基于单片机的社区医院小型高压蒸汽灭菌自动控制器设计

基于单片机的社区医院小型高压蒸汽灭菌自动控制器设计

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系统总体方案设计

2.1 设计背景与应用意义

社区医院、乡镇卫生院、诊所等基层医疗机构在日常诊疗过程中会频繁使用镊子、剪刀、换药器械、口腔器械、敷料容器等可重复使用的医疗器具。为避免交叉感染与院内感染，器械消毒灭菌必须严格执行规范。高压蒸汽灭菌（Autoclave Sterilization）是一种成熟、有效、经济的灭菌方式，它利用饱和水蒸气在高温高压环境下使微生物蛋白质变性，从而达到彻底灭菌效果。

传统的小型高压蒸汽灭菌器在基层应用中常见的问题包括：

操作依赖人工经验，温度与时间控制不够精确；
设备状态显示不直观，难以追溯消毒日期与执行记录；
加热功率无法灵活控制，容易出现升温过冲或耗能较高；
缺少参数预设与过程提示，使用人员培训成本大；
缺乏异常检测与保护，存在安全风险。

因此，设计一套基于单片机的小型高压蒸汽灭菌自动控制器具有重要意义：

提高灭菌过程自动化与一致性：减少人为操作差异导致的灭菌质量波动。
提升安全性与可靠性：对温度、压力等关键参数实时监测，异常及时报警或停机。
降低能耗并延长设备寿命：通过半功率输出与分阶段功率控制，避免过冲与无效加热。
便于管理追溯：显示消毒日期与关键过程参数，为院感管理提供依据。
适用于基层场景：成本可控、操作直观，易推广部署。

本设计以单片机为核心，结合温度传感器、压力传感器、加热执行器、按键/键盘和液晶显示模块，实现灭菌温度、压力与时间参数预设，支持加热管半功率输出，并在液晶屏上实时显示温度、压力及消毒日期等信息，从而构建一套适用于社区医院的小型高压蒸汽灭菌自动控制器。

2.2 系统设计目标

系统目标围绕"可预设、可控、可显示、可安全保护"展开：

参数预设功能：通过键盘设置目标灭菌温度、目标压力以及灭菌保持时间，并可保存参数用于快速调用。
功率调节功能：加热管可实现全功率与半功率输出，配合升温阶段、恒温阶段控制加热强度，减少过冲并提升能效。
实时显示功能：液晶屏实时显示温度、压力、当前运行阶段、剩余时间、消毒日期等关键信息，增强可视化与可追溯性。
过程控制功能（建议包含）：包括升温、升压、灭菌保持、排汽/降压、结束提示等自动流程控制。
安全保护功能（建议包含）：温度超限、压力超限、传感器故障、干烧保护、水位不足保护、开门保护、异常停机等。
可靠运行与扩展能力：支持掉电参数保存、时间记录、蜂鸣器提示、串口/存储扩展等。

2.3 系统组成结构与工作流程

系统主要硬件模块包括：

单片机最小系统模块（STC89C52/AT89C52等51系列）
温度采集模块（如DS18B20、PT100 + 放大、NTC等）
压力采集模块（0_0.4MPa或00.6MPa压力传感器 + 信号调理）
A/D转换模块（若温度/压力为模拟输出）
键盘输入模块（矩阵键盘或独立按键）
液晶显示模块（LCD1602/12864）
加热功率控制模块（继电器/固态继电器/可控硅）
电磁阀/排汽阀控制模块（可选，用于自动排汽）
报警与提示模块（蜂鸣器、指示灯）
时钟与日期模块（RTC，如DS1302/DS3231，用于消毒日期显示）
电源模块（5V逻辑电源 + 执行器电源隔离）

系统总体流程（典型灭菌流程可扩展）：

上电 → 参数设置/读取预设 → 检测门状态与水位 → 进入升温升压阶段（全功率） → 接近目标时切半功率或PID调节 → 达到目标温度/压力后进入保持计时 → 到时后停止加热并排汽降压 → 结束提示并记录消毒日期 → 待机。

功能设计与工作原理

3.1 参数预设功能设计

3.1.1 预设参数类型与意义

高压蒸汽灭菌的关键参数通常包括：

灭菌温度：常见为121℃（30分钟）或134℃（3~10分钟），不同灭菌要求与器械类型对应不同组合。
灭菌压力：与饱和蒸汽温度对应，例如121℃对应约0.1MPa（表压）左右（具体取决于系统），134℃对应更高压力。压力并不是独立控制目标，而是蒸汽状态的体现，但在安全控制中必须监测。
灭菌时间 ：保持阶段的有效时间，必须保证达到规定温度后开始计时。
在社区医院应用中，为了简化操作，可以预设多个"灭菌程序"：
程序1：121℃ / 0.12MPa / 30min（常规器械）
程序2：134℃ / 0.22MPa / 5min（快速灭菌）
程序3：自定义参数
本系统要求支持键盘预设温度、压力、时间，意味着用户能够根据需要设置目标值，同时系统应具备默认参数与恢复出厂设置功能。

3.1.2 键盘输入与参数修改策略

为了便于基层人员使用，输入方式应直观：

采用**矩阵键盘（4×4）**可以实现数字输入、确认、取消、功能键等；
或采用**多按键（SET/UP/DOWN/OK）**方式进行逐项调整。
矩阵键盘的优势是输入速度快、可直接输入数值；缺点是电路和程序稍复杂。对于灭菌控制器，参数输入频率不高但需要可靠，因此采用"矩阵键盘 + 菜单界面"更符合实际产品形态。
参数修改应包含：

输入范围限制（温度例如100_{140℃，压力例如0}0.3MPa，时间例如1~60min）；
输入纠错（退格、取消）；
保存确认（避免误操作改变参数）；
参数掉电保存（EEPROM或Flash保存）。

3.2 功率调节功能设计（半功率输出）

3.2.1 为什么需要半功率输出

灭菌器加热阶段通常功率较大，为了快速升温升压需要全功率输出。但当温度接近目标值时，如果仍保持全功率，会产生以下问题：

温度过冲导致器械损伤或灭菌条件超限；
压力过冲引发安全阀动作，造成蒸汽浪费与噪音；
控制不稳定，温度波动大；
加热管频繁启停造成寿命下降。
因此，半功率输出是一种简单而有效的控制手段：
升温初期全功率快速加热；
接近目标温度/压力时切换半功率，降低升温速率；
恒温阶段根据需要间歇加热或结合简单PID保持稳定。
这种方式可显著提升温度控制精度与安全性，也能降低能耗。

3.2.2 半功率实现方式

半功率输出可有多种实现方法：

双加热管分级控制：两个加热管，分别控制开关；全功率时两管全开，半功率时开其中一根。
单加热管占空比控制：通过固态继电器或可控硅实现周期性开关，例如1秒开0.5秒关，实现平均半功率输出。
可控硅调压调功 ：通过相位控制实现连续功率调节，但电路复杂且EMI高。
对于小型灭菌器控制器，推荐方式1或方式2：

如果硬件允许，双管分级最简单可靠；
若只有单管，SSR占空比控制也易实现且稳定。
本系统要求"支持加热管半功率输出"，因此可采用"全功率/半功率/停机"三档策略，实现分阶段控制。

3.3 实时显示功能设计

3.3.1 显示内容与界面规划

灭菌器控制器需要显示的信息较多，建议采用LCD12864或OLED更直观，但题目要求"液晶屏实时显示温度、压力及消毒日期等关键信息"，LCD1602也可通过分页显示实现。

显示内容建议包括：

当前温度（℃）
当前压力（MPa）
目标温度/目标压力
当前阶段（预热/升温/保持/排汽/结束）
剩余时间（min:s）
消毒日期（YYYY-MM-DD）
报警提示（超温/超压/缺水/开门等）
若使用LCD1602，可设计成：
第一行：T:121.5 P:0.12
第二行：ST:121 SP:0.12 或 TIME:12:30 或 DATE:2026-01-06（轮换显示）
如果使用12864则可一次显示更多信息，用户体验更佳。

3.3.2 消毒日期显示的实现思路

消毒日期需要实时时钟（RTC）模块支持，例如：

DS1302：常用、成本低，但抗干扰一般；
DS3231：精度高，带温补，推荐用于医疗设备。
系统在灭菌完成时记录当前日期为"消毒日期"，并在待机界面显示"最近一次消毒日期"，便于管理追溯。进一步可记录多次消毒历史（扩展）。

电路设计（分模块详细说明）

4.1 单片机最小系统模块

4.1.1 主控芯片选择与功能定位

51单片机（如STC89C52或AT89C52）具有成熟稳定、成本低、开发资料丰富的优势。其主要任务包括：

采集温度与压力传感器数据
执行灭菌流程控制
键盘输入与参数设置
LCD显示刷新
加热功率控制（全/半功率）
安全保护与报警控制
RTC读取与消毒日期显示

4.1.2 时钟、复位与去耦

晶振：11.0592MHz便于串口扩展，也可用12MHz。
复位：RC上电复位 + 复位按键。
去耦：每个芯片电源端附近放置0.1uF电容，电源入口放置100uF以上电解电容，抑制干扰。

4.1.3 抗干扰与电气隔离要求

灭菌器加热系统属于大功率负载，会产生电磁干扰，且医疗设备对安全性要求更高，必须注意：

逻辑控制与高压交流加热部分采用隔离（光耦+SSR或继电器隔离）
传感器信号线屏蔽并远离交流高压线
PCB强弱电分区，走线间距符合安规
电源采用隔离电源模块供给单片机部分
这些设计可显著提高系统可靠性与安全等级。

4.2 温度采集模块

4.2.1 传感器选型建议

灭菌温度通常在100~135℃范围，且要求测量准确稳定。可选方案：

PT100铂电阻 + 放大电路 + ADC：精度高、稳定性好，适合医疗设备，但电路复杂。
K型热电偶 + MAX31855/31856：范围广，但温差测量与安装要求高。
DS18B20数字温度传感器 ：使用方便，最高可测125℃（部分可到125℃），若灭菌温度达到134℃会超范围，因此适用于121℃灭菌或低温阶段。
对于覆盖121℃与134℃两种模式，推荐PT100或热电偶方案 。若仅用于121℃灭菌，可采用DS18B20简化设计。
温度采集模块必须考虑：

传感器安装位置靠近腔体蒸汽区域
防水耐高温封装
引线耐高温与绝缘安全

4.2.2 信号调理与采样精度

若使用PT100：

采用恒流源激励 + 差分放大（仪表放大器）
输出0~5V模拟电压送ADC
需要校准与线性化处理
若使用热电偶：
使用专用转换芯片输出数字温度
减少模拟干扰
系统应加入滤波：滑动平均或一阶低通，提升显示与控制稳定性。

4.3 压力采集模块

4.3.1 压力传感器选型与量程

灭菌器压力通常在0~0.3MPa范围（表压），建议选择：

0_0.4MPa或00.6MPa压力传感器（留安全余量）
输出形式：
0.5~4.5V模拟输出（常见工业传感器）
4~20mA电流输出（抗干扰强，但需采样电阻转换）
在小型控制器中，0.5~4.5V输出最易接入ADC。

4.3.2 压力信号调理与保护

压力传感器输出进入ADC前建议：

RC低通滤波
过压保护（TVS或钳位）
参考地可靠连接
并在软件中做零点校准与漂移补偿，保证压力显示准确。

4.4 A/D转换模块

4.4.1 ADC模块选择与通道规划

若温度与压力均为模拟量，必须外接ADC。常用方案：

ADC0809：8位8通道，易实现
MCP3008：10位8通道，SPI接口，精度更高
医疗灭菌过程对控制精度要求更高，推荐10位ADC（MCP3008）提升采样分辨率，使温度与压力控制更平稳。
通道规划示例：
CH0：温度
CH1：压力
CH2：水位传感器（可选）
CH3：备用

4.4.2 参考电压与抗干扰设计

ADC参考电压必须稳定，建议使用稳压参考或低噪声稳压器，并在ADC周围做良好去耦。模拟地与数字地合理规划，避免加热管开关造成地电位波动影响采样。

4.5 键盘输入模块

4.5.1 矩阵键盘设计

矩阵键盘可实现数字输入与功能控制，典型4×4布局：

数字0~9
SET/OK/ESC
↑/↓
程序选择键
硬件上采用行列扫描方式，节省IO口。需要串联电阻与软件消抖，避免按键抖动造成误输入。

4.5.2 键盘抗误触策略

医疗设备必须避免误操作：

关键参数修改需要确认
灭菌运行中限制修改关键目标值
支持"锁定键盘"或长按解锁
设置模式超时自动退出
这些策略可以显著提升安全性与可用性。

4.6 液晶显示模块

4.6.1 LCD1602/12864选择

若仅使用LCD1602，可通过分页显示实现题目要求；若想更直观显示日期和流程，建议用LCD12864。

不论选型如何，都应保证：

显示刷新不频繁避免闪烁
报警信息优先显示
关键参数字体突出（可用符号或闪烁）

4.6.2 显示安全性与清晰度

在灭菌设备上，显示应具备：

背光可调
关键参数不被遮挡
在报警时强制显示报警原因
并可加入蜂鸣提示，确保操作者及时发现异常。

4.7 加热功率控制模块（全功率/半功率）

4.7.1 执行器选型：继电器与固态继电器

控制交流加热管常用：

机械继电器：成本低，但寿命有限且有触点抖动
固态继电器（SSR）：无触点、寿命长、适合频繁开关，可用于占空比控制实现半功率
医疗设备建议使用SSR配合光耦隔离，提高可靠性与安全性。

4.7.2 半功率控制实现

双加热管：控制其中一根实现半功率
单加热管：SSR周期控制，例如2秒周期内开1秒关1秒实现50%平均功率
程序中根据温度接近目标程度切换功率模式，避免过冲。
同时应考虑安全：温度或压力超限时强制断开加热。

4.8 RTC日期模块

4.8.1 DS1302/DS3231比较

DS1302：成本低，但精度一般，容易受环境影响
DS3231：精度高，温度补偿，适合医疗设备长期记录日期
建议优先采用DS3231。
RTC模块用于：
实时显示当前日期
记录"消毒日期"
可扩展记录灭菌次数与日志

4.9 报警与保护模块（建议必备）

4.9.1 声光报警电路

蜂鸣器由单片机IO通过三极管驱动，报警LED由IO驱动或三极管增强驱动。报警模式可根据异常等级设置不同节奏：

超温/超压：急促报警
参数未达标或时间不足：提示报警
传感器故障：持续报警并停机

4.9.2 安全保护输入（可扩展）

灭菌设备应至少具备：

门锁检测开关（未关门禁止启动）
水位检测（缺水禁止加热，防干烧）
安全阀/泄压保护（机械安全结构）
这些保护信号可接入单片机作为联锁条件，提高安全性。

4.10 电源模块

4.10.1 供电架构

系统至少需要：

5V：单片机、LCD、键盘、RTC
若采用部分传感器需要3.3V，可加3.3V稳压。
强烈建议：
采用隔离AC-DC电源模块提供5V
强弱电分离
控制电路与加热电路地线合理隔离
以满足医疗设备安全要求。

4.10.2 滤波与EMI抑制

加热开关会产生电磁干扰，应：

在交流侧加RC吸收或压敏电阻
在电源端加共模电感与滤波电容（可选）
逻辑电源端加充分去耦
减少干扰导致单片机复位或测量漂移。

程序设计（分模块详细说明）

5.1 软件总体架构与流程控制

软件采用"状态机 + 定时任务调度"结构，保证灭菌流程清晰可控。主要状态包括：

IDLE（待机）
SETUP（参数设置）
PRECHECK（启动前检查：门、水位、传感器）
HEAT_UP（升温升压：全功率）
APPROACH（接近目标：半功率/调节）
HOLD（灭菌保持计时）
EXHAUST（排汽降压）
FINISH（结束提示与记录日期）
ERROR（故障停机与报警）

定时任务建议：

每100ms采集一次传感器并滤波
每500ms刷新一次LCD
每10ms扫描键盘并消抖
每100ms更新报警节奏
每1s更新保持时间倒计时与日期读取

5.2 参数预设与菜单模块

5.2.1 菜单显示与输入逻辑

按键或键盘进入设置界面，逐项设置：

目标温度T_set
目标压力P_set
保持时间Time_set
每项输入必须有范围限制并显示单位。输入完成后保存参数并返回待机界面。

5.2.2 参数保存机制

参数可保存到：

单片机内部EEPROM（若支持）
外接EEPROM（AT24C02等）
保存时应加入校验字节，防止数据损坏导致异常运行。若校验失败则加载默认安全参数。

5.3 温度采集与处理模块

5.3.1 采样与滤波

温度采样值可能波动，需要滤波：

移动平均（N=8或16）
一阶低通（y = αx + (1-α)y_prev）
滤波后的温度用于控制与显示，原始值可用于故障检测。

5.3.2 传感器异常检测

检测：

温度开路/短路（若为数字传感器可读错误码）
温度超物理范围
温度不随加热变化（可能传感器脱落）
异常时进入ERROR状态并切断加热。

5.4 压力采集与处理模块

5.4.1 压力换算

若压力传感器输出0.5_{4.5V，对应0}0.4MPa，则：

P = (Vout - 0.5) / 4.0 * 0.4
在单片机中可用定点运算实现。

5.4.2 压力控制与安全判断

压力不一定作为控制目标，但必须作为安全联锁：

超压立即断开加热并开启排汽阀（若有）
压力过低表示蒸汽不足，保持计时不得开始
这能保证灭菌条件满足规范。

5.5 功率控制模块（全功率/半功率）

5.5.1 分阶段功率策略

控制策略示例：

T < T_set - 5℃：全功率加热
T_set - 5℃ ≤ T < T_set：半功率加热
T ≥ T_set：停止加热或间歇加热维持
这样能在不使用复杂PID的情况下获得较稳定的温度控制效果。

5.5.2 半功率占空比控制

若使用SSR，可用"时间比例控制"：

周期2秒：开1秒关1秒=50%功率
周期1秒：开0.5秒关0.5秒=50%功率
周期越短控制越细腻，但单片机控制与SSR响应需匹配。建议周期1~2秒即可。

5.6 灭菌计时与阶段控制模块

5.6.1 保持计时启动条件

灭菌保持时间必须在温度与压力达到设定值后开始计时，否则会出现"温度未达标但已计时"的风险。启动条件建议：

T ≥ T_set 且 P ≥ P_set 持续稳定N秒（例如10秒）
才进入HOLD状态并开始倒计时。
若保持过程中温度或压力跌落到阈值以下，应暂停计时或重新计时，并提示异常。

5.6.2 结束处理与排汽降压

保持结束后：

停止加热
开启排汽阀（若有）或进入自然降压阶段
压力降至安全阈值后提示可以开盖
并记录"消毒日期"，更新显示。

5.7 液晶显示模块

5.7.1 实时显示刷新机制

显示刷新周期建议500ms，以保证信息实时且不闪烁。

显示内容随状态变化：

待机：显示当前日期与预设参数
运行：显示当前温度/压力/剩余时间/阶段
报警：强制显示报警原因与处理建议

5.7.2 日期显示与记录逻辑

RTC每秒读取一次即可。灭菌完成时将当前日期保存为"最近消毒日期"，待机时显示该信息，便于管理。

5.8 报警与保护模块

5.8.1 报警逻辑

典型报警条件：

温度超上限（T > T_set + 3℃或固定安全上限）
压力超上限（P > P_max）
水位不足/干烧风险
门未关或运行中门被打开
传感器故障
报警时：
切断加热
触发声光报警
LCD显示报警类型
进入ERROR状态，需人工复位

5.8.2 报警节奏控制

可根据报警类型设定不同蜂鸣节奏：

超压/超温：快速连续鸣叫
缺水：间歇鸣叫
提示类：短鸣提示
这种设计有利于操作人员快速判断问题。

核心程序代码示例（C语言，51单片机框架：参数预设 + 温压采集 + 半功率控制 + LCD显示 + 日期显示）

c 复制代码

#include <reg52.h>
#include <intrins.h>

typedef unsigned char  u8;
typedef unsigned int   u16;
typedef unsigned long  u32;

// ===================== IO定义（示例） =====================
// 继电器/SSR控制加热
sbit HEAT_FULL = P1^0;   // 全功率控制（或加热管1）
sbit HEAT_HALF = P1^1;   // 半功率控制（或加热管2/占空比控制）

// 报警
sbit BUZZ = P3^6;
sbit LEDA = P3^7;

// LCD1602(4位模式)
sbit LCD_RS = P2^0;
sbit LCD_E  = P2^1;
sbit LCD_D4 = P2^4;
sbit LCD_D5 = P2^5;
sbit LCD_D6 = P2^6;
sbit LCD_D7 = P2^7;

// 按键（示例：SET/UP/DOWN/OK）
sbit KEY_SET  = P3^2;
sbit KEY_UP   = P3^3;
sbit KEY_DOWN = P3^4;
sbit KEY_OK   = P3^5;

// ===================== 系统节拍 =====================
volatile u32 g_ms = 0;

// ===================== 设定参数（定点：温度×10，压力×100） =====================
u16 T_set10 = 1210;   // 121.0℃
u16 P_set100 = 12;    // 0.12MPa -> 12（假设0.01MPa单位）
u16 Time_set_s = 1800; // 30min

// ===================== 实时测量值（定点） =====================
u16 T_now10 = 250;     // 25.0℃
u16 P_now100 = 0;      // 0.00MPa

// ===================== 状态机 =====================
typedef enum {
    ST_IDLE=0,
    ST_SETUP,
    ST_PRECHECK,
    ST_HEATUP,
    ST_APPROACH,
    ST_HOLD,
    ST_EXHAUST,
    ST_FINISH,
    ST_ERROR
} State_t;

State_t g_state = ST_IDLE;

// ===================== 运行计时 =====================
u16 hold_left_s = 0;

// ===================== Timer0 1ms =====================
void Timer0_Init(void)
{
    TMOD &= 0xF0;
    TMOD |= 0x01;
    TH0 = 0xFC; TL0 = 0x18; // 1ms@12MHz
    ET0 = 1; EA = 1; TR0 = 1;
}
void Timer0_ISR(void) interrupt 1
{
    TH0 = 0xFC; TL0 = 0x18;
    g_ms++;
}

// ===================== 延时 =====================
void delay_us(u8 t){ while(t--) _nop_(); }
void delay_ms(u16 ms){ u16 i,j; for(i=0;i<ms;i++) for(j=0;j<120;j++); }

// ===================== LCD驱动 =====================
void LCD_Write4(u8 dat)
{
    LCD_D4 = dat & 0x01;
    LCD_D5 = (dat & 0x02) ? 1 : 0;
    LCD_D6 = (dat & 0x04) ? 1 : 0;
    LCD_D7 = (dat & 0x08) ? 1 : 0;
}
void LCD_Enable(void)
{
    LCD_E = 1; delay_us(10);
    LCD_E = 0; delay_us(10);
}
void LCD_Cmd(u8 cmd)
{
    LCD_RS = 0;
    LCD_Write4(cmd >> 4); LCD_Enable();
    LCD_Write4(cmd & 0x0F); LCD_Enable();
    delay_ms(2);
}
void LCD_Data(u8 dat)
{
    LCD_RS = 1;
    LCD_Write4(dat >> 4); LCD_Enable();
    LCD_Write4(dat & 0x0F); LCD_Enable();
    delay_us(50);
}
void LCD_SetPos(u8 row, u8 col)
{
    u8 addr = (row==0)?0x80:0xC0;
    LCD_Cmd(addr + col);
}
void LCD_Print(char *s)
{
    while(*s) LCD_Data(*s++);
}
void LCD_Init(void)
{
    delay_ms(20);
    LCD_RS=0; LCD_E=0;

    LCD_Write4(0x03); LCD_Enable(); delay_ms(5);
    LCD_Write4(0x03); LCD_Enable(); delay_ms(1);
    LCD_Write4(0x03); LCD_Enable(); delay_ms(1);
    LCD_Write4(0x02); LCD_Enable();

    LCD_Cmd(0x28);
    LCD_Cmd(0x0C);
    LCD_Cmd(0x06);
    LCD_Cmd(0x01);
}

// ===================== 数值格式化（温度×10） =====================
void fmt_T(u16 t10, char *buf)
{
    // buf: "121.0"
    buf[0] = (t10/1000)%10 + '0';
    buf[1] = (t10/100)%10  + '0';
    buf[2] = (t10/10)%10   + '0';
    buf[3] = '.';
    buf[4] = (t10%10)      + '0';
    buf[5] = 0;
}
void fmt_P(u16 p100, char *buf)
{
    // buf: "0.12" (单位MPa)
    buf[0] = '0';
    buf[1] = '.';
    buf[2] = (p100/10)%10 + '0';
    buf[3] = (p100%10)    + '0';
    buf[4] = 0;
}
void fmt_time(u16 s, char *buf)
{
    u16 m = s/60;
    u16 ss = s%60;
    buf[0] = (m/10)%10 + '0';
    buf[1] = (m%10)    + '0';
    buf[2] = ':';
    buf[3] = (ss/10)   + '0';
    buf[4] = (ss%10)   + '0';
    buf[5] = 0;
}

// ===================== 传感器采集（此处为示例占位，实际应读ADC或数字传感器） =====================
void Sensor_Update(void)
{
    // 实际项目应读取温度传感器与压力传感器并滤波
    // 这里用伪数据模拟
    if(g_state==ST_HEATUP || g_state==ST_APPROACH || g_state==ST_HOLD)
    {
        if(T_now10 < T_set10) T_now10 += 3;
        if(P_now100 < P_set100) P_now100 += 1;
    }
}

// ===================== 加热控制：全功率/半功率/停止 =====================
void Heat_Stop(void)
{
    HEAT_FULL = 0;
    HEAT_HALF = 0;
}
void Heat_Full(void)
{
    HEAT_FULL = 1;
    HEAT_HALF = 0;
}
void Heat_Half(void)
{
    // 若采用双加热管，可打开其中一路
    HEAT_FULL = 0;
    HEAT_HALF = 1;
}

// ===================== 安全判断（简化示例） =====================
bit Safety_Check(void)
{
    // 超温/超压保护示例（阈值可更严格）
    if(T_now10 > (T_set10 + 50)) return 0;   // 超过+5.0℃
    if(P_now100 > (P_set100 + 10)) return 0; // 超过+0.10MPa
    return 1;
}

// ===================== 状态机控制 =====================
void Control_Update_1s(void)
{
    static u8 stable_cnt = 0;

    if(!Safety_Check())
    {
        g_state = ST_ERROR;
        Heat_Stop();
        return;
    }

    switch(g_state)
    {
        case ST_IDLE:
            Heat_Stop();
            break;

        case ST_PRECHECK:
            // 真实项目：检查门锁、水位、传感器正常
            g_state = ST_HEATUP;
            break;

        case ST_HEATUP:
            // 远离目标：全功率
            if(T_now10 + 50 < T_set10) Heat_Full();
            else g_state = ST_APPROACH;
            break;

        case ST_APPROACH:
            // 接近目标：半功率
            Heat_Half();
            if(T_now10 >= T_set10 && P_now100 >= P_set100)
            {
                stable_cnt++;
                if(stable_cnt >= 10) // 稳定10秒后进入保持
                {
                    stable_cnt = 0;
                    g_state = ST_HOLD;
                    hold_left_s = Time_set_s;
                }
            }
            else stable_cnt = 0;
            break;

        case ST_HOLD:
            // 恒温保持：简单开关控制（实际可用时间比例或PID）
            if(T_now10 < T_set10) Heat_Half();
            else Heat_Stop();

            if(hold_left_s > 0) hold_left_s--;
            else
            {
                g_state = ST_EXHAUST;
                Heat_Stop();
            }
            break;

        case ST_EXHAUST:
            // 真实项目：打开排汽阀，等待压力降至安全值
            if(P_now100 > 0) P_now100--;
            else g_state = ST_FINISH;
            break;

        case ST_FINISH:
            Heat_Stop();
            // 记录消毒日期（实际应读RTC并保存）
            g_state = ST_IDLE;
            break;

        case ST_ERROR:
            Heat_Stop();
            break;

        default:
            g_state = ST_IDLE;
            break;
    }
}

// ===================== LCD显示刷新 =====================
void LCD_Show(void)
{
    char b1[8], b2[8], b3[8];

    LCD_SetPos(0,0);
    LCD_Print("T:");
    fmt_T(T_now10, b1); LCD_Print(b1);
    LCD_Print(" P:");
    fmt_P(P_now100, b2); LCD_Print(b2);

    LCD_SetPos(1,0);
    if(g_state==ST_HOLD)
    {
        LCD_Print("HOLD ");
        fmt_time(hold_left_s, b3); LCD_Print(b3);
        LCD_Print("     ");
    }
    else if(g_state==ST_IDLE)
    {
        LCD_Print("SET:");
        fmt_T(T_set10, b1); LCD_Print(b1);
        LCD_Print(" ");
        LCD_Print("OK  ");
    }
    else if(g_state==ST_ERROR)
    {
        LCD_Print("ERROR! CHECK! ");
    }
    else
    {
        LCD_Print("RUNNING...    ");
    }
}

// ===================== 按键扫描（简化：短按检测） =====================
u8 Key_Scan(void)
{
    static u8 last_set=1, last_up=1, last_down=1, last_ok=1;
    u8 now_set=KEY_SET, now_up=KEY_UP, now_down=KEY_DOWN, now_ok=KEY_OK;

    if(last_set==1 && now_set==0){ last_set=0; return 1; }
    if(last_up==1  && now_up==0 ){ last_up=0;  return 2; }
    if(last_down==1&& now_down==0){ last_down=0; return 3; }
    if(last_ok==1  && now_ok==0 ){ last_ok=0;  return 4; }

    last_set=now_set; last_up=now_up; last_down=now_down; last_ok=now_ok;
    return 0;
}

// ===================== 参数设置状态（示例：仅温度设置） =====================
void Setting_Apply(u8 ev)
{
    if(ev==0) return;

    if(g_state==ST_IDLE)
    {
        if(ev==1) g_state = ST_SETUP;        // SET进入设置
        else if(ev==4) g_state = ST_PRECHECK; // OK启动灭菌
    }
    else if(g_state==ST_SETUP)
    {
        if(ev==2 && T_set10 < 1400) T_set10 += 5;   // +0.5℃
        if(ev==3 && T_set10 > 1000) T_set10 -= 5;   // -0.5℃
        if(ev==1) g_state = ST_IDLE;                // SET退出设置
    }
}

// ===================== 主函数 =====================
void main(void)
{
    u32 last_sensor=0, last_ctrl=0, last_lcd=0, last_key=0;

    HEAT_FULL=0; HEAT_HALF=0;
    BUZZ=0; LEDA=1;

    LCD_Init();
    Timer0_Init();

    while(1)
    {
        // 10ms扫描按键
        if(g_ms - last_key >= 10)
        {
            u8 ev;
            last_key = g_ms;
            ev = Key_Scan();
            Setting_Apply(ev);
        }

        // 100ms更新传感器（示例）
        if(g_ms - last_sensor >= 100)
        {
            last_sensor = g_ms;
            Sensor_Update();
        }

        // 1秒控制更新
        if(g_ms - last_ctrl >= 1000)
        {
            last_ctrl = g_ms;
            Control_Update_1s();
        }

        // 500ms刷新LCD
        if(g_ms - last_lcd >= 500)
        {
            last_lcd = g_ms;
            LCD_Show();

            // 报警输出
            if(g_state==ST_ERROR)
            {
                LEDA = ~LEDA;
                BUZZ = 1;
            }
            else
            {
                LEDA = 1;
                BUZZ = 0;
            }
        }
    }
}

关键模块深化说明与工程化优化建议

7.1 灭菌过程控制的关键点

高压蒸汽灭菌必须保证"有效灭菌条件"：

温度达到设定值且稳定
压力达到设定值且稳定（保证饱和蒸汽状态）
保持时间从"达标稳定"后开始计时
因此程序必须严格控制计时起点，并在保持阶段对温度和压力进行持续监控。如果保持期间温压跌落，应暂停计时或重新计时，并提示用户检查加热系统与密封状态，避免"假灭菌"造成感染风险。

7.2 半功率控制与过冲抑制优化

半功率是最基础的控制手段，进一步可加入：

时间比例PID（周期2秒，输出0~100%占空比）
预测控制：根据升温速率提前切半功率
分段阈值：T_set-10℃全功率，T_set-3℃半功率，T_set附近间歇补热
这些方法能显著降低温度过冲，提高灭菌效果一致性。

7.3 压力联锁与排汽控制建议

压力过高风险极大，程序应设置：

P_max绝对上限（例如0.25~0.3MPa）
超压立即切断加热并开启排汽（若有电磁阀）
进入ERROR并提示检查安全阀或排汽通道
同时在排汽阶段应保证压力降至安全值才允许开门，配合门锁联动可避免烫伤事故。

7.4 消毒日期记录与追溯扩展

题目要求显示消毒日期，可进一步扩展：

记录最近N次灭菌记录（日期、程序、是否报警）
使用外部存储（EEPROM或SD卡）保存日志
与上位机连接导出灭菌记录
在医院管理中，灭菌记录是院感检查的重要依据，具备实际价值。

7.5 安全硬件联锁设计建议

单片机控制属于"电子控制"，但灭菌器必须具备机械与硬件层面保护：

机械安全阀强制泄压
过温熔断器防止失控加热
门锁联动防止带压开门
缺水保护开关防止干烧
这些硬件联锁即便在单片机故障时仍能保护人员和设备，符合医疗设备安全设计原则。

7.6 校准与精度保证措施

温度与压力传感器需要定期校准：

温度校准：使用标准温度计或校准仪在121℃、134℃点校准
压力校准：使用标准压力表校准0.1MPa、0.2MPa等点
程序中可提供校准模式，用于修正偏移量与比例系数，确保长期精度与灭菌效果可靠。

系统测试方案与验证要点

8.1 功能测试

键盘输入预设温度、压力、时间是否正确显示并保存
全功率/半功率切换是否正确，输出是否符合预期
LCD是否能实时显示温压数据、运行状态与日期
灭菌流程是否能按阶段自动运行并结束提示

8.2 控制性能测试

升温阶段是否快速
接近目标值是否有效减小过冲
恒温阶段温度波动范围是否满足要求（例如±1℃）
保持时间是否准确，是否从达标后计时

8.3 安全测试

温度或压力超限时是否立即断开加热并报警
传感器断线或异常值是否进入ERROR
缺水、开门等联锁是否有效（若实现）
长时间运行是否稳定无死机

8.4 日期显示与记录测试

RTC走时是否准确
灭菌结束时是否正确记录消毒日期
待机界面是否显示最近消毒日期
断电后日期与记录是否保持（RTC电池与存储）

总结
本设计实现了一套适用于社区医院的小型高压蒸汽灭菌自动控制器，采用51单片机为控制核心，支持通过键盘预设灭菌温度、压力及灭菌时间，能够对加热管实现全功率与半功率输出调节，从而在升温阶段快速加热、接近目标时减小过冲并提高控制稳定性。同时，液晶屏可实时显示温度、压力、运行阶段、剩余时间以及消毒日期等关键信息，增强设备操作直观性和消毒管理可追溯性。
在电路设计方面，系统采用模块化结构，包括单片机最小系统、温度压力采集、ADC、键盘输入、液晶显示、加热控制、RTC日期、声光报警与电源隔离等模块，并提出了强弱电隔离、抗干扰与安全联锁的工程化措施；在程序设计方面，通过状态机实现灭菌流程控制，结合传感器滤波、达标稳定判定、保持计时逻辑、半功率调节与异常保护策略，确保灭菌过程安全可靠。
该系统具有成本可控、操作简便、自动化程度高、适合基层推广等优势，可进一步扩展日志记录、通信上传与多程序灭菌模式，具备良好的实际应用价值与课程设计参考意义。