基于PID算法的LED光熱治療系統(tǒng)的設(shè)計*

盛海云 魏曉慧 鄧中應(yīng) 姜文新 陳煜平

[文章編號] 1672-8270(2015)09-0011-04 [中圖分類號] R197.324 [文獻標(biāo)識碼] A

基于PID算法的LED光熱治療系統(tǒng)的設(shè)計*

盛海云①魏曉慧②鄧中應(yīng)③姜文新③陳煜平②

[文章編號] 1672-8270(2015)09-0011-04 [中圖分類號] R197.324 [文獻標(biāo)識碼] A

目的：基于STC12C5A60S2單片機設(shè)計溫度可控發(fā)光二極管(LED)光熱治療系統(tǒng)，以實時監(jiān)測、控制光熱治療過程中照射部位皮膚組織的溫度。方法：系統(tǒng)硬件由LED陣列光源驅(qū)動部分、紅外測溫部分、微處理器部分以及人機交互部分組成，根據(jù)人體組織對溫度控制的要求，采用PID算法調(diào)節(jié)LED輸出的光功率密度，選用離體組織樣品進行光熱治療模擬實驗。結(jié)果：LED光熱治療系統(tǒng)溫度控制具有較低的調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)誤差為±0.5 ℃。結(jié)論：基于PID算法的LED治療系統(tǒng)實現(xiàn)了皮膚組織升溫控制的速度與精準(zhǔn)性。

光熱治療；PID算法；發(fā)光二級管；陣列驅(qū)動；人機交互

[First-author’s address] The Third People’s Hospital of HuiZhou, Huizhou 516007, China.

目前，激光和強脈沖光皮膚治療儀(即去斑、去皺、脫毛、換膚、美白或其他常見皮膚治療)已被國內(nèi)外醫(yī)療系統(tǒng)和美容行業(yè)所接受，其治療特點是見效快，屬于入侵式治療，治療時被照射者會有燒灼感，會對人體的正常組織帶來一定的損傷和不良反應(yīng)，且需反復(fù)治療[1-3]。因此，北美同行在努力尋求一種新的光子治療技術(shù)。國內(nèi)、外研究表明，發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)光熱療法是一種新型有效的抗老化工具，隨著現(xiàn)代化醫(yī)療事業(yè)的不斷發(fā)展，LED光熱治療的需求不斷擴大[4-6]。LED光熱治療儀的應(yīng)用對于促進醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展、實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保均具有非常重要的意義[7]。

光熱治療是一種以光和熱為主要物理因子的治療方法，通過特定波長的光照射人體組織產(chǎn)生的光化學(xué)效應(yīng)和熱效應(yīng)來治療皮膚組織疾病，并具有治療效果顯著的特點。本研究設(shè)計出基于PID算法的STC12C5A60S2單片機溫度可控LED光熱治療系統(tǒng)，以實時監(jiān)測、控制光熱治療過程中照射部位組織的溫度。

1 LED光熱治療系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)構(gòu)架

LED光熱治療系統(tǒng)采用STC12C5A60S2微處理器，外圍模塊電路包括24 V的LED恒流驅(qū)動模塊、紅外傳感器溫度采集模塊、大功率LED串并聯(lián)陣列模塊以及5 V、3 V電源供電模塊。其中，LED恒流驅(qū)動模塊具有脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)的調(diào)光功能，紅外溫度傳感器采集皮膚組織溫度，大功率LED串并聯(lián)陣列提供光能量的輻射，系統(tǒng)微處理器通過自帶的PWM接口改變輸出PWM占空比來調(diào)節(jié)LED工作電流，進而調(diào)節(jié)LED輸出光強度，實現(xiàn)皮膚組織溫度的控制。LED光熱治療系統(tǒng)整體構(gòu)架如圖1所示。

1.2 電源系統(tǒng)

(1)5 V供電模塊。選取一塊輸出為24 V 2500 mA設(shè)配器作為總電源供電，使用低壓差穩(wěn)壓器LM2940作為穩(wěn)壓源模塊，經(jīng)實驗測量，穩(wěn)壓模塊輸出為5 V，紋波極小，而且輸出功率滿足作品要求。47 μf、22 μf電解電容為儲能作用，0.1 μf陶瓷電容為濾波作用。

圖1 系統(tǒng)整體構(gòu)架框圖

(2)3 V供電模塊。選取低漏失電壓調(diào)整器AMS1117 ADJ提供3.3 V輸出電壓，該芯片片內(nèi)提供了過載和過熱保護電路，以防環(huán)境溫度造成過高的結(jié)溫。AMS1117-adj為典型可調(diào)輸出電壓電路，調(diào)節(jié)R1，根據(jù)公式1計算輸出電壓：

1.3 微處理器控制系統(tǒng)

系統(tǒng)微處理器使用單時鐘和(或)機器周期(1T)單片機STC12C5A60S2，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051系統(tǒng)，但其速度快8～12倍。微處理器外接TN901紅外測溫模塊、紅外接收模塊、TFT LCD液晶顯示屏以及LED恒流驅(qū)動模塊。

1.4 LED照射系統(tǒng)

1.4.1 LED光源陣列

采用高功率集成式封裝LED芯片作為光源。該芯片為10串2并的LED陣列，中心波長為630 nm，功率為20 W，工作電壓為22～24 V，最大工作電流為560 mA。

LED屬于光電器件，在工作過程中有15%～25%的電能可轉(zhuǎn)換為光能，剩余的電能主要轉(zhuǎn)換為熱能，從而導(dǎo)致LED的溫度升高。為降低工作過程中LED升溫過高，系統(tǒng)采用鋁片散熱器對LED進行散熱。為提高LED的聚光度，LED治療系統(tǒng)采用直徑44mm大功率集成燈珠反光杯帶凸透鏡套裝對LED光源進行聚光。

1.4.2 LED恒流驅(qū)動

LED正向?qū)?，其兩端電壓的輕微變化則會導(dǎo)致LED電流大幅度改變，而LED的光輸出和電流直接相關(guān)。因此，LED的驅(qū)動電路在輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動的情況下，要求其能夠穩(wěn)定地控制LED電流的大小。為保證大功率LED使用的安全性及理想的發(fā)光功率，通常采用恒流驅(qū)動(如圖2所示)。

系統(tǒng)采用高功率電流降壓穩(wěn)壓器LM3406，該驅(qū)動IC可提供高達(dá)1.5 A的正向電流。芯片內(nèi)置可確保電流平均輸出的積分電路，當(dāng)轉(zhuǎn)換器采用連續(xù)導(dǎo)電模式操作時，受控導(dǎo)通時間結(jié)構(gòu)可以確保無論輸入及輸出電壓如何變動，開關(guān)頻率均可恒定不變。LM3406通過CS引腳檢測Rsns上的電壓，并與0.2 V進行比較、調(diào)節(jié)，可使輸出電流保持If=0.2/Rsns恒流。該驅(qū)動電路采用PWM信號頻率可由公式2計算得出：

圖2 恒流驅(qū)動電路圖

2 LED照射部位組織溫度實時監(jiān)控

2.1 紅外測溫原理

自然界中一切溫度高于絕對零度(-273.15)的物體均在不停地向外發(fā)出紅外線，物體表面溫度決定其發(fā)出的紅外能量大小及波長分布?；鶢柣舴蚨擅枋隽溯椛淠芰棵芏扰c物體本身溫度的關(guān)系(公式3)：

式中E為輻射度，單位W/m3，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8/(m3·K4)，ε為物體輻射率，T為物體溫度，單位K。紅外測溫屬于非接觸式測量。

不同溫度范圍對象所發(fā)出的電磁波能量波長分布不同，常溫范圍能量主要集中在中紅外和遠(yuǎn)紅外波長。本設(shè)計選用TN901模組測溫，其溫度范圍為-33～220 ℃。

2.2 TN901紅外測溫模塊

由ZyTemp公司生產(chǎn)的TN901模塊是一種非接觸式測溫模塊，其測溫原理是基于熱電堆檢測材料對紅外輻射進行探測。TN901通過同步串行外圍設(shè)備接口(serial peripheral interface，SPI)提供經(jīng)過校準(zhǔn)的數(shù)字溫度信號，可以直接為嵌入式設(shè)備提供OEM模塊支持。TN901集成所有硬件集成電路組成紅外片上系統(tǒng)，能夠在大范圍的溫度變化環(huán)境中保持精度。

2.3 人機交互模塊

本設(shè)計人機交互模塊選用2.4吋TFT液晶屏，結(jié)合紅外遙控控制，操作者更加方便地使用遙控進行光熱治療系統(tǒng)的參數(shù)和功能設(shè)定，即節(jié)省儀器空間，又可使操作智能化。

2.4 TFT LCD液晶屏

TFT真彩LCD模塊具有豐富多樣的接口、編程方便及易于擴展等良好性能，內(nèi)置專用驅(qū)動和控制IC(ILI925)，TFT液晶屏為方便用戶的擴展使用，將顯示器主控電源盒顯示器背光電源分開供電，用戶可以單獨給背光提供適合的電源以獲取合適的背光亮度。

2.5 紅外遙控

為解決常規(guī)矩陣鍵盤線路過大、布線復(fù)雜以及占用I/O口過多的弊病，同時實現(xiàn)人與設(shè)備的分離，從而方便使用，系統(tǒng)采用紅外遙控器對系統(tǒng)各參數(shù)進行的設(shè)置。通用紅外遙控系統(tǒng)發(fā)射部分包括鍵盤矩陣、編碼調(diào)制及LED紅外發(fā)送器；接收部分包括光、電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)及解碼電路(如圖3所示)。

圖3 編碼解碼電路框圖

3 溫度控制算法和系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 溫度控制算法

在光熱治療系統(tǒng)過程中，環(huán)境溫度、照射部位與光源距離以及不同生物組織對熱的傳導(dǎo)能力均為影響溫度控制的直接因素。紅外測溫可測量視場內(nèi)的平均值，人體皮膚組織的移動會對測溫產(chǎn)生較大的干擾。PID控制算法，即比例(P)、積分(I)、微分(D)控制算法。PID控制原理簡單、使用方便，魯棒性強，無需被控制對象精確的數(shù)學(xué)模型，適用范圍廣泛[8-10]。

本設(shè)計中，系統(tǒng)通過TN901采集溫度，當(dāng)被測溫度偏離所希望的給定值時，PID控制系統(tǒng)可根據(jù)測量信號與給定的偏差進行比例、積分及微分運算，輸出適當(dāng)?shù)腜WM控制信號，控制LED恒流驅(qū)動器調(diào)節(jié)輸出電流，使光照度發(fā)生相應(yīng)的改變以達(dá)到閉環(huán)控制的效果[11-14]。

3.2 紅外遙控解碼

遙控發(fā)射的信號由一串0和1的二進制代碼組成，不同的芯片對0和1的編碼有所不同，通常有曼徹斯特編碼和脈沖寬度編碼。TC9012采用脈沖寬度編碼，0碼由100 μs低電平和10 μs高電平組合而成，脈沖寬度為110 μs；1碼由190 μs低電平和10 μs高電平組合而成，脈沖寬度為200 μs，通過判斷脈沖寬度，可得到0，1編碼。一個紅外信號的傳輸需要14個脈沖信號，包括100 μs的邏輯0，200 μs的邏輯1，以及300 μs的前導(dǎo)、結(jié)束信號，紅外發(fā)射二極管不發(fā)出信號時遙控接收頭輸出信號1，紅外發(fā)射二極管發(fā)出信號后，遙控接收頭接收到0和1編碼經(jīng)遙控頭倒相后輸出信號0。將該接收頭輸出引腳與單片機中斷腳相連，將產(chǎn)生下降沿中斷。單片機在中斷時使用定時器開始計時，在下一個中斷觸發(fā)時將計時值取出，通過判斷每兩次中斷之間的時間間隔可判斷接收到的引導(dǎo)碼是0或1，其解碼流程如圖4所示。

圖4 解碼流程框圖

3.3 軟件驅(qū)動程序開發(fā)

3.3.1 ILI9320系統(tǒng)接口

該接口為：①i80-system MPU interface；②VSYNC interface；③serial data transfer interface(SPI)；④RGB 6-/16-/18-bit interface。ILI9325有一個16位的變址寄存器(IR)、一個18位的寫數(shù)據(jù)寄存器(WDR)和一個18位的讀數(shù)據(jù)寄存器(RDR)。變址寄存器(IR)存儲來自控制寄存器和內(nèi)部的顯示存儲器(GRAM)指令信息。WDR用來暫時存儲要被寫到控制寄存器和內(nèi)部GRAM中的數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)寄存器(RDR)用來暫時存儲從GRAM中讀取的數(shù)據(jù)。

3.3.2 MPU內(nèi)部GRAM的數(shù)據(jù)

首先寫入WDR，然后再內(nèi)部操作自動寫入內(nèi)部GRAM中。所讀取的數(shù)據(jù)需通過RDR從內(nèi)部GRAM中讀取。因此，無效數(shù)據(jù)將被讀入數(shù)據(jù)總線，當(dāng)ILI925從內(nèi)部的GRAM中讀取第一個數(shù)據(jù)時，有效數(shù)據(jù)將在ILI925進行第二次讀操作之后被讀出。

4 結(jié)論

本設(shè)計通過光熱治療技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的研究，以及光熱療法對于皮膚組織溫度控制的需求，設(shè)計出基于PID算法的LED光熱治療系統(tǒng)。主要實現(xiàn)的功能為：①在了解光熱治療原理和大功率LED光源技術(shù)的基礎(chǔ)上，選用波長為630 nm、功率為20 W的LED陣列配置鋁膜反光杯，組合成系統(tǒng)的光源部分，設(shè)計LM3406的外圍電路，實現(xiàn)LED陣列的恒流驅(qū)動和PWM調(diào)光功能；②將微處理器、電源、人機交互界面以及LED恒流驅(qū)動集中在一塊板卡上，以STC12C5A60S2微處理器為核心對外圍模塊電路進行控制，通過SPI數(shù)據(jù)通信方式讀取TN901采集的組織溫度數(shù)據(jù)，通過PID算法對數(shù)據(jù)進行運算，輸出相應(yīng)的PWM信號控制LED光照強度消除偏差；③對光熱治療中人體溫度控制溫度的特點，對PID參數(shù)進行整定，使系統(tǒng)溫度控制調(diào)節(jié)更加快速和精準(zhǔn)。

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Design of treatment system of LED based on PID/SHENG Hai-yun, WEI Xiao-hui, DENG Zhong-ying, et al// China Medical Equipment,2015,12(9)∶11-14.

Objective∶ Photothermal therapy is a kind of physical treatment major of light and heat. Photochemical and thermal effects produced by specific wavelengths of light to treat human tissue irradiated skin tissue disease, and has a therapeutic effect significant features. For real-time monitoring, control light and heat treatment temperature during irradiation site organization, this paper presents the design of a temperature-controlled LED light heating therapy system based STC12C5A60S2. Methods∶ Hardware of System consists of an LED array light source driving section, infrared temperature measurement part, and human-computer interaction part of the microprocessor portion. According to the temperature of human tissue control requirements, the LED output optical power density is adjusted using the traditional PID algorithm. Results∶ The isolated tissue sample is selected in the photothermal therapy experiment. The experimental results show that the settling time and peak overshoot of the temperature control system are low. and the steady- state error is±0.5 ℃. Conclusion∶ The design of treatment system of LED based on PID can meet that the requirement of temperature control in the photothennal therapy.

Light and heat treatment; PID algorithm; Light emitting diode; Array driven; Human-computer interaction

盛海云,男,(1959- ),博士，主任醫(yī)生?；葜菔械谌嗣襻t(yī)院普外科，從事肝膽外科的臨床及科研工作。

2015-03-24

國家自然科學(xué)基金(61372064)“LED封裝散熱關(guān)鍵技術(shù)研究”

①惠州市第三人民醫(yī)院 廣東 惠州 516002

②惠州學(xué)院電子科學(xué)系 廣東 惠州 516007

③惠州智科實業(yè)有限公司 廣東 惠州 5161001

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.09.004