生物組織冷凍包埋機(jī)智能控制系統(tǒng)研究

陳桂蘭，廖任秀，劉子堅

(金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 金華 321017)

生物組織冷凍包埋機(jī)智能控制系統(tǒng)研究

陳桂蘭，廖任秀，劉子堅

(金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 金華 321017)

通過對包埋機(jī)控制過程進(jìn)行研究，研發(fā)智能化控制系統(tǒng)，硬件采用以STM32F07處理器為核心的控制電路，軟件采用常規(guī)PID控制+機(jī)器學(xué)習(xí)前饋智能控制的復(fù)合控制方法，有效提高溫度控制的快速性和高精度，進(jìn)而提高包埋機(jī)性能。

生物組織冷凍包埋機(jī)；智能控制系統(tǒng)；溫度控制；STM32；PID控制

目前冷凍包埋機(jī)控制操作主要依賴操作人員經(jīng)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(jī)控制過程進(jìn)行研究，研發(fā)智能化控制系統(tǒng)，以提高溫度控制的快速性和高精度，進(jìn)而提高包埋機(jī)性能。所研發(fā)系統(tǒng)用于包埋機(jī)產(chǎn)品后，對提升包埋機(jī)產(chǎn)品整體性能以及國產(chǎn)化水平均有重大現(xiàn)實(shí)意義。包埋機(jī)智能控制系統(tǒng)采用ARM+FreeRTOS核心架構(gòu)，并采用常規(guī)PID控制+機(jī)器學(xué)習(xí)前饋智能控制的復(fù)合控制方法，智能化程度極高。

1 生物組織冷凍包埋機(jī)智能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)框圖

生物組織冷凍包埋機(jī)智能控制器的系統(tǒng)框圖，如圖1所示。主控系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體STM32F2的ARM芯片STM32F07。溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，模擬電信號通過STM32F07片內(nèi)自帶的12位A/D轉(zhuǎn)換為處理器能識別的數(shù)字信號，處理器將得到的數(shù)字信號進(jìn)行處理，得出當(dāng)前的溫度值。當(dāng)溫度高于正常范圍時，IO口輸出高電平控制繼電器導(dǎo)通使得電機(jī)工作。電路還設(shè)計了7個獨(dú)立按鍵輸入和OLED顯示人機(jī)接口電路。系統(tǒng)設(shè)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(shí)現(xiàn)光電隔離，提高系統(tǒng)工作的可靠性。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

1.2 電源電路的設(shè)計

冷凍包埋機(jī)控制系統(tǒng)具有多個溫區(qū)，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(tǒng)的干擾，故采用了雙路穩(wěn)壓電源。一路是經(jīng)變壓器降壓后的交流電由整流橋轉(zhuǎn)換成直流電，最后再由7805穩(wěn)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(wěn)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(jī)接口電路的設(shè)計

人機(jī)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(shù)量較多，本系統(tǒng)設(shè)計了7個按鍵，數(shù)量較少，因此直接采用獨(dú)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(diǎn)。

1.4 繼電器輸出控制電路的設(shè)計

7路繼電器分別控制蠟缸、左右保存盒、工作區(qū)、儲鑷臺、蠟嘴、小冰臺和冷凍臺工作區(qū)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(dāng)PB口輸出高電平時，繼電器吸合，各個工作區(qū)的溫控電路導(dǎo)通，否則斷電。

1.5 主控電路的設(shè)計

ST發(fā)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(jī)主控芯片采用了該芯片。STM32F207具有更高的效率，極致發(fā)揮Cortex-M3的性能；更低的動態(tài)功耗，更多靈活創(chuàng)新的高性能外設(shè)，更高的集成度，可很好的滿足系統(tǒng)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(guī)PID控制+機(jī)器學(xué)習(xí)前饋智能控制的復(fù)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(tǒng)和負(fù)載電路完全隔離，減少相互干擾，以提高系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性。

2 生物組織冷凍包埋機(jī)智能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

依據(jù)包埋機(jī)的功能需求，構(gòu)建軟件的整體框架，實(shí)現(xiàn)具體的各功能子模塊。程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 包埋機(jī)軟件程序設(shè)計方案Fig.2 Embedded machine software program design

實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核將以子任務(wù)的形式調(diào)用各功能模塊，各功能模塊優(yōu)先級大小的確定，模塊之間用信號量、消息隊列等手段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和協(xié)調(diào)等，是軟件設(shè)計時首先要考慮的問題。

由于溫度控制系統(tǒng)是一個大慣量的時延系統(tǒng)，常規(guī)的PID控制超調(diào)量大，精度低，本項目將采用常規(guī)PID控制+機(jī)器學(xué)習(xí)前饋智能控制的復(fù)合控制方法，由機(jī)器學(xué)習(xí)算法在線學(xué)習(xí)被控對象的非線性特性，并作為前饋學(xué)習(xí)控制，與PID控制共同作用自動調(diào)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(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

通過對生物組織冷凍包埋機(jī)控制系統(tǒng)的研究，有效提高了包埋機(jī)的性能和技術(shù)參數(shù)。

冷凍包埋機(jī)主工作臺技術(shù)參數(shù)有：A.采用國際先進(jìn)的PID控溫系統(tǒng)，界面采用OLED模塊顯示屏，省電，壽命長達(dá)5萬h，字跡清晰，無須提供背光，視角無盲區(qū)。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(qū)溫度控制范圍：室溫～85℃。C.小冷臺采用P/N極半導(dǎo)體制冷原理，控溫范圍：室溫～-15℃。D.控溫精度：±1℃。E.時間預(yù)置：可在一周內(nèi)任意設(shè)定開機(jī)及關(guān)機(jī)時間。F.功率：1 000VA。

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

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

[3] 莊志紅.石蠟包埋機(jī)系統(tǒng)[J].中國醫(yī)療設(shè)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(jī)智能控制系統(tǒng)研究”(Y201327935)

陳桂蘭(1977-)，女，碩士，講師。