医用低温冰箱温度控制系统的设计∗

王安敏 蒙乐臻

（青岛科技大学机电工程学院 青岛 266061）

1 引言

随着医疗技术的不断发展，部分药品在生产，运输，储存和使用的过程中，需要满足全程低温状态，以防止产生质变的现象，血液也需要低温储藏来维持其活性。医用低温冰箱的产生为药品、血液和器官等的储存提供了技术支持［1］，本设计所采用的控制芯片是STM32F103微处理器，该款微处理器是一款相对于51单片机更具有性价比的中低端32位ARM单片机，处理速度快，芯片集成大量外设，包括串口外设SPI、控制器局域网络CAN、I2C传输协议、UART通讯接口等，温度数据采集采用的铂电阻PT100温度传感器，测量温度的范围广，确保温控控制的精确性［2～3］。

2 工作原理设计

该装置由储藏箱1、PT100铂电阻2、控制单元3、冷凝管4和压缩机5组成。药品放入储藏箱后，测温PT100温度传感器每隔5s测出储藏箱内部的实际温度，经过ADS1230模数转换芯片，将转换的数字信号通过串口外设SPI发送到STM32F103微控制器［4］。在温度控制的过程中，PT100温度传感器的检测数值作为增量式PID算法的输入值，控制单元通过插值算法计算出需制冷的时间，从而控制压缩机进行制冷，冷凝管工作，使箱内箱内温度下降，系统运行示意图见图1。

图1 系统运行示意图

3 温度检测

医用低温冰箱箱内温度值通过铂电阻PT100温度传感器测量得出，铂电阻温度传感器的工作原理是利用金属铂的电阻值与温度变化的对应关系而制成的铂电阻传感器。铂电阻传感器相比普通的热敏电阻，温度测量温度范围大，测温的精度值高，温度可测的范围为-200℃～650℃。电阻的变化率为每单位摄氏温度0.3851Ω。PT100温度传感器自带保护钢管，由保护钢管、延长导线、测温电阻、氧化铝装配而成，内部密封处理，有效的防止干扰［5～6］，PT100传感器外观图如图2所示。PT100铂电阻测温方法常使用三线制方法，可以减小导线的阻值随温度改变产生的附加误差值，不影响测温的精度，三线制常配合电桥使用，PT100三线制连接电路图如图3，Rt为PT100铂电阻。从电桥出来的信号是差分信号，信号较弱，通过AD8130芯片作为运放芯片将较弱的差分信号进行放大［7］，AD8130在高频处具有很高的共模抑制比。为了满足低温冰箱内高精度温度控制和低温的技术要求，选择高精度模数转换芯片ADS1230，ADS1230一款精密20位Δ-ΣADC，板载低噪声可编程的增益放大器PGA的模数转换器，其中PGA具有64或128的增益［8］。

图2 PT100温度传感器外观图

图3 PT100三线制连接电路图

4 温度控制系统设计

4.1 传统PID算法

传统PID算法因其具有较好的鲁棒性，且易实现，原理简单，所以是控制系统中经常用到的控制方法。PID控制原理图如图4。

图4 PID控制系统框图

PID控制输入量为系统的设定数值r（t）与实际数值c（t）的差值，即偏差：

传统的PID控制器，其控制规律为

其中，Kp为系统的比例系数，Ti为系统的积分时间系数，TD为系统的微分时间系数［9］。将模拟PID式（2）离散化成差分方程形式：

u（k）为系统的输出量，Tit=T/Ti，TDt=TD/T，其中T为系统的采样周期，k=0，1，2，…为采样的序号，e（k）为系统采样k时刻的偏差值，e（k-1）为k-1时刻系统的偏差值［10］。系统的每一次输出值u（k）均与u（k-1）的值有关，计算时需要计算机的内存配置高，计算时间长，不利于系统的实时控制，基于传统PID的优势和缺点，加以算法上的改进，增量式PID在本质上有了很大的提高。

4.2 增量式PID算法

增量式PID是在传统PID算法的基础上进行改进，第k-1个采样时刻的输出值为

式（5）u（k）为采样k时刻的系统输出量，只需要用到采样k-2时刻，k-1时刻，k时刻三个时刻偏差，以及向前递推一次的系统输出值u（k-1），取代了传统PID数值的不断迭代，减轻了计算机的计算工作量，减少了计算机运算占用的内存以计算时间［11～13］。由K时刻系统的输出量u（k）与k-1时刻系统的输出量u（k-1）的差值可以计算出两个采样周期之间的输出增量Δu（k）：

式（6）为增量式PID的控制算法，根据式（6）可知只需要测量三次数值，就可以求出控制增量。基于增量式PID的温度控制系统结构图如图5所示。

图5 PID温度控制系统结构图

4.3 温度控制方法

在医用低温冰箱箱体内安装铂电阻PT100温度传感器，PT100温度传感器测得箱内温度，经过ADS1230增益与模数转换，STM32单片机接收经ADS1230模数转换芯片转换的数字量［14～16］，将箱内实际温度值与设定温度值相减，通过增量式PID算法计算出制冷设备的制冷时间，通过调节PWM控制压缩机的制冷功率。在制冷的过程中，设定制冷温度达到目标温度，制冷设备停止制冷，医用低温冰箱的制冷时间由增量式PID算法算出，温度控制流程图如图6。

图6 温度控制流程图

5 数据分析比较

选用质量和体积相同的医用药品，箱内温度初始温度设置为-8℃，在相同的箱内温度的条件下，设定相同的制冷温度，温度设置为-13℃，误差温度设定为1℃。在未使用算法制冷、传统的PID制冷和增量式PID算法制冷之间比较，通过Matlab仿真，未使用算法制冷仿真图如图7，传统PID算法制冷仿真图如图8，增量式PID算法制冷仿真图如图9。根据仿真效果图比较，未使用算法制冷在6min左右稳定在-13℃，且超调量约1℃，传统PID算法制冷在4分钟左右稳定在-13℃，且超调量小于1℃，增量式PID算法制冷在3min左右稳定在-13℃，超调量小于1℃。增量式PID有效地缩短了制冷的时间，且速度快于未使用算法制冷和传统的PID制冷速度，且有效地达到节能的目的。

图7 未使用算法制冷仿真图

图8 传统PID制冷仿真图

图9 增量式PID制冷仿真图

6 结语

选用STM32F103ZET6为本设计的控制单元，输出PWN控制压缩机的转速，来达到控制压缩机的制冷功率目的，同时控制单元实时根据PT100反馈的温度数值计算出制冷时间，采用增量式PID在制冷效率和维持温度均比未使用算法和传统PID制冷好。