基于遺傳PID算法的激光理療儀設(shè)計(jì)

吳冰　朱喜榮　黃陳

摘要摘要：激光理療儀是現(xiàn)代光學(xué)、電子學(xué)和醫(yī)學(xué)相結(jié)合的高科技成果。傳統(tǒng)激光治療儀體積大、攜帶不方便、使用繁瑣、工作時會產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致波長飄移較大。為防止激光理療儀器工作時產(chǎn)生高溫，系統(tǒng)特增設(shè)調(diào)溫功能，采用數(shù)字和模擬電路以及MCU（單片機(jī)）實(shí)現(xiàn)可調(diào)時間和功率的無害激光輸出。采用整定PID算法對激光理療儀溫度進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，輔以單片機(jī)語言實(shí)現(xiàn)各部分功能。實(shí)驗(yàn)表明，基于遺傳PID算法的激光理療儀不僅結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，而且能夠很好地調(diào)節(jié)溫度。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：溫度控制；激光理療儀器；整定PID算法；ATmega16；TEC及驅(qū)動電路

DOIDOI：10.11907/rjdk.162796

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）005006003

0引言

激光理療儀采用650nm的低強(qiáng)度可見紅光對人體鼻孔血液進(jìn)行照射，可使血液吸收該波段的光量子儲存在人體細(xì)胞內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對人體有益的生物共振效應(yīng)，從而對身體起到調(diào)理作用，增大紅細(xì)胞排斥性、保持細(xì)胞離散、軟化血管、調(diào)節(jié)血壓、促進(jìn)細(xì)胞新陳代謝[4]。

目前市場上的激光理療儀大多存在以下問題：面板設(shè)計(jì)復(fù)雜，用戶操作有難度；電路設(shè)計(jì)不合理，溫度無法控制[1]；無法實(shí)現(xiàn)波長、功率穩(wěn)定輸出，使用不當(dāng)會對人體造成傷害；耗電量大，攜帶不便；價位高企[5]。

針對以上問題，本文設(shè)計(jì)了以ATmega16單片機(jī)為核心芯片，具有穩(wěn)壓塊、按鍵選擇功能、發(fā)光二極管提示功能及不同檔位功率輸出[2]、溫度傳感器（pt100）、TEC、TEC驅(qū)動電路DRV592、輔以整定PID算法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的激光理療儀。實(shí)現(xiàn)3MW、4MW、5MW 3種不同功率輸出[6]，30分鐘定時照射，蜂鳴器報(bào)警提醒換另一側(cè)照射，60分鐘照射結(jié)束報(bào)警。該治療儀溫度精確[3]、波長穩(wěn)定、操作簡單、體積輕便、便于攜帶。設(shè)計(jì)過程如圖1所示。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)半導(dǎo)體激光發(fā)射電路。輸出3MW、4MW、5MW不同功率，實(shí)現(xiàn)定時功能， 30min定時報(bào)警，60min結(jié)束報(bào)警。

（2）選擇合適的溫度傳感器。鉑電阻元件穩(wěn)定性好，誤差微小。Pt100在400℃時持續(xù)300h，0℃時的最大溫度漂移僅為0.02℃，具有熱響應(yīng)時間快等優(yōu)點(diǎn)[7]。本系統(tǒng)采用Pt100作為系統(tǒng)的溫度傳感器。

（3）設(shè)計(jì)高精度放大電路。由于放大電路為mw級，需要對采集結(jié)果放大，以避免產(chǎn)生大的誤差。

（4）TEC控制電路。通常有線性驅(qū)動電路與PWM驅(qū)動電路，因PWM精度較高，本文選用PWM作為驅(qū)動電路[8]。

（5）半導(dǎo)體制冷器實(shí)現(xiàn)精確溫度控制。當(dāng)溫度高于額定溫度2℃則降溫，小于額定溫度則驅(qū)動電路橋反向通電升溫，保證輸出波長穩(wěn)定。

1.1硬件電路

本激光理療儀采用ATmega16單片機(jī)為主芯片，配合10mw激光管。如圖2所示為ATmega16單片機(jī)的引腳及功能。

ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC低功耗8位CMOS微控制器，由于其先進(jìn)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，減緩了系統(tǒng)在功耗與處理速度之間的矛盾。端口A為A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端，端口A、端口B、端口C、端口D為8位雙向I/O端口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。XTALA1 為反向震蕩放大器與片內(nèi)時鐘操作電路輸入端，XTALA2為反向震蕩放大器的輸出端，除此之外還可實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換、PWM驅(qū)動電路橋的附加功能。穩(wěn)定功率主硬件電路如圖3所示。

VD1至VD5為功能指示發(fā)光二極管，依次為前30min，3MW、4MW、5MW、30～60min照射指示燈，S1、 S2 、S3、 S4為功能按鍵開關(guān)，蜂鳴器用作照射結(jié)束報(bào)警，VT1為開關(guān)， 采用德州生產(chǎn)的TPS76333穩(wěn)壓電路，選用高精度、低功耗的CA358集成放大器與VT2一起形成功率反饋電路，保證電路穩(wěn)定功率輸出，通過調(diào)節(jié)R9、R10、R11滑動變阻器的電阻值來控制輸出功率大小。按下S1和S4，實(shí)現(xiàn)輸出3mw對人體進(jìn)行照射，同時VD2發(fā)光二極管亮，按下S3，功率輸出切換為4mw，同時VD3亮，再按下S3，輸出功率切換為5mw，同時VD4亮。30min到，VD1亮，同時蜂鳴。軟件工作流程如圖4所示。

1.2智能溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的激光理療儀對溫度控制采用開環(huán)系統(tǒng)控制，沒有反饋，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單。隨著激光發(fā)射器溫度升高，會產(chǎn)生波長飄移以及功率輸出不穩(wěn)定等問題，對治療效果影響很大[9]。本文設(shè)計(jì)的激光理療儀由開環(huán)溫度采集及閉環(huán)反饋系統(tǒng)組成，有效提高了系統(tǒng)精度，防止溫度升高太大使激光波長產(chǎn)生飄移。Pt100就是0℃金屬，鉑阻值為100Ω，系統(tǒng)穩(wěn)定提供1mA電流，通過檢測兩端電壓變化來識別激光發(fā)射器溫度。溫度采集電路如圖5所示。

由于電流是毫伏級，所以電壓變化很微小，如果不加放大器，信號放大時會產(chǎn)生很大的誤差[10]，本系統(tǒng)采用的AD620能把檢測信號放大200倍，以提高系統(tǒng)精度。經(jīng)過試驗(yàn)測定，溫度和熱敏電阻兩端電壓呈線性比例約束關(guān)系。

TEC—12703具有結(jié)構(gòu)簡單，散熱效果迅速，操作方便的優(yōu)點(diǎn)[11]。設(shè)計(jì)時緊貼激光發(fā)射器，在TEC兩端加一個較小的電壓，就會實(shí)現(xiàn)電流從一端流向另一端，達(dá)到一頭冷一頭熱。切換電流方向，就可以由原來的制冷變?yōu)橹茻幔ɑ蛘哂芍茻嶙優(yōu)橹评洌Ｖ茻帷⒅评渥兓目炻c流過電流的方向和大小有關(guān)，傳統(tǒng)的線性控制精度不高，效率低，所以還要設(shè)計(jì)一個TEC驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)PWM控制。本設(shè)計(jì)選用DRV592，最大輸出電流3A。驅(qū)動如圖6所示。

2整定PID控制部分

半導(dǎo)體激光器是一個對溫度很敏感的器件，溫度變化會影響輸出波長及使用壽命。隨著溫度變化會出現(xiàn)溫度飄移，所以本文用遺傳PID算法控制TEC驅(qū)動電路的PWM波，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定[12]。

2.1遺傳PID算法應(yīng)用

本理療儀屬于小功率裝置，同時輸出波長隨溫度升高會出現(xiàn)飄移，需要對溫度精確控制，本文將PID算法與遺傳算法相結(jié)合。

PID控制方法很早就應(yīng)用于生產(chǎn)生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的PID傳遞函數(shù)如下：

G（s）=Kp+Ki/s+Kd*s（1）

函數(shù)由比例（proportional）、積分（Integral）、微分（Differential）3部分組成，Kp、Ki、Kd為對應(yīng)的比例系數(shù)，3個參數(shù)互相獨(dú)立，仿真結(jié)果容易實(shí)現(xiàn)，但在實(shí)驗(yàn)過程中，不管怎么調(diào)節(jié)其參數(shù)，都會產(chǎn)生一定的不足（超調(diào)大、積分飽和、響應(yīng)慢），為此嘗試結(jié)合遺傳算法解決此問題。

遺傳算法（Genetic Algorithm）是一類借鑒生物界的進(jìn)化規(guī)律（適者生存，優(yōu)勝劣汰遺傳機(jī)制）演化而來的隨機(jī)化搜索方法。首先隨機(jī)產(chǎn)生一組潛在的解，該解稱為“染色體”，解的特定集合稱為“種群”，解中的變量稱為“基因”。然后采用生物進(jìn)化的過程（如染色體交叉、變異、淘汰等）對個體不斷篩選，最后達(dá)到最優(yōu)解，解決實(shí)際問題。

激光器一般工作在20℃左右，所以將標(biāo)準(zhǔn)溫度設(shè)置為20℃，本文目標(biāo)使其溫差不超過2℃。將測量的溫度Tn與設(shè)定溫度T（20℃）之差作為新的函數(shù)輸入，公式如下：

U=Kp（Tn-T）+∑Ki（Ti-T）+Kd（Tn-Tn-1）（2）

軟件系統(tǒng)流程如圖7所示。

首先讀取初始溫度T0，當(dāng)測量溫度Tn小于設(shè)定溫度T-2℃時，系統(tǒng)通過單片機(jī)控制PWM波占空比輸出，使TEC制冷；如果設(shè)定溫度T小于測量溫度Tn，就運(yùn)用遺傳算法整定PID參數(shù)，利用整定結(jié)果調(diào)整制冷端口PWM波占空比輸出，循環(huán)讀取溫度，不斷進(jìn)行調(diào)整。

2.2溫度仿真

運(yùn)用MATLAB進(jìn)行仿真，從圖8可以看出，用遺傳算法整定后的PID溫度控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快、超調(diào)小，能夠迅速達(dá)到設(shè)定溫度。仿真結(jié)果及性能指標(biāo)如圖8、表1所示。

3結(jié)語

本文基于遺傳PID算法控制PWM輸出，精確控制TEC制冷加熱，防止溫度過高導(dǎo)致波長飄移，控制精度高達(dá)0.5℃，滿足實(shí)際需求。

設(shè)計(jì)的激光治療儀體積小，重量輕，不僅適合醫(yī)院使用，用戶還可隨身攜帶，安全性好，操作方便且省電，應(yīng)用前景良好。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：杜能鋼）