紫外线自动检测及消毒系统设计

Microcomputer

Applications

Vol.

37,No.

6,2021文章编号：1007-757X(2021)06-0202-03技术交流微型电脳％用2021年第37

)第6期紫外线自动检测及消毒系统设计王颖(吉林大学第一医院二部

应中心，吉林

长春130031)摘要：由于消毒环境的变化，常规消毒制度很难满足现场紫外线消毒要求，要么消毒不足，要么过度消毒。针对上述问题!

结合微控制器设计了紫外线自动检测消毒系统。系统可实现现场紫外线自动检测，并根据检测结果及时调整辐照度和消毒

时间，以满足现场消毒要求。此外，融入了递减算法抗干扰措施，提高了系统自动检测精度。该设计为紫外线消毒设备及系

统的改造提供了参考，具有一定的应用价值。关键词：紫外线消毒；辐照度；微控制器；递减算法中图分类号：R187+.4

文献标志码：ADesign

of

Ultraviolet

Automatic

Detection

and

Disinfection

SystemWANG

Ying

(DisinfectionandSupplyCenteroftheSecondDepartment,

theFirstHospitalofJilin

University,Changchun130031,

China)

Abstract:

Due

to

the

change

of

disinfection

environment,

the

conventional

disinfection

system

cannot

meet

the

requirements

of

ultraviolet

disinfection,

either

insufficient

disinfection

or

excessive

disinfection.

Aiming

at

these

problems,

combined

with

mi-

crocontraller,

an

automatic

ultraviolet

detection

and

disinfection

system

is

designed.

The

system

can

realize

the

automatic detec­tion

of

ultraviolet

rays

on

site,

and

adjust

the

irradiance

and

disinfection

time

according

to

the

detection

results,

so

as

to

meet

the

requirements

of

disinfection

on

site.

In

addition,

the

system

integrates

the

anti-interference

measures

of

the

decreasing

algo­rithm

to

improve

the

automatic

detection

accuracy.

The

design

provides

a

reference

for

the

transformation

of

UV

disinfection

e­quipment

and

system,

and

has

a

certain

application

words:

UV

disinfection；

irradiance；

microcontroller；

decreasing

algorithm其中！1和-表示通带宽度范围，即-1

;Ee

(-)、S

0引言紫外线

境，由于

常用在治疗室、实验室

(-)、(-)分别表示绝对光谱辐照度、光谱灵敏度和光谱透

院

制

科室等环能达到过率&环境的变化使得传统的定时

，丿

合适的

量

式(1)所得到的辐照度示值是紫外线接收面与入射紫外

量才能达到

的

宇效线垂直情况下的示值&但通常

下，探测器轴线会与紫外

在医用环境下，紫外线

时间和紫外线的因素有1线入射

导

量

夹角，而发射光源也

准确&

，本文的紫外线自动

源，这样会系辐照度的乘积⑵。由

,

时间

出，影响紫外线

&

，消毒时间的准确判

统利用余弦修

理，设计

器，如图1所示&的精准测量是本设计的关键&1关键因素研究1.1

辐照度的测量用

，紫外线

的测量常常使用

器，根据

匸效,

须法，此外还要确

紫外线

同

紫外线的

果来选择不同紫外线波段的

器&文献研究

最佳的波段为240—280

nm,属于紫外线确

254.

2

nm[3]。C波段范围(C波段具有快速消毒效果)。经过反复试验，现

将最佳

紫外线

图1紫外线探测器结构函数与标准的辐照计响应函数趋同，因示值为式(1)。Euv

—

P2

Ee(A)S(A)r(A)dA

图1中，滤光片为镀膜石英，c波段以外响应为1.5%、

通带宽度为20

nm,通过滤光片中心的紫外线波长为

254.

2

nm；将子紫敏硅光电池作为光电转换器，该电池具有

此可得到

(1)+1作者简介：王颖(1969-),女，本科，主管护师，研究方向：医疗科学仪器&较高的紫外线

，响应峰值为280

nm,属于C波段范・202

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Vol.

37,No.

6,2021技术交流微型电脳％用2021年第37

）第6期围；采用磨砂

玻璃作

弦修正器件&紫外线

器的输出信号

安

的，因此难以直接

将其处理成数字信号&

，本设计首先将输出信号转

「

可放大的电压信号，并通过A/D将电压信号处理为数字信

号，紫外线

器输出的电流信号转

大电压信号的电路原理图，如图2所示&辐照度，即可得到相应的

时间&

，通过计算得到的普通消毒时间T1和强消毒时间Tq］⑸为式（4）、式（5）。T"

—

3

792.

603

4E—"194

Tqi

—

19

213.

287

6E7292

（4）（5）不同环境下，需要的紫外线消毒灯个数不同（即辐照度

大小），同时也需要增加相应的探测器来监控消毒是否

1。因此，辐照度E可通过下式获得，如式（6）、式（7）。e/n

i=1E

=

1/2（Em”

+Eu”）

Eevn

=

#

（6）（7）其中，Emin表示最小辐照度；”表示紫外线灯数量；，表示第Z

图2电流信号转变为放大电压信号的电路原理图其中，采用AD8504作为运算放大器，双电容（G和C2）

能

到

大电路的作用！

自激振荡的产生&1.

2

消毒时间的确定用消毒规定，通常情况下对于医院等细菌、病毒

种类及数量较多的环境，紫外线辐射剂量要大于

1f105W・s/cm2

&但在实际医院环境中，当辐射剂量大于

40

W/cm2

#

）后，就要考

量

量

：问题。因此，本系统开发需要考虑安全、有效的消毒剂

量与

时间的关系&院

环境中，紫外线消毒灯数量（总功率）是按照消紫外线灯的辐照度;Een表示全部

数&将上述结果代入式（3）中即可计算出不同

下的消毒时间&由此可建立辐射剂量M的计算式，如式（8）。=—TA

E

（8）1.

3

干扰因素的消除医院

环境中，紫外灯电源的电压通常为市电电**压，即220

W士10%，电压的波动会对辐照度产生一定的影

响！

环境的湿

温度也

动性，对

I在

的

小

。

上

理

式

计算

的

射量,

与

需要的

射

量会 在

的

。干扰因素的

，本文自动

系统

入

算法来达到抗干扰的目的&

分

量

E,总辐射剂量M减去

量

E,然

时间增加一分钟，直到M毒标准设定的，即1.5W/CM3。根据真实医院环境，本实验

将相对湿度设

62%，环境温

25

P，并保持紫外线灯电源电压稳定。根据医院场所消毒要求，本实验将消毒等级

分

通

、

1、

2

3!

"是在普通消毒基础上增加40%消毒时间，以此类推，以增加消

量！

分为8

，最后得到

时间与测量的的关系，如图3所示启日、w止，即结束

&

算法的引入能

动

素对

的

。抵抗电压2系统设计及效果测试2.

1

系统设计120

r100

二'、、一普通消毒-一强消毒1-……强消毒2----强消毒3fettw40

-20

~~~~~~_____________________0___________I____I__________I______I70

80

90

100

110

120

130辐照度/（|1W

•

cm-2）图3消毒时间与辐照度的关系曲线为了实现紫外线自动检测，本文设计了消毒系统&本设

计

8路紫外线灯的监控

射量

，基于嵌入式微控制系统，分 程监控 场

&其中，远程监控是通过总线与现场设备的连接来实现传输的，上位机主

要提供显示（

时间、

）、报警、消毒方式设定、自

动控制紫外线灯开

能；现场

紫外线灯、紫外线

器、信号放大电路、A/D转换、多路开关、微控制系统、

通信总

线

,

场

也

报

警

能,

场

及

时汇报

整&系统框架

4

示&|紫外线灯1円

探测器1卜》|调整电路1卜|紫外线灯2

|~a|探测器2卜调整电路2卜

一多路开关

根据关系曲线，可列出数学模型为y

=

a；b%0,通过线

得到为式（2）。ln

y

—

ln

a ―

bln

;

采样保持和A/D转换（2）通过对试验数据的分析，可得到普通消毒和强消毒相关

系数均大于8时的标准值为0.

704,所以可对数据进行线性

|紫外线灯8円

探测器8

制调整电路8

—一|键盘和显示卜~T微控制器|系拟合，并计算参数a（普通消毒）和b#

消毒时间与辐照度关系⑷为式（3）。其

,T

示

时间

；E 示

&T

—

aEb

），最终得到|上位机k~T总线接口 |（3）其他总线

图4系统架构将参数a和b代入式（3）中，结合探测器测量的紫外线・

203

Microcomputer

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Vol.

37,

No.

6,2021该系统可提供最多8路紫外线消毒灯的控制和检测，并

技术交流微型电脑％用2021年第37)第6期通过实际消毒时间(生物样本界定)和根据辐照度通过

理论算式计算的消毒时间进行对比，如表3所示&根据消毒环境情况调整紫外线灯的数量。为了满足大型消

毒环境的需求，本系统还可以通过现场总线互联的方式进行

表％实际消毒时间与理论消毒时间对比结果辐照度通扩展，使其消毒线路大于8路&2.

2

效果测试为了验证该系统的有效性和消毒效果，选取了某医院的

时间理

时间偏差/对min32minmin+1.1%真实环境进行测试。消毒效果评估前，需要对紫外线探测器

33

167

2341217精度和电压波动影响进行测试&方案如下：通过对比测量法分析紫外线探测器与标定的辐照计测

强消毒。辐照度强消毒F辐照度6872—0.870

8—1.2量结果来确定探测器的精度&本文采用UB-T28型紫外线

辐照计作为标准,将其与本文设计的探测器置于紫外线灯管

法线0.8

m处，并读取两个设备的读数。为了测量结果准

每组采用40次数据取平均值的方法，来提高数据的准

确性&确，采用每组测量40次取平均值的方法，得到探测器精度结

果，如表1所示&由表2、表3可知，理论消毒时间和实际消毒时间存在微

小偏差，但相对偏差不超过5%，符合/类环境卫生消毒要

表1探测器精度测试结果标准值/测量值/偏差/对0求，说明该系统建立的模型适合，提出的抗干扰n施有效&(*W/cm2)(*W/cm2)583268577315(*W/cm2)%0 553总结为了避免紫外线过度消毒或消毒不足的问题，本文设计

了紫外线自动检测消毒系统，该系统可根据消毒环境自动检

5869+

0.

32—0.

43—0.858691测紫外线辐照度来设定消毒时间，以此满足现场对消毒剂量

720511133+0.68的要求&同时，为了消除市电电压波动对辐照度的影响，本

设计还引入了递减算法抗干扰n施，提高了系统精度&由消

毒效果测试可知，本系统探测精度高、时间设定准确，可以满

—0.87+0.96+1.05足医院普通手术室和治疗室的消毒需求&112—0.67059参考文献方方，林凯旋，吕善斌，等.UV LED紫外线杀菌效果

由表1可知，本文设计的探测器其相对偏差均小于2%

,

说明精度较高&为了验证本系统中抗干扰算法的有效性，采用每5分钟

随机变换一次紫外线灯电源电压的方式(变化幅度不超过土

的评估照明工程学报,2020,31(1):9-10.[2]

沈術，王志勤，姜锋，等.电子节能灯架用于医用紫外线

灯管存在生物安全隐患的研究中国医疗设备,

10%)&采用标准生物样本来界定普通消毒、强消毒。和强

消毒F的辐照度，如表2所示&2019,34(9)*244.表2电压变化下不同消毒策略下的辐照度结果供电电源/普通消毒辐照度/强消毒。辐照度/强消毒F辐照度/&]

苏金凤，王娜，方豪，等.基于STM32的医用紫外线消

毒智能防御系统卫星电视与宽带多媒体，2019

V221226236240(*W/cm2)(*W/cm2)(*W/cm2)(17)*314.&]邓海松，缪爱梅，章虹霞，等.智能紫外线消毒监控系

统在医院感染高风险区域的应用研究中国消毒学

杂志，2019,36(1)*6-37.&]

孟霖宜.紫外线消毒、照明与图像记录智能控制系统设

899628118191105计数字技术与应用2018,36(11)*3.(

7771797354*2020.04.10)52・204