采用ATmega128单片机的全自动内窥镜清洗消毒机
第 1 章 绪 论
1.1 课题的研究背景内窥镜是一个配备有光源的软管，可以经人体口腔或其他天然人体孔道进入体内，或者是通过手术的小切口进入人体内。使用内窥镜检查医生可以直观看到X 射线不能看到的病变，它对病情检查十分有用。医用内窥镜一般有三种类型：硬性内窥镜、软性内窥镜和电子内窥镜。硬性内窥镜在心胸外科、肛肠科、妇科诊疗中应用广泛。软性内窥镜由于其材质柔软在消化科、肛肠科、五官科、泌尿外科有广泛应用。电子内窥镜是微电子摄像系统，属于第二代内窥镜，电子内窥镜的内镜部分与纤维内窥镜相似，但它无光导纤维。随着我国医学诊治技术手段的不断提高与发展，微创治疗技术已逐渐成为医学发展的新方向，然而内窥镜微创治疗则是近年来迅速发展的光机电信息科学与临床医学、材料科学和生物工程学等高科技学科的有机结合体。微创手术采用内窥镜技术手段，以其创伤面小、微创手术时间短、术后恢复快等多个优势，深受医患双方的青睐。目前内窥镜已经成为消化、泌尿、耳鼻喉科、呼吸等系统诊疗过程中必不可少的设备之一。内窥镜检查已经越来越常态化，但在使用过程中常发现有患者在进行内窥镜检查后发生了急性的器官病变，乙型肝炎病毒（HBV）、丙型肝炎病毒（HCV）、肝炎病毒HXV）、结核菌（TB）的传染，如何安全的使用内窥镜问题变得尤其重要。据不完全统计，我国各型医院内窥镜诊疗中心内窥镜超过 15 万台，其中一半以上都是国外进口的，其售价在 60 万元/台左右。而内镜清洗设备大部分都以人工清洗工作台为主，一般有五个以上不同类型的清洗槽组成，有初洗槽、酶洗槽、次洗槽、浸泡槽、干燥台等组成，售价在 40 万元/套，而且占地面积大，一般五个清洗槽组成的清洗工作站长度约为 7 米左右。根据我国国民经济的实际状况，能配备 2 台及以上电子内窥镜系统和 2 套及以上清洗工作站的医院不多，大多数医院仅配有单套内窥镜诊疗、清洗设备。我国疆域辽阔、人口富庶，患消化、泌尿、耳鼻喉科、呼吸等系统的病人也多。在医院，生病患者要进行内窥镜诊断检查一般都需要提前预约，有的还要等好几个星期。然而制约内窥镜诊断检查效率的关键是内窥镜用完后清洗灭菌的流程。卫生部发布的《内镜清洗消毒技术操作规范》（2004 年版）规定，需要消毒的内镜采用 2%碱性戊二醛进行灭菌时候，浸泡时间为：适用于消化系统的内窥镜浸泡不少于 10 分钟，例如胃镜、肠镜等；适用于呼吸系统的内窥镜浸泡不少于 20 分钟，例如支气管镜等；结核杆菌、其他分枝杆菌等特殊感染患者使用后的内镜浸泡不少于 45 分钟[1]。再加上初洗、酶洗、次洗、末洗、干燥等环节，清洗一条胃镜的时间至少要 28 分钟以上，而其他种类的内窥镜时间更长，只有通过长时间的消毒液浸泡才能对乙肝等病菌进行彻底消毒。按照这样的消毒时间，在一天 8 小时的工作时间内，大夫检查的病人最多只能十几个人，远远满足不了广大患者的需求[2]。然而电子内窥镜系统如此昂贵的价格是一般医院较难接受的。因此，如果按照国家的规定进行消毒，医院不仅难以满足患者诊治需求，而且也不符合实际的利益需求。这种情况会致使许多医院受利益驱使，持有不负责任的态度，从而会简化清洗消毒程序，缩短清洗消毒时间，造成患者之间的交叉感染十分严重。目前各大医院内的内窥镜清洗存在着诸多隐患，清洗消流程通常采用人工的方法，手段较为落后，难以确保消毒效果，而且无法做到清洗、消毒全程监测。因此，提升内窥镜的清洗灭菌的水平，变得尤为重要，将有助于保护医患双方健康，有效的预防和避免感染。内窥镜的清洗灭菌过程一直以来都是人工作业，以后将会通过机器全自动达到清洗消毒的目的，将会逐步取代人工清洗消毒，缩短三分之一以上的清洗时间，而且全自动内窥镜清洗消毒机成本较低，可以被多数医院进行接。故为适应市场需求本文研究的全自动内窥镜清洗消毒机应运而.......................................
1.2 课题来源内窥镜及其配件是重复使用的诊疗器件，清洗消毒极其重要，卫生部提议的内窥镜清洗消毒是用使用专业的内窥镜清洗消毒机进行清洗消毒，但国内能做到的单位很少，因此，研发全自动内窥镜清洗消毒机，有很大的市场前景。本课题来源于 XXX 公司委托的《全自动内窥镜清洗消毒机系统研发》项目。........................................
第 2 章 全自动内窥镜清洗消毒机系统总体规划
本章主要是对全自动内窥镜清洗消毒机系统总体规划，和对硬件控制系统、驱动软件系统和内窥镜清洗质量追溯系统的设计。
2.1 控制系统硬件规划
2.1.1 全自动内窥镜清洗消毒机功能分析本课题要研究的全自动内窥镜清洗消毒机要求控制系统能够具有友好的人机界面，LCD 具有简洁的显示界面，能够对内窥镜清洗全过程的各环节进行实时监测、反应灵敏并且具有相关的理措施；能够感应各个功能部件活动并做出判断和给出对应的处理措施；能够控制交流减速电机的转动和停止；能够控制蜂鸣器；能够控制电磁阀；能够控制蠕动泵、水泵、计量器调制清洗液；能够实现内部通信和与上位机通信功能等；具有自动开关、定时操作、多种工作模式选择和多种操作方式为议题的综合产品。控制系统总体功能规划如图 2-1 所示。图 2-1 全自动内窥镜清洗消毒机控制系统总体功能规划从上述系统总体功能规划可以看出，所研究的全自动内窥镜清洗消毒机有以下几点的要求：(1) 系统主控板和采集板核心处理器是整个控制系统的核心部件，需要性能较高的微控制处理器，本控制系统要求微控制器必需具有准确的控制精度和高效.......................................
2.2 控制系统软件规划
2.2.1 全自动清洗机系统软件设计本全自动内窥镜清洗消毒机控制系统主要是通过主控板和采集板的微控制器来控制相关电路和元器件来实现系统功能。系统软件主要通过主程序和各子程序模块共同完成相对应功能。子程序软件模块主要由初始化模块、语音控制模块、数据采集模块、控制按键模块、液晶显示模块、通信功能模块、定时器模块、交流电机驱动模块、外部中断处理模块、EEPROM 读写模块和控制蜂鸣器模块构成。清洗系统软件总体设计规划图如图 2-4 所示。
2.2.2 全自动清洗机系统主程序流程根据全自动内窥镜清洗消毒机控制系统的功能需求，整个系统控制由各驱动子系统模块依赖于对主程序的调度，并共同完成控制系统的所有功能。系统驱动软件主要实现主控板和采集板的所有功能，即读取用户按键，各步清洗流程信息，传送至主控板和采集板进行实时处理，并传递给 PC 机，完成整..................................................
第3章 清洗机控制系统硬件设24-44
3.1 控制系统硬件电路设计24-25
3.2 通信模块电路设计.25-29
3.3 控制系统电源电路设计29-31
3.4 处理器基本外围电路设计31-33
3.5 12864 液晶显示电路设计33-35
3.6 键盘电路设计35-37
3.7 实时时钟电路设计接口37-39
3.8 继电器电路设计..39-40
3.9 控制系统PCB 设计及制作40-43
本章小节43-44
第4章 清洗机控制系统软件设计44-56
4.1 软件开发环境44-45
4.2 系统初始化模块45-46
4.3 液晶显示模块46-48
4.4 按键菜单模块48-50
4.5 内窥镜清洗全流程的实现50-55
本章小节
第3章 清洗机控制系统硬件设计24-44
3.1 控制系统硬件电路设计24-25
3.2 通信模块电路设计25-29
3.3 控制系统电源电路设计29-31
3.4 处理器基本外围电路设计31-33
3.5 12864 液晶显示电路设计33-35
3.6 键盘电路设计35-37
3.7 实时时钟电路设计接口37-39
3.8 继电器电路设计39-40
3.9 控制系统PCB 设计及制作40-43
本章小节.43-44
第4章 清洗机控制系统软件设计44-56
4.1 软件开发环境44-45
4.2 系统初始化模块45-46
4.3 液晶显示模块46-48
4.4 按键菜单模块48-50
4.5 内窥镜清洗全流程的实现50-55
本章小节 第 5 章 系统的仿真调试与实际测试5.1 全自动内窥镜清洗消毒机调试与测试
5.1.1 硬件电路调试本系统把总体硬件电路按功能分成若干个电路模块，对每个电路模块进行分别调试。分模块调试在出现问题后，查找范围小，便于及时发现问题，随时解决，十分适用于新设计电路。分块调试按照信号的流向，每个模块依次进行调试，然后逐渐扩大调试模块范围，最后完成总体调试[60]。电路调试具体流程如下：(1) 检查原理图的连线是否正常，然后对照电路图，检查印制电路板的逻辑故障，主要包括是否错线、有无短路和断路等情况，可用万用表辅助调试，用来检查是否有虚焊和引脚短路现象；(2) 在元器件焊接之前，先对对照原理图检查各元器件规格是否与设计匹配，然后对电路进行静态调试，目的为了确保电路的电压正确，可利用万用表点测硬件电路中各个点的电压，尤其是芯片的电源引脚 VCC 电压是否正常，防止电压过高被烧毁；(3) 优先调试电源模块，先检查 PCB 板上电源和地之间的焊接有无短路，是否存在虚焊等情况，然后上电观察电源模块的指示灯是否正常，用手碰触电源稳压芯片是否发烫、有无常气味和冒烟等异常情况，并检查电源的极性是否正常，电源和地线间的电位是否正常，若出现异常，则应当立即断电进行检查，避免烧毁元器件；(4) 当电源模块调试正常后，依次对其他模块进行焊接与调试，焊接后可轻拔一拔元器件，并观察焊点有无虚焊、是否牢固、焊点是否碰接一起等；(5) 上电对各个模块进行调试，观察有无异常现象，并及时做出判断，测量相关点的电压以及信号是否正确。(6) 最后进行硬件电路总调。如果接上电源和 TAG 仿真器，系统能够正常进入仿真环境界面，就说明系统工作正常，再通过硬件电路动态调试，对 RS-232串行通信模块进行调试，通过编写测试小程序，用万用表、示波器等设备系统所有模块进行联合调试。
5.1.2 驱动程序仿真与调试AVR Studio 支持程序模拟仿真调试，选择 AVR Simulator 软件模拟器，器件选择 ATmega128。优点在于当没有目标板的情况下，可以通过软件模拟单片机......................................
5.2 内窥镜清洗质量追溯系统测试
5.2.1 追溯系统功能介绍采用计算机信息处理系统管理内窥镜追溯可以替代传统的手工方式，记录各步操作的数据，存储在数据库中，便于查询打印。还规范操作流程，保证了内窥镜清洗消毒质量和患者的安全，内窥镜诊断与治疗中若发生感染，追踪感染病人时，可简化事件的处理过程，从法律上来说可以起到举证倒置的作用。
5.2.2 追溯系统工作原理系统配置完毕，清洗工刷卡录入人员与内窥镜信息，操作记录登记在数据库中，清洗人员设置各台清洗机，清洗开始后每个流程数据都通过数据处理中心上全自动内窥镜清洗消毒机进行总调，主要是对系统安装所有电气设备后，能否正常工作进行测试。测试的主要方面有：测试控制板对继电器的控制；水泵、气体泵、电磁阀组装后是否正常运行，性能是否满足样机结构体的需求，如水泵是否能够在短时间内将水抽至清洗槽、气体泵的功率是否能够驱动清洗机盖上的喷淋器等；对初洗、次洗、酶洗、末洗、干燥等清洗流程的时间控制；增强系统的运行可靠性，增强系统对各类干扰的抗干扰能力。全自动内窥镜清洗消毒机样机如图 5-7 所示。图 5-7 全自动内窥镜清洗消毒机样机实物图通电进行调试后，发现酶洗过程中温度传感器的信号不稳定，原因是和多个传感器共电源所造成的相互干扰，处理办法：将温度传感器电源和地单独接，干扰问题得到解决。加上语音控制模块后，遇到语音提示后，其他程序不能正常运行，一直处在中断现实，处理方式：关掉中断，程序就可以正常运行。...........................................
总结与展望
总结
本文大量分析了国内外大量已有理论和技术，和通过对市场进行调研的基础上，针对现有内窥镜清洗的现状，本论文提出并制作一台以 AVRATmega128 单片机为控制核心全自动内窥镜清洗消毒机，从而可有效的减少清洗效率低下、误操作、记录数据遗失等问题。本项目历时一年半时间开发、测试，并完成系统控制系统，制造出复合设计要求的全自动内窥镜清洗样机一台。主要完成的工作如下：(1) 通过对市场调研数据的挖掘，找到全自动内窥镜清洗设备的潜在市场，进行了需求功能分析，完成了项目总体方案的设计，搭建了系统框图，明确了系统总体目标功能；(2) 完成了控制系统的硬件电路开发和调试。确定系统核心芯片和其他部件的选型，利用 Protell 99SE 完成了控制系统硬件电路原理图和印制电路板的设计，完成了元器件采购与焊接工，并完成了控制系统硬件电路的调试；(3) 完成了控制系统驱动软件的设计与调试。采用了模块化设计，利用在 AVRStudio4.18SP3 开发环境下，深入学习了各类传感器、步进电机等部件的结构与原理，并与嵌入式技术相结合，采用 C 语言开发编程，依照设计方案实现了全自动内窥镜清洗消毒机全部的功能，系统软件主要包括系统主程序、通信模块、人机交互模块（包括液晶显示屏模块和按键键盘模块）、对部件数据的自动化采集和处理模块等模块；(4) 完成了全自动内窥镜清洗消毒机系统的各项功能测试。经过测试，证明系统能够完成各项功能要求，达到预期目的，运行稳定可靠；(5) 完成了内窥镜清洗追溯系统设计与实现，使得内窥镜从清洗消毒到与病人信息绑定进行手术，全程都自动进行数据记录，保证数据无遗漏、无遗失，便于医院的管理与查询。
展望本文设计的全自动内窥镜清洗消毒机系统还有很多值得改进的地方，有待于后续研发工作中进行研究和解决。下一阶段研发工作主要有一下几个方面：(1) 系统的人机交互界面还不够成熟稳重极致，下一步可考虑使用高分辨率的全彩液晶屏或者触摸屏；(2) 研究多条内窥镜全自动清洗技术。针对不同用户群，开发单机同时清洗两条、多条内窥镜产品，以满足不同用户的需求，形成系列化的智能清洗内窥镜产品。多条内窥镜同时清洗，此时控制系统承担的任务较多，可以考虑更换数据处理与存储能力较强的 DSP 微控制器；(3) 追溯系统增加视频监控的功能。可以与手术室视频设备进行相连，将病人手术时视频信息全程记录在服务器中，并与医院已有系统进行对接；(4) 利用物联网技术，打造智慧医院下的智能内窥镜清洗消毒中心的智慧医疗系统。智慧医疗系统根据国家相关部门的规定进行通体设计，并根据各医院的实际管理需求进行详细设计，通过整合现有的物联网基础硬件平台、医院数据交换平台、医院资源管理平台三大平台资源，并实施内镜科室资源管理平台，对内镜科室内各种资源、设备的定位、追踪，实现动态、实时管理，实现精细化管理;的基础。系统内将采用 RFID 超高频技术、无线 3G 通讯技术、无线网技术、影像处理技术、计算机处理技术、手机智能技术、自动化控制技术等。医院的数字化的建设会全面改变和解决现代化数字医疗模式、智能医疗及健康管理、医院信息系统等的问题和困难，并大幅度提高医院服务水平、医疗资源高度共享，降低公众医疗成本。智慧医疗系统还会融汇国内外数百家不同层次医院的先进管理思想和应用经验，实现病人服务的可视化、诊断过程的标准化、医疗诊断的智能化、护士站点的人性化。真正实现了医、疗、护、患、诊的智能一体化。参考文献（略）