基于单片机的智能化胰岛素冷藏系统

方璐　吴松　杨勇

摘 要： 该系统采用模块化硬件设计方法，以STM32单片机为控制核心，通过数字式温度传感器DS18B20反馈温度参数并利用PID算法控制H桥电路驱动半导体制冷片调节箱体温度，实现了胰岛素的冷藏系统的温度智能调控。箱体温度可通过按键连续调节设置并通过液晶屏实时显示。系统还可以根据患者设定的胰岛素注射时间，定时提醒糖尿病患者按时注射胰岛素。该冷藏系统为糖尿病患者提供了便携、稳定、高度可靠的胰岛素冷藏装置，也可广泛应用于其他医疗恒温设备中。

关键词： 胰岛素冷藏； 半导体制冷器； STM32； PID控制

中图分类号： TN301.2?34 文献标识码： A 文章编号： 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

随着城市生活节奏增快，各种不健康的生活方式导致糖尿病患者數量越来越多[1]。对于比较严重的糖尿病患者现在的医疗条件只能采用注射胰岛素的方法缓解病情，提供身体所需的胰岛素。胰岛素须在2～8 ℃的环境中保存，以保持其活性[2]，对于长期出差的糖尿病患者，如何方便且长时间携带胰岛素成了一大难题。针对该问题，开发了基于单片机的嵌入式胰岛素冷藏系统。该系统以STM32单片机为控制核心，通过数字式温度传感器DS18B20反馈温度参数并利用PID算法调节，单片机控制H桥电路驱动半导体制冷片调节箱体温度，实现了胰岛素的冷藏系统的智能调控。经实验证明，该系统运行稳定，温度控制精准，操作简单，并且此系统可开发性极高，可移植应用于其他医用恒温设备。

1 硬件设计开发

系统采用模块化电路设计，结构清晰，主控芯片采用STM32F103RBT6，整个系统由主控模块、温度测量模块、温度调控模块、实时显示模块、系统参数设置模块，蓝牙模块以及电源调理模块等模块构成[3?6]。其原理框图如图1所示。

系统上电工作后，单片机根据温度测量模块传回数据计算当前箱体温度并与预设温度作比较，然后经PID算法输出PWM调控信号驱动温度调控模块进行加热或制冷，使箱体温度达到预设温度从而实现胰岛素的恒温冷藏。同时，整个系统的所有参数均在显示屏上实时显示。各模块具体功能实现如下。

1.1 主控模块

主控芯片采用STM32F103RBT6（STM32）[7]，STM32是一款基于高性能ARMCor?tex?M3架构内核的32位微控制器。相比价格便宜的51系列单片机，STM32有64个脚，I/O资源丰富，并且内部定时器具有PWM波调制模式，可以方便地控制温度调控模块的工作状态，而51系列单片机则没有这么多可开发资源。该芯片整体功能强大，资源丰富，很合适作为本文系统的逻辑控制处理芯片。所以该系统选择了STM32F103RBT6作为主控芯片。

1.2 温度测量模块

温度测量选用美国DALLAS公司的数字式温度传感器DS18B20[8]。DS18B20测温范围-55～125 ℃，测温分辨率高达0.062 5 ℃，温度最大转换时间为 750 ns，并且用户可以设定报警温度，存放于ROM中。它具有独特的单总线接口方式，体积小易于安装、低功耗、高精度、抗干扰能力强。在与单片机连接时仅需要一条数据线即可与单片机实现双向通信，并且输入/输出均为数字信号。实际应用中不需要任何外部器件就可实现温度测量，这使得使用变得非常简单，程序上得到了很大的优化。传统模拟式温度传感器需要配合放大电路和A/D转换电路才能完成，设计比较复杂，还要考虑温漂等因素的影响，精度有限，不适用于此精度稳定性要求较高的冷藏系统。故本系统采用DS18B20作为温度采集传感器。温度传感器的连接电路如图2所示。endprint

1.3 温度调控模块

温度调控模块采用型号为XH?C0501的C系列高端半导体制冷片[9]。半导体制冷片也叫热电制冷片，通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热的功能，具有可靠性高、环保节能、高效制冷等特点。根据半导体制冷片的工作原理及特性，本系统利用4个场效应管搭建H桥驱动电路驱动半导体制冷片，实现温度的调控，设计电路如图3所示。

1.4 温度实时显示模块

温度实时显示使用了USART HMI串口屏，USART HMI串口屏内部集成GPU、字库、图片等，采用串口指令调试，可通过上位机进行界面编辑，且支持多种组态控件，支持模拟器和设备同步调试。其功能十分强大，用在此系统中，除了实时显示参数外，还进行一些其他系统参数的显示，如时间、预设温度以及一些附加功能。其驱动电路十分简单，如图4所示。

1.5 系统参数设置模块

系统参数设置通过三个轻触按键实现，系统工作时，单片机扫描按键，判断按键状态实现数据的输入功能，其电路设计如图5所示。

1.6 蓝牙模块

蓝牙模块采用低功耗RF?BM?S01透传蓝牙模块，该模块已集成电路功能，使用只需电源供电以及串口数据收发即可，外围电路简单。

在本系统中，可通过蓝牙模块将系统参数发送至上位机，实现更多的可开发性功能。

1.7 电源处理模块

1.7.1 电压调理部分

由于系统采用3.7 V锂电池供电，而单片机供电电压为3.3 V，温度传感器供电电压为5 V，所以，需设计升压降压电路，升压采用TI公司的TPS61032升压芯片实现见图6。降压采用线性集成稳压芯片AMS1117?3.3实现见图7。

1.7.2 电源管理部分

此部分电路为电源充电管理，由于本系统设计采用4节18650电池并联供电，其充电电压应小于5 V，所以系统采用USB对电池进行充电，同时使用电源管理芯片TP4056对充电电压电流进行管理，5 V的充电电源由专用的USB适配器提供，这里不做赘述。充电管理具体设计电路如图8所示。

2 系统软件设计

根据所设计硬件电路，系统软件控制流程如图 9 所示。系统上电工作后，单片机通过温度传感器采集当前温度数据，与预设温度阈值比较并计算其差值，然后通过PID算法计算输出合适的PWM波驱动H桥电路，从而控制半导体制冷片制冷或加热，使冷藏腔中温度最终恒定在预设温度值附近。同时，当到达设定的胰岛素注射时间，系统将发出警报，提醒糖尿病患者按时注射胰岛素，避免因遗忘而对病人的生命造成危险。系统的数据，如胰岛素盒子温度，电池电量，胰岛素注射报警灯，可通过蓝牙模块发送数据至上位机，以实现更多嵌入式功能的开发。

本系统是一个闭环控制系统，温度的调节主要是负反馈调节。在本系统中，PID功能是利用温度的设定值和反馈信号（实际温度值）的差值不断比较，随后通过控制不断调整以适应参数的变化，最终达到稳态平衡。目标信号和反馈信号无限接近，即差值很小，从而满足调节的精度；另一方面，调节信号具有一定的幅度，以保证调节的灵敏度。解决这一矛盾的方法就是事先将差值信号进行放大。比例增益P就是用来设置差值信号的放大系数。一般在初次调试时，P可按中间偏大值预置，待系统运转时再按实际情况进行细调[10?11]。

受传感器安装位置、半导体制冷片大小的影响，温度参数存在较大的滞后效应，也就是电路部分有较大惯性。调节结果达到最佳值时不能立即停止，导致“超调”，然后反过来调整，再次超调，形成振荡。所以在湿度值为此引入积分环节I，其效果是，使经过比例增益P放大后的差值信号在积分时间内逐渐增大（或减小），从而减缓变化速度，防止振荡。但积分时间I太长，当反馈信号急剧变化时，被控物理量难以迅速恢复。因此，I的取值与拖动系统的时间常数有关，拖动系统的时间常数较小时，积分时间应短些；拖动系统的时间常数较大时，积分时间应长些。微分时间D是根据差值信号变化的速率，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间，克服因积分时间过长而使恢复滞后的缺陷。D的取值也与拖动系统的时间常数有关，拖动系统的时间常数较小时，微分时间应短些；反之，拖动系统的时间常数较大时，微分时间应长些。经过试验，得出较为合适一组数据： PID参数比例单元（P）10、积分单元（I）2.2、和微分单元（D）0.5。通过此调节方案，系统温度可以很精确地稳定在预设温度值，从而提高了冷藏系统的存储精度。

3 结果與讨论

基于单片机的嵌入式胰岛素冷藏系统研发实物如图10所示。

本系统使用的每节18650电池容量为3 000 mA·h，电池组总容量为12 000 mA·h，制冷片为XH?C0501的C系列高端半导体制冷片，其额定功率为5.5 W，但由于电池电压低于5 V，实际最大功率为4.4 W。根据实际测量，系统在工作时每小时约有14 min处于待机状态，其余时间为制冷状态，而除去温度调控部分功耗外，控制系统功耗为0.4 W，系统制冷电流I1=[4.2 V5 V25.5 W+0.4 W4.2 V]≈1.02 A；待机工作电流I2=[0.4 W4.2 V]=95.2 mA；平均工作电流I=I1×[4660]+I2×[1460]≈0.804 A。续航时间T=[QI]=

[12 000804]≈14.925 h。

从电池耗电情况和理论分析计算来看，电池的理论续航时间可达到14.9 h左右，但从图11中的系统实际测试曲线得到的电池实际工作时间约为10 h。这是在实际测试过程中，外界环境温度的变化，以及盒子密封性引起的系统散热性的改变等外界因素会导致整个系统的平均功耗增大，从而缩短电池续航时间。除此之外，在室温较高情况下，盒内外温差大，温度流失速度快，电池续航时间较短，制冷功率较大；室温较低时电池续航时间较长，制冷功耗较低。室温以及设定温度都会对电池续航时间产生较大的影响。系统的制冷能力测试结果如图12（设定温度6 ℃）、图13（设定温度5 ℃）、图14（设定温度3 ℃）所示。从图中可以看出，在不同的设定温度下，系统都有着较好的温度稳定性，稳定后的温度波动范围在±1 ℃内。冷藏盒内的温度到达设定温度所需的时间随着设定温度的降低而增加，分别为20 min（6 ℃），28 min（5 ℃），50 min（3 ℃）。

4 结 论

本文设计一种基于单片机的智能胰岛素冷藏系统，实现了胰岛素的便携式冷藏以及胰岛素注射时间的智能提醒，可为糖尿病患者提供极大的便利。经实验表明，该冷藏系统稳定可靠，温度可控性良好。该系统可开发性高，在此系统上可实现其他嵌入式功能开发，使得其应用领域非常广泛。可推广到其他医疗恒温箱、车载冰箱，便携式冷藏应用设备中。

参考文献

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