基于復旦微MCU的半導體制冷器方案

引言與說明

現(xiàn)有的制冷技術(shù)可以分為兩大類，第一類是較為傳統(tǒng)的壓縮氣體制冷技術(shù)，主要特征為使用易壓縮氣體作為熱介質(zhì)，利用氣體變化實現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移，常見的工作氣體有氨氣、二氧化碳、氟利昂等，這些氣體泄露后會造成大氣環(huán)境污染。第二類則為近些年來新興的清潔制冷技術(shù)，常見的有半導體制冷技術(shù)和磁制冷技術(shù)，半導體制冷又稱為溫差電制冷，是一種發(fā)展較為成熟的新型制冷方式。

現(xiàn)有的國產(chǎn)新冠疫苗，保存溫度大都在2-8℃之間，其他常見疫苗也保存在這個溫度區(qū)間，例如，狂犬病疫苗、百白破疫苗、甲肝疫苗、脊髓灰質(zhì)炎糖丸、麻疹疫苗等。

本課題設(shè)計了一款用于保存疫苗的半導體制冷設(shè)備，硬件系統(tǒng)包括主控電路、制冷電路、開關(guān)檢測電路、顯示電路、照明電路等模塊；軟件系統(tǒng)包括主程序、DS18B20傳感器驅(qū)動函數(shù)、LCD屏幕驅(qū)動函數(shù)、開關(guān)檢測函數(shù)、PID算法函數(shù)，制冷片控制函數(shù)等部分。

圖制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主控芯片

處理器內(nèi)核：ARM Cortex-M0架構(gòu)，支持MPU，支持用戶/特權(quán)模式，64MHz主頻，SWD接口，24bit Systick定時器。

低功耗平臺：典型運行功耗130uA/MHz@48MHz，Sleep模式3.3uA typ，DeepSleep模式，RTC走時+全部RAM保持+CPU內(nèi)核保持，1.5uA typ。

大容量儲存器：256KB Flash空間，32 KB RAM，100000次Flash壽命，自帶用戶代碼保護功能。

豐富的模擬外設(shè)：高可靠、可配置BOR電路，超低功耗PDR電路可編程電源監(jiān)測模塊，3個低功耗模擬比較器，12bit 2Msps SAR-ADC，12bit 1Msps DAC，內(nèi)置基準電壓產(chǎn)生電路，高精度溫度傳感器（±2℃）。

通用通信接口：5個UART接口，3個LPUART接口，1個7816智能卡接口，3個主從模式SPI，1個主從模式I2C，1個CAN2.0B接口，7通道外設(shè)DMA，可編程CRC校驗模塊。

定時器資源：一個16bit高級定時器，最高PWM分辨率120MHz，3個16bit通用定時器，1個32bit基本定時器，1個16bit基本定時器，1個24bit Systick，1個32bit低功耗定時器，1個16bit低功耗定時器，2個看門狗定時器，一個低功耗實時時鐘日歷（RTCC）。

LCD資源：芯片內(nèi)部集成LCD接口，最大支持4COM×44SEG/ 6COM×42SEG/ 8COM×40SEG三種顯示方案，支持休眠顯示。

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傳感器工作介紹

本設(shè)計使用DS18B20溫度傳感器。該傳感器由DALLAS公司生產(chǎn)，工作電壓為3.3~5.5V，溫度測量范圍為-55℃~125℃，溫度測量精度為1℃，分辨率有多種選擇，分別對應(yīng)多種采樣時間，如下表所示。

DS18B20分辨率和采樣時間

根據(jù)傳感器芯片手冊編寫驅(qū)動代碼，分別有：復位函數(shù)、寫入函數(shù)、讀取函數(shù)；各函數(shù)結(jié)構(gòu)如下：

復位指令：480-960us拉低+15-60us拉高+回傳60-240us低電平

讀取指令：1us拉低+15us后讀取

寫入指令：1us拉低+15-60us中讀取

圖DS18B20復位時序

圖DS18B20讀取時序

根據(jù)時序圖的要求，我們采用延遲函數(shù)實現(xiàn)電平的延遲，采用GPIO設(shè)置函數(shù)實現(xiàn)電平的設(shè)定。在完成基礎(chǔ)函數(shù)的搭建后，根據(jù)DS18B20傳感器的工作要求，即可實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的獲取。

人機交互界面介紹

根據(jù)FM33LG048芯片內(nèi)置的LCD顯示接口，本設(shè)計采用四端口模式來實現(xiàn)人機交互，通過連接4個控制端口（設(shè)計采用PA0-PA3），25個數(shù)據(jù)端口，將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示屏上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。

溫度控制介紹

本設(shè)計采用位置型PID算法調(diào)節(jié)溫度，共有三個環(huán)節(jié)分別為：比例控制環(huán)節(jié)、積分控制環(huán)節(jié)、微分控制環(huán)節(jié)。

比例控制（P，proportion）：能夠成比例控制偏差信號。當出現(xiàn)偏差信號時，偏差信號和比例增益一起產(chǎn)生作用，因而可以提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度。的大小會直接影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，當參數(shù)過大時，系統(tǒng)反應(yīng)速度會明顯提高，但是超調(diào)量會增加，很容易產(chǎn)生振蕩。當參數(shù)過小時，系統(tǒng)反應(yīng)速度慢且調(diào)節(jié)效果差，造成大量資源浪費。因而，單純的比例控制并不能獲得穩(wěn)定的效果，需要加入積分微分環(huán)節(jié)。

積分控制（I，integral）：能夠減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差。當出現(xiàn)偏差信號時，積分環(huán)節(jié)始終會發(fā)生作用。參數(shù)決定了積分作用的強弱，的大小和積分作用呈反比關(guān)系。在積分時間充足的條件下，積分控制可以完全消除靜態(tài)誤差。但是積分控制和比例控制一樣，作用太強也會產(chǎn)生超調(diào)震蕩。

微分控制（D，differential）：能夠減小系統(tǒng)的動態(tài)誤差。當出現(xiàn)偏差信號時，微分環(huán)節(jié)能夠給出修正信號，避免偏差信號快速變大帶來的調(diào)節(jié)失效。參數(shù)決定了微分修正的大小，當過大時，系統(tǒng)誤差變化趕不上修正變化，會產(chǎn)生震蕩現(xiàn)象。當輸入沒有變化時，微分控制不起作用，因此需要和比例控制、積分控制一起使用。

PID控制器具有三者的優(yōu)點，比例控制器可以提高反應(yīng)速度，積分控制器消除靜態(tài)誤差、微分控制器預判系統(tǒng)誤差發(fā)展趨勢，選擇合適的、、可以實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)輸出量。

圖 溫度輸出函數(shù)流程圖

創(chuàng)新點

1、采用國產(chǎn)單片機芯片F(xiàn)M33LG048完成了半導體制冷系統(tǒng)設(shè)計，并制作實物設(shè)備完成性能檢測實驗。

2、開發(fā)基于FM33LG048單片機的DS18B20傳感器驅(qū)動代碼。

3、提出不同的使用場景下的制冷方案，從而為不同需求的用戶提供個性化方案。

圖系統(tǒng)制冷測試狀態(tài)（紅色LED為繼電器吸合指示燈）

圖LCD全顯示狀態(tài)圖

圖 主程序流程圖