張展召 李芳芳 史要強 安 妮 李潤瑩

（新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院三全學(xué)院 河南新鄉(xiāng) 453003）

2021年是打贏打好污染防治攻堅戰(zhàn)的一年，在這“十四五”開局之年國家統(tǒng)籌推進經(jīng)濟建設(shè)、地方民生建設(shè)，緊跟其后的便是大氣污染治理問題。環(huán)境污染由城市向農(nóng)村迅速蔓延。環(huán)境問題對我國經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展和社會主義現(xiàn)代化建設(shè)帶來重要挑戰(zhàn)，醫(yī)療環(huán)境受到極大影響，不良的醫(yī)療環(huán)境極大程度上推遲患者術(shù)后恢復(fù)速率，更有甚者引起感染、誘發(fā)癌癥等，帶來不可修復(fù)的影響[1]。目前國內(nèi)醫(yī)療環(huán)境、微生物試劑研發(fā)檢測等對大氣粉塵含量、溫濕度要求極為嚴格。而手術(shù)室屬于易感染的高危區(qū)域，對其進行嚴格地管理檢測意義可見一斑。在醫(yī)療環(huán)境中較高含量的粉塵會很大程度上影響手術(shù)等的正常進程，需嚴格按照國家標準進行監(jiān)測，譬如，手術(shù)室不僅需要對微生物含量進行實時監(jiān)測與把控，更需要對粉塵、溫濕度進行調(diào)整，創(chuàng)建一個良好的醫(yī)療環(huán)境絕不僅僅是外觀合格，更重要的往往是微生物、粉塵含量等。正是如此，醫(yī)療環(huán)境下的粉塵及溫濕度檢測也成為了一臺手術(shù)成功與否的關(guān)鍵。在這大時代為背景下，亟需研發(fā)一款新型粉塵及溫濕度檢測系統(tǒng)，將現(xiàn)代科技與醫(yī)療生活相結(jié)合，以改善醫(yī)療生活體驗為目的，從而促進現(xiàn)代醫(yī)療的迅猛發(fā)展。

一、粉塵的危害

大氣污染的主要成分——粉塵，粉塵即為大氣懸浮顆粒，大氣中懸浮顆粒物的超標是環(huán)境污染中的一個重要方面，在工業(yè)上粉塵給作業(yè)人員和安全生產(chǎn)造成極大危害[2]。在醫(yī)療環(huán)境中粉塵對其危害性更大。其中包括生物試劑研發(fā)時，較高濃度的粉塵環(huán)境會影響試劑科研結(jié)果走向，甚至研發(fā)失敗。以及醫(yī)療體驗背景下手術(shù)環(huán)境的無菌無塵化要求等，若不能實時性檢測，以保證達到手術(shù)環(huán)境標準，手術(shù)風險則會相應(yīng)增加，甚至導(dǎo)致手術(shù)無法正常進行。粉塵對人體呼吸道、心肺功能危害性極大，嚴重者可誘發(fā)癌癥等。

粉塵類型不同、來源不同，對人體產(chǎn)生影響方式大不相同。如部分粉塵來源于極其干燥的施工環(huán)境，會對人體的眼角膜、結(jié)膜等部位產(chǎn)生不良影響，嚴重者會導(dǎo)致炎癥或失明等。再如部分粉塵會依附于人體表面從而引起皮膚瘙癢等外在刺激。粉塵對人體危害性極大包括上呼吸道感染、肺部炎癥、肺部癌癥等。術(shù)后恢復(fù)等醫(yī)療環(huán)境對粉塵及溫濕度要求極為嚴格[3]。大氣污染與環(huán)境污染問題日趨嚴峻，呼吸道感染導(dǎo)致死亡、肺癌發(fā)病與死亡還將進一步攀升。[4]

二、粉塵檢測設(shè)備研究現(xiàn)狀

目前，展望國內(nèi)外的粉塵及溫濕度檢測的成品設(shè)備國家，包含有英、美、日、德等國，其對粉塵檢測設(shè)備的研發(fā)投入較早，目前均領(lǐng)先于國內(nèi)生產(chǎn)水平，其中大多采用光散射法對粉塵進行濃度檢測。醫(yī)療環(huán)境下的粉塵及溫濕度檢測成為了一臺手術(shù)成功與否的關(guān)鍵。設(shè)計新型集成便攜式粉塵及溫濕度檢測設(shè)備將會推動國內(nèi)粉塵及溫濕度檢測儀的快速發(fā)展，填補國內(nèi)外發(fā)展的空白。目前國內(nèi)的粉塵及溫濕度檢測儀造價低，性能穩(wěn)定，因而受到國內(nèi)外的一致好評。

三、粉塵及溫濕度檢測設(shè)備設(shè)計原理

通過溫濕度檢測傳感器、粉塵監(jiān)測傳感器將醫(yī)療環(huán)境的粉塵含量及溫濕度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模數(shù)信號，對其進行監(jiān)測處理，并將其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸至運算模塊的單片機部分進行快速的數(shù)據(jù)處理分析，后經(jīng)由顯示模塊對其檢測數(shù)值進行顯示。當檢測到醫(yī)療環(huán)境中粉塵數(shù)值、溫濕度達到設(shè)定的峰值時，經(jīng)由報警模塊進行報警處理，粉塵及溫濕度檢測可測量當前環(huán)境的粉塵等排放量是否符合是國家標準，從而保證醫(yī)患人員的生命健康等。當然，大醫(yī)療環(huán)境方面應(yīng)用相對更加廣泛，譬如疫苗試劑的研發(fā)就需要無菌無塵這種極其嚴格的環(huán)境，需要對其環(huán)境粉塵及溫濕度進行實時性檢測更新，以確保試劑研發(fā)工作的正常進行，以此警示該環(huán)境下醫(yī)護研發(fā)人員改善其所處的醫(yī)療環(huán)境。粉塵及溫濕度檢測系統(tǒng)電路圖如圖1。

圖1 粉塵及溫濕度檢測電路圖

四、常見粉塵及溫濕度檢測的各模塊介紹

（一）單片機運算模塊

在大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展為背景下，各硬件逐漸穩(wěn)定化、集成化、數(shù)據(jù)化。單片微型計算機（Single Chip Microcomputer，簡稱SCM）是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，它將中央處理器（CPU）、存儲器（ROM/RAM）、輸入/輸出接口、定時器/計數(shù)器等計算機的主要部件集成在一片芯片上，又稱為單片機或微控制器[5]。

單片機是整個粉塵及溫濕度檢測系統(tǒng)的運算樞紐，將傳感器采集的信號進行處理分析，并輸出給其它顯示、報警模塊等。選擇合適正確的單片機將會減輕其程序運算步驟、功耗等。本次設(shè)計選用通用性強、功耗小、性能穩(wěn)定的STC89C52單片機。指令代碼可完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機，且具有12時鐘機器周期和6時鐘機器周期任意選擇功能。CMOS8位的微控制器單片機。

時鐘電路部分：此次實驗中采用的12MHz的石英晶振。和晶振并聯(lián)的兩個電容對振蕩頻率影響較小，起到頻率微調(diào)的作用。此次設(shè)計使用22pF的電容。

（二）溫濕度傳感器模塊

DHT11復(fù)合型溫濕度檢測傳感器，應(yīng)用于相關(guān)專業(yè)環(huán)境下的溫濕度檢測項目。具有快速響應(yīng)、性能穩(wěn)定、價格低廉等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于對環(huán)境溫濕度檢測的專業(yè)性設(shè)計開發(fā)中。采用單線制串行接口。

通過按鍵對溫濕度進行上下限設(shè)置，當環(huán)境溫濕度檢測數(shù)值對應(yīng)的電路數(shù)值不在設(shè)置范圍內(nèi)時，可實現(xiàn)聲光報警，以此提醒醫(yī)療環(huán)境下的醫(yī)護人員對其進行改善。

圖2 溫濕度傳感器模塊典型應(yīng)用電路

（三）粉塵傳感器電路

GP2Y1010AUOF粉塵傳感器，實時檢測粉塵顆粒物濃度。產(chǎn)生電壓模擬信號。1引腳接電阻R3及電容c4，3腳接單片機外部中斷口。5腳（CH1）是粉塵濃度的模擬量輸出腳，接在模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0832上進行信號轉(zhuǎn)換。

粉塵傳感器檢測模塊如圖3：

圖3 粉塵傳感器檢測模塊電路圖

（四）1602LCD顯示模塊

采用體積小的LCD1602作為顯示器件，無須外加驅(qū)動電路?？娠@示2行16個漢字。

1602LCD液晶顯示模塊電路圖如圖4：

圖4 液晶顯示模塊電路圖

（五）供電源電路模塊

為了使單片機系統(tǒng)穩(wěn)定正常地運行，就需要提供一個穩(wěn)定、持久的穩(wěn)壓電源進行輸入，本設(shè)計采用USB5V供電口進行供電輸入，適用范圍較廣，電腦的USB插孔、手機充電器USB插孔、醫(yī)療設(shè)備的USB接口或者充電寶等穩(wěn)壓電源都可以為其供電，增加了其工作環(huán)境電源的適配性，電源中包含有指示燈，方便了解電源供電狀況。

圖5 供電源連接圖

（六）復(fù)位電路

復(fù)位引腳RST（第9引腳）：當出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平時，執(zhí)行復(fù)位操作，當RST持續(xù)為高電平時，單片機處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位操作包括上電自動復(fù)位和開關(guān)復(fù)位。

圖6 復(fù)位電路模塊電路圖

（七）A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計方案

由系統(tǒng)直接進行處理和分析的相關(guān)信息輸出為數(shù)字信號，這就需要進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將粉塵、溫濕度傳感器監(jiān)測的電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并輸出給相關(guān)模塊。此設(shè)計采用ADC0832 作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容，輸入電壓0-5V，兼容性強、便于微型集成化。

A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計如圖7：

圖7 A/D轉(zhuǎn)換電路引腳圖

（八）按鍵電路設(shè)計方案

此次粉塵及溫濕度檢測設(shè)計采用了單片機的P3.2，P3.3，P3.4三個端口。

按鍵的功能分別為：

按鍵一：對所設(shè)定的參數(shù)減一，長按可實現(xiàn)連減。

按鍵二：對所設(shè)定的參數(shù)加一，長按可實現(xiàn)連加。

按鍵三：對粉塵或溫濕度預(yù)設(shè)值修改設(shè)定進行模式的轉(zhuǎn)換。

按鍵電路模塊設(shè)計如圖8：

圖8 按鍵電路設(shè)計圖

五、結(jié)束語

本次設(shè)計的基于單片機設(shè)計的粉塵及溫濕度檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)信息處理運算核心部分采用的是單片機STC89C52，通過粉塵傳感器及溫濕度傳感器對環(huán)境內(nèi)的粉塵濃度及溫濕度進行實時性監(jiān)測，在實地監(jiān)測的過程中，需要保證每次檢測之前傳感器的潔凈度，否則會影響之后測量精確度。