基于MSP430的低功耗智能恒溫藥箱設(shè)計(jì)

張麗芳

摘? 要：為解決藥品的低溫存儲問題，設(shè)計(jì)一款便攜式智能恒溫藥箱系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MSP430G2553單片機(jī)作為控制器，包含DS18B20溫度模塊、TEC1-0490制冷模塊、散熱模塊、OLED顯示模塊、穩(wěn)壓模塊、薄膜鍵盤、電源模塊等部件。系統(tǒng)開機(jī)后，可以通過按鍵為藥箱設(shè)定一個(gè)合適的存儲溫度，同時(shí)溫度模塊將藥箱內(nèi)部的實(shí)際溫度發(fā)送給單片機(jī)，通過PID算法調(diào)節(jié)制冷模塊的制冷功率，有效降低功耗。整個(gè)系統(tǒng)采用內(nèi)部電源和外部電源兩種供電方式，延長了系統(tǒng)的持續(xù)工作時(shí)間。

關(guān)鍵詞：MSP430G2553單片機(jī)；恒溫藥箱；PID算法

中圖分類號：TP368.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）15-0194-05

Design of Low-power Intelligent Thermostatic Medicine Box Based on MSP430

ZHANG Lifang

（Shandong Huayu University of Technology， Dezhou? 253034， China）

Abstract： To solve the problem of low-temperature storage of drugs， a portable intelligent thermostatic medicine box system is designed. The system uses MSP430G2553 Single-Chip Microcomputer as the controller， including DS18B20 temperature module， TEC1-0490 refrigeration module， heat dissipation module， OLED display module， voltage stabilization module， thin film keyboard， power module and other components. After the system is turned on， a suitable storage temperature can be set for the medicine box by pressing the button. At the same time， the temperature module sends the actual temperature inside the medicine box to the Single-Chip Microcomputer， and adjusts the cooling power of the refrigeration module through PID algorithm， effectively reducing power consumption. The entire system adopts two power supply methods： internal power supply and external power supply， thereby extending the continuous working time of the system.

Keywords： MSP430G2553 Single-Chip Microcomputer; thermostatic medicine box; PID algorithm

0? 引? 言

近年來，疫苗、抗生素、胰島素、增加免疫力的丙球蛋白等醫(yī)療藥品攻克了很多疾病，但是，這些藥品的存儲仍是個(gè)棘手的問題。溫度太低會使這些藥品處于休眠狀態(tài)，而溫度過高又會使其失去活性。為了解決這個(gè)問題，各種保溫箱、冰箱、冰袋等低溫儲存方式相繼推出，像冰箱這種儲存設(shè)備只適合那些大量存儲生物試劑的鄉(xiāng)級以上醫(yī)療機(jī)構(gòu)使用。單獨(dú)使用一個(gè)冰箱會造成資源浪費(fèi)，使用家用冰箱，又會與冰箱內(nèi)的其他物品產(chǎn)生交叉感染。為此設(shè)計(jì)一款基于MSP430的低功耗智能恒溫藥箱。

1? 總體設(shè)計(jì)方案

低功耗智能恒溫藥箱系統(tǒng)由七個(gè)獨(dú)立且相互聯(lián)系的模塊組成。其中，MSP430G2553單片機(jī)屬于系統(tǒng)的控制核心；DS18B20溫度傳感器模塊用于檢測藥箱內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度；TEC1-0490制冷模塊和散熱模塊用于降低藥箱內(nèi)的溫度；OLED顯示模塊用于顯示實(shí)際溫度、目標(biāo)溫度、剩余電量等；系統(tǒng)采用聚合物鋰電池為各部分供電，同時(shí)也支持充電寶等外部電源供電。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2? 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1? 微處理器模塊

系統(tǒng)采用的微處理器是MSP430G2553單片機(jī)，與其他類型的單片機(jī)相比，此單片機(jī)具有能耗低、運(yùn)行速度快等優(yōu)勢。它采用1.8～3.6 V低電壓工作，擁有5種節(jié)能工作模式，有效降低了控制器的能耗，可以在極短的時(shí)間內(nèi)從待機(jī)模式被喚醒，并且擁有高效的開發(fā)調(diào)試環(huán)境。它通過強(qiáng)大的運(yùn)算能力處理每個(gè)模塊傳遞的數(shù)據(jù)信息，并控制各個(gè)模塊相互協(xié)同工作。MSP430G2553電路圖如圖2所示。

2.2? 溫度傳感器模塊

系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器進(jìn)行溫度測量。DS18B20溫度測量范圍廣，精度高，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可達(dá)9位，供電方式可以是外部供電，也可以由寄生的電源供電。DS18B20具有高負(fù)壓特性，可以保證接錯的情況下不會被損壞。DS18B20還擁有單總線的特點(diǎn)，由于每個(gè)DS18B20都具有不同的序列號，一條單總線上能夠同時(shí)存在幾個(gè)DS18B20，這也使得電路變得更加簡單。因此，DS18B20可以配置到各個(gè)地方，同時(shí)完成多點(diǎn)測溫的功能。如圖3所示為溫度模塊的電路圖。

2.3? 制冷模塊

系統(tǒng)采用TEC1-0490半導(dǎo)體制冷裝置進(jìn)行降溫，額定電壓5 V，輸入功率30 W，制冷功率21 W。從工作原理來看，制冷裝置是一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)熱量傳輸?shù)墓ぞ摺．?dāng)半導(dǎo)體材料有電流通過時(shí)，半導(dǎo)體自身的電阻就會產(chǎn)生熱量，從而影響熱傳導(dǎo)。兩個(gè)板塊之間的熱量通過空氣和半導(dǎo)體材料本身以反向熱量傳輸。當(dāng)兩個(gè)熱傳遞能量相等時(shí)，就會達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)，正反向熱傳遞相互抵消，冷熱端的溫度不會繼續(xù)變化。如圖4所示為半導(dǎo)體制冷裝置的電路圖。

2.4? 散熱模塊

系統(tǒng)采用的是直流散熱風(fēng)扇，這種風(fēng)扇的功率越大轉(zhuǎn)速越快，可以將系統(tǒng)內(nèi)部與外部的空氣流通，有很強(qiáng)的散熱效果。將制冷模塊貼在風(fēng)扇背面，可以提升制冷模塊的制冷效果，從而迅速將藥箱內(nèi)部的溫度降下來。如圖5所示為風(fēng)扇的電路圖。

2.5? 電源模塊

系統(tǒng)采用聚合物鋰電池為設(shè)備供電。配備3.7V20AH聚合物鋰電池，能量高，體積小，呈扁平形態(tài)，安全性高，安放在藥箱底部，不影響整體結(jié)構(gòu)大小。

為方便充電，為系統(tǒng)連接一個(gè)廣為使用的type-c接口，與大部分人使用的安卓手機(jī)充電器相同，方便使用。如圖6所示為鋰電池的充電電路圖。

2.6? 按鍵模塊

按鍵模塊采用的是薄膜按鍵，薄膜背面有很多導(dǎo)電的金屬點(diǎn)，當(dāng)按鍵被按下后，那些導(dǎo)電的金屬點(diǎn)會接通下面的電路，達(dá)到回路效果，微控制器會根據(jù)接通的回路電路識別使用者發(fā)來的各種命令。系統(tǒng)通過這四個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)溫度設(shè)置、功能切換及系統(tǒng)開啟。如圖7所示為薄膜按鍵電路圖。

2.7? OLED顯示模塊

系統(tǒng)采用OLED顯示屏，OLED顯示屏屏幕是由一種特殊的有機(jī)發(fā)光半導(dǎo)體材料制成的，借助發(fā)光二極管自動發(fā)光，二極管內(nèi)部有電流通過時(shí)正向?qū)?，OLED顯示屏就會因多個(gè)二極管發(fā)光而被點(diǎn)亮。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，OLED顯示屏主要用于顯示藥箱內(nèi)部溫度、剩余電量、溫度設(shè)置面板等信息。如圖8所示為顯示模塊的連接圖。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1? 系統(tǒng)程序流程設(shè)計(jì)

智能恒溫藥箱的目標(biāo)溫度控制是通過按鍵來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)藥箱內(nèi)溫度高于目標(biāo)溫度時(shí)，制冷裝置便開始制冷，溫度差的越大，制冷功率越高。當(dāng)溫度無限接近預(yù)設(shè)溫度時(shí)，制冷功率不斷減小，直至停止運(yùn)行，此時(shí)藥箱內(nèi)的實(shí)際溫度也會顯示在OLED液晶屏上?？刂瞥绦蛴梢粋€(gè)主函數(shù)程序和各模塊的子程序構(gòu)成，其中包括OLED的數(shù)據(jù)及文字顯示、溫度傳感器監(jiān)測藥箱內(nèi)溫度的程序、通過按鍵控制藥箱內(nèi)溫度高低的程序、風(fēng)扇的開關(guān)程序等。

系統(tǒng)每個(gè)模塊的程序都是獨(dú)立設(shè)計(jì)的。首先是按鍵程序設(shè)計(jì)，通過點(diǎn)擊按鍵可以實(shí)現(xiàn)藥箱內(nèi)溫度設(shè)置、功能切換、開關(guān)機(jī)等功能。點(diǎn)擊按鍵向單片機(jī)發(fā)送指令，單片機(jī)對收到的指令進(jìn)行識別處理，控制其他模塊執(zhí)行相應(yīng)的功能。

單片機(jī)通過PID算法將使用者發(fā)來的預(yù)設(shè)溫度與溫度模塊檢測到的實(shí)際溫度進(jìn)行微積分運(yùn)算，將其差值轉(zhuǎn)換成電信號，這個(gè)過程是為了調(diào)節(jié)制冷裝置的制冷功率及工作時(shí)間，從而使藥箱內(nèi)的溫度達(dá)到使用者的目標(biāo)溫度。由于溫度模塊接連不斷地給單片機(jī)發(fā)送實(shí)際溫度值，PID會重新計(jì)算并調(diào)整制冷裝置的制冷功率和工作時(shí)間。系統(tǒng)流程圖如圖9所示。

3.2? PID算法程序設(shè)計(jì)

由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣許可的偏差計(jì)算控制量，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量進(jìn)行連續(xù)控制。所以PID公式不能直接使用，必須進(jìn)行離散化處理。PID算法的具體程序設(shè)計(jì)如下：

void PID_Calc（void）

{if（pid.C10ms

pid.Ek = pid.Sv - pid.Pv;

pid.SEk += pid.Ek;

DelEk = pid.Ek - pid.Ek_1;

TI = pid.T/pid.Ti;

KI = TI*pid.Kp;

TD = pid.Td/pid.T;

KD = TD * pid.Kp;

Pout = pid.Kp * pid.Ek;

Iout = pid.SEk * KI;

Dout = KD * DelEk;

out = Pout + Iout + Dout + pid.OUT0;

if（out>TACCR0）

{ pid.out = TACCR0; }

if（out<0）

{pid.out = 0; }

pid.out = out;

pid.Ek_1 = pid.Ek;

pid.C10ms = 0;}

圖9? 系統(tǒng)流程圖

4? 系統(tǒng)測試與分析

4.1? 功能測試

將各個(gè)模塊組裝在一起，MSP430作為系統(tǒng)的控制核心；溫度傳感器模塊采集藥箱內(nèi)溫度并將數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)；半導(dǎo)體制冷模塊、散熱風(fēng)扇對藥箱內(nèi)的溫度大小進(jìn)行控制；顯示屏顯示預(yù)設(shè)溫度、實(shí)際溫度、剩余電量等信息，為使用者提供藥箱系統(tǒng)的信息；通過按鍵調(diào)節(jié)顯示信息及工作狀態(tài)。系統(tǒng)由MSP430G2553單片機(jī)、溫度傳感器模塊、半導(dǎo)體制冷裝置、散熱風(fēng)扇、OLED液晶屏、全新聚合物鋰電池電芯、電源管理芯片和穩(wěn)壓電源模塊組成。每個(gè)模塊既可以獨(dú)立工作，又可以相互配合實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

系統(tǒng)具有“上切、下切、功能轉(zhuǎn)換、電源鍵”四個(gè)按鍵，通過點(diǎn)擊按鍵識別用戶發(fā)出的指令，這些指令會發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理，部分信息會在OLED顯示屏上顯示出來，供用戶識別選擇。

4.2? 藥箱內(nèi)部溫度測試

單片機(jī)接收按鍵指令設(shè)置預(yù)設(shè)溫度后，通過PID算法對制冷裝置的制冷功率及制冷時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。溫度模塊不斷地將藥箱內(nèi)部的實(shí)際溫度反饋給單片機(jī)，當(dāng)實(shí)際溫度與預(yù)設(shè)溫度相差很大時(shí)，半導(dǎo)體制冷裝置的制冷功率會隨之增大，反之，當(dāng)實(shí)際溫度與預(yù)設(shè)溫度相差較小時(shí)，制冷裝置會減小制冷功率，從而減少電能消耗。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，溫度模塊測得的實(shí)際溫度與電子測溫槍測得的溫度差別不大，設(shè)備測溫模塊測溫狀況正常，系統(tǒng)的測溫?cái)?shù)據(jù)可供參考。

4.3? 降溫與升溫測試

準(zhǔn)備充足的電源，選取三個(gè)不同的環(huán)境溫度進(jìn)行測試：

1）第一次測試選取室外溫度為30 ℃的天氣進(jìn)行測試，如表2所示。

通過測試發(fā)現(xiàn)，在10 ℃到20 ℃之間降溫效果誤差很小，并且降溫耗時(shí)很短，10 ℃以下溫度越低誤差越大，誤差范圍在1 ℃以內(nèi)。

2）第二次測試選取室外溫度為25 ℃的天氣進(jìn)行測試，如表3所示。

同第一次測試一樣，目標(biāo)溫度越低降溫效率越小，并且誤差越大。此次同時(shí)檢測了藥箱的保溫效果，雖然溫度值不是一直恒定，但波動范圍不大，在±0.5 ℃度之間。

3）第三次測試創(chuàng)建一個(gè)環(huán)境溫度為-5 ℃的條件進(jìn)行測試，如表4所示。

與前兩次測試不同，此次測試的是智能藥箱的升溫效果，整個(gè)系統(tǒng)在持續(xù)工作狀態(tài)下電子器件會發(fā)熱，同時(shí)加上半導(dǎo)體的制熱功能，使整個(gè)系統(tǒng)的升溫效果比降溫效果要好很多。測試數(shù)據(jù)如表2所示。

5? 結(jié)? 論

文章設(shè)計(jì)一款基于MSP430的低功耗智能恒溫便攜藥箱，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，完成了硬件和軟件的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目的是為一些特殊的藥物提供合適的存儲環(huán)境，使其能夠發(fā)揮最佳藥效。通過多次測試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的升溫和降溫效果雖有差異，但基本上達(dá)到了預(yù)期效果。通過程序的調(diào)試，將誤差溫度控制在1 ℃之內(nèi)，藥品儲存條件是一個(gè)范圍，1 ℃的溫差不會影響藥品的儲存。后續(xù)會繼續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)，不斷縮小誤差范圍。

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