生物組織冷凍包埋機智能控制系統研究

陳桂蘭，廖任秀，劉子堅

(金華職業技術學院，浙江 金華 321017)

生物組織冷凍包埋機智能控制系統研究

陳桂蘭，廖任秀，劉子堅

(金華職業技術學院，浙江 金華 321017)

通過對包埋機控制過程進行研究，研發智能化控制系統，硬件采用以STM32F07處理器為核心的控制電路，軟件采用常規PID控制+機器學習前饋智能控制的復合控制方法，有效提高溫度控制的快速性和高精度，進而提高包埋機性能。

生物組織冷凍包埋機；智能控制系統；溫度控制；STM32；PID控制

目前冷凍包埋機控制操作主要依賴操作人員經驗，引起了石蠟溫度控制、包埋組織冷卻效果不夠理想等問題。對包埋機控制過程進行研究，研發智能化控制系統，以提高溫度控制的快速性和高精度，進而提高包埋機性能。所研發系統用于包埋機產品后，對提升包埋機產品整體性能以及國產化水平均有重大現實意義。包埋機智能控制系統采用ARM+FreeRTOS核心架構，并采用常規PID控制+機器學習前饋智能控制的復合控制方法，智能化程度極高。

1 生物組織冷凍包埋機智能控制系統的硬件設計

1.1 系統框圖

生物組織冷凍包埋機智能控制器的系統框圖，如圖1所示。主控系統采用意法半導體STM32F2的ARM芯片STM32F07。溫度傳感器將溫度信號轉換成模擬信號，模擬電信號通過STM32F07片內自帶的12位A/D轉換為處理器能識別的數字信號，處理器將得到的數字信號進行處理，得出當前的溫度值。當溫度高于正常范圍時，IO口輸出高電平控制繼電器導通使得電機工作。電路還設計了7個獨立按鍵輸入和OLED顯示人機接口電路。系統設計了兩路電源，分別給主控電路和其他電路供電，并配合光耦合器件，有效實現光電隔離，提高系統工作的可靠性。

圖1 系統框圖Fig.1 System block diagram

1.2 電源電路的設計

冷凍包埋機控制系統具有多個溫區，其溫度通過處理器控制，為了減少繼電器動作時對處理器控制系統的干擾，故采用了雙路穩壓電源。一路是經變壓器降壓后的交流電由整流橋轉換成直流電，最后再由7805穩壓獲得輸出5 V，為按鍵輸入電路以及繼電器控制電路提供工作電壓。另一路是由LM117-3.3V穩壓獲得輸出3.3 V，為處理器主控電路提供工作電壓。

1.3 人機接口電路的設計

人機接口電路包括按鍵輸入和顯示輸出電路。STM32芯片IO口引腳數量較多，本系統設計了7個按鍵，數量較少，因此直接采用獨立式按鍵接口方式。顯示部分采用OLED顯示屏，提高字符、圖形、圖像顯示的清晰度，而且省電、無須提供背光、無角度盲點。

1.4 繼電器輸出控制電路的設計

7路繼電器分別控制蠟缸、左右保存盒、工作區、儲鑷臺、蠟嘴、小冰臺和冷凍臺工作區的溫度，繼電器的控制信號通過接插件及光耦與處理器的PB口相連，當PB口輸出高電平時，繼電器吸合，各個工作區的溫控電路導通，否則斷電。

1.5 主控電路的設計

ST發布了基于90 nm工藝的STM32F2家族，而STM32F207是其中較高端的一款芯片，包埋機主控芯片采用了該芯片。STM32F207具有更高的效率，極致發揮Cortex-M3的性能；更低的動態功耗，更多靈活創新的高性能外設，更高的集成度，可很好的滿足系統要求。

來自溫度傳感器的溫度信號是模擬電信，直接輸入到 STM處理器的AD輸入口，采用常規PID控制+機器學習前饋智能控制的復合控制方法控制繼電器輸出電路工作。7路溫度信號與主控芯片的輸入和輸出連接均采用光電耦合電路，將主控系統和負載電路完全隔離，減少相互干擾，以提高系統安全性和穩定性。

2 生物組織冷凍包埋機智能控制系統的軟件設計

依據包埋機的功能需求，構建軟件的整體框架，實現具體的各功能子模塊。程序結構如圖2所示。

圖2 包埋機軟件程序設計方案Fig.2 Embedded machine software program design

實時嵌入式操作系統內核將以子任務的形式調用各功能模塊，各功能模塊優先級大小的確定，模塊之間用信號量、消息隊列等手段進行數據傳遞和協調等，是軟件設計時首先要考慮的問題。

由于溫度控制系統是一個大慣量的時延系統，常規的PID控制超調量大，精度低，本項目將采用常規PID控制+機器學習前饋智能控制的復合控制方法，由機器學習算法在線學習被控對象的非線性特性，并作為前饋學習控制，與PID控制共同作用自動調整各通道的溫度，以提高溫度控制的快速性和高精度。

3 冷凍包埋機的主要技術參數

通過對生物組織冷凍包埋機控制系統的研究，有效提高了包埋機的性能和技術參數。

冷凍包埋機主工作臺技術參數有：A.采用國際先進的PID控溫系統，界面采用OLED模塊顯示屏，省電，壽命長達5萬h，字跡清晰，無須提供背光，視角無盲區。B.熔蠟缸、蠟嘴、工作臺、儲鑷臺及左、右保存盒6個加溫工作區溫度控制范圍：室溫～85℃。C.小冷臺采用P/N極半導體制冷原理，控溫范圍：室溫～-15℃。D.控溫精度：±1℃。E.時間預置：可在一周內任意設定開機及關機時間。F.功率：1 000VA。

[1] 凌雙明.船舶柴油機缸套冷卻水溫度模糊PID自適應控制及仿真[J].艦船科學技術北大核心，2017，(12)：93-95.

[2] 李淵.智能PID控制器優化仿真研究[J].計算機仿真，2012，29(12):180-183.

[3] 莊志紅.石蠟包埋機系統[J].中國醫療設備，2008，23(02):20-22.

Studyonintelligentcontrolsystemofbiologicaltissueembeddingfreezer

CHEN Gui-lan, LIAO Ren-xiu, LIU Zi-jian

(Jinhua Polytechnic, Jinhua 321017, China)

By researching the control process of embedding machine, an intelligent control system is developed. The control circuit with STM32F07 processor as the core is adopted in the hardware. The software adopts the compound control method of conventional PID control and machine learning feed forward intelligent control, which effectively increases the temperature control of the rapid and high precision, thereby enhancing the performance of embedding machine.

Biological tissue freezing embedding machine; Intelligent control system; Temperature control; STM32; PID control

TP273

A

1674-8646(2017)20-0048-02

2017-08-18

課題項目：浙江省教育廳科研項目“生物組織冷凍包埋機智能控制系統研究”(Y201327935)

陳桂蘭(1977-)，女，碩士，講師。