基于單片機(jī)的智能化胰島素冷藏系統(tǒng)

方璐　吳松　楊勇

摘 要： 該系統(tǒng)采用模塊化硬件設(shè)計(jì)方法，以STM32單片機(jī)為控制核心，通過數(shù)字式溫度傳感器DS18B20反饋溫度參數(shù)并利用PID算法控制H橋電路驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷片調(diào)節(jié)箱體溫度，實(shí)現(xiàn)了胰島素的冷藏系統(tǒng)的溫度智能調(diào)控。箱體溫度可通過按鍵連續(xù)調(diào)節(jié)設(shè)置并通過液晶屏實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)還可以根據(jù)患者設(shè)定的胰島素注射時(shí)間，定時(shí)提醒糖尿病患者按時(shí)注射胰島素。該冷藏系統(tǒng)為糖尿病患者提供了便攜、穩(wěn)定、高度可靠的胰島素冷藏裝置，也可廣泛應(yīng)用于其他醫(yī)療恒溫設(shè)備中。

關(guān)鍵詞： 胰島素冷藏； 半導(dǎo)體制冷器； STM32； PID控制

中圖分類號(hào)： TN301.2?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）16?0094?04

Abstract： In order to realize the temperature intelligent control of the insulin refrigeration system， the modularization hardware design method is adopted in this system， the STM32 MCU is taken as the control core， the digital temperature sensor DS18B20 is used to feed back the temperature parameter， and the PID algorithm is employed to control the H?bridge circuit to drive the semiconductor refrigeration chip and adjust the box temperature. The box temperature can be set by means of button continuous adjustment， and displayed through LCD screen in real time. The system can set the insulin injection time according to user′s setting， and remind the diabetics to inject the insulin on time. The refrigeration system provides a portable， stable， highly?reliable insulin refrigeration unit for diabetics， and can be widely applied to other medical thermostatic devices.

Keywords： insulin refrigeration； semiconductor cooler； STM32； PID control

0 引 言

隨著城市生活節(jié)奏增快，各種不健康的生活方式導(dǎo)致糖尿病患者數(shù)量越來越多[1]。對(duì)于比較嚴(yán)重的糖尿病患者現(xiàn)在的醫(yī)療條件只能采用注射胰島素的方法緩解病情，提供身體所需的胰島素。胰島素須在2～8 ℃的環(huán)境中保存，以保持其活性[2]，對(duì)于長(zhǎng)期出差的糖尿病患者，如何方便且長(zhǎng)時(shí)間攜帶胰島素成了一大難題。針對(duì)該問題，開發(fā)了基于單片機(jī)的嵌入式胰島素冷藏系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為控制核心，通過數(shù)字式溫度傳感器DS18B20反饋溫度參數(shù)并利用PID算法調(diào)節(jié)，單片機(jī)控制H橋電路驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷片調(diào)節(jié)箱體溫度，實(shí)現(xiàn)了胰島素的冷藏系統(tǒng)的智能調(diào)控。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，溫度控制精準(zhǔn)，操作簡(jiǎn)單，并且此系統(tǒng)可開發(fā)性極高，可移植應(yīng)用于其他醫(yī)用恒溫設(shè)備。

1 硬件設(shè)計(jì)開發(fā)

系統(tǒng)采用模塊化電路設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)清晰，主控芯片采用STM32F103RBT6，整個(gè)系統(tǒng)由主控模塊、溫度測(cè)量模塊、溫度調(diào)控模塊、實(shí)時(shí)顯示模塊、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊，藍(lán)牙模塊以及電源調(diào)理模塊等模塊構(gòu)成[3?6]。其原理框圖如圖1所示。

系統(tǒng)上電工作后，單片機(jī)根據(jù)溫度測(cè)量模塊傳回?cái)?shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)前箱體溫度并與預(yù)設(shè)溫度作比較，然后經(jīng)PID算法輸出PWM調(diào)控信號(hào)驅(qū)動(dòng)溫度調(diào)控模塊進(jìn)行加熱或制冷，使箱體溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度從而實(shí)現(xiàn)胰島素的恒溫冷藏。同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的所有參數(shù)均在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。各模塊具體功能實(shí)現(xiàn)如下。

1.1 主控模塊

主控芯片采用STM32F103RBT6（STM32）[7]，STM32是一款基于高性能ARMCor?tex?M3架構(gòu)內(nèi)核的32位微控制器。相比價(jià)格便宜的51系列單片機(jī)，STM32有64個(gè)腳，I/O資源豐富，并且內(nèi)部定時(shí)器具有PWM波調(diào)制模式，可以方便地控制溫度調(diào)控模塊的工作狀態(tài)，而51系列單片機(jī)則沒有這么多可開發(fā)資源。該芯片整體功能強(qiáng)大，資源豐富，很合適作為本文系統(tǒng)的邏輯控制處理芯片。所以該系統(tǒng)選擇了STM32F103RBT6作為主控芯片。

1.2 溫度測(cè)量模塊

溫度測(cè)量選用美國(guó)DALLAS公司的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20[8]。DS18B20測(cè)溫范圍-55～125 ℃，測(cè)溫分辨率高達(dá)0.062 5 ℃，溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為 750 ns，并且用戶可以設(shè)定報(bào)警溫度，存放于ROM中。它具有獨(dú)特的單總線接口方式，體積小易于安裝、低功耗、高精度、抗干擾能力強(qiáng)。在與單片機(jī)連接時(shí)僅需要一條數(shù)據(jù)線即可與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向通信，并且輸入/輸出均為數(shù)字信號(hào)。實(shí)際應(yīng)用中不需要任何外部器件就可實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，這使得使用變得非常簡(jiǎn)單，程序上得到了很大的優(yōu)化。傳統(tǒng)模擬式溫度傳感器需要配合放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路才能完成，設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，還要考慮溫漂等因素的影響，精度有限，不適用于此精度穩(wěn)定性要求較高的冷藏系統(tǒng)。故本系統(tǒng)采用DS18B20作為溫度采集傳感器。溫度傳感器的連接電路如圖2所示。endprint

1.3 溫度調(diào)控模塊

溫度調(diào)控模塊采用型號(hào)為XH?C0501的C系列高端半導(dǎo)體制冷片[9]。半導(dǎo)體制冷片也叫熱電制冷片，通過改變直流電流的極性來決定在同一制冷片上實(shí)現(xiàn)制冷或加熱的功能，具有可靠性高、環(huán)保節(jié)能、高效制冷等特點(diǎn)。根據(jù)半導(dǎo)體制冷片的工作原理及特性，本系統(tǒng)利用4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管搭建H橋驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷片，實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)控，設(shè)計(jì)電路如圖3所示。

1.4 溫度實(shí)時(shí)顯示模塊

溫度實(shí)時(shí)顯示使用了USART HMI串口屏，USART HMI串口屏內(nèi)部集成GPU、字庫、圖片等，采用串口指令調(diào)試，可通過上位機(jī)進(jìn)行界面編輯，且支持多種組態(tài)控件，支持模擬器和設(shè)備同步調(diào)試。其功能十分強(qiáng)大，用在此系統(tǒng)中，除了實(shí)時(shí)顯示參數(shù)外，還進(jìn)行一些其他系統(tǒng)參數(shù)的顯示，如時(shí)間、預(yù)設(shè)溫度以及一些附加功能。其驅(qū)動(dòng)電路十分簡(jiǎn)單，如圖4所示。

1.5 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置通過三個(gè)輕觸按鍵實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)掃描按鍵，判斷按鍵狀態(tài)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入功能，其電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

1.6 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊采用低功耗RF?BM?S01透?jìng)魉{(lán)牙模塊，該模塊已集成電路功能，使用只需電源供電以及串口數(shù)據(jù)收發(fā)即可，外圍電路簡(jiǎn)單。

在本系統(tǒng)中，可通過藍(lán)牙模塊將系統(tǒng)參數(shù)發(fā)送至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)更多的可開發(fā)性功能。

1.7 電源處理模塊

1.7.1 電壓調(diào)理部分

由于系統(tǒng)采用3.7 V鋰電池供電，而單片機(jī)供電電壓為3.3 V，溫度傳感器供電電壓為5 V，所以，需設(shè)計(jì)升壓降壓電路，升壓采用TI公司的TPS61032升壓芯片實(shí)現(xiàn)見圖6。降壓采用線性集成穩(wěn)壓芯片AMS1117?3.3實(shí)現(xiàn)見圖7。

1.7.2 電源管理部分

此部分電路為電源充電管理，由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用4節(jié)18650電池并聯(lián)供電，其充電電壓應(yīng)小于5 V，所以系統(tǒng)采用USB對(duì)電池進(jìn)行充電，同時(shí)使用電源管理芯片TP4056對(duì)充電電壓電流進(jìn)行管理，5 V的充電電源由專用的USB適配器提供，這里不做贅述。充電管理具體設(shè)計(jì)電路如圖8所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)所設(shè)計(jì)硬件電路，系統(tǒng)軟件控制流程如圖 9 所示。系統(tǒng)上電工作后，單片機(jī)通過溫度傳感器采集當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)，與預(yù)設(shè)溫度閾值比較并計(jì)算其差值，然后通過PID算法計(jì)算輸出合適的PWM波驅(qū)動(dòng)H橋電路，從而控制半導(dǎo)體制冷片制冷或加熱，使冷藏腔中溫度最終恒定在預(yù)設(shè)溫度值附近。同時(shí)，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的胰島素注射時(shí)間，系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)，提醒糖尿病患者按時(shí)注射胰島素，避免因遺忘而對(duì)病人的生命造成危險(xiǎn)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，如胰島素盒子溫度，電池電量，胰島素注射報(bào)警燈，可通過藍(lán)牙模塊發(fā)送數(shù)據(jù)至上位機(jī)，以實(shí)現(xiàn)更多嵌入式功能的開發(fā)。

本系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，溫度的調(diào)節(jié)主要是負(fù)反饋調(diào)節(jié)。在本系統(tǒng)中，PID功能是利用溫度的設(shè)定值和反饋信號(hào)（實(shí)際溫度值）的差值不斷比較，隨后通過控制不斷調(diào)整以適應(yīng)參數(shù)的變化，最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)平衡。目標(biāo)信號(hào)和反饋信號(hào)無限接近，即差值很小，從而滿足調(diào)節(jié)的精度；另一方面，調(diào)節(jié)信號(hào)具有一定的幅度，以保證調(diào)節(jié)的靈敏度。解決這一矛盾的方法就是事先將差值信號(hào)進(jìn)行放大。比例增益P就是用來設(shè)置差值信號(hào)的放大系數(shù)。一般在初次調(diào)試時(shí)，P可按中間偏大值預(yù)置，待系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)再按實(shí)際情況進(jìn)行細(xì)調(diào)[10?11]。

受傳感器安裝位置、半導(dǎo)體制冷片大小的影響，溫度參數(shù)存在較大的滯后效應(yīng)，也就是電路部分有較大慣性。調(diào)節(jié)結(jié)果達(dá)到最佳值時(shí)不能立即停止，導(dǎo)致“超調(diào)”，然后反過來調(diào)整，再次超調(diào)，形成振蕩。所以在濕度值為此引入積分環(huán)節(jié)I，其效果是，使經(jīng)過比例增益P放大后的差值信號(hào)在積分時(shí)間內(nèi)逐漸增大（或減小），從而減緩變化速度，防止振蕩。但積分時(shí)間I太長(zhǎng)，當(dāng)反饋信號(hào)急劇變化時(shí)，被控物理量難以迅速恢復(fù)。因此，I的取值與拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)，拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較小時(shí)，積分時(shí)間應(yīng)短些；拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較大時(shí)，積分時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)些。微分時(shí)間D是根據(jù)差值信號(hào)變化的速率，提前給出一個(gè)相應(yīng)的調(diào)節(jié)動(dòng)作，從而縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，克服因積分時(shí)間過長(zhǎng)而使恢復(fù)滯后的缺陷。D的取值也與拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)，拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較小時(shí)，微分時(shí)間應(yīng)短些；反之，拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較大時(shí)，微分時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)些。經(jīng)過試驗(yàn)，得出較為合適一組數(shù)據(jù)： PID參數(shù)比例單元（P）10、積分單元（I）2.2、和微分單元（D）0.5。通過此調(diào)節(jié)方案，系統(tǒng)溫度可以很精確地穩(wěn)定在預(yù)設(shè)溫度值，從而提高了冷藏系統(tǒng)的存儲(chǔ)精度。

3 結(jié)果與討論

基于單片機(jī)的嵌入式胰島素冷藏系統(tǒng)研發(fā)實(shí)物如圖10所示。

本系統(tǒng)使用的每節(jié)18650電池容量為3 000 mA·h，電池組總?cè)萘繛?2 000 mA·h，制冷片為XH?C0501的C系列高端半導(dǎo)體制冷片，其額定功率為5.5 W，但由于電池電壓低于5 V，實(shí)際最大功率為4.4 W。根據(jù)實(shí)際測(cè)量，系統(tǒng)在工作時(shí)每小時(shí)約有14 min處于待機(jī)狀態(tài)，其余時(shí)間為制冷狀態(tài)，而除去溫度調(diào)控部分功耗外，控制系統(tǒng)功耗為0.4 W，系統(tǒng)制冷電流I1=[4.2 V5 V25.5 W+0.4 W4.2 V]≈1.02 A；待機(jī)工作電流I2=[0.4 W4.2 V]=95.2 mA；平均工作電流I=I1×[4660]+I2×[1460]≈0.804 A。續(xù)航時(shí)間T=[QI]=

[12 000804]≈14.925 h。

從電池耗電情況和理論分析計(jì)算來看，電池的理論續(xù)航時(shí)間可達(dá)到14.9 h左右，但從圖11中的系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試曲線得到的電池實(shí)際工作時(shí)間約為10 h。這是在實(shí)際測(cè)試過程中，外界環(huán)境溫度的變化，以及盒子密封性引起的系統(tǒng)散熱性的改變等外界因素會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的平均功耗增大，從而縮短電池續(xù)航時(shí)間。除此之外，在室溫較高情況下，盒內(nèi)外溫差大，溫度流失速度快，電池續(xù)航時(shí)間較短，制冷功率較大；室溫較低時(shí)電池續(xù)航時(shí)間較長(zhǎng)，制冷功耗較低。室溫以及設(shè)定溫度都會(huì)對(duì)電池續(xù)航時(shí)間產(chǎn)生較大的影響。系統(tǒng)的制冷能力測(cè)試結(jié)果如圖12（設(shè)定溫度6 ℃）、圖13（設(shè)定溫度5 ℃）、圖14（設(shè)定溫度3 ℃）所示。從圖中可以看出，在不同的設(shè)定溫度下，系統(tǒng)都有著較好的溫度穩(wěn)定性，穩(wěn)定后的溫度波動(dòng)范圍在±1 ℃內(nèi)。冷藏盒內(nèi)的溫度到達(dá)設(shè)定溫度所需的時(shí)間隨著設(shè)定溫度的降低而增加，分別為20 min（6 ℃），28 min（5 ℃），50 min（3 ℃）。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的智能胰島素冷藏系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了胰島素的便攜式冷藏以及胰島素注射時(shí)間的智能提醒，可為糖尿病患者提供極大的便利。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，該冷藏系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，溫度可控性良好。該系統(tǒng)可開發(fā)性高，在此系統(tǒng)上可實(shí)現(xiàn)其他嵌入式功能開發(fā)，使得其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。可推廣到其他醫(yī)療恒溫箱、車載冰箱，便攜式冷藏應(yīng)用設(shè)備中。

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