基于复旦微MCU的半导体制冷器方案

引言与说明

现有的制冷技术可以分为两大类，第一类是较为传统的压缩气体制冷技术，主要特征为使用易压缩气体作为热介质，利用气体变化实现热量转移，常见的工作气体有氨气、二氧化碳、氟利昂等，这些气体泄露后会造成大气环境污染。第二类则为近些年来新兴的清洁制冷技术，常见的有半导体制冷技术和磁制冷技术，半导体制冷又称为温差电制冷，是一种发展较为成熟的新型制冷方式。

现有的国产新冠疫苗，保存温度大都在2-8℃之间，其他常见疫苗也保存在这个温度区间，例如，狂犬病疫苗、百白破疫苗、甲肝疫苗、脊髓灰质炎糖丸、麻疹疫苗等。

本课题设计了一款用于保存疫苗的半导体制冷设备，硬件系统包括主控电路、制冷电路、开关检测电路、显示电路、照明电路等模块；软件系统包括主程序、DS18B20传感器驱动函数、LCD屏幕驱动函数、开关检测函数、PID算法函数，制冷片控制函数等部分。

图制冷系统结构图

主控芯片

处理器内核：ARM Cortex-M0架构，支持MPU，支持用户/特权模式，64MHz主频，SWD接口，24bit Systick定时器。

低功耗平台：典型运行功耗130uA/MHz@48MHz，Sleep模式3.3uA typ，DeepSleep模式，RTC走时+全部RAM保持+CPU内核保持，1.5uA typ。

大容量储存器：256KB Flash空间，32 KB RAM，100000次Flash寿命，自带用户代码保护功能。

丰富的模拟外设：高可靠、可配置BOR电路，超低功耗PDR电路可编程电源监测模块，3个低功耗模拟比较器，12bit 2Msps SAR-ADC，12bit 1Msps DAC，内置基准电压产生电路，高精度温度传感器（±2℃）。

通用通信接口：5个UART接口，3个LPUART接口，1个7816智能卡接口，3个主从模式SPI，1个主从模式I2C，1个CAN2.0B接口，7通道外设DMA，可编程CRC校验模块。

定时器资源：一个16bit高级定时器，最高PWM分辨率120MHz，3个16bit通用定时器，1个32bit基本定时器，1个16bit基本定时器，1个24bit Systick，1个32bit低功耗定时器，1个16bit低功耗定时器，2个看门狗定时器，一个低功耗实时时钟日历（RTCC）。

LCD资源：芯片内部集成LCD接口，最大支持4COM×44SEG/ 6COM×42SEG/ 8COM×40SEG三种显示方案，支持休眠显示。

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传感器工作介绍

本设计使用DS18B20温度传感器。该传感器由DALLAS公司生产，工作电压为3.3~5.5V，温度测量范围为-55℃~125℃，温度测量精度为1℃，分辨率有多种选择，分别对应多种采样时间，如下表所示。

DS18B20分辨率和采样时间

寄存器R1R0	分辨率	采样时间
00	0.5℃	93.75ms
01	0.25℃	187.5ms
10	0.125℃	375ms
11	0.0625℃	750ms

根据传感器芯片手册编写驱动代码，分别有：复位函数、写入函数、读取函数；各函数结构如下：

复位指令：480-960us拉低+15-60us拉高+回传60-240us低电平

读取指令：1us拉低+15us后读取

写入指令：1us拉低+15-60us中读取

图DS18B20复位时序

图DS18B20读取时序

根据时序图的要求，我们采用延迟函数实现电平的延迟，采用GPIO设置函数实现电平的设定。在完成基础函数的搭建后，根据DS18B20传感器的工作要求，即可实现温度数据的获取。

人机交互界面介绍

根据FM33LG048芯片内置的LCD显示接口，本设计采用四端口模式来实现人机交互，通过连接4个控制端口（设计采用PA0-PA3），25个数据端口，将温度数据发送到显示屏上，实现数据的可视化。

温度控制介绍

本设计采用位置型PID算法调节温度，共有三个环节分别为：比例控制环节、积分控制环节、微分控制环节。

比例控制（P，proportion）：能够成比例控制偏差信号。当出现偏差信号时，偏差信号和比例增益一起产生作用，因而可以提高系统的反应速度。的大小会直接影响系统稳定性，当参数过大时，系统反应速度会明显提高，但是超调量会增加，很容易产生振荡。当参数过小时，系统反应速度慢且调节效果差，造成大量资源浪费。因而，单纯的比例控制并不能获得稳定的效果，需要加入积分微分环节。

积分控制（I，integral）：能够减小系统的稳态误差和静态误差。当出现偏差信号时，积分环节始终会发生作用。参数决定了积分作用的强弱，的大小和积分作用呈反比关系。在积分时间充足的条件下，积分控制可以完全消除静态误差。但是积分控制和比例控制一样，作用太强也会产生超调震荡。

微分控制（D，differential）：能够减小系统的动态误差。当出现偏差信号时，微分环节能够给出修正信号，避免偏差信号快速变大带来的调节失效。参数决定了微分修正的大小，当过大时，系统误差变化赶不上修正变化，会产生震荡现象。当输入没有变化时，微分控制不起作用，因此需要和比例控制、积分控制一起使用。

PID控制器具有三者的优点，比例控制器可以提高反应速度，积分控制器消除静态误差、微分控制器预判系统误差发展趋势，选择合适的、、可以实现快速调节输出量。

图 温度输出函数流程图

创新点

1、采用国产单片机芯片FM33LG048完成了半导体制冷系统设计，并制作实物设备完成性能检测实验。

2、开发基于FM33LG048单片机的DS18B20传感器驱动代码。

3、提出不同的使用场景下的制冷方案，从而为不同需求的用户提供个性化方案。

图系统制冷测试状态（红色LED为继电器吸合指示灯）

图LCD全显示状态图

图 主程序流程图