婴儿无创颅内压监护仪的微型智能恒压控制器的研究与应用

论文摘要

在医学临床领域中,运用婴儿无创颅内压监护仪经前囟监测颅内压时,因临床操作中诸多因素的影响使得施加至颅’内压监护仪的光纤传感器上的微小的驱动压力常处于波动不稳定的状态,从而直接影响到监护仪监测结果的敏感度和准确性。微型智能恒压控制器的研究立题即来源于医学颅内压监护仪使用过程中驱动压力控制的不稳定性。 课题开发的微型智能恒压控制器是以PHILIPS公司的P89C51RD2单片机作为整个系统的控制中枢,该控制器能够对给定的信号及外界的干扰进行及时处理、运算,继而驱动步进电机执行相应的工作,实现对压力的闭环控制。采用步进电机专用控制驱动芯片L297和L298,以此简化系统的硬件结构和减轻CPU的负担。执行机构采用两个分离的微型气缸,两气缸之间用软管连通,此目的在于系统装置加在服务对象(在此为婴儿)头上的重量应在其能够承受的范围之内。 由于步进电机及气动控制系统是一种包含多重非线性的系统,要精确建立其数学模型有较大的困难。应用传统的控制算法对系统将会产生较大误差,故在综合考虑和比较多种控制算法的基础上,最终采用神经网络PID控制技术。仿真和实际调试的结果表明:神经网络PID控制技术可以改善系统的动静态特性;提高系统的稳定性和控制精度,从而实现了预期的设计目标。 综上,本文首先阐述了微型恒压控制器的基本工作原理和设计过程中所涉及到的基本知识,进而展开了对系统硬件设计、控制策略、控制软件的深入研究;并最终通过仿真和实际调试验证了其可行性。本研究在国内外首次开发出婴儿无创颅内压监护仪的微型恒压控制器,并将步进电机引入控制系统中,针对于服务对象的特殊性巧妙设计了两个分离的微型气缸做为执行机构,并针对系统的多重非线性而采用了神经网络PID控制技术。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题研究的目的与意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 课题研究的难点
• 1.5 章节安排
• 第二章 系统总体方案设计
• 2.1 系统总体方案设计思路
• 2.2 总体方案简介
• 2.3 执行机构的数学模型的建立
• 2.4 具备自学习功能的控制系统
• 2.5 本章小结
• 第三章 智能恒压控制器控制策略的研究
• 3.1 恒压控制器控制策略的总体方案
• 3.2 PID控制和神经网络综述
• 3.2.1 PID控制综述
• 3.2.2 神经网络控制综述
• 3.3 恒压控制器神经网络PID控制策略的实现
• 3.3.1 恒压控制器神经网络PID的结构
• 3.3.2 恒压控制器神经网络PID的控制算法
• 3.3.3 神经网络PID在恒压控制器中的应用仿真
• 3.4 本章小结
• 第四章 系统的硬件设计
• 4.1 系统硬件设计原则
• 4.2 系统硬件总体结构设计
• 4.3 微控制器模块
• 4.3.1 微控制器的结构及特点
• 4.3.2 芯片介绍
• 4.3.3 存储器的配置
• 4.4 步进电机及其驱动控制系统
• 4.5 传动机构
• 4.6 数据采集处理电路
• 4.6.1 传感器的选择
• 4.6.2 模数转换器的选择
• 4.6.3 ADC0809接口电路设计
• 4.7 键盘与显示模块
• 4.7.1 显示电路设计
• 4.7.2 键盘接口电路设计
• 4.8 电源模块
• 4.9 本章小结
• 第五章 控制系统的软件设计
• 5.1 软件框架
• 5.2 初始化模块
• 5.3 数据采集模块
• 5.4 数据处理模块
• 5.4.1 数字滤波
• 5.4.2 电压值到压力值的转换
• 5.5 人机界面
• 5.6 控制模块
• 5.6.1 控制算法处理模块
• 5.6.2 步进电机控制子程序
• 5.7 本章小结
• 第六章 系统调试与总结
• 6.1 系统调试
• 6.1.1 单一模块调试
• 6.1.2 系统调试结果
• 6.2 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的主要成果