薛建偉

福建醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院 （福建福州 350000）

嬰兒培養(yǎng)箱通過為新生兒、病患嬰兒、早產(chǎn)兒等創(chuàng)造一個類似于母體子宮的舒適治療環(huán)境，從而保障其正常發(fā)育成長。傳統(tǒng)的嬰兒培養(yǎng)箱基本都已實現(xiàn)溫度的自動控制功能，控制系統(tǒng)一般采用普通的繼電器調(diào)溫電路或比較控制輸出電路等模擬電路[1]，但不能很好地滿足危重癥新生兒對溫度的要求[2]?；谏鲜銮闆r，本研究設計一款利用模糊增量式PID 控制技術(shù)控制溫度的嬰兒培養(yǎng)箱，旨在提高嬰兒培養(yǎng)箱內(nèi)溫度的穩(wěn)定性，現(xiàn)報道如下。

1 嬰兒培養(yǎng)箱的控制系統(tǒng)方案的硬件設計

1.1 總體方案的硬件設計

嬰兒培養(yǎng)箱的控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)存儲單元、人機接口通信單元、驅(qū)動控制單元等組成[3]。在數(shù)據(jù)采集單元中，溫度傳感器將采集到的數(shù)據(jù)送入AT89S52進行處理，通過人機接口通信單元將溫度實時顯示在8位LED上，當嬰兒培養(yǎng)箱內(nèi)的溫度高于或低于閾值時，自動觸發(fā)溫度控制單元調(diào)節(jié)培養(yǎng)箱內(nèi)的溫度，如圖1所示。

圖1 嬰兒培養(yǎng)箱的控制系統(tǒng)原理圖

1.2 溫度傳感器方案的硬件設計

單總線數(shù)字溫度傳感器是目前最新的測溫器件，集溫度測量、A/D 轉(zhuǎn)換于一體，具有單總線結(jié)構(gòu)、數(shù)字量輸出、直接與微機接口連接等優(yōu)點，既可組成單路溫度測量裝置，也可組成多路溫度測量裝置。本研究采用的溫度傳感器為DS18B20，是DALLAS 公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器。將地址線、數(shù)據(jù)線和控制線合為一根雙向串行傳輸數(shù)據(jù)的信號線，允許在這條信號線上掛接多個DS18B20。因此，單片機只需通過一根I/O 線就可以與多個DS18B20通信。每個芯片內(nèi)含有一個64位的ROM，其中存有各個器件自身的序列號，作為器件獨有的ID 號碼。此外，DS18B20還簡化了測溫器件與計算機的接口電路，使用更加方便[4]。單片機89S52用P1.0口接1-WIRE 總線，DS18B20與89D52單片機接線如圖2所示。

圖2 DS18B20與89D52單片機接線圖

2 嬰兒培養(yǎng)箱的控制系統(tǒng)方案的軟件設計

2.1 總體方案的軟件設計

51單片機的指令系統(tǒng)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對簡單，被廣泛用于家用電器、醫(yī)療設備、工業(yè)控制、通信設備中。對于51系列單片機，其主程序通常是一個調(diào)用各個子程序的過程，而子程序主要分為中斷子程序和功能子程序，它們之間可以相互嵌套和調(diào)用[5]。在軟件方案設計中，應盡可能將各功能模塊寫成子程序的形式，并通過主程序調(diào)用。監(jiān)控主程序流程如圖3所示，除初始化外，監(jiān)控主程序一般總是把其余部分連接起來構(gòu)成一個無限循環(huán)，系統(tǒng)所有功能都在這一循環(huán)中周而復始地有選擇的執(zhí)行。

圖3 監(jiān)控主程序流程圖

2.2 數(shù)學模型建立

在溫度控制中，能量變化通常表現(xiàn)為熱量變化。將嬰兒培養(yǎng)箱視為一個單容的系統(tǒng)，同時忽略時間上的延遲，根據(jù)能量守恒定律建立數(shù)學模型[6]，如公式（1）所示：

式中，G0為傳遞函數(shù)，K0為放大系數(shù)，T為時間系數(shù)，τ為純滯后時間常數(shù)，s為復變量。

一般情況下，嬰兒培養(yǎng)箱的溫度控制在37 ℃左右，則K0＝1、T＝1 500、τ＝80，由此將公式（1）轉(zhuǎn)化為公式（2），如下所示：

式中，G0為傳遞函數(shù)，s為復變量。

采用對流熱調(diào)節(jié)的方式進行溫度控制，依據(jù)焦耳定律，嬰兒培養(yǎng)箱每上升1 ℃所需時間不同，這不僅與加熱系統(tǒng)的輸出功率有關(guān)，還與電熱絲阻值變化、嬰兒培養(yǎng)箱初始溫度、制作嬰兒培養(yǎng)箱的材料等相關(guān)，所以傳統(tǒng)的溫度控制方式無法滿足嬰兒培養(yǎng)箱內(nèi)溫度的精準控制，還需引入PID 控制技術(shù)。

2.3 PID 控制算法確定

PID 控制器的原理是通過輸入信號轉(zhuǎn)化為推理機制以及準確的控制規(guī)則，得出所需的控制輸出量，然后作用于被控對象并完成實時控制。本嬰兒培養(yǎng)箱控制系統(tǒng)在達到精準控制要求的同時，兼顧成本因素，根據(jù)實際情況選擇了既能滿足使用要求、又比較容易實現(xiàn)的二維模糊PID控制器，其原理如圖4所示。

圖4 二維模糊PID 控制器原理圖

2.3.1 模糊處理器的軟件設計

模糊處理器有2個輸入信號[誤差（e）、誤差變化率（de）]、3個輸出信號（kp、ki、kd）。為保證嬰兒培養(yǎng)箱溫度的穩(wěn)定輸出，該模糊處理器取e 的基本論域為[-2，2]，de 的基本論域為[-0.5，0.5]；取PID 初始參數(shù)kp=4、ki=0.01、kd=100。本系統(tǒng)模糊化控制規(guī)則如下：（1）當輸出和輸入的e 較小時，采用較大的比例值和較小的微分值；（2）當輸出和輸入的e 較大時，采用較大的積分值、較小的比例值和微分值；（3）當輸出和輸入的e 適中時，采用較小的比例值、適中的積分值和微分值。

通過MATLAB 仿真工具可以表明模糊PID 控制的嬰兒培養(yǎng)箱比傳統(tǒng)方式更具有優(yōu)勢，具有理論上的可行性和優(yōu)越性。

2.3.2 PID 控制器的軟件設計

PID控制算法大致可分為“位置式”“增量式”和“積分分離式”3種。當執(zhí)行機構(gòu)需要的不是控制量的絕對值，而是控制量的增量（例如去驅(qū)動電加熱系統(tǒng)）時，需要用PID的“增量算法”[7]。故本控制系統(tǒng)采用增量式PID控制算法。增量式PID控制的模擬表達如公式（3）所示：

對增量式PID 算法歸并數(shù)字表達式后，得到公式（4），如下所示：

2.3.3 PID 控制程序的軟件設計

PID 是一個閉環(huán)控制算法，它是比例（P）、積分（I）、微分（D）控制算法，其中P 反應系統(tǒng)的基本偏差，I 反應系統(tǒng)的累計偏差，D 反應系統(tǒng)偏差的變化率[8]。為了PID 算法能夠在S52單片機上實現(xiàn)，我們將其轉(zhuǎn)化為公式（4），從中已看不出是PID 的表達式了，也看不出P、I、D 作用的直接關(guān)系，只表示了各次誤差量對控制作用的影響。從公式（4）中看出，模糊增量式PID 算法，只要貯存最近的3個誤差采樣值e（k）、e（k-1）、e（k-2）就足夠了。增量式PID 控制算法的流程圖如圖5所示：

圖5 PID 控制程序流程圖

2.4 溫度傳感器軟件方案設計

使用DS18B20時，主機應先向DS18B20送出復位信號，主機將數(shù)據(jù)線拉低并保持480～960 μs，再釋放數(shù)據(jù)線，由上拉電阻拉高15～60 μs，然后由DS18B20發(fā)出低電平60～240 μs，就完成了復位操作，初始化復位時序圖如圖6所示[9]。

圖6 初始化復位時序圖

通過DS18B20采集來的16位二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進制的溫度值，并將23H 存十位數(shù)，22H 存?zhèn)€位數(shù)，21H 存小數(shù)位，將溫度值的結(jié)果存入7FH，再將采集的溫度值供顯示子程序和模糊PID 控制算法使用，其溫度采集程序流程圖如圖7所示。

圖7 溫度采集程序流程圖

3 系統(tǒng)控制算法的模型仿真

為了比較傳統(tǒng)PID控制算法、模糊控制算法和模糊PID控制算法的優(yōu)缺點和有效性，采用MATLAB軟件對幾種算法進行仿真。通過MATLAB的Simulink環(huán)境下，搭建仿真平臺[10]，在設定溫度為37.5 ℃情況下，可以得到以下相關(guān)溫度控制響應曲線，如圖8所示。從圖中可以看出，采用傳統(tǒng)PID控制方法時，系統(tǒng)超調(diào)量為18%，穩(wěn)態(tài)誤差為0；采用模糊控制方法時，系統(tǒng)超調(diào)量為7%，穩(wěn)態(tài)誤差為6%；采用模糊PID控制方法時，系統(tǒng)在啟動20 s后就達到了設定的穩(wěn)定狀態(tài)（37.5 ℃）且不存在超調(diào)。

圖8 溫度控制響應曲線

4 小結(jié)

本研究設計了一款基于模糊增量式PID 控制技術(shù)控制溫度的嬰兒培養(yǎng)箱，可以顯著提高嬰兒培養(yǎng)箱內(nèi)溫度的準確性和穩(wěn)定性。在控制算法方面，采用了模糊控制和PID控制相結(jié)合的方式，對傳統(tǒng)的控制方案進行了優(yōu)化和改進，使控制方案更加科學合理，實際效果更加理想。