基于改進(jìn)PID算法的掌上激光治療儀研究

摘 要：掌上型半導(dǎo)體激光治療儀的設(shè)計(jì)以AT89C2051單片機(jī)和高性能運(yùn)算放大器CA358、集成穩(wěn)壓塊TPS76333，ADN8831芯片，TEC為核心器件，能夠輸出功率為3mw、4mw、5mw，波長為650納米的低強(qiáng)度激光。充分利用AT89C2051的軟件功能，壓縮硬件電路，盡可能做到功能完善、形小體輕，便于攜帶，同時運(yùn)用TEC電路精確調(diào)節(jié)電路溫度，使其恒定在25±2°C，確保激光器穩(wěn)定工作。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光治療儀；單片；集成穩(wěn)壓；PID；溫度控制；TEC

1 摘要

激光治療儀就是人們利用激光能殺死病菌且對人身體無害的光波段而制成的一種儀器。本半導(dǎo)體激光治療儀采用10毫瓦半導(dǎo)體激光管，以AT89C2051單片機(jī)、TPS76333穩(wěn)壓塊、CA358運(yùn)算放大器等集成電路為核心，輔以單片機(jī)匯編語言編程，通過硬軟件結(jié)合來保證電路和激光治療儀整個工作過程的穩(wěn)定可靠，同時為了避免溫度變化對電路的影響，附加TEC控溫電路，使其輸出波長穩(wěn)定。

2 激光治療儀的硬件電路

2.1 儀器的主硬件設(shè)計(jì)

掌上型半導(dǎo)體激光治療儀的設(shè)計(jì)以AT89C2051單片機(jī)和高性能運(yùn)算放大器CA358、集成穩(wěn)壓塊TPS76333為核心器件，能夠輸出功率為3mw、4mw、5mw，波長為650納米的低強(qiáng)度激光。充分利用AT89C2051的軟件功能，壓縮硬件電路，盡可能做到功能完善、形小體輕，便于攜帶。1）本激光治療儀，可按照人體的不同需求輸出3mw 、4mw、5mw。當(dāng)打開開關(guān)時，激光治療儀默認(rèn)的輸出功率是3mw；當(dāng)按一下選擇開關(guān)時，輸出功率變?yōu)?mw；當(dāng)再按一下選擇開關(guān)時，輸出功率變?yōu)?mw。同時其標(biāo)志著輸出功率是3mw、4mw還是5mw的發(fā)光二極管指示燈應(yīng)相對應(yīng)地發(fā)光。2）采用定時器和軟件計(jì)數(shù)器控制15分鐘和30分鐘的定時。當(dāng)定時時間到15分鐘時，其對應(yīng)的標(biāo)志著15分鐘到的發(fā)光二極管亮，同時發(fā)出聲音提醒換另一個鼻孔；當(dāng)定時時間到30分鐘時，其對應(yīng)的標(biāo)志著30分鐘到的發(fā)光二極管亮，發(fā)出聲音提醒時間到，同時系統(tǒng)關(guān)閉所有輸出（因?yàn)槿梭w內(nèi)的血液30分鐘循環(huán)一次）。

電路中的發(fā)光二極管和光敏二極管相當(dāng)于一個激光頭。當(dāng)發(fā)光二極管的光強(qiáng)度增強(qiáng)時，電路通過CA358的2引腳來減弱光敏二極管的光度；當(dāng)光敏二極管的光強(qiáng)度減弱時，電路通過CA358的3引腳來增強(qiáng)發(fā)光二極管的光度。TPS76333集成穩(wěn)壓塊可穩(wěn)定地輸出3.3V的電壓，使激光輸出功率更加穩(wěn)定。

2.2 儀器溫控硬件電路設(shè)計(jì)

自動溫度控制原理框圖如圖2，主要由四部分組成：溫度傳感器、微控制器、數(shù)模轉(zhuǎn)換和半導(dǎo)體制冷器（TEC）部分。

3 改進(jìn)PID算法

PID控制應(yīng)用廣泛，結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，但是不管如何調(diào)節(jié)，表現(xiàn)為超調(diào)大、積分深度飽和、動態(tài)響應(yīng)慢、為此嘗試改進(jìn)PID算法。

3.1 初始階段電壓線性上升、下降

治療開始后電壓逐漸增高，溫度快速上升；當(dāng)溫度接近設(shè)定值時，根據(jù)溫度的上升速率自動減小電壓（上升速度越大，電壓減小越快），最后將溫度控制權(quán)交給改進(jìn)PID算法。

3.2 遇限削弱積分

在實(shí)際工作中，控制量實(shí)際輸出值往往受到執(zhí)行機(jī)構(gòu)限制，存在一定的區(qū)域，如果控制量在此區(qū)域內(nèi)，可以完成預(yù)期期望，如果控制量不在此區(qū)域中，將引起不是期望的效應(yīng)，稱為飽和效應(yīng)。在對超調(diào)量有嚴(yán)格控制的范圍內(nèi)，是不允許出現(xiàn)飽和超調(diào)的，為了達(dá)到預(yù)期效果，采用遇限削弱積分法，基本思想如下圖：

3.3 微分分離

微分分離也是對積分項(xiàng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)南拗?，誤差很小時不進(jìn)行限制，差距明顯時引入微分進(jìn)行調(diào)整如下圖：

4 結(jié)語

本激光治療儀體積小，重量輕 ，操作簡單，攜帶方便，不受治療時間和地點(diǎn)的限制。長壽命激光頭，性能更穩(wěn)定。耗電極小，3節(jié)1.5伏5號干電池長時間供電。精致的外殼，更美觀更時尚。因此，它可以進(jìn)入您的家庭，陪您工作，伴您旅程，成為保健和心腦血管疾病預(yù)防和治療的最佳選擇。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：

朱喜榮，碩士，研究方向?yàn)楣I(yè)過程控制。