20世纪70年代以后,人们发现传统的氯消毒会产生致畸、致癌、致突变的卤代烷等副产物。与此同时，人们的生活日益受到新的细菌病毒的威胁，而人类原本能够控制的病毒也在随着各种药物的不合理使用变得更加难以对付。人们对生活水平的更高要求特别是军用可移动便携式消毒设备的需求，促使一种全新的便携式消毒设备的出现。

    为了满足更高的家用和医用要求，本设计选用了高温消毒，紫外消毒，和臭氧消毒的方法，同时加入了自定义消毒环节，可根据不同的要求自行设计消毒参数。高温消毒部分采用了红外加热和温度检测电路，能达到更高的温度和精度符合更高的消毒标准，控制方面采用了PID调解，使系统更稳定，操作更方便。

本设计采用多种消毒方式，对不同的消毒对象可采用相应的消毒方法，从而取得最完美的消毒结果。例如：对于少量的纸张，文件，衣物等生活用品可采用紫外消毒；对于医用的一些金属器件，如手术用具可采用高温消毒；对于一些要求较高但不耐高温的材料就可以采用臭氧消毒。要求更高的消毒对象或者以上三种给定消毒方法不可行时，可采用自定义消毒。不同消毒方法的原理及特点如下：

1.高温消毒：

高温消毒主要是通过加热细菌病毒使其体内的蛋白质变性，破坏其组成导致其死亡达到消毒目的。原有的100℃高温消毒在一般情况下还能够满足要求；新的消毒标准温度125℃，持续时间不少于15分钟，基本能满足目前所有的消毒要求。方法简单方便可行，是当前最普遍也是人们很易接受的消毒方法。

2.紫外消毒：

       根据生物效应的不同,将紫外线按照波长划分为四个部分A波段(UC—A),又称为黑斑效应紫外线(400～320nm);B波段(UV—B),又称为红斑效应紫外线(320～275nm );C波段(UV—C),又称为灭菌紫外线(275～200nm );D波段(UV—D),又称为真空紫外线(200～10nm)。本设计采用UV-C下行频率253.7nm的紫外光进行消毒。

紫外消毒主要是通过紫外线对微生物(细菌、病毒、芽孢等病原体)的辐射损伤和破坏核酸的功能使微生物致死,从而达到消毒的目的。紫外线对核酸的作用可导致键和链的断裂、股间交联和形成光化产物等,从而改变了DNA的生物活性,使微生物自身不能复制,这种紫外线损伤也是致死性损伤。紫外消毒法具有不投加化学药剂、不产生有毒有害的副产物、消毒速度快、效率高、设备操作简单、便于运行管理和实现自动化等优点,近20年来逐渐得到广泛应用。

紫外线消毒时间一般设定在20min即可达到良好的消毒效果（有针对性的可穿透性消毒对象），经实验证明紫外消毒20min至30min细菌总数由0.663个/C㎡下降到0.375个/ c㎡两者无显著差异，因此紫外消毒的时间设定为20min。表1.为紫外消毒20min的结果显示：

表1.1 针对纸张紫外消毒20min结果

    从上表中可明显看出紫外杀毒对于纸张、衣物的消毒效果均达到99%以上，是非常可取的。

3.臭氧消毒：

臭氧对细菌的灭活反应总是进行的很迅速。与其它杀菌剂不同的是：臭氧能与细菌细胞壁脂类双键反应, 穿入菌体内部，作用于蛋白和脂多糖，改变细胞的通透性，从而导致细菌死亡。臭氧还作用于细胞内的核物质，如核酸中的嘌呤和嘧啶破坏DNA。臭氧对病毒的作用首先是病毒的衣体壳蛋白的四条多肽链，并使RNA受到损伤，特别是形成它的蛋白质。噬菌体被臭氧氧化后，电镜观察可见其表皮被破碎成许多碎片，从中释放出许多核糖核酸，干扰其吸附到寄存体上。

臭氧消毒有很多不同于其他消毒方法的优点，这也使其成为本设计重点：

（1）高效性：

    臭氧消毒不需要其他任何辅助材料和添加剂。消毒进行时臭氧发生装置产生一定量的臭氧，在相对封闭的环境下，扩散均匀，包容性、通透性好，克服了紫外杀毒存在死角的问题，达到全方位、快速、高效的消毒目的。另外，由于臭氧的广普杀菌性，既可以杀灭细菌繁殖体、芽胞、病毒、真菌和原虫孢体等多种微生物，还可以破坏毒素等，同时还有很强的除霉、腥、臭等异味的功能。臭氧消毒的高效性从表2.中我们可以看出：

                     表1.2 臭氧消毒手术器械的结果

 

表1.3  臭氧消毒理发工具的结果

（2）高洁性：

    臭氧在自然环境中可分解为氧气，这是臭氧作为消毒灭菌剂的独特优点。消毒用臭氧是利用空气中的氧气产生的，消毒氧化过程中，臭氧分解为氧原子在很短时间内自动结合为氧气，不存在任何残留物质，解决了消毒剂消毒时的二次污染问题。

（3）方便性：

    臭氧消毒可根据所需要的时间和浓度自行设置参数，操作使用方便。而甲醛、过氧乙酸熏蒸消毒时间长，不方便管理。

（4）经济性：

    臭氧发生设备利用空气中的氧气便可以得到臭氧，不需要重复购买消毒药剂及为避免消毒剂污染而作的消费。

此外，臭氧在开放式空气消毒上也得到广泛应用：

家庭空气消毒。将臭氧发生装置移植于空调中，在空气出空处安装臭氧催化分解、吸附装置，这样既可以制冷制热，还可以利用室内循环风对空气进行消毒，分解后的氧气和负离子可以使室内的空气保持新鲜。另外，空气消毒用臭氧发生器也可以在宾馆、饭店、商场、影院等公共空间使用。制药行业的GMP验证空气消毒。洁净生产区的中央空调净化系统、臭氧灭菌柜，我国相当一批制药企业就是使用臭氧作为主要的消毒和空气灭菌手段。

医院空气消毒。医院病房、门诊手术室、治疗室等，当前使用臭氧作为空气消毒的医院正在日益增多。

军用空气消毒。西方国家已经研制军用臭氧空气消毒产品，如在太空舱、潜水艇、坦克及其他军用车船的舱体安装臭氧发生装置，净化空间环境，杀灭病毒。

    有些病毒或原有病毒的变种采用一般的消毒方法达不到良好的杀灭目的：例如药物研发实验设备等要求杀菌率必须达到100%，疯牛病病毒采用温度消毒根本无法杀灭，此种情况下，我们有必要采用更加有效安全的全新方法进行杀毒。因此，本设计加入了自定义消毒功能，可在硬件和消毒对象允许的情况下，自定义消毒参数，如温度、消毒时间、臭氧浓度、紫外是否同时进行。下表给出了三种给定消毒方法、自定义消毒的方案说明和消毒对象。

表1.4  消毒方案和消毒对象

*注：⑴温度自定义：温度可设定在环境温度～125℃之间；

⑵臭氧浓度自定义：臭氧用来除臭、异味时浓度一般定为2mg/l，因为臭氧消毒在中温环境中进行，浓度不能过高，且臭氧是在箱体内部利用氧气产生的不可能实现很高的浓度；

⑶时间自定义：可根据实际情况需要自定义时间；

⑷紫外是否开启：波长253.7nm的紫外光是否参加消毒。

 

本设计根据不同的消毒对象和要求进行设计，将系统分为高温消毒系统、紫外消毒系统、臭氧消毒系统、自定义消毒系统。按硬件则分为控制单元，控制面板，发生电路，检测电路，电源模块等部分。控制单元根据对应信号和程序控制发生装置和显示装置；控制面板包括输入用的键盘和输出用的显示部分（LED）；发生电路包括加热部分的远红外加热管，紫外发光管和臭氧发生器；检测电路包括温度检测电路和臭氧浓度检测电路（紫外光的波长取定值253.7nm不需检测）；电源模块为消毒箱提供常用电源和备用电源。高浓度紫外发生器和臭氧发生器都位于消毒箱的顶端，以产生高浓度的紫外线和臭氧气体；加热管和风扇设于控制腔，风扇促进箱内空气的流通，使箱体内的空气温度均匀，而且风扇还可以促使臭氧分布均匀真正达到杀毒无死角；温度传感器和臭氧浓度传感器设于消毒腔内，用于检测消毒腔内温度和臭氧浓度；控制面板设于消毒箱外壳表面，上面有数码显示器，按键和指示灯，显示器用以显示温度和时间参数，按键用以设置工作状态，指示灯用以显示工作状态；电源模块置于控制腔内。温度传感器与控制单元连接，以将温度信号输入给控制单元，电扇、加热管、紫外发光管、臭氧发生器与控制单元连接，受其控制；电源模块为整个系统提供可靠电源，防泄露开关设于消毒箱外壳与门之间，打开箱体紫外发光管、臭氧发生器、远红外加热管电路即被断开，使其停止工作，确保工作安全。

其中，控制单元为ATMEL89C51微处理器，温度检测电路、臭氧浓度检测电路、电扇、紫外发光管、臭氧发生器、加热管控制电路、数码管显示控制电路、指示灯，按键与ATMEL89C51微处理器相连接，数码管显示器受数码管控制电路控制。

电源部分由正常供电电路（220V）和备用电源电路（车载12V）两部分组成。

1. 控制芯片的选择：

    本设计采用51系列的单片机作为控制单元，那么我们将在51系列中选择一种既能满足设计要求又不浪费资源的芯片。下面我们将51系列常见的8031/8051/8751等与89C51来进行对比从而做出选择：

    8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。用户若想对写入的EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再写入。写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。

8051片内有4k的ROM，无须外接存储器和74LS373，更能体现“单片”的简练。但是其4k的ROM是一次性写入的，不可修改。

8751与8051基本一样，但是8751片内有4kEPROM，用户可以将自己编写的程序写入单片机的EPROM中进行现场实验与应用，EPROM的改写同样需要用紫外线灯照射一定时间擦除后可再写。

在众多的51系列单片机中，ATMEL公司的AT89C51更为实用，因它不但和8051指令，管脚完全兼容，而且其片内的4k程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除，改写，一般专为ATMEL AT89CX做的编程器均带有这些功能。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短了。写入单片机的程序还可以进行加密，这又很好的保护了我们的劳动成果。虽然网上有人说AT89C51可以进行加密，但是花费的代价需要一万元左右！况且所有单片机均可以采用程序上的解密，只是费用多少的问题。再者，AT89C51目前的售价比8031还低，时常供应也很充足。

ATMEL公司的51系列还有AT89C2051、AT89C1051等品种，这些芯片是在AT89C51的基础上将一些功能精简掉之后形成的精简版。AT89C2051取掉了P0口和P2口，内部的程序FLASH存储器也小到2K，封装形式也由51的P40管件改为20脚，响应的价格也低一些，特别适合在一些智能玩具，手持仪等程序不大的电路环境下应用；AT89C1051在2051的基础上，再次精简掉了串口功能等，程序存储器再次减小到1K，当然价格也更低。

对2051和1051来说，虽然减掉了一些资源，但他们的片内都集成了一个精密比较器，比较器为测量一些模拟信号提供了极大的方便，在外加几个电阻和电容的情况下，就可以测量电压，温度等我们日长需要的量。这对很多日用电器的设计是很宝贵的资源。

ATMEL的51、2051、1051均有多种封装，如AT89C51有PDIP、PLCC和TQFP等封装；2051/1051有PDIP和SOIC封装等。由于51系列单片机的内核都一样所以在51单片机教材方面目前仍然沿用Inter MCS 8051单片机的书籍。开发软件和工具也是一样，我们统称为8051开发系统，单对AT89C51来说，在实际电路中可以直接互换8051/8751。

有区别的是，8031内部没有ROM，31脚需接地（GND），单片机在启动后就到外面程序存储器读取指令；而8051/8751/89C51内部有程序存储器，31脚接有高电平（Vcc），单片机启动后直接在内部读取指令。也就是51芯片的31引脚控制着地，程序从外部读取。其他无须改动。另外，AT89C51替换8031后因不用外存储器，不必安装原电路的外存储器和74LS373。

89C51 的主要特征：