基于改進PID算法的掌上激光治療儀研究

摘 要：掌上型半導體激光治療儀的設計以AT89C2051單片機和高性能運算放大器CA358、集成穩壓塊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，同時運用TEC電路精確調節電路溫度，使其恒定在25±2°C，確保激光器穩定工作。

關鍵詞：半導體激光治療儀；單片；集成穩壓；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。本半導體激光治療儀采用10毫瓦半導體激光管，以AT89C2051單片機、TPS76333穩壓塊、CA358運算放大器等集成電路為核心，輔以單片機匯編語言編程，通過硬軟件結合來保證電路和激光治療儀整個工作過程的穩定可靠，同時為了避免溫度變化對電路的影響，附加TEC控溫電路，使其輸出波長穩定。

2 激光治療儀的硬件電路

2.1 儀器的主硬件設計

掌上型半導體激光治療儀的設計以AT89C2051單片機和高性能運算放大器CA358、集成穩壓塊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。當打開開關時，激光治療儀默認的輸出功率是3mw；當按一下選擇開關時，輸出功率變為4mw；當再按一下選擇開關時，輸出功率變為5mw。同時其標志著輸出功率是3mw、4mw還是5mw的發光二極管指示燈應相對應地發光。2）采用定時器和軟件計數器控制15分鐘和30分鐘的定時。當定時時間到15分鐘時，其對應的標志著15分鐘到的發光二極管亮，同時發出聲音提醒換另一個鼻孔；當定時時間到30分鐘時，其對應的標志著30分鐘到的發光二極管亮，發出聲音提醒時間到，同時系統關閉所有輸出（因為人體內的血液30分鐘循環一次）。

電路中的發光二極管和光敏二極管相當于一個激光頭。當發光二極管的光強度增強時，電路通過CA358的2引腳來減弱光敏二極管的光度；當光敏二極管的光強度減弱時，電路通過CA358的3引腳來增強發光二極管的光度。TPS76333集成穩壓塊可穩定地輸出3.3V的電壓，使激光輸出功率更加穩定。

2.2 儀器溫控硬件電路設計

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、數模轉換和半導體制冷器（TEC）部分。

3 改進PID算法

PID控制應用廣泛，結構簡單，技術成熟，但是不管如何調節，表現為超調大、積分深度飽和、動態響應慢、為此嘗試改進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；當溫度接近設定值時，根據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），最后將溫度控制權交給改進PID算法。

3.2 遇限削弱積分

在實際工作中，控制量實際輸出值往往受到執行機構限制，存在一定的區域，如果控制量在此區域內，可以完成預期期望，如果控制量不在此區域中，將引起不是期望的效應，稱為飽和效應。在對超調量有嚴格控制的范圍內，是不允許出現飽和超調的，為了達到預期效果，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進行適當的限制，誤差很小時不進行限制，差距明顯時引入微分進行調整如下圖：

4 結語

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的限制。長壽命激光頭，性能更穩定。耗電極小，3節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防和治療的最佳選擇。

參考文獻

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[4] 傅興華，等著.半導體器件原理簡明教程.科學出版社，2010，08，01.

作者簡介：

朱喜榮，碩士，研究方向為工業過程控制。