王安敏 蒙樂臻

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 青島 266061）

1 引言

隨著醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展，部分藥品在生產(chǎn)，運(yùn)輸，儲存和使用的過程中，需要滿足全程低溫狀態(tài)，以防止產(chǎn)生質(zhì)變的現(xiàn)象，血液也需要低溫儲藏來維持其活性。醫(yī)用低溫冰箱的產(chǎn)生為藥品、血液和器官等的儲存提供了技術(shù)支持［1］，本設(shè)計所采用的控制芯片是STM32F103微處理器，該款微處理器是一款相對于51單片機(jī)更具有性價比的中低端32位ARM單片機(jī)，處理速度快，芯片集成大量外設(shè)，包括串口外設(shè)SPI、控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN、I2C傳輸協(xié)議、UART通訊接口等，溫度數(shù)據(jù)采集采用的鉑電阻PT100溫度傳感器，測量溫度的范圍廣，確保溫控控制的精確性［2～3］。

2 工作原理設(shè)計

該裝置由儲藏箱1、PT100鉑電阻2、控制單元3、冷凝管4和壓縮機(jī)5組成。藥品放入儲藏箱后，測溫PT100溫度傳感器每隔5s測出儲藏箱內(nèi)部的實(shí)際溫度，經(jīng)過ADS1230模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號通過串口外設(shè)SPI發(fā)送到STM32F103微控制器［4］。在溫度控制的過程中，PT100溫度傳感器的檢測數(shù)值作為增量式PID算法的輸入值，控制單元通過插值算法計算出需制冷的時間，從而控制壓縮機(jī)進(jìn)行制冷，冷凝管工作，使箱內(nèi)箱內(nèi)溫度下降，系統(tǒng)運(yùn)行示意圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

3 溫度檢測

醫(yī)用低溫冰箱箱內(nèi)溫度值通過鉑電阻PT100溫度傳感器測量得出，鉑電阻溫度傳感器的工作原理是利用金屬鉑的電阻值與溫度變化的對應(yīng)關(guān)系而制成的鉑電阻傳感器。鉑電阻傳感器相比普通的熱敏電阻，溫度測量溫度范圍大，測溫的精度值高，溫度可測的范圍為-200℃～650℃。電阻的變化率為每單位攝氏溫度0.3851Ω。PT100溫度傳感器自帶保護(hù)鋼管，由保護(hù)鋼管、延長導(dǎo)線、測溫電阻、氧化鋁裝配而成，內(nèi)部密封處理，有效的防止干擾［5～6］，PT100傳感器外觀圖如圖2所示。PT100鉑電阻測溫方法常使用三線制方法，可以減小導(dǎo)線的阻值隨溫度改變產(chǎn)生的附加誤差值，不影響測溫的精度，三線制常配合電橋使用，PT100三線制連接電路圖如圖3，Rt為PT100鉑電阻。從電橋出來的信號是差分信號，信號較弱，通過AD8130芯片作為運(yùn)放芯片將較弱的差分信號進(jìn)行放大［7］，AD8130在高頻處具有很高的共模抑制比。為了滿足低溫冰箱內(nèi)高精度溫度控制和低溫的技術(shù)要求，選擇高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1230，ADS1230一款精密20位Δ-ΣADC，板載低噪聲可編程的增益放大器PGA的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中PGA具有64或128的增益［8］。

圖2 PT100溫度傳感器外觀圖

圖3 PT100三線制連接電路圖

4 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 傳統(tǒng)PID算法

傳統(tǒng)PID算法因其具有較好的魯棒性，且易實(shí)現(xiàn)，原理簡單，所以是控制系統(tǒng)中經(jīng)常用到的控制方法。PID控制原理圖如圖4。

圖4 PID控制系統(tǒng)框圖

PID控制輸入量為系統(tǒng)的設(shè)定數(shù)值r（t）與實(shí)際數(shù)值c（t）的差值，即偏差：

傳統(tǒng)的PID控制器，其控制規(guī)律為

其中，Kp為系統(tǒng)的比例系數(shù)，Ti為系統(tǒng)的積分時間系數(shù)，TD為系統(tǒng)的微分時間系數(shù)［9］。將模擬PID式（2）離散化成差分方程形式：

u（k）為系統(tǒng)的輸出量，Tit=T/Ti，TDt=TD/T，其中T為系統(tǒng)的采樣周期，k=0，1，2，…為采樣的序號，e（k）為系統(tǒng)采樣k時刻的偏差值，e（k-1）為k-1時刻系統(tǒng)的偏差值［10］。系統(tǒng)的每一次輸出值u（k）均與u（k-1）的值有關(guān)，計算時需要計算機(jī)的內(nèi)存配置高，計算時間長，不利于系統(tǒng)的實(shí)時控制，基于傳統(tǒng)PID的優(yōu)勢和缺點(diǎn)，加以算法上的改進(jìn)，增量式PID在本質(zhì)上有了很大的提高。

4.2 增量式PID算法

增量式PID是在傳統(tǒng)PID算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，第k-1個采樣時刻的輸出值為

式（5）u（k）為采樣k時刻的系統(tǒng)輸出量，只需要用到采樣k-2時刻，k-1時刻，k時刻三個時刻偏差，以及向前遞推一次的系統(tǒng)輸出值u（k-1），取代了傳統(tǒng)PID數(shù)值的不斷迭代，減輕了計算機(jī)的計算工作量，減少了計算機(jī)運(yùn)算占用的內(nèi)存以計算時間［11～13］。由K時刻系統(tǒng)的輸出量u（k）與k-1時刻系統(tǒng)的輸出量u（k-1）的差值可以計算出兩個采樣周期之間的輸出增量Δu（k）：

式（6）為增量式PID的控制算法，根據(jù)式（6）可知只需要測量三次數(shù)值，就可以求出控制增量?；谠隽渴絇ID的溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 PID溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.3 溫度控制方法

在醫(yī)用低溫冰箱箱體內(nèi)安裝鉑電阻PT100溫度傳感器，PT100溫度傳感器測得箱內(nèi)溫度，經(jīng)過ADS1230增益與模數(shù)轉(zhuǎn)換，STM32單片機(jī)接收經(jīng)ADS1230模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換的數(shù)字量［14～16］，將箱內(nèi)實(shí)際溫度值與設(shè)定溫度值相減，通過增量式PID算法計算出制冷設(shè)備的制冷時間，通過調(diào)節(jié)PWM控制壓縮機(jī)的制冷功率。在制冷的過程中，設(shè)定制冷溫度達(dá)到目標(biāo)溫度，制冷設(shè)備停止制冷，醫(yī)用低溫冰箱的制冷時間由增量式PID算法算出，溫度控制流程圖如圖6。

圖6 溫度控制流程圖

5 數(shù)據(jù)分析比較

選用質(zhì)量和體積相同的醫(yī)用藥品，箱內(nèi)溫度初始溫度設(shè)置為-8℃，在相同的箱內(nèi)溫度的條件下，設(shè)定相同的制冷溫度，溫度設(shè)置為-13℃，誤差溫度設(shè)定為1℃。在未使用算法制冷、傳統(tǒng)的PID制冷和增量式PID算法制冷之間比較，通過Matlab仿真，未使用算法制冷仿真圖如圖7，傳統(tǒng)PID算法制冷仿真圖如圖8，增量式PID算法制冷仿真圖如圖9。根據(jù)仿真效果圖比較，未使用算法制冷在6min左右穩(wěn)定在-13℃，且超調(diào)量約1℃，傳統(tǒng)PID算法制冷在4分鐘左右穩(wěn)定在-13℃，且超調(diào)量小于1℃，增量式PID算法制冷在3min左右穩(wěn)定在-13℃，超調(diào)量小于1℃。增量式PID有效地縮短了制冷的時間，且速度快于未使用算法制冷和傳統(tǒng)的PID制冷速度，且有效地達(dá)到節(jié)能的目的。

圖7 未使用算法制冷仿真圖

圖8 傳統(tǒng)PID制冷仿真圖

圖9 增量式PID制冷仿真圖

6 結(jié)語

選用STM32F103ZET6為本設(shè)計的控制單元，輸出PWN控制壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，來達(dá)到控制壓縮機(jī)的制冷功率目的，同時控制單元實(shí)時根據(jù)PT100反饋的溫度數(shù)值計算出制冷時間，采用增量式PID在制冷效率和維持溫度均比未使用算法和傳統(tǒng)PID制冷好。