基于嵌入式电子冷热双敷宝控制器的设计

葛贝宁，郭斌，豆文博，徐梦瑶，许方圆，王奥阳

(1.新疆农业大学计算机与信息工程学院，新疆乌鲁木齐 830052；2.智能农业教育部工程研究中心，新疆乌鲁木齐 830052；3.新疆农业信息化工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐 830052)

0 引言

在党中央和国务院的坚强领导下，“全民健身”国家战略得到了充分贯彻和落实，全民健身公共服务水平显著提升。广大民众积极参与体育锻炼，追求健康的热情日益高涨，根据最新统计数据，我国目前的体育锻炼参与率已经达到了37.2%[1]，健康中国和体育强国的战略发展正在新的征程中稳步推进。

然而，随着全民健身运动的推广，运动中产生的安全问题也日益凸显。许多强身健体的运动不可避免地伴随着受伤现象，如果不及时处理，将会对人们的身体造成不同程度的损伤。为了最大限度减少风险，应在受伤后的12小时内进行多次短时冰敷，并在12～48小时的恢复过程中进行多次热敷[2]。因此，针对此问题设计一款功能完善、可持续使用、既能冰敷又能热敷的电子设备非常必要。

随着中国科学技术的快速发展，许多电子冰敷设备应运而生。对于目前一些学者设计的电子冰袋[3]，在理论上虽具备制冷、制热的功能，但是在实际应用中难以大规模生产，并且使用太阳能充电来驱动设备，虽能达到节能环保的效果，但是太阳能充电驱动设备很容易因为电量不足导致温度控制不精确，使设备无法达到预期效果。传统的温度传导方式通常包括蒸发潜热散热和水循环温度传导两种方式，这两类方式导致温度传导效率大幅降低，并且这两类方式也会导致产品体积笨重，不易携带。因此，在功能完善、可循环使用的基础上让设备小巧便携、方便使用会更加契合需求，也会提高运动者体育锻炼的积极性，更有利于全民健身政策的推行。

1 电子冷热双敷宝控制器的介绍

在本设计中包含屏幕模块、温度控制模块、报警模块、温度传导模块以及制冷、制热模块。各模块详细功能如下：

1)屏幕模块：用于显示设备温度、系统状态并响应用户输入。屏幕显示可以让用户直观地了解当前的工作状况和温度变化。与此同时，当设备出现非正常温度时，还能显示警报信息，提醒用户及时采取措施。除此之外，用户还可以通过点击屏幕调整相关参数，以实现对整个设备的有效控制。

2) 温度控制模块：负责控制半导体制冷片的启停，保证整个系统能在用户指定的温度范围内自动调节温度。当设备温度超过或低于用户设置的阈值时，该模块会跟踪、分析并指导半导体制冷片进行工作调整，直到温度恢复正常。

3)报警模块：能够实时测量设备温度，并在温度极端情况下发出紧急警报，防止因设备温度过低或过高而导致的人身危险。

4)温度传导模块：采用导热管实现温度传递，导热管由全封闭的真空管制作，在真空管内，受热端的液体吸收热量蒸发向另一端移动，在另一端凝结释放热量以此来传递温度[4]，此模块能有效传递温度，快速达到温度平衡。

5) 制冷、制热模块：其主要实现制冷、制热的效果，并为实现温度调节提供关键依据。制冷模式会在系统检测到设备温度高于设定阈值时启动，而当设备温度低于设定阈值时，将自动开启制热模式。此模块能够快速有效地调节温度，确保整个系统安全、稳定地运行。

图1 电子冷热双敷宝控制器硬件模块图

本设计屏幕采用TJC4832T135_011 触摸屏，核心控制元件采用STM32F407VET6微控制器，制冷、制热设备采用型号为SR_01的半导体制冷片，温度采集采用DHT11温度传感器，报警系统装备采用TMB12A蜂鸣器以及半导体制冷片驱动模块采用L298N 驱动设备。具体的硬件电路连接方式如图2所示。

图2 电子冷热双敷宝控制器的硬件电路图

2 电子冷热双敷宝的制冷、制热原理

本设计采用半导体制冷片作为制冷和制热元件，其工作原理基于帕尔贴原理实现制冷和制热的功能，是建立在两种半导体材料，即N 型和P型半导体材料组成的偶元件之上。偶元件的两端连接着金属散热片，中央位置是一个热电芯片。在外界电场的作用下，电子会在偶元件上自由移动，从而产生热电效应，使其中一端变冷，另一端变热。这种设计可以实现冷热转换，并有效地控制温度，同时避免了传统制冷方式所带来的笨重和高能耗等问题。

根据温差电效应方程：

其中Qp为产生的热量或冷量，α 为温差电动势率，I是制冷片正负极间电流大小，Tc是制冷片的制冷端温度，Th是制冷片的制热端温度，R 是制冷片的等效电阻，K 是制冷片的热传导系数[5-6]。由此方程可见，当半导体制冷片的两端电压U 改变时，其Qp正负也会发生变化，因此通过调节半导体制冷片正负极间电压的方向，半导体制冷片便可实现在一侧吸收热量的同时，在另一侧释放热量的降温过程或者实现在一侧吸收热量的同时，在另一侧释放热量的加热过程，即实现一端制热，另一端制冷的效果[7]。

图3 半导体制冷片的制冷、制热原理

3 半导体制冷片的温度控制原理

因STM32端口驱动能力不足，会导致半导体制冷片无法正常工作，因此使用L298N驱动模块的12V输出来驱动半导体制冷片和散热风扇。通过STM32 控制L298N驱动模块的逻辑输入口，以此控制12V输出端的电压方向进而控制半导体制冷片产生制冷或者制热的效果[8]。因为半导体制冷片正负极间电压越大，其制冷或制热效率越高，因此通过调节PWM的占空比来控制L298N驱动模块的使能端，以实现对输出电压大小的控制，以此来控制温度的高低[9]。通过DHT11温度传感器来监测导热管的温度，当达到设定温度后，降低半导体制冷片的两端电压，进而稳定导热管的温度。

在温度控制模块中，通过调节PWM的占空比，将半导体制冷片的工作效率设置为3个档位，高档位的占空比最大，使导热管的温度快速地接近额定温度后，再通过中档位更加准确地控制温度的变化，最终达到额定温度后，使用低档位来稳定导热管的温度[10-11]。

温度的具体调节则是通过DHT11 测量导热管的温度，并与设定的阈值进行比较，如果阈值小于导热管的温度，则降低半导体制冷片两端的电压，使半导体制冷片的温度降至设定的阈值附近。如果阈值与导热管温度值相差较大，则使用高档位来控制半导体制冷片，使温度快速达到阈值附近，待两者温度接近后，使用低档位来降低半导体制冷片的功率，以实现温度的稳定输出。具体温度控制流程图如图4所示。

图4 温度控制流程图

4 屏幕与STM32交互的设计

4.1 屏幕的布局设计

在初始界面中放置各个子界面的入口按钮，包括温度调节、定时设置、数据显示、模式选择和暂停。屏幕初始界面如图5所示。

图5 屏幕初始界面

在温度调节界面，可以通过滑块来调节所需温度，并在下方显示框中显示设置的具体值，最后，按下确定按钮之后便向STM32 发送设定的温度。温度调节界面如图6所示。

图6 温度调节界面

在定时设置界面，通过点击输入框即可输入所要设置的工作时间，最后，按下确定按钮之后便向STM32发送设定的时间。定时设置界面如图7所示。

图7 定时设置界面

在数据显示界面，可以查看当前温度、定时时间、定时剩余时间、工作模式等信息。数据显示界面如图8所示。

图8 数据显示界面

在模式选择界面中包含发热工作模式、崴脚工作模式、敷眼工作模式等选项，点击所要使用的模式即可使设备进入工作状态。模式选择界面如图9所示。

图9 模式选择界面

4.2 屏幕交互协议编码的设计

通过点击输入单元，对屏幕进行参数设置或指令操作后，会调用prints 函数产生八位十六进制的信息码，然后通过串口协议传输到STM32。需要对产生的信息码进行编码，具体如下：

正温度的编码公式为：Plu_T=t(t 为所设置的温度，单位为°C)。

负温度编码公式为：Minus_T=-1*t+512(t为所设置的温度,单位为°C)。

定时时间编码公式为：Clock_Time=nc0.val+256(nc0.val为所设置的时间，单位为分钟）。

STM32 在接收到信息后需要调用HAL_UART_Receive 函数获取屏幕发送的数据，随后对信息码进行解析，第一、二位代表传输的具体数据，第三、四位代表传输的类型，其中00代表正温度值，01代表定时时间值，02 代表负温度值，03 代表暂停功能，31 代表模式选择，后四位代表空闲数据，其值为0。STM32通过调用HAL_UART_Receive 函数接收屏幕发送的数据，并将其保存到数组中。

STM32 通过调用UART 中的HAL_UART_Transmit 函数向屏幕发送数据，发送时将数据按照预先设置的格式存储在寄存器中，然后通过UART 模块中的发送缓冲区将其发送给屏幕，在向屏幕发送数据时需要注意屏幕接收数据的格式，格式不正确将导致STM32无法控制屏幕。

屏幕接收的命令字的格式如下：

XX1 位表示控件类型，XX2 位表示属性值，XX3表示传送的具体内容，XFF/XFF/XFF表示结束语。

XX1位表示全局变量名，XX2位表示给全局变量所赋的值，XFF/XFF/XFF表示结束语。

5 结束语

本文提出的电子冷热双敷宝控制器采用STM32控制屏幕、温度控制、报警、温度传导以及制冷、制热五个主要模块。该电子冷热双敷宝控制器具有制冷、制热、温度控制、定时报警、精准调控等功能，用户可以通过屏幕自由调节所需的温度，并根据不同的需求选择相应的工作模式。该设计可以取代了传统的冰块冰敷方式，可以随时、多次循环使用，便携且方便。其在辅助医疗方面具有非常广阔发展前景。