白质和酶类发生变性而失活，从而起灭菌作用。由于水分的存在有利于蛋白质凝固，在热作用的局部环境中，水分愈多或温度愈高，蛋白质凝固所需温度愈低，凝固速度愈快，对微生物的杀灭效果也愈好。另外，蒸汽和水传导热能的效率比空气高，其次蒸汽冷凝式放出大量的潜热，可使物体迅速加热，即热的穿透性好。自动化程度高且实时显示蒸汽温度、压力、液位和剩余杀菌时间，具有一定的准确性和安全性；可以有效杀灭细菌和各类病菌、病毒；工程造价较低、运行维护简单、运行费用低，是一种简便、可靠、经济、快速的灭菌方法。

第2章系统的方案论证
2.1概述
本设计以51单片机为核心，通过键盘预设温度、压力、液位和杀菌时间，采取PID控制算法调节加热管的输出功率，实时显示蒸汽温度、压力、液位和剩余杀菌时间，当达到预定杀菌时间后停止加热，减压排气排水，测温范围：0～150℃，额定工作温度126℃，测量精度为±0.5度；测压范围：0～0.2Mpa，额定工作压力：0.142 Mpa，测量精度为±1；液位测量范围：0～500mm，测量精度为2mm；控制精度为0.5%。
2.2方案论证
2.2.1单片机的选择方案
方案1：选择AT89C4051为主控制器，AT89C4051是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C4051是它的一种精简版本。该单片机还可以在片外扩展4KB程序存储器和4KB的数据存储器，带有15个并行I/O接口。该单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
方案2：选择AT89S51为主控制器。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
其主要功能特性：
l 兼容MCS-51指令系统 ，4k可反复擦写(>1000次）ISP Flash ROM；
l 32个双向I/O口，4.5-5.5V工作电压；
l 2个16位可编程定时/计数器，时钟频率0-33MHz；
l 全双工UART串行中断口线，128x8 bit内部RAM；
l 2个外部中断源，低功耗空闲和省电模式；
l 中断唤醒省电模式，3级加密位；
l 看门狗（WDT）电路，软件设置空闲和省电功能；
l 灵活的ISP字节和分页编程，双数据寄存器指针；
可以看出AT89S51提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时器/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟。同时, AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式何在RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直接到一个硬件复位。
AT89S51引角功能说明：
l Vcc：电源电压；
l GND：地；
l P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口，作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端口。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻；
l P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号校验期间，P1接收低8位地址；
l P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I。在访问８位地址的外部数据存储器（如执行：MOVX @Ri 指令）时，P2口线上的内（也即特殊功能寄存器，在整个访问期间不改变。Flash 编程或校验时，P2也接收高位地址和其它控制信号。）；
l P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端口时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流I。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能；
综上所述，由于系统控制方案复杂，数据采集量大，采集的数据和系统控制所需的汇编程序将占用单片机大量内存。AT89C4051内存不足，引脚有限，不能满足本系统需求。而AT89S51能够以其自身的所有功能特点承担起本系统的中央处理器的责任。所以选择方案2。
2.2.2温度传感器的选择
温度是该系统的主要控制量。对温度的控制不仅影响到系统能耗，而且直接影响灭菌质量。只有系统温度得到稳定控制到达灭菌要求温度时，才能开始灭菌计时,若计时后温度控制得不好使某一时间内系统温度低于灭菌要求温度，则灭菌计时就必须重新开始。
方案1：选择pt100为本系统的温度传感器，pt100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。pt后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。Pt100的工作温度范围：-200°C至+850°C。它的工作原理：当pt100在0摄氏度的时候它的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升成匀速增涨的。它可以应用在医疗、电机、工业、温度计算、阻值计算等高精温度设备。金属铂具有电阻温度系数大，感应灵敏；电阻率高，元件尺寸小；电阻值随温度变化而变化基本呈线性关系；在测温范围内，物理、化学性能稳定，测量精度高，是目前公认制造热电阻的最好材料。
方案2：选择AD590为本系统的温度传感器。AD590是美国AD公司生产的二端式集成温度一电流传感器，该器件体积小、重量轻、性能稳定。
AD590的性能指标如下：
l 测温范围：-50～+150℃；
l 线性电流输出：1μA／K；
l 测量精度：±0.3℃；
l 电源电压范围：4～30 V；
l 供电电压：当源电压在5～10 V；
l 精度：电压稳定度为1％时，其误差只有±0.1℃；
l 两端器件：电压输入，电流输出；

图2.1AD590外观图片

综上所述，由于AD590的测温范围满足本次课设，且测量精度、线性度都高于Pt100。Pt100的测温范围大，量程远超过本次所测温度，且误差较大。所以选择方案2。
2.2.3压力传感器的选择
压力是工业生产中的重要参数之一，为了保证生产正常运行，必须对压力进行监测和控制，但需说明的是，这里所说的压力，实际上是物理概念中的压强，即垂直作用在单位面积上的力。压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分，由各种压力敏感元件将被测压力信号转换成容易测量的电信号作为输出信号，由显示仪表显示压力值，或供控制和报警使用。
方案1：选择LCD0501压电石英力传感器为本系统的压力传感器。LCD0501上盖为传力元件，厚度为0.1～0.5mm。基座内外底面对其中心线的垂直度，上盖以及晶片、电极的上下底面的平行度与表面光洁度都严格要求，否则会使横向灵敏度增加或使晶片因应力集中而过早破碎。内部的石英晶体在沿一定方向受到拉力或者压力作用时发生形变，并且在其表面上会产生电荷，若将外力去掉，它们又重新回到不带电状态。当晶体切片在沿X轴的方向上受到压力Fx时，晶体切片将产生厚度变形，并将与X轴垂直的平面上产生电荷Qx。

（2-1）

其中d为压电系数，。
LCD0501实物图如图2.2所示：

图2.2LCD0501外观图

方案2：选用 MPX系列的 MPX2200应变压力传感器。MPX2200实物图如图2.3所示：

图2.3MPX 2200实物图

应变式压力传感器是电测式压力计中应用最广的一种。它是将应变电阻片粘贴在测量压力的弹性元件表面上，当被测压力变化时，弹性元件内部应力变化产生变形，这个变形应力使应变片的电阻产生变化，根据所测电阻变化的大小来测量未知压力。MPX2200是美国摩托罗拉公司的 MPX 系列半导体硅压力传感器。其芯片将 X 型横向压阻式应变计与温度补偿和校准电阻网络集成于一体，输出电压与传感器所受压力成正比。具体性能指标如下：
l 压力范围：0～200KPa；
l 供电电压：10～16VDC;
l 线性度：±0.25% ;
l 稳 定 度：±0.5%Span;
l 存储温度：-50～150℃;
l 预热时间：15s;
l 反应时间：1ms;
通过对多种压力传感器的性能比较，决定选用美国摩托罗拉公司的 MPX 系列半导体硅压力传感器。考虑到本系统的测压范围，选用 MPX系列的 MPX2200 式压力传感器，输入压力范围 0～200Kpa，满量程输出 40mv，可满足需要。MPX 2200传感器片内自带温度补偿及校正电路，不必外加复杂的温度补偿电路。由于本系统测的水蒸气的压力，水蒸气可能进入LCD0501压电石英力传感器的内部。由于LCD0501压电石英力传感器受压力后产生的电荷会被水蒸气分子中和，从而使得圧力和电荷量不成正比，产生较大误差。综上所述选择方案2。
2.2.4液位传感器的选择
方案1：选用LLE1022光电液位传感器作为本设计的液位传感器。光电液位传感器是利用光在两种不同介质界面发生反射折射原理而开发的新型接触式点液位测控装置。它具有结构简单，定位精度高；没有机械部件，不需调试、灵敏度高及耐腐蚀、耗电少、体积小等诸多优点而受到市场的逐渐认可。由于光电液位传感器探头体积相对小巧，可分开安装在狭小空间中适合特殊罐体或容器中使用。另外还可以在一个测量体上安装多个光电探头制成多点液位传感器、变控器。由于对传感器内部的所有元器件进行了树脂浇封处理，传感器内部没有任何机械活动部件，因此光电液位传感器可靠性高、寿命长、免维护。
方案2：选用FTY投入式液位仪作为本设计的液位传感器。FTY投入式液位仪利用静压测量原理即当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力P：
（2-2）

其中，P：变送器迎液面所受压力；ρ：被测液体密度；g：当地重力加速度；P0：液面大气压；H ：变送器投入液体的深度；
同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压 Po 与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的 Po。性能指标如下：
l 量程：0～500mm；
l 精度：0.3%；
l 供电：24VDC；
l 工作温度：0～150℃～250℃；
l 输出电压：0～5V或4～20mA或1～5V；
l 被测介质：液体（不适合强酸、强碱）；
FTY投入式液位仪实物图如图2.4所示：

图2.4FTY投入式液位仪

由于本系统要把水加热使其变成水蒸气，原来的空气会变成水蒸气，折射率会发生变化，光电液位传感器测量误差会很大，不能满足本次要求。FTY投入式液位仪以其量程、精度等各个方面的优越性能比光电液位传感器更适合本次设计。FTY投入式液位仪较光电液位传感器最大的优越性在于FTY投入式液位仪可以直接输出标准的可以被A/D直接接收的模拟信号，更不需要外加信号调理电路，简化了硬件电路的设计。综上所述选择方案2。
2.2.5A/D转换器的选择
A/D转换器是数据采集系统前向通道中的一个重要环节。数据采集是在模拟信号源中采集信号，并将之转换为数字信号送到计算机的过程。
方案1：ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
方案2：MAX197芯片是美国MAXIM公司近年的新产品，是多量程(±10V，±5V，0～10V，0～5V)、8通道、12位高精度的A/D转换器。它采用逐次逼近工作方式，有标准的微机接口。三态数据I／O口用做8位数据总线，数据总线的时序与绝大多数通用的微处理器兼容。全部逻辑输入和输出与TTL／CMOS电平兼容。新型A／D转换器芯片MAX197与一般A/D转换器芯片相比，具有极好的性能价格比，仅需单＋5V供电，且外围电路简单，可简化电路设计。
性能指标如下：
（1）12位分辨率，1/2LSB线形度；
（2）单+5V供电；
（3）软件可编程选择输入量程：10V，5V，0~+5V，0~+10V；
（4）输入多路选择器保护： ±16.5V；
（5）8路模拟输入通道；
（6）6us转换时间，100kSPS采样速度；
（7）内/外部采集控制；
（8）内部4.096V或外部参考电压；
（9）两种掉电模式；
（10）内部或外部时钟；

图2.5MAX197实物图

由于本次满量程150℃，误差±0.5℃。ADC0809为八位的，分辨率不足以满足本次设计。必须选择十位或以上的A/D才能满足需求，选择的A/D要比实际所需要的高出2位。所以选择方案2；
2.2.6D/A转换器的选择
D/A转换器是指将数字量转换成模拟量的元件或装置，它的模拟量输出与参考电压和二进制数成比例。
方案1：选用MAX508。MAX508是美国美信公司生产的具有内部参考电压输出型12位的D/A装换器（DAC）。转换电压具有相同的参考极性，允许单电源工作。
MAX508特性：
（1）12位电压输出型；
（2） 内部参考电压；
（3） 快速uPs接口；
（4） 单+12V或±15V供电；
（5） DIP20/24或宽SO封装；

图2.6 MAX508实物图

方案2：选用DAC0832；DAC0832是微处理器完全兼容的，具有8位分辨率的D/A转换集成芯片。它由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及控制电路组成。DAC0832为20脚双列直插式封装结构，为电流输出型D/A转换器，要获得模拟电压输出时，需要外加转换电路。DAC0832以其价廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到了广泛应用。
其在应用时有如下特性：
（1）DAC0832是微处理器兼容型D/A转换器，可以充分利用微处理器的控制能力实现对D/A转换的控制，可以和微处理器的控制线相连，接受微处理器的控制。
（2）有两集锁存控制功能，能够实现多通道D/A的同步转换输出。
（3）DAC0832内部无参考电压，须外接参考电压。
DAC0832引脚功能说明：
l DI0~DI7：数据输入线，TLL电平；
l ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；
l CS：片选信号输入线，低电平有效；
l WR1：为输入寄存器的写选通信号；
l XFER：数据传送控制信号输入线，低电平有效；
l WR2：为DAC寄存器写选通输入线；
l Iout1：电流输出线，当输入全为1时Iout1最大；
l Iout2: 电流输出线，其值与Iout1之和为一常数；
l Rfb：反馈信号输入线，芯片内部有反馈电阻；
l Vcc：电源输入线(+5V～15V)；
l Vref：基准电压输入线(-10V～10V) ；
l AGND：模拟地，摸拟信号和基准电源的参考地；
l DGND：数字地，两种地线在基准电源处共地比较好；

图2.7DAC0832实物图

由于D/A转换器要连接可控电磁阀，所以必须考虑电磁阀的分辨率问题；MAX508是具有内部参考电压输出型12位的D/A转换器，必须使可控电磁阀达到千分之一的分辨率；然而可控电磁阀不可能达到如此高的分辨率，即电磁阀的灵敏度远远达不到；DAC0832是微处理器完全兼容的，具有8位分辨率的D/A转换集成芯片。虽然DAC0832要获得模拟输出电压需要外接转换电路，但是DAC0832的分辨率和可控电磁阀分辨率匹配能很好的控制可控电磁阀，且价格远低于MAX508。所以选择方案2。
2.2.7显示器件的选择
方案1：选用LED数码管作为本设计的显示器件。每位数码管由七个笔划加上小数点共8个发光二极管组成；数码管有共阴极和共阳极两种类型，公共端用来进行位控制，笔划端用来进行字符控制，在不同的笔型码驱动下显示不同的字符；数码管显示有静态显示和动态显示两种方法；有需要三总线的并行驱动电路，也有不需要三总线的串行驱动电路；随着技术的发展，已经有多种数码管专用驱动芯片上市，使硬件电路大大简化；LED数码管显示是一种经济实用的方法。
方案2：选用LCD3310液晶显器作为本设计的显示器件。LCD3310液晶是一种OEM产品，生产厂家 Philips，可显示84*48点，被评为性价比最好的液晶。
LCD3310编码显示原理：
LCD3310屏幕由84*48个点组成，划分为84列*6行个显示单元，每一个显示单元由1*8个点组成，编程控制显示时按坐标定位，X轴从左到右为0到83，Y轴从上到下为0到5，每一个显示单元用一个十六进制0x**控制，0x**转换成二进制后是8个01位，每一个显示单元从上到下为点1到点8，分别对应二进制数的最低到最高位，为1的显示黑点，为0的不显示。
下面将要讲到的字符显示是用六个连续的显示单元控制显示的，例如{0x14，0x08，0x3E，0x08，0x14，0x00}，//将会显示符号 *

图2.8LCD3310编码示意图

图2.9LCD3310编码显示图

所以我们可以自由的显示字