韋彩虹，雷 聲，朱國忠，陳裕泉，潘 敏

(浙江大學(xué)生物傳感器國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室生物醫(yī)學(xué)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室生物醫(yī)學(xué)工程系，杭州 310027)

熱極即熱探頭(Heat Probe，HP)，是一種微型的溫控發(fā)熱單元。熱極治療主要是利用高溫?zé)針O頭的熱傳導(dǎo)、熱輻射作用和接觸式壓迫作用，使局部壓迫出血的血管阻斷血流，即機(jī)械壓迫止血;導(dǎo)致靶組織脫水、凝固、灼燒乃至炭化、氣化(熱凝固封閉血管或者破壞增生組織，腫瘤組織)，從而達(dá)到當(dāng)即有效的治療目的［2］。

自1978年美國Prote1［1］首次用熱探頭治療消化道出血后，熱極治療在國內(nèi)外已得到了廣泛的臨床應(yīng)用［2－4］。熱極主要與內(nèi)窺鏡配合用于消化道疾病(如胃潰瘍、消化道出血、糜爛性胃炎等等)，溫度和外形體積要求高，目前，國內(nèi)已有最高發(fā)熱溫度達(dá)250℃的熱極治療頭［2］。然而，熱極在其他方面的臨床應(yīng)用仍然很少，也尚未涉及到婦科領(lǐng)域。

利用熱極的機(jī)械壓迫止血特性［5］，熱極可以應(yīng)用于婦科術(shù)后止血等領(lǐng)域，為此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)熱極探頭的溫度控制系統(tǒng)，屬于婦科手術(shù)使用的熱極治療設(shè)備的一部分，相對于消化道中使用的內(nèi)鏡熱極，此熱極對溫度和外形體積要求相對較低。

本文設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)基于MSP430F149單片機(jī)，采用高精度薄膜鉑電阻測溫、分段設(shè)置PID參數(shù)的PID算法控制，具有溫度設(shè)定、時(shí)間設(shè)定、實(shí)時(shí)溫度顯示、出錯(cuò)示警、過流保護(hù)等功能，系統(tǒng)工作溫度和工作時(shí)間可調(diào)、精度高、靈活可靠。

1 原理與結(jié)構(gòu)

熱極探頭外形同傳統(tǒng)熱極類似，為圓頭柱狀的不銹鋼外罩，但體積要求相對較低，因此加熱設(shè)備可采用功率和電壓選擇性大的加熱管，使設(shè)計(jì)靈活性提高，同樣也使系統(tǒng)的可控性增強(qiáng)。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 熱極外形結(jié)構(gòu)

溫度控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能包括:工作溫度設(shè)定(95℃ ～125℃)，工作時(shí)間設(shè)定(1 min～15 min)，熱極頭加熱達(dá)到工作溫度后，開始計(jì)時(shí)并保持溫度，計(jì)時(shí)時(shí)間達(dá)到設(shè)定的工作時(shí)間后自動(dòng)斷流。具體工作原理如圖2所示。

圖2 熱極工作原理圖

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)采用MSP430F149單片機(jī)［6－7］作為控制核心部件，高精度、響應(yīng)快速的薄膜鉑電阻作為測溫元件，加熱管作為加熱元件，繼電器作為加熱電路通斷控制器件。系統(tǒng)包括橋式測溫電路［8－9］、儀用放大電路、單片機(jī)控制電路、溫度和時(shí)間的設(shè)置電路、顯示電路、電壓轉(zhuǎn)換電路、報(bào)警電路以及過流保護(hù)電路。

采集到的溫度信號的精確與否直接影響整個(gè)系統(tǒng)的控制精度的高低，測溫元件以及測溫電路的選取非常重要。

選取測溫元件時(shí)，一方面考慮到系統(tǒng)控制的目標(biāo)溫度為95℃ ～125℃，則測溫元件測試溫度的范圍不能太低，而常用的一些數(shù)字溫度傳感器測溫范圍過小，無法勝任;另一方面考慮到大部分成品的模擬溫度傳感器體積較大，而且傳感器中加入了信號的整合、穩(wěn)定及處理等功能，可以得到較好的信號，但這勢必會(huì)增加信號的延時(shí)時(shí)間。熱極探頭體積較小、對溫度實(shí)時(shí)性要求較高，所以應(yīng)選用體積小、延時(shí)時(shí)間少的傳感器元件。因此，本系統(tǒng)選用了薄膜鉑電阻作為測溫元件。薄膜鉑電阻是用真空沉積的薄膜技術(shù)把鉑濺射在陶瓷基片上，膜厚在2 μm以內(nèi)，用玻璃燒結(jié)料把Ni(或Pd)引線固定，經(jīng)激光調(diào)阻制成薄膜元件，具有體積小、精度高、靈敏度高、穩(wěn)定、熱響應(yīng)時(shí)間小、自熱系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)。

圖3所示的系統(tǒng)采用的測溫電路和放大電路。首先，鉑電阻的工作電流是1 mA，0℃時(shí)阻值為100 Ω，則0℃時(shí)，鉑電阻上的電壓為100 Ω×1 mA=100 mV，這相當(dāng)于一個(gè)基值電壓。單片機(jī)A/D的參考電壓是2.5 V，因此信號的放大倍數(shù)不可能很大。其次，溫度從0℃變化到150℃，鉑電阻的阻值線性地從100 Ω變到157.33 Ω，因此溫度每變化1℃，鉑電阻的阻值變化約為0.38 Ω，相應(yīng)的電壓變化為0.38 mV，這個(gè)變化量相對于基值電壓而言是相當(dāng)微小的。再次，電源存在一些微小的干擾，一般是毫伏級的，這些干擾極易把溫度信號湮沒。針對這些問題，為了得到更精確可靠的信號，提高控制精確，設(shè)計(jì)中采用了橋式電路。

放大電路采用了作為一級放大的儀用放大器和作為二級放大和低通濾波的運(yùn)算放大電路。放大后的信號為0～2.5 V的電壓信號，單片機(jī)A/D引腳可以直接采集并使用。

圖3 測溫電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件流程圖如圖4所示，其中控制算法采用了PID算法［10－14］，并根據(jù)加熱管的實(shí)際應(yīng)用情況，采用了分段設(shè)置PID參數(shù)的方法。

圖4 軟件流程圖

3.1 PID算法原理

按反饋控制系統(tǒng)偏差的比例P、積分I和微分D規(guī)律進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器稱為PID調(diào)節(jié)器。模擬PID控制器系統(tǒng)框圖如圖5所示。圖中，r(t)為設(shè)定值，y(t)為系統(tǒng)的輸出值，兩者之間的差值即為控制偏差e(t)，

圖5 PID控制系統(tǒng)框圖

模擬PID控制以e(t)為輸入，u(t)為輸出控制被控對象，其控制規(guī)律為

式中，Kp為控制器的比例系數(shù);Ti為控制器的積分時(shí)間，也稱積分系數(shù);Td為控制器的微分時(shí)間，也稱微分系數(shù)。

數(shù)字PID位置型控制算法為了用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，為此將積分式和微分項(xiàng)近似用求和及增量式表示，即

將式(3)和式(4)代入式(2)，即可得到離散的PID表達(dá)式，為

3.2 分段設(shè)置PID參數(shù)的PID算法實(shí)現(xiàn)

PID調(diào)整時(shí)，由于過阻尼情況下，雖然無超調(diào)，但是過程緩慢，因此為了減少調(diào)節(jié)時(shí)間，一般選用欠阻尼情況，即有超調(diào)存在的情況，如圖6所示的PID調(diào)整曲線圖。曲線經(jīng)過幾個(gè)振蕩周期調(diào)整后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，即可視為到達(dá)設(shè)定值，如圖6所示的紅點(diǎn)處。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可將第n次(n由PID參數(shù)決定，波動(dòng)進(jìn)入誤差范圍內(nèi)即可)經(jīng)過設(shè)定值的點(diǎn)視為到達(dá)設(shè)定值的點(diǎn)，即為開始定時(shí)的點(diǎn)。

圖6 PID控制的調(diào)整曲線

系統(tǒng)控制的目標(biāo)溫度在95℃到125℃之間，探頭暴露在空氣中，因此，探頭的溫度受環(huán)境溫度影響較大，加上探頭材料的特性，其調(diào)整曲線往往會(huì)出現(xiàn)如圖6所示的虛曲線的情況:上升過程中，PID算法的調(diào)整使探頭溫度升高，而環(huán)境溫度使之溫度下降，隨著溫度越來越接近設(shè)定值，溫度升高的能力越來越小，使之降溫的能力不變，因此其超調(diào)量往往會(huì)比較小;但是，下降過程中，相同PID參數(shù)時(shí)，只有在溫度低于設(shè)定值后PID才會(huì)控制其慢慢加熱，而這段時(shí)間探頭受環(huán)境溫度影響很大，溫度下降得很快，因此會(huì)出現(xiàn)振蕩負(fù)幅值比正幅值大很多的情況。負(fù)幅值很大，則相應(yīng)的，再次上升到目標(biāo)值所需的時(shí)間會(huì)拉長。因此這種情況下，調(diào)節(jié)時(shí)間也會(huì)相應(yīng)地加長。

為了克服這種情況，我們采用了分段設(shè)置PID參數(shù)的方法，其中，a、b、c是3個(gè)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況取的閾值:

(1)X(t)＜a時(shí)，即與設(shè)定值的偏差很大時(shí)，要求快速上升，減小偏差，起主要作用的是比例系數(shù)，此時(shí)，比例系數(shù)P可以取得很大;而積分系數(shù)的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，微分系數(shù)的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，都可以忽略。

(2)當(dāng)a＜X(t)＜Xset時(shí)，偏差在一定范圍內(nèi)后使用P、I、D同時(shí)控制，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)三者的值達(dá)到最佳控制效果。其中b為中間的一個(gè)分段閾值，起到相當(dāng)于粗調(diào)和微調(diào)的分界線作用，當(dāng)X(t)＜b時(shí)，比例系數(shù)稍微可以大一點(diǎn);當(dāng)X(t)＞b后，減小比例系數(shù)，增大積分系數(shù)，使其緩慢上升。

(3)當(dāng)X(t)＞Xset時(shí)，不同于傳統(tǒng)PID控制，一旦大于設(shè)定值就不再加熱，我們設(shè)定了一個(gè)閾值c，到達(dá)c以后才不再加熱，這樣能在一定程度上補(bǔ)償環(huán)境溫度;類似，傳統(tǒng)PID要等到溫度下降到設(shè)定值后才開始加熱，而我們使其低于c值后就開始加熱來補(bǔ)償環(huán)境溫度的影響。

這種分段設(shè)置PID參數(shù)的方法帶來的影響就是會(huì)使最大超調(diào)量增大，但是在我們這個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用中，最大超調(diào)量的影響并不大，所以可以忽略。

4 實(shí)驗(yàn)與討論

測試實(shí)驗(yàn)中，我們以95℃為目標(biāo)溫度。用傳統(tǒng)的統(tǒng)一PID參數(shù)的方法，經(jīng)參數(shù)調(diào)整后得到的結(jié)果如圖7(a)所示;用分段設(shè)置PID參數(shù)的方法得到的結(jié)果如圖7(b)所示;兩種方法對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 PID參數(shù)不變情況和分段設(shè)置PID參數(shù)情況對比

從圖7和表1中，我們可以看出，統(tǒng)一PID的方法從38℃加熱到95℃需要的時(shí)間約為采集600個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間，而分段設(shè)置PID參數(shù)的方法約為采集480個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間。因此，分段設(shè)置PID參數(shù)的方法有效地縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，而且很好地克服了由于環(huán)境溫度帶來的影響。

圖7 不同方法得到的升溫曲線

需要特別說明的是，到達(dá)穩(wěn)定值(圖中黑點(diǎn)處)后定時(shí)器啟動(dòng)，保持設(shè)定的時(shí)間，而探頭也是在這段時(shí)間內(nèi)工作，因此，最大超調(diào)對它的影響并不重要，重要的是后面的穩(wěn)定程度。根據(jù)是實(shí)驗(yàn)可知，定時(shí)開始后，曲線仍然會(huì)有微小的波動(dòng)，波動(dòng)＜±0.7℃，滿足熱極探頭的溫度要求。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種用于婦科術(shù)后凝血用的熱極探頭的溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)基于MSP430F149單片機(jī)，采用高精度、高靈敏度的薄膜鉑電阻測溫元件和橋式電路、儀用放大器放大采集溫度信號，分段設(shè)置PID參數(shù)的控制方法調(diào)節(jié)控制繼電器的通斷來控制加熱管加熱。此外，系統(tǒng)中還加入了目標(biāo)溫度設(shè)置、定時(shí)時(shí)間設(shè)置、實(shí)時(shí)溫度顯示、過熱報(bào)警、過流保護(hù)等功能，使熱極探頭靈活可靠。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，系統(tǒng)控制用使用了分段設(shè)置PID參數(shù)的控制方法，一定程度上縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，補(bǔ)償了環(huán)境溫度造成的影響，取得了較滿意的效果。

［1］Protell R I，Rubin C E，Aurh D C，et al.The Heater Probe:A New Endoscopic Method for Stopping Massive Gastrointestinal Bleeding［J］.Gastroenterology，1978，74(2 Pt 1):257－62.

［2］羅奎良.國內(nèi)熱極治療的實(shí)驗(yàn)研究和臨床應(yīng)用近況［J］.右江民族醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，22(1):124.

［3］王小平，蔣鍵，宋茂海，等.HP－A內(nèi)鏡熱極治療儀的研制和臨床應(yīng)用［J］.醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2006，27(7):25－26.

［4］Spyros Michopoulos，Panayotis Tsibouris，Helias Bouzakis，et al.Complete Regression of Barrett’s Esophagus with Heat Probe Thermocoagulation:Mid-Term Results［J］.Gastrointestinal Endoscopy，1999，50(2):165－172.

［5］劉堃.內(nèi)鏡下熱極治療非靜脈曲張性上消化道初學(xué)臨床分析［J］.中國實(shí)用醫(yī)藥，2010，5(18):86－87

［6］段長習(xí).基于430單片機(jī)的溫度檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008，24:52，54.

［7］馬江濤.單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2004，12(12):1219－1221，1229.

［8］李龍，韓震宇，劉麗，等.一種是用鉑熱電阻測溫電路［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2007，01:43－46.

［9］王利恒，李昌禧.熱式氣體流量計(jì)溫度補(bǔ)償研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，21(8):1379－1382.

［10］鮑可進(jìn).PID參數(shù)整定的溫度控制［J］.江蘇理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，16(6):74－78.

［11］李濤，王圓妹.基于PWM的模糊PID溫度控制系統(tǒng)研究［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2008，27(10):32－34.

［12］夏大勇，周曉輝，趙增，等.MCS－51單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2007，01:43－46.

［13］Shiuh-Jer Huang，Yi-Ho Lo.Metal Chamber Temperature Control by Using Fuzzy PID Gain Auto-Tuning Strategy［J］.WSEAS Transactions on Systems and Control，2009，4(1):1－10.

［14］周良，黎海文，吳一輝.具有溫度補(bǔ)償?shù)男⌒蜕治鰞x溫度控制系統(tǒng)的研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，21(11):1831－1834.