基于MSP430的低功耗智能恒温药箱设计

张丽芳

摘  要：为解决药品的低温存储问题，设计一款便携式智能恒温药箱系统。该系统以MSP430G2553单片机作为控制器，包含DS18B20温度模块、TEC1-0490制冷模块、散热模块、OLED显示模块、稳压模块、薄膜键盘、电源模块等部件。系统开机后，可以通过按键为药箱设定一个合适的存储温度，同时温度模块将药箱内部的实际温度发送给单片机，通过PID算法调节制冷模块的制冷功率，有效降低功耗。整个系统采用内部电源和外部电源两种供电方式，延长了系统的持续工作时间。

关键词：MSP430G2553单片机；恒温药箱；PID算法

中图分类号：TP368.1  文献标识码：A  文章编号：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、胰岛素、增加免疫力的丙球蛋白等医疗药品攻克了很多疾病，但是，这些药品的存储仍是个棘手的问题。温度太低会使这些药品处于休眠状态，而温度过高又会使其失去活性。为了解决这个问题，各种保温箱、冰箱、冰袋等低温储存方式相继推出，像冰箱这种储存设备只适合那些大量存储生物试剂的乡级以上医疗机构使用。单独使用一个冰箱会造成资源浪费，使用家用冰箱，又会与冰箱内的其他物品产生交叉感染。为此设计一款基于MSP430的低功耗智能恒温药箱。

1  总体设计方案

低功耗智能恒温药箱系统由七个独立且相互联系的模块组成。其中，MSP430G2553单片机属于系统的控制核心；DS18B20温度传感器模块用于检测药箱内的实时温度；TEC1-0490制冷模块和散热模块用于降低药箱内的温度；OLED显示模块用于显示实际温度、目标温度、剩余电量等；系统采用聚合物锂电池为各部分供电，同时也支持充电宝等外部电源供电。系统总体设计框图如图1所示。

2  硬件电路设计

2.1  微处理器模块

系统采用的微处理器是MSP430G2553单片机，与其他类型的单片机相比，此单片机具有能耗低、运行速度快等优势。它采用1.8～3.6 V低电压工作，拥有5种节能工作模式，有效降低了控制器的能耗，可以在极短的时间内从待机模式被唤醒，并且拥有高效的开发调试环境。它通过强大的运算能力处理每个模块传递的数据信息，并控制各个模块相互协同工作。MSP430G2553电路图如图2所示。

2.2  温度传感器模块

系统采用DS18B20温度传感器进行温度测量。DS18B20温度测量范围广，精度高，传输的数据可达9位，供电方式可以是外部供电，也可以由寄生的电源供电。DS18B20具有高负压特性，可以保证接错的情况下不会被损坏。DS18B20还拥有单总线的特点，由于每个DS18B20都具有不同的序列号，一条单总线上能够同时存在几个DS18B20，这也使得电路变得更加简单。因此，DS18B20可以配置到各个地方，同时完成多点测温的功能。如图3所示为温度模块的电路图。

2.3  制冷模块

系统采用TEC1-0490半导体制冷装置进行降温，额定电压5 V，输入功率30 W，制冷功率21 W。从工作原理来看，制冷装置是一个可以实现热量传输的工具。当半导体材料有电流通过时，半导体自身的电阻就会产生热量，从而影响热传导。两个板块之间的热量通过空气和半导体材料本身以反向热量传输。当两个热传递能量相等时，就会达到一个平衡点，正反向热传递相互抵消，冷热端的温度不会继续变化。如图4所示为半导体制冷装置的电路图。

2.4  散热模块

系统采用的是直流散热风扇，这种风扇的功率越大转速越快，可以将系统内部与外部的空气流通，有很强的散热效果。将制冷模块贴在风扇背面，可以提升制冷模块的制冷效果，从而迅速将药箱内部的温度降下来。如图5所示为风扇的电路图。

2.5  电源模块

系统采用聚合物锂电池为设备供电。配备3.7V20AH聚合物锂电池，能量高，体积小，呈扁平形态，安全性高，安放在药箱底部，不影响整体结构大小。

为方便充电，为系统连接一个广为使用的type-c接口，与大部分人使用的安卓手机充电器相同，方便使用。如图6所示为锂电池的充电电路图。

2.6  按键模块

按键模块采用的是薄膜按键，薄膜背面有很多导电的金属点，当按键被按下后，那些导电的金属点会接通下面的电路，达到回路效果，微控制器会根据接通的回路电路识别使用者发来的各种命令。系统通过这四个按键实现温度设置、功能切换及系统开启。如图7所示为薄膜按键电路图。

2.7  OLED显示模块

系统采用OLED显示屏，OLED显示屏屏幕是由一种特殊的有机发光半导体材料制成的，借助发光二极管自动发光，二极管内部有电流通过时正向导通，OLED显示屏就会因多个二极管发光而被点亮。在系统设计中，OLED显示屏主要用于显示药箱内部温度、剩余电量、温度设置面板等信息。如图8所示为显示模块的连接图。

3  系统软件设计

3.1  系统程序流程设计

智能恒温药箱的目标温度控制是通过按键来实现的，当药箱内温度高于目标温度时，制冷装置便开始制冷，温度差的越大，制冷功率越高。当温度无限接近预设温度时，制冷功率不断减小，直至停止运行，此时药箱内的实际温度也会显示在OLED液晶屏上。控制程序由一个主函数程序和各模块的子程序构成，其中包括OLED的数据及文字显示、温度传感器监测药箱内温度的程序、通过按键控制药箱内温度高低的程序、风扇的开关程序等。

系统每个模块的程序都是独立设计的。首先是按键程序设计，通过点击按键可以实现药箱内温度设置、功能切换、开关机等功能。點击按键向单片机发送指令，单片机对收到的指令进行识别处理，控制其他模块执行相应的功能。

单片机通过PID算法将使用者发来的预设温度与温度模块检测到的实际温度进行微积分运算，将其差值转换成电信号，这个过程是为了调节制冷装置的制冷功率及工作时间，从而使药箱内的温度达到使用者的目标温度。由于温度模块接连不断地给单片机发送实际温度值，PID会重新计算并调整制冷装置的制冷功率和工作时间。系统流程图如图9所示。

3.2  PID算法程序设计

由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样许可的偏差计算控制量，而不能像模拟控制那样连续输出控制量进行连续控制。所以PID公式不能直接使用，必须进行离散化处理。PID算法的具体程序设计如下：

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;}

图9  系统流程图

4  系统测试与分析

4.1  功能测试

将各个模块组装在一起，MSP430作为系统的控制核心；温度传感器模块采集药箱内温度并将数据传递给单片机；半导体制冷模块、散热风扇对药箱内的温度大小进行控制；显示屏显示预设温度、实际温度、剩余电量等信息，为使用者提供药箱系统的信息；通过按键调节显示信息及工作状态。系统由MSP430G2553单片机、温度传感器模块、半导体制冷装置、散热风扇、OLED液晶屏、全新聚合物锂电池电芯、电源管理芯片和稳压电源模块组成。每个模块既可以独立工作，又可以相互配合实现相应的功能。

系统具有“上切、下切、功能转换、电源键”四个按键，通过点击按键识别用户发出的指令，这些指令会发送给单片机进行处理，部分信息会在OLED显示屏上显示出来，供用户识别选择。

4.2  药箱内部温度测试

单片机接收按键指令设置预设温度后，通过PID算法对制冷装置的制冷功率及制冷时间进行计算。温度模块不断地将药箱内部的实际温度反馈给单片机，当实际温度与预设温度相差很大时，半导体制冷装置的制冷功率会随之增大，反之，当实际温度与预设温度相差较小时，制冷装置会减小制冷功率，从而减少电能消耗。测试数据如表1所示。

经测试发现，温度模块测得的实际温度与电子测温枪测得的温度差别不大，设备测温模块测温状况正常，系统的测温数据可供参考。

4.3  降温与升温测试

准备充足的电源，选取三个不同的环境温度进行测试：

1）第一次测试选取室外温度为30 ℃的天气进行测试，如表2所示。

通过测试发现，在10 ℃到20 ℃之间降温效果误差很小，并且降温耗时很短，10 ℃以下温度越低误差越大，误差范围在1 ℃以内。

2）第二次测试选取室外温度为25 ℃的天氣进行测试，如表3所示。

同第一次测试一样，目标温度越低降温效率越小，并且误差越大。此次同时检测了药箱的保温效果，虽然温度值不是一直恒定，但波动范围不大，在±0.5 ℃度之间。

3）第三次测试创建一个环境温度为-5 ℃的条件进行测试，如表4所示。

与前两次测试不同，此次测试的是智能药箱的升温效果，整个系统在持续工作状态下电子器件会发热，同时加上半导体的制热功能，使整个系统的升温效果比降温效果要好很多。测试数据如表2所示。

5  结  论

文章设计一款基于MSP430的低功耗智能恒温便携药箱，根据系统的设计要求，完成了硬件和软件的设计。系统设计的主要目的是为一些特殊的药物提供合适的存储环境，使其能够发挥最佳药效。通过多次测试，发现系统的升温和降温效果虽有差异，但基本上达到了预期效果。通过程序的调试，将误差温度控制在1 ℃之内，药品储存条件是一个范围，1 ℃的温差不会影响药品的储存。后续会继续优化系统，不断缩小误差范围。

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