基于PID算法的LED光热治疗系统的设计*

盛海云 魏晓慧 邓中应 姜文新 陈煜平

[文章编号] 1672-8270(2015)09-0011-04 [中图分类号] R197.324 [文献标识码] A

基于PID算法的LED光热治疗系统的设计*

盛海云①魏晓慧②邓中应③姜文新③陈煜平②

[文章编号] 1672-8270(2015)09-0011-04 [中图分类号] R197.324 [文献标识码] A

目的：基于STC12C5A60S2单片机设计温度可控发光二极管(LED)光热治疗系统，以实时监测、控制光热治疗过程中照射部位皮肤组织的温度。方法：系统硬件由LED阵列光源驱动部分、红外测温部分、微处理器部分以及人机交互部分组成，根据人体组织对温度控制的要求，采用PID算法调节LED输出的光功率密度，选用离体组织样品进行光热治疗模拟实验。结果：LED光热治疗系统温度控制具有较低的调节时间和超调量，稳态误差为±0.5 ℃。结论：基于PID算法的LED治疗系统实现了皮肤组织升温控制的速度与精准性。

光热治疗；PID算法；发光二级管；阵列驱动；人机交互

[First-author’s address] The Third People’s Hospital of HuiZhou, Huizhou 516007, China.

目前，激光和强脉冲光皮肤治疗仪(即去斑、去皱、脱毛、换肤、美白或其他常见皮肤治疗)已被国内外医疗系统和美容行业所接受，其治疗特点是见效快，属于入侵式治疗，治疗时被照射者会有烧灼感，会对人体的正常组织带来一定的损伤和不良反应，且需反复治疗[1-3]。因此，北美同行在努力寻求一种新的光子治疗技术。国内、外研究表明，发光二极管(light emitting diode，LED)光热疗法是一种新型有效的抗老化工具，随着现代化医疗事业的不断发展，LED光热治疗的需求不断扩大[4-6]。LED光热治疗仪的应用对于促进医疗事业的发展、实现节能环保均具有非常重要的意义[7]。

光热治疗是一种以光和热为主要物理因子的治疗方法，通过特定波长的光照射人体组织产生的光化学效应和热效应来治疗皮肤组织疾病，并具有治疗效果显著的特点。本研究设计出基于PID算法的STC12C5A60S2单片机温度可控LED光热治疗系统，以实时监测、控制光热治疗过程中照射部位组织的温度。

1 LED光热治疗系统硬件设计

1.1 系统构架

LED光热治疗系统采用STC12C5A60S2微处理器，外围模块电路包括24 V的LED恒流驱动模块、红外传感器温度采集模块、大功率LED串并联阵列模块以及5 V、3 V电源供电模块。其中，LED恒流驱动模块具有脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)的调光功能，红外温度传感器采集皮肤组织温度，大功率LED串并联阵列提供光能量的辐射，系统微处理器通过自带的PWM接口改变输出PWM占空比来调节LED工作电流，进而调节LED输出光强度，实现皮肤组织温度的控制。LED光热治疗系统整体构架如图1所示。

1.2 电源系统

(1)5 V供电模块。选取一块输出为24 V 2500 mA设配器作为总电源供电，使用低压差稳压器LM2940作为稳压源模块，经实验测量，稳压模块输出为5 V，纹波极小，而且输出功率满足作品要求。47 μf、22 μf电解电容为储能作用，0.1 μf陶瓷电容为滤波作用。

图1 系统整体构架框图

(2)3 V供电模块。选取低漏失电压调整器AMS1117 ADJ提供3.3 V输出电压，该芯片片内提供了过载和过热保护电路，以防环境温度造成过高的结温。AMS1117-adj为典型可调输出电压电路，调节R1，根据公式1计算输出电压：

1.3 微处理器控制系统

系统微处理器使用单时钟和(或)机器周期(1T)单片机STC12C5A60S2，指令代码完全兼容传统8051系统，但其速度快8～12倍。微处理器外接TN901红外测温模块、红外接收模块、TFT LCD液晶显示屏以及LED恒流驱动模块。

1.4 LED照射系统

1.4.1 LED光源阵列

采用高功率集成式封装LED芯片作为光源。该芯片为10串2并的LED阵列，中心波长为630 nm，功率为20 W，工作电压为22～24 V，最大工作电流为560 mA。

LED属于光电器件，在工作过程中有15%～25%的电能可转换为光能，剩余的电能主要转换为热能，从而导致LED的温度升高。为降低工作过程中LED升温过高，系统采用铝片散热器对LED进行散热。为提高LED的聚光度，LED治疗系统采用直径44mm大功率集成灯珠反光杯带凸透镜套装对LED光源进行聚光。

1.4.2 LED恒流驱动

LED正向导通，其两端电压的轻微变化则会导致LED电流大幅度改变，而LED的光输出和电流直接相关。因此，LED的驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下，要求其能够稳定地控制LED电流的大小。为保证大功率LED使用的安全性及理想的发光功率，通常采用恒流驱动(如图2所示)。

系统采用高功率电流降压稳压器LM3406，该驱动IC可提供高达1.5 A的正向电流。芯片内置可确保电流平均输出的积分电路，当转换器采用连续导电模式操作时，受控导通时间结构可以确保无论输入及输出电压如何变动，开关频率均可恒定不变。LM3406通过CS引脚检测Rsns上的电压，并与0.2 V进行比较、调节，可使输出电流保持If=0.2/Rsns恒流。该驱动电路采用PWM信号频率可由公式2计算得出：

图2 恒流驱动电路图

2 LED照射部位组织温度实时监控

2.1 红外测温原理

自然界中一切温度高于绝对零度(-273.15)的物体均在不停地向外发出红外线，物体表面温度决定其发出的红外能量大小及波长分布。基尔霍夫定律描述了辐射能量密度与物体本身温度的关系(公式3)：

式中E为辐射度，单位W/m3，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67×10-8/(m3·K4)，ε为物体辐射率，T为物体温度，单位K。红外测温属于非接触式测量。

不同温度范围对象所发出的电磁波能量波长分布不同，常温范围能量主要集中在中红外和远红外波长。本设计选用TN901模组测温，其温度范围为-33～220 ℃。

2.2 TN901红外测温模块

由ZyTemp公司生产的TN901模块是一种非接触式测温模块，其测温原理是基于热电堆检测材料对红外辐射进行探测。TN901通过同步串行外围设备接口(serial peripheral interface，SPI)提供经过校准的数字温度信号，可以直接为嵌入式设备提供OEM模块支持。TN901集成所有硬件集成电路组成红外片上系统，能够在大范围的温度变化环境中保持精度。

2.3 人机交互模块

本设计人机交互模块选用2.4吋TFT液晶屏，结合红外遥控控制，操作者更加方便地使用遥控进行光热治疗系统的参数和功能设定，即节省仪器空间，又可使操作智能化。

2.4 TFT LCD液晶屏

TFT真彩LCD模块具有丰富多样的接口、编程方便及易于扩展等良好性能，内置专用驱动和控制IC(ILI925)，TFT液晶屏为方便用户的扩展使用，将显示器主控电源盒显示器背光电源分开供电，用户可以单独给背光提供适合的电源以获取合适的背光亮度。

2.5 红外遥控

为解决常规矩阵键盘线路过大、布线复杂以及占用I/O口过多的弊病，同时实现人与设备的分离，从而方便使用，系统采用红外遥控器对系统各参数进行的设置。通用红外遥控系统发射部分包括键盘矩阵、编码调制及LED红外发送器；接收部分包括光、电转换放大器、解调及解码电路(如图3所示)。

图3 编码解码电路框图

3 温度控制算法和系统软件设计

3.1 温度控制算法

在光热治疗系统过程中，环境温度、照射部位与光源距离以及不同生物组织对热的传导能力均为影响温度控制的直接因素。红外测温可测量视场内的平均值，人体皮肤组织的移动会对测温产生较大的干扰。PID控制算法，即比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法。PID控制原理简单、使用方便，鲁棒性强，无需被控制对象精确的数学模型，适用范围广泛[8-10]。

本设计中，系统通过TN901采集温度，当被测温度偏离所希望的给定值时，PID控制系统可根据测量信号与给定的偏差进行比例、积分及微分运算，输出适当的PWM控制信号，控制LED恒流驱动器调节输出电流，使光照度发生相应的改变以达到闭环控制的效果[11-14]。

3.2 红外遥控解码

遥控发射的信号由一串0和1的二进制代码组成，不同的芯片对0和1的编码有所不同，通常有曼彻斯特编码和脉冲宽度编码。TC9012采用脉冲宽度编码，0码由100 μs低电平和10 μs高电平组合而成，脉冲宽度为110 μs；1码由190 μs低电平和10 μs高电平组合而成，脉冲宽度为200 μs，通过判断脉冲宽度，可得到0，1编码。一个红外信号的传输需要14个脉冲信号，包括100 μs的逻辑0，200 μs的逻辑1，以及300 μs的前导、结束信号，红外发射二极管不发出信号时遥控接收头输出信号1，红外发射二极管发出信号后，遥控接收头接收到0和1编码经遥控头倒相后输出信号0。将该接收头输出引脚与单片机中断脚相连，将产生下降沿中断。单片机在中断时使用定时器开始计时，在下一个中断触发时将计时值取出，通过判断每两次中断之间的时间间隔可判断接收到的引导码是0或1，其解码流程如图4所示。

图4 解码流程框图

3.3 软件驱动程序开发

3.3.1 ILI9320系统接口

该接口为：①i80-system MPU interface；②VSYNC interface；③serial data transfer interface(SPI)；④RGB 6-/16-/18-bit interface。ILI9325有一个16位的变址寄存器(IR)、一个18位的写数据寄存器(WDR)和一个18位的读数据寄存器(RDR)。变址寄存器(IR)存储来自控制寄存器和内部的显示存储器(GRAM)指令信息。WDR用来暂时存储要被写到控制寄存器和内部GRAM中的数据，读数据寄存器(RDR)用来暂时存储从GRAM中读取的数据。

3.3.2 MPU内部GRAM的数据

首先写入WDR，然后再内部操作自动写入内部GRAM中。所读取的数据需通过RDR从内部GRAM中读取。因此，无效数据将被读入数据总线，当ILI925从内部的GRAM中读取第一个数据时，有效数据将在ILI925进行第二次读操作之后被读出。

4 结论

本设计通过光热治疗技术现状和发展趋势的研究，以及光热疗法对于皮肤组织温度控制的需求，设计出基于PID算法的LED光热治疗系统。主要实现的功能为：①在了解光热治疗原理和大功率LED光源技术的基础上，选用波长为630 nm、功率为20 W的LED阵列配置铝膜反光杯，组合成系统的光源部分，设计LM3406的外围电路，实现LED阵列的恒流驱动和PWM调光功能；②将微处理器、电源、人机交互界面以及LED恒流驱动集中在一块板卡上，以STC12C5A60S2微处理器为核心对外围模块电路进行控制，通过SPI数据通信方式读取TN901采集的组织温度数据，通过PID算法对数据进行运算，输出相应的PWM信号控制LED光照强度消除偏差；③对光热治疗中人体温度控制温度的特点，对PID参数进行整定，使系统温度控制调节更加快速和精准。

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Design of treatment system of LED based on PID/SHENG Hai-yun, WEI Xiao-hui, DENG Zhong-ying, et al// China Medical Equipment,2015,12(9)∶11-14.

Objective∶ Photothermal therapy is a kind of physical treatment major of light and heat. Photochemical and thermal effects produced by specific wavelengths of light to treat human tissue irradiated skin tissue disease, and has a therapeutic effect significant features. For real-time monitoring, control light and heat treatment temperature during irradiation site organization, this paper presents the design of a temperature-controlled LED light heating therapy system based STC12C5A60S2. Methods∶ Hardware of System consists of an LED array light source driving section, infrared temperature measurement part, and human-computer interaction part of the microprocessor portion. According to the temperature of human tissue control requirements, the LED output optical power density is adjusted using the traditional PID algorithm. Results∶ The isolated tissue sample is selected in the photothermal therapy experiment. The experimental results show that the settling time and peak overshoot of the temperature control system are low. and the steady- state error is±0.5 ℃. Conclusion∶ The design of treatment system of LED based on PID can meet that the requirement of temperature control in the photothennal therapy.

Light and heat treatment; PID algorithm; Light emitting diode; Array driven; Human-computer interaction

盛海云,男,(1959- ),博士，主任医生。惠州市第三人民医院普外科，从事肝胆外科的临床及科研工作。

2015-03-24

国家自然科学基金(61372064)“LED封装散热关键技术研究”

①惠州市第三人民医院 广东 惠州 516002

②惠州学院电子科学系 广东 惠州 516007

③惠州智科实业有限公司 广东 惠州 5161001

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.09.004