基于改进PID算法的掌上激光治疗仪研究

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摘 要：掌上型半导体激光治疗仪的设计以AT89C2051单片机和高性能运算放大器CA358、集成稳压块TPS76333，ADN8831芯片，TEC为核心器件，能够输出功率为3mw、4mw、5mw，波长为650纳米的低强度激光。充分利用AT89C2051的软件功能，压缩硬件电路，尽可能做到功能完善、形小体轻，便于携带，同时运用TEC电路精确调节电路温度，使其恒定在25±2°C，确保激光器稳定工作。

关键词：半导体激光治疗仪；单片；集成稳压；PID；温度控制；TEC

1 摘要

激光治疗仪就是人们利用激光能杀死病菌且对人身体无害的光波段而制成的一种仪器。本半导体激光治疗仪采用10毫瓦半导体激光管，以AT89C2051单片机、TPS76333稳压块、CA358运算放大器等集成电路为核心，辅以单片机汇编语言编程，通过硬软件结合来保证电路和激光治疗仪整个工作过程的稳定可靠，同时为了避免温度变化对电路的影响，附加TEC控温电路，使其输出波长稳定。

2 激光治疗仪的硬件电路

2.1 仪器的主硬件设计

掌上型半导体激光治疗仪的设计以AT89C2051单片机和高性能运算放大器CA358、集成稳压块TPS76333为核心器件，能够输出功率为3mw、4mw、5mw，波长为650纳米的低强度激光。充分利用AT89C2051的软件功能，压缩硬件电路，尽可能做到功能完善、形小体轻，便于携带。1）本激光治疗仪，可按照人体的不同需求输出3mw 、4mw、5mw。当打开开关时，激光治疗仪默认的输出功率是3mw；当按一下选择开关时，输出功率变为4mw；当再按一下选择开关时，输出功率变为5mw。同时其标志着输出功率是3mw、4mw还是5mw的发光二极管指示灯应相对应地发光。2）采用定时器和软件计数器控制15分钟和30分钟的定时。当定时时间到15分钟时，其对应的标志着15分钟到的发光二极管亮，同时发出声音提醒换另一个鼻孔；当定时时间到30分钟时，其对应的标志着30分钟到的发光二极管亮，发出声音提醒时间到，同时系统关闭所有输出（因为人体内的血液30分钟循环一次）。

电路中的发光二极管和光敏二极管相当于一个激光头。当发光二极管的光强度增强时，电路通过CA358的2引脚来减弱光敏二极管的光度；当光敏二极管的光强度减弱时，电路通过CA358的3引脚来增强发光二极管的光度。TPS76333集成稳压块可稳定地输出3.3V的电压，使激光输出功率更加稳定。

2.2 仪器温控硬件电路设计

自动温度控制原理框图如图2，主要由四部分组成：温度传感器、微控制器、数模转换和半导体制冷器（TEC）部分。

3 改进PID算法

PID控制应用广泛，结构简单，技术成熟，但是不管如何调节，表现为超调大、积分深度饱和、动态响应慢、为此尝试改进PID算法。

3.1 初始阶段电压线性上升、下降

治疗开始后电压逐渐增高，温度快速上升；当温度接近设定值时，根据温度的上升速率自动减小电压（上升速度越大，电压减小越快），最后将温度控制权交给改进PID算法。

3.2 遇限削弱积分

在实际工作中，控制量实际输出值往往受到执行机构限制，存在一定的区域，如果控制量在此区域内，可以完成预期期望，如果控制量不在此区域中，将引起不是期望的效应，称为饱和效应。在对超调量有严格控制的范围内，是不允许出现饱和超调的，为了达到预期效果，采用遇限削弱積分法，基本思想如下图：

3.3 微分分离

微分分离也是对积分项进行适当的限制，误差很小时不进行限制，差距明显时引入微分进行调整如下图：

4 结语

本激光治疗仪体积小，重量轻 ，操作简单，携带方便，不受治疗时间和地点的限制。长寿命激光头，性能更稳定。耗电极小，3节1.5伏5号干电池长时间供电。精致的外壳，更美观更时尚。因此，它可以进入您的家庭，陪您工作，伴您旅程，成为保健和心脑血管疾病预防和治疗的最佳选择。

参考文献

[1] 电子工程手册编委会编：中外集成电路简明速查手册——TTL、CMOS.北京：电子工业出版社，1991，08.

[2] 黄德修，等编著.半导体激光器及其应用.国防工业出版社，1999，09.

[3] 蔡伯荣，等编.半导体激光器.电子工业出版社，1995，03.

[4] 傅兴华，等著.半导体器件原理简明教程.科学出版社，2010，08，01.

作者简介：

朱喜荣，硕士，研究方向为工业过程控制。

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