生物组织冷冻包埋机智能控制系统研究

陈桂兰，廖任秀，刘子坚

(金华职业技术学院，浙江 金华 321017)

生物组织冷冻包埋机智能控制系统研究

陈桂兰，廖任秀，刘子坚

(金华职业技术学院，浙江 金华 321017)

通过对包埋机控制过程进行研究，研发智能化控制系统，硬件采用以STM32F07处理器为核心的控制电路，软件采用常规PID控制+机器学习前馈智能控制的复合控制方法，有效提高温度控制的快速性和高精度，进而提高包埋机性能。

生物组织冷冻包埋机；智能控制系统；温度控制；STM32；PID控制

目前冷冻包埋机控制操作主要依赖操作人员经验，引起了石蜡温度控制、包埋组织冷却效果不够理想等问题。对包埋机控制过程进行研究，研发智能化控制系统，以提高温度控制的快速性和高精度，进而提高包埋机性能。所研发系统用于包埋机产品后，对提升包埋机产品整体性能以及国产化水平均有重大现实意义。包埋机智能控制系统采用ARM+FreeRTOS核心架构，并采用常规PID控制+机器学习前馈智能控制的复合控制方法，智能化程度极高。

1 生物组织冷冻包埋机智能控制系统的硬件设计

1.1 系统框图

生物组织冷冻包埋机智能控制器的系统框图，如图1所示。主控系统采用意法半导体STM32F2的ARM芯片STM32F07。温度传感器将温度信号转换成模拟信号，模拟电信号通过STM32F07片内自带的12位A/D转换为处理器能识别的数字信号，处理器将得到的数字信号进行处理，得出当前的温度值。当温度高于正常范围时，IO口输出高电平控制继电器导通使得电机工作。电路还设计了7个独立按键输入和OLED显示人机接口电路。系统设计了两路电源，分别给主控电路和其他电路供电，并配合光耦合器件，有效实现光电隔离，提高系统工作的可靠性。

图1 系统框图Fig.1 System block diagram

1.2 电源电路的设计

冷冻包埋机控制系统具有多个温区，其温度通过处理器控制，为了减少继电器动作时对处理器控制系统的干扰，故采用了双路稳压电源。一路是经变压器降压后的交流电由整流桥转换成直流电，最后再由7805稳压获得输出5 V，为按键输入电路以及继电器控制电路提供工作电压。另一路是由LM117-3.3V稳压获得输出3.3 V，为处理器主控电路提供工作电压。

1.3 人机接口电路的设计

人机接口电路包括按键输入和显示输出电路。STM32芯片IO口引脚数量较多，本系统设计了7个按键，数量较少，因此直接采用独立式按键接口方式。显示部分采用OLED显示屏，提高字符、图形、图像显示的清晰度，而且省电、无须提供背光、无角度盲点。

1.4 继电器输出控制电路的设计

7路继电器分别控制蜡缸、左右保存盒、工作区、储镊台、蜡嘴、小冰台和冷冻台工作区的温度，继电器的控制信号通过接插件及光耦与处理器的PB口相连，当PB口输出高电平时，继电器吸合，各个工作区的温控电路导通，否则断电。

1.5 主控电路的设计

ST发布了基于90 nm工艺的STM32F2家族，而STM32F207是其中较高端的一款芯片，包埋机主控芯片采用了该芯片。STM32F207具有更高的效率，极致发挥Cortex-M3的性能；更低的动态功耗，更多灵活创新的高性能外设，更高的集成度，可很好的满足系统要求。

来自温度传感器的温度信号是模拟电信，直接输入到 STM处理器的AD输入口，采用常规PID控制+机器学习前馈智能控制的复合控制方法控制继电器输出电路工作。7路温度信号与主控芯片的输入和输出连接均采用光电耦合电路，将主控系统和负载电路完全隔离，减少相互干扰，以提高系统安全性和稳定性。

2 生物组织冷冻包埋机智能控制系统的软件设计

依据包埋机的功能需求，构建软件的整体框架，实现具体的各功能子模块。程序结构如图2所示。

图2 包埋机软件程序设计方案Fig.2 Embedded machine software program design

实时嵌入式操作系统内核将以子任务的形式调用各功能模块，各功能模块优先级大小的确定，模块之间用信号量、消息队列等手段进行数据传递和协调等，是软件设计时首先要考虑的问题。

由于温度控制系统是一个大惯量的时延系统，常规的PID控制超调量大，精度低，本项目将采用常规PID控制+机器学习前馈智能控制的复合控制方法，由机器学习算法在线学习被控对象的非线性特性，并作为前馈学习控制，与PID控制共同作用自动调整各通道的温度，以提高温度控制的快速性和高精度。

3 冷冻包埋机的主要技术参数

通过对生物组织冷冻包埋机控制系统的研究，有效提高了包埋机的性能和技术参数。

冷冻包埋机主工作台技术参数有：A.采用国际先进的PID控温系统，界面采用OLED模块显示屏，省电，寿命长达5万h，字迹清晰，无须提供背光，视角无盲区。B.熔蜡缸、蜡嘴、工作台、储镊台及左、右保存盒6个加温工作区温度控制范围：室温～85℃。C.小冷台采用P/N极半导体制冷原理，控温范围：室温～-15℃。D.控温精度：±1℃。E.时间预置：可在一周内任意设定开机及关机时间。F.功率：1 000VA。

[1] 凌双明.船舶柴油机缸套冷却水温度模糊PID自适应控制及仿真[J].舰船科学技术北大核心，2017，(12)：93-95.

[2] 李渊.智能PID控制器优化仿真研究[J].计算机仿真，2012，29(12):180-183.

[3] 庄志红.石蜡包埋机系统[J].中国医疗设备，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

课题项目：浙江省教育厅科研项目“生物组织冷冻包埋机智能控制系统研究”(Y201327935)

陈桂兰(1977-)，女，硕士，讲师。