基于MSP430的低功耗智能恒溫藥箱設計

張麗芳

摘? 要：為解決藥品的低溫存儲問題，設計一款便攜式智能恒溫藥箱系統。該系統以MSP430G2553單片機作為控制器，包含DS18B20溫度模塊、TEC1-0490制冷模塊、散熱模塊、OLED顯示模塊、穩壓模塊、薄膜鍵盤、電源模塊等部件。系統開機后，可以通過按鍵為藥箱設定一個合適的存儲溫度，同時溫度模塊將藥箱內部的實際溫度發送給單片機，通過PID算法調節制冷模塊的制冷功率，有效降低功耗。整個系統采用內部電源和外部電源兩種供電方式，延長了系統的持續工作時間。

關鍵詞：MSP430G2553單片機；恒溫藥箱；PID算法

中圖分類號：TP368.1? 文獻標識碼：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療藥品攻克了很多疾病，但是，這些藥品的存儲仍是個棘手的問題。溫度太低會使這些藥品處于休眠狀態，而溫度過高又會使其失去活性。為了解決這個問題，各種保溫箱、冰箱、冰袋等低溫儲存方式相繼推出，像冰箱這種儲存設備只適合那些大量存儲生物試劑的鄉級以上醫療機構使用。單獨使用一個冰箱會造成資源浪費，使用家用冰箱，又會與冰箱內的其他物品產生交叉感染。為此設計一款基于MSP430的低功耗智能恒溫藥箱。

1? 總體設計方案

低功耗智能恒溫藥箱系統由七個獨立且相互聯系的模塊組成。其中，MSP430G2553單片機屬于系統的控制核心；DS18B20溫度傳感器模塊用于檢測藥箱內的實時溫度；TEC1-0490制冷模塊和散熱模塊用于降低藥箱內的溫度；OLED顯示模塊用于顯示實際溫度、目標溫度、剩余電量等；系統采用聚合物鋰電池為各部分供電，同時也支持充電寶等外部電源供電。系統總體設計框圖如圖1所示。

2? 硬件電路設計

2.1? 微處理器模塊

系統采用的微處理器是MSP430G2553單片機，與其他類型的單片機相比，此單片機具有能耗低、運行速度快等優勢。它采用1.8～3.6 V低電壓工作，擁有5種節能工作模式，有效降低了控制器的能耗，可以在極短的時間內從待機模式被喚醒，并且擁有高效的開發調試環境。它通過強大的運算能力處理每個模塊傳遞的數據信息，并控制各個模塊相互協同工作。MSP430G2553電路圖如圖2所示。

2.2? 溫度傳感器模塊

系統采用DS18B20溫度傳感器進行溫度測量。DS18B20溫度測量范圍廣，精度高，傳輸的數據可達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，由于每個DS18B20都具有不同的序列號，一條單總線上能夠同時存在幾個DS18B20，這也使得電路變得更加簡單。因此，DS18B20可以配置到各個地方，同時完成多點測溫的功能。如圖3所示為溫度模塊的電路圖。

2.3? 制冷模塊

系統采用TEC1-0490半導體制冷裝置進行降溫，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，制冷裝置是一個可以實現熱量傳輸的工具。當半導體材料有電流通過時，半導體自身的電阻就會產生熱量，從而影響熱傳導。兩個板塊之間的熱量通過空氣和半導體材料本身以反向熱量傳輸。當兩個熱傳遞能量相等時，就會達到一個平衡點，正反向熱傳遞相互抵消，冷熱端的溫度不會繼續變化。如圖4所示為半導體制冷裝置的電路圖。

2.4? 散熱模塊

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

2.5? 電源模塊

系統采用聚合物鋰電池為設備供電。配備3.7V20AH聚合物鋰電池，能量高，體積小，呈扁平形態，安全性高，安放在藥箱底部，不影響整體結構大小。

為方便充電，為系統連接一個廣為使用的type-c接口，與大部分人使用的安卓手機充電器相同，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，薄膜背面有很多導電的金屬點，當按鍵被按下后，那些導電的金屬點會接通下面的電路，達到回路效果，微控制器會根據接通的回路電路識別使用者發來的各種命令。系統通過這四個按鍵實現溫度設置、功能切換及系統開啟。如圖7所示為薄膜按鍵電路圖。

2.7? OLED顯示模塊

系統采用OLED顯示屏，OLED顯示屏屏幕是由一種特殊的有機發光半導體材料制成的，借助發光二極管自動發光，二極管內部有電流通過時正向導通，OLED顯示屏就會因多個二極管發光而被點亮。在系統設計中，OLED顯示屏主要用于顯示藥箱內部溫度、剩余電量、溫度設置面板等信息。如圖8所示為顯示模塊的連接圖。

3? 系統軟件設計

3.1? 系統程序流程設計

智能恒溫藥箱的目標溫度控制是通過按鍵來實現的，當藥箱內溫度高于目標溫度時，制冷裝置便開始制冷，溫度差的越大，制冷功率越高。當溫度無限接近預設溫度時，制冷功率不斷減小，直至停止運行，此時藥箱內的實際溫度也會顯示在OLED液晶屏上。控制程序由一個主函數程序和各模塊的子程序構成，其中包括OLED的數據及文字顯示、溫度傳感器監測藥箱內溫度的程序、通過按鍵控制藥箱內溫度高低的程序、風扇的開關程序等。

系統每個模塊的程序都是獨立設計的。首先是按鍵程序設計，通過點擊按鍵可以實現藥箱內溫度設置、功能切換、開關機等功能。點擊按鍵向單片機發送指令，單片機對收到的指令進行識別處理，控制其他模塊執行相應的功能。

單片機通過PID算法將使用者發來的預設溫度與溫度模塊檢測到的實際溫度進行微積分運算，將其差值轉換成電信號，這個過程是為了調節制冷裝置的制冷功率及工作時間，從而使藥箱內的溫度達到使用者的目標溫度。由于溫度模塊接連不斷地給單片機發送實際溫度值，PID會重新計算并調整制冷裝置的制冷功率和工作時間。系統流程圖如圖9所示。

3.2? PID算法程序設計

由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據采樣許可的偏差計算控制量，而不能像模擬控制那樣連續輸出控制量進行連續控制。所以PID公式不能直接使用，必須進行離散化處理。PID算法的具體程序設計如下：

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? 系統流程圖

4? 系統測試與分析

4.1? 功能測試

將各個模塊組裝在一起，MSP430作為系統的控制核心；溫度傳感器模塊采集藥箱內溫度并將數據傳遞給單片機；半導體制冷模塊、散熱風扇對藥箱內的溫度大小進行控制；顯示屏顯示預設溫度、實際溫度、剩余電量等信息，為使用者提供藥箱系統的信息；通過按鍵調節顯示信息及工作狀態。系統由MSP430G2553單片機、溫度傳感器模塊、半導體制冷裝置、散熱風扇、OLED液晶屏、全新聚合物鋰電池電芯、電源管理芯片和穩壓電源模塊組成。每個模塊既可以獨立工作，又可以相互配合實現相應的功能。

系統具有“上切、下切、功能轉換、電源鍵”四個按鍵，通過點擊按鍵識別用戶發出的指令，這些指令會發送給單片機進行處理，部分信息會在OLED顯示屏上顯示出來，供用戶識別選擇。

4.2? 藥箱內部溫度測試

單片機接收按鍵指令設置預設溫度后，通過PID算法對制冷裝置的制冷功率及制冷時間進行計算。溫度模塊不斷地將藥箱內部的實際溫度反饋給單片機，當實際溫度與預設溫度相差很大時，半導體制冷裝置的制冷功率會隨之增大，反之，當實際溫度與預設溫度相差較小時，制冷裝置會減小制冷功率，從而減少電能消耗。測試數據如表1所示。

經測試發現，溫度模塊測得的實際溫度與電子測溫槍測得的溫度差別不大，設備測溫模塊測溫狀況正常，系統的測溫數據可供參考。

4.3? 降溫與升溫測試

準備充足的電源，選取三個不同的環境溫度進行測試：

1）第一次測試選取室外溫度為30 ℃的天氣進行測試，如表2所示。

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

2）第二次測試選取室外溫度為25 ℃的天氣進行測試，如表3所示。

同第一次測試一樣，目標溫度越低降溫效率越小，并且誤差越大。此次同時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）第三次測試創建一個環境溫度為-5 ℃的條件進行測試，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，整個系統在持續工作狀態下電子器件會發熱，同時加上半導體的制熱功能，使整個系統的升溫效果比降溫效果要好很多。測試數據如表2所示。

5? 結? 論

文章設計一款基于MSP430的低功耗智能恒溫便攜藥箱，根據系統的設計要求，完成了硬件和軟件的設計。系統設計的主要目的是為一些特殊的藥物提供合適的存儲環境，使其能夠發揮最佳藥效。通過多次測試，發現系統的升溫和降溫效果雖有差異，但基本上達到了預期效果。通過程序的調試，將誤差溫度控制在1 ℃之內，藥品儲存條件是一個范圍，1 ℃的溫差不會影響藥品的儲存。后續會繼續優化系統，不斷縮小誤差范圍。

參考文獻：

[1] 朱佳麗.基于PLC的電熔增材制造自動送絲系統的研究 [D].大慶：東北石油大學，2018.

[2] 張守信.低溫等離子體強化雙層玻璃幕墻隔熱性能研究 [D].徐州：中國礦業大學，2019.

[3] 蔣鵬.大面積X射線探測器封裝結構設計分析 [D].成都：成都理工大學，2016.

[4] 何江南.基于MSP430單片機的低功耗數顯溫度計的設計 [J].科技與創新，2015，44（20）：102+106.

[5] 周星光，李玥峰，詹世湘，等.基于半導體制冷技術的自動溫控箱的研究與設計 [J].國外電子測量技術，2019，38（9）：55-59.

[6] 徐健，吳偉.基于MSP430的半導體小冰柜控制系統設計 [J].電子世界，2016，500（14）：190-191.

[7] 甘志堅.基于平板型熱管的半導體制冷片散熱器設計及性能研究 [D].廣州：廣州大學，2016.

[8] 鄺愛華，李平.基于單片機的遠程多路溫度采集系統 [J].數字技術與應用，2015（7）：116-117.