基于PID算法的疫苗保溫箱溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

張衛(wèi)鋒 劉致君 張燦祥

（青島科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院 青島266061）

1 引言

醫(yī)學(xué)的發(fā)展，使人們的生活出現(xiàn)了翻天覆地的變化。我國(guó)非常重視人民的醫(yī)藥健康問(wèn)題。政府免費(fèi)向人民提供部分疫苗，減少人民疾病的發(fā)生。疫苗按用途可分為預(yù)防性疫苗和治療性疫苗兩種。預(yù)防性疫苗的接受者為新生兒或健康個(gè)體，用于疾病的預(yù)防。治療性疫苗主要用于患病的個(gè)體，接受者為患者。但是在疫苗運(yùn)輸過(guò)程中，為保證疫苗的質(zhì)量，需嚴(yán)格控制疫苗的溫度。因疫苗對(duì)溫度非常敏感，從疫苗的生產(chǎn)到疫苗的使用，之間每一個(gè)環(huán)節(jié)都可能因?yàn)闇囟纫蛩厥挂呙缡?，甚至產(chǎn)生有害物質(zhì)。針對(duì)這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)出了一種基于PID算法的疫苗保溫箱的溫控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、溫控精度高、調(diào)溫響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。

2 PID控制原理

在自動(dòng)控制領(lǐng)域總控制算法得到了很大的發(fā)展，大林算法就是其一。大林算法是先設(shè)計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)，再反過(guò)來(lái)綜合調(diào)節(jié)器的方法［1］。因設(shè)計(jì)的控制器使閉環(huán)系統(tǒng)具有時(shí)間滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，且滯后時(shí)間與被控對(duì)象的滯后時(shí)間相同。所以此算法具有消除余差、對(duì)純滯后有補(bǔ)償作用等特點(diǎn)［2］。

其 中A=1?e?T Tφ；B=e?T Tφ；C=e?T T1；k=A[K0(1?e?T T1)]。閉環(huán)極點(diǎn)?1Tφ決定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。Gc()u在u=1時(shí)有極點(diǎn)，即系統(tǒng)對(duì)階躍輸入的穩(wěn)態(tài)誤差為零，是由于閉環(huán)傳遞函數(shù)為慣性環(huán)節(jié)。因此穩(wěn)態(tài)時(shí)E(k)=0。

圖1 單回路控制系統(tǒng)框圖

當(dāng)閉環(huán)響應(yīng)確定下，可以得到控制器Gc(u)。因閉環(huán)響應(yīng)大多數(shù)期望采用一階慣性加純延遲形式。其延遲時(shí)間等于對(duì)象的延遲時(shí)間τ。

式中，Tφ為閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，由此而得來(lái)的控制規(guī)律稱(chēng)之為大林算法。

該系統(tǒng)采用了傳統(tǒng)PID算法控制結(jié)合大林算法控制，并且進(jìn)行前饋補(bǔ)償。解決了非線性、大滯后、大慣性問(wèn)題。

3 硬件電路

單片機(jī)選用STM32F103C8T6芯片，STM32F103C8T6有48個(gè)引腳，37個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含4個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，1個(gè)12位的ADC，2個(gè)比較器、2個(gè)16位通用定時(shí)器，2個(gè)32位通用定時(shí)器，2個(gè)16位基本定時(shí)器，2個(gè)16位高級(jí)定時(shí)器。對(duì)于系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理等要求，本產(chǎn)品完全滿(mǎn)足。

溫度傳感器選用DS18B20。電路原理圖如圖2所示，DS18B20的DIO引腳與單片機(jī)的P2.4引腳連接，進(jìn)行雙方通信，采用4.7kΩ的電阻上拉。采用外接電源方式供電通過(guò)HT7533降壓3.3V給DS18B20芯片供電。

圖2 基于DS18B20數(shù)字溫度計(jì)電路原理圖

3.1 STM32F103C8T6單片機(jī)

STM32F103C8T6復(fù)位電路如圖3所示。

圖3 復(fù)位電路

STM32F103C8T6晶振電路4如圖所示。

圖4 晶振電路

STM32F103C8T6串口電路如圖5所示。

圖5 串口電路

STM32F103C8T6的引腳如圖6所示。

圖6 STM32F103C8T6的引腳

3.2 DS18B20簡(jiǎn)介

DS18B20是一個(gè)具有抗干擾能力強(qiáng)，精度高，體積小等特點(diǎn)的12位數(shù)字溫度傳感器。其在使用中不需要外圍元件，在一只形如三極管的集成電路內(nèi)集成了全部的傳感元件及轉(zhuǎn)換電路元件［3］。適應(yīng)電壓范圍為3.0V～5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。并且其能測(cè)溫度范圍很大：-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃時(shí)精度達(dá)到了±0.5℃。DS18B20具有獨(dú)特的單線接口方式，一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與溫度傳感器的雙向通訊［5］。芯片分辨率為9位～10位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃?？梢詫?shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫。DS18B20的速度非常快，在9位分辨率時(shí)把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字最多需要93.75ms，在12位分辨率時(shí)把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字最多需要750ms。該傳感器以“一線總線”串行送給CPU，CRC校驗(yàn)碼可同時(shí)傳送，抗干擾糾錯(cuò)能力極強(qiáng)。同時(shí)其具有負(fù)壓特性。在本系統(tǒng)中測(cè)得的溫度信號(hào)在單片機(jī)的數(shù)碼管上顯示。DS18B20內(nèi)部有高速暫存器RAM、可電擦除RAM、64位光刻ROM、配置寄存器，確定過(guò)溫報(bào)警的溫度可以通過(guò)設(shè)置相關(guān)的寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。SOSI封裝DS18B20引腳如圖7所示。

圖7 DS18B20引腳

單總線數(shù)據(jù)接口。NC引腳為懸空。VCC為電源，電壓范圍為3.5V～5.5V。GND引腳為接地。

3.3 DS18B20寄存器配置

DS18B20配置寄存器是通過(guò)配置不同的位數(shù)來(lái)確定溫度和數(shù)字的轉(zhuǎn)化。R0和R1是溫度的決定位，決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)。R0和R1的模式表如表1所示。

表1 R0和R1模式表

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 前饋控制

因?yàn)橐呙绫叵湓谶\(yùn)輸途中環(huán)境變化很大，在夏季保溫箱里的溫度低，環(huán)境和保溫箱有溫度偏差，而且該溫差隨著環(huán)境的變化而變化。這樣使得疫苗保溫箱的控制效果受到很大影響。為了有效地抵消類(lèi)似的干擾，避免出現(xiàn)較大的超調(diào)，本系統(tǒng)采用前饋控制。

前饋控制器主要是依據(jù)在一定的準(zhǔn)確度下不相關(guān)的思想，或者依據(jù)控制系統(tǒng)的被控量與擾動(dòng)量完全無(wú)關(guān)進(jìn)行的?；镜乃悸肥窃跀_動(dòng)出現(xiàn)時(shí)能有效的消除干擾對(duì)控制對(duì)象參數(shù)的影響。

根據(jù)前饋補(bǔ)償?shù)脑?，H(u)和Gc(u)是互為倒數(shù)，可假設(shè)：

變換得：

根據(jù)具體的環(huán)境的溫度與預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行計(jì)算前饋控制擾動(dòng)補(bǔ)償量。為了補(bǔ)償疫苗保溫箱因與環(huán)境有溫差而帶來(lái)的影響，所系在系統(tǒng)中加入前饋控制。

4.2 溫控主程序

當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，首先是包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、中斷寄存器設(shè)置、A/D以及D/A控制寄存器配置、禁用看門(mén)狗等進(jìn)行系統(tǒng)初始化。然后進(jìn)行鍵盤(pán)掃描，判斷是否有按鍵按下，當(dāng)有按鍵命令后，通過(guò)中斷服務(wù)子程序進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置。通過(guò)判斷按鍵次進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置。系統(tǒng)在設(shè)置完成后開(kāi)始采集溫度傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將其進(jìn)行顯示并且處理。如圖8所示溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)主流程圖。

圖8 溫控系統(tǒng)主流程圖

圖9 單片機(jī)程序流程圖

5 溫控效果分析

在完成軟件硬軟件設(shè)計(jì)完成后，為了檢測(cè)該疫苗保溫箱在實(shí)際使用時(shí)溫控的誤差以及該裝置在實(shí)際應(yīng)用中溫控的穩(wěn)定性。用該測(cè)溫裝置進(jìn)行試驗(yàn)。

1）用精度較高的溫度測(cè)試器測(cè)量實(shí)驗(yàn)室溫度。測(cè)得溫度為22.2℃。該溫控裝置放置在室溫為22.2℃的溫度下。

2）把疫苗保溫箱分別設(shè)定為26℃、32℃。兩個(gè)設(shè)定值，分別記錄時(shí)間、保溫箱的溫度。

3）每30s觀測(cè)一次溫度值，同時(shí)把觀測(cè)值和時(shí)間記錄下來(lái)。數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)可以很好地驗(yàn)證出該疫苗保溫箱的實(shí)用性，檢驗(yàn)溫控的平穩(wěn)性以及誤差，達(dá)到我們的設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的溫度控制裝置受外界環(huán)境因素影響大，具有大慣性、非線性、大滯后性以及超調(diào)現(xiàn)象。該保溫箱的溫控系統(tǒng)PID控制結(jié)合大林算法，并且進(jìn)行前饋補(bǔ)償有效地解決了傳統(tǒng)的溫控裝置的問(wèn)題。避免了在生活生產(chǎn)中過(guò)多的電能消耗，控制不必要的資源浪費(fèi)。在疫苗運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)溫度要求嚴(yán)格，該保溫箱有效控制了實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的偏差，有效地控制了溫度調(diào)節(jié)不精確和控制不穩(wěn)定現(xiàn)象，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、體積小質(zhì)量輕、溫控精度高、調(diào)溫響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。