| 标题 | 基于遗传PID算法的激光理疗仪设计 |
| 范文 | 吴冰 朱喜荣 黄陈 摘要摘要：激光理疗仪是现代光学、电子学和医学相结合的高科技成果。传统激光治疗仪体积大、携带不方便、使用繁琐、工作时会产生高温，导致波长飘移较大。为防止激光理疗仪器工作时产生高温，系统特增设调温功能，采用数字和模拟电路以及MCU（单片机）实现可调时间和功率的无害激光输出。采用整定PID算法对激光理疗仪温度进行智能调节，辅以单片机语言实现各部分功能。实验表明，基于遗传PID算法的激光理疗仪不仅结构简单、使用方便，而且能够很好地调节温度。 关键词关键词：温度控制；激光理疗仪器；整定PID算法；ATmega16；TEC及驱动电路 DOIDOI：10.11907/rjdk.162796 中图分类号：TP319 文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2017）005006003 0引言 激光理疗仪采用650nm的低强度可见红光对人体鼻孔血液进行照射，可使血液吸收该波段的光量子储存在人体细胞内，实现对人体有益的生物共振效应，从而对身体起到调理作用，增大红细胞排斥性、保持细胞离散、软化血管、调节血压、促进细胞新陈代谢[4]。 目前市场上的激光理疗仪大多存在以下问题：面板设计复杂，用户操作有难度；电路设计不合理，温度无法控制[1]；无法实现波长、功率稳定输出，使用不当会对人体造成伤害；耗电量大，携带不便；价位高企[5]。 针对以上问题，本文设计了以ATmega16单片机为核心芯片，具有稳压块、按键选择功能、发光二极管提示功能及不同档位功率输出[2]、温度传感器（pt100）、TEC、TEC驱动电路DRV592、辅以整定PID算法实现闭环控制的激光理疗仪。实现3MW、4MW、5MW 3种不同功率输出[6]，30分钟定时照射，蜂鸣器报警提醒换另一侧照射，60分钟照射结束报警。该治疗仪温度精确[3]、波长稳定、操作简单、体积轻便、便于携带。设计过程如图1所示。 1系统总体设计 （1）设计半导体激光发射电路。输出3MW、4MW、5MW不同功率，实现定时功能， 30min定时报警，60min结束报警。 （2）选择合适的温度传感器。铂电阻元件稳定性好，误差微小。Pt100在400℃时持续300h，0℃时的最大温度漂移仅为0.02℃，具有热响应时间快等优点[7]。本系统采用Pt100作为系统的温度传感器。 （3）设计高精度放大电路。由于放大电路为mw级，需要对采集结果放大，以避免产生大的误差。 （4）TEC控制电路。通常有线性驱动电路与PWM驱动电路，因PWM精度较高，本文选用PWM作为驱动电路[8]。 （5）半導体制冷器实现精确温度控制。当温度高于额定温度2℃则降温，小于额定温度则驱动电路桥反向通电升温，保证输出波长稳定。 1.1硬件电路 本激光理疗仪采用ATmega16单片机为主芯片，配合10mw激光管。如图2所示为ATmega16单片机的引脚及功能。 ATmega16是基于增强的AVR RISC低功耗8位CMOS微控制器，由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16吞吐率高达1MIPS/MHz，减缓了系统在功耗与处理速度之间的矛盾。端口A为A/D转换器的模拟输入端，端口A、端口B、端口C、端口D为8位双向I/O端口，具有可编程的内部上拉电阻。XTALA1 为反向震荡放大器与片内时钟操作电路输入端，XTALA2为反向震荡放大器的输出端，除此之外还可实现AD转换、PWM驱动电路桥的附加功能。稳定功率主硬件电路如图3所示。 VD1至VD5为功能指示发光二极管，依次为前30min，3MW、4MW、5MW、30～60min照射指示灯，S1、 S2 、S3、 S4为功能按键开关，蜂鸣器用作照射结束报警，VT1为开关， 采用德州生产的TPS76333稳压电路，选用高精度、低功耗的CA358集成放大器与VT2一起形成功率反馈电路，保证电路稳定功率输出，通过调节R9、R10、R11滑动变阻器的电阻值来控制输出功率大小。按下S1和S4，实现输出3mw对人体进行照射，同时VD2发光二极管亮，按下S3，功率输出切换为4mw，同时VD3亮，再按下S3，输出功率切换为5mw，同时VD4亮。30min到，VD1亮，同时蜂鸣。软件工作流程如图4所示。 1.2智能温度调节系统 传统的激光理疗仪对温度控制采用开环系统控制，没有反馈，系统设计简单。随着激光发射器温度升高，会产生波长飘移以及功率输出不稳定等问题，对治疗效果影响很大[9]。本文设计的激光理疗仪由开环温度采集及闭环反馈系统组成，有效提高了系统精度，防止温度升高太大使激光波长产生飘移。Pt100就是0℃金属，铂阻值为100Ω，系统稳定提供1mA电流，通过检测两端电压变化来识别激光发射器温度。温度采集电路如图5所示。 由于电流是毫伏级，所以电压变化很微小，如果不加放大器，信号放大时会产生很大的误差[10]，本系统采用的AD620能把检测信号放大200倍，以提高系统精度。经过试验测定，温度和热敏电阻两端电压呈线性比例约束关系。 TEC—12703具有结构简单，散热效果迅速，操作方便的优点[11]。设计时紧贴激光发射器，在TEC两端加一个较小的电压，就会实现电流从一端流向另一端，达到一头冷一头热。切换电流方向，就可以由原来的制冷变为制热（或者由制热变为制冷）。制热、制冷变化的快慢与流过电流的方向和大小有关，传统的线性控制精度不高，效率低，所以还要设计一个TEC驱动电路实现PWM控制。本设计选用DRV592，最大输出电流3A。驱动如图6所示。 2整定PID控制部分 半导体激光器是一个对温度很敏感的器件，温度变化会影响输出波长及使用寿命。随着温度变化会出现温度飘移，所以本文用遗传PID算法控制TEC驱动电路的PWM波，实现系统稳定[12]。 2.1遗传PID算法应用 本理疗仪属于小功率装置，同时输出波长随温度升高会出现飘移，需要对温度精确控制，本文将PID算法与遗传算法相结合。 PID控制方法很早就应用于生产生产中，传统的PID传递函数如下： G（s）=Kp+Ki/s+Kd*s（1） 函数由比例（proportional）、积分（Integral）、微分（Differential）3部分組成，Kp、Ki、Kd为对应的比例系数，3个参数互相独立，仿真结果容易实现，但在实验过程中，不管怎么调节其参数，都会产生一定的不足（超调大、积分饱和、响应慢），为此尝试结合遗传算法解决此问题。 遗传算法（Genetic Algorithm）是一类借鉴生物界的进化规律（适者生存，优胜劣汰遗传机制）演化而来的随机化搜索方法。首先随机产生一组潜在的解，该解称为“染色体”，解的特定集合称为“种群”，解中的变量称为“基因”。然后采用生物进化的过程（如染色体交叉、变异、淘汰等）对个体不断筛选，最后达到最优解，解决实际问题。 激光器一般工作在20℃左右，所以将标准温度设置为20℃，本文目标使其温差不超过2℃。将测量的温度Tn与设定温度T（20℃）之差作为新的函数输入，公式如下： U=Kp（Tn-T）+∑Ki（Ti-T）+Kd（Tn-Tn-1）（2） 软件系统流程如图7所示。 首先读取初始温度T0，当测量温度Tn小于设定温度T-2℃时，系统通过单片机控制PWM波占空比输出，使TEC制冷；如果设定温度T小于测量温度Tn，就运用遗传算法整定PID参数，利用整定结果调整制冷端口PWM波占空比输出，循环读取温度，不断进行调整。 2.2温度仿真 运用MATLAB进行仿真，从图8可以看出，用遗传算法整定后的PID温度控制系统响应速度快、超调小，能够迅速达到设定温度。仿真结果及性能指标如图8、表1所示。 3结语 本文基于遗传PID算法控制PWM输出，精确控制TEC制冷加热，防止温度过高导致波长飘移，控制精度高达0.5℃，满足实际需求。 设计的激光治疗仪体积小，重量轻，不仅适合医院使用，用户还可随身携带，安全性好，操作方便且省电，应用前景良好。 参考文献参考文献： [1]李茜.半导体激光器温度控制系统的研究[D].秦皇岛：燕山大学，2010：1921. [2]范淑敏.遗传算法在PID控制中的应用[D].北京：北方工业大学，2007：91. [3]汪瑜.半导体激光器热特性分析研究[D].长春：长春理工大学，2009：1617. [4]李海涛，屈学民，杨继庆，等.生物医学电子学研究现状[J].医疗卫生装备，2006，27（9）：161162. [5]Y J WONG，C W HSU，C C YANG.Characteristics of a dualwavelength semiconductor laser near 1550nm[J].IEEE Photonics Technology Letters，1999，11（2）：173174. [6]陈军，张认成，丘华兰，等.半导体激光器稳恒功率控制系统的设计[J].华侨大学学报，2009，30（6）：619622. [7]丁友林，蔡舒平，董利科.基于 DSP 的高精度半导体激光器温度测控系统[J].仪表技术与传感器，2010（3）：5558. [8]周瑜，丁永奎，倪文俊，等.半导体激光器的高精度温控仪[J].量子电子学报，2003，20（4）：431434. [9]陈辉，高红，张云刚，等.半导体激光器的发展及其在激光光谱学中的应用[J].哈尔滨师范大学学报，2005，21（1）：4043. [10]董翠霞.中小功率半导体激光器脉冲驱动电源的研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007：1521. [11]陈国相.基于单片机的半导体激光器温度控制系统[D].天津：天津工业大学，2007. [12]肖珊.基于PID控制的半导体激光器温度控制系统设计[J].激光，2015（6）：3638. 责任编辑（责任编辑：杜能钢） |
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