基于STC12LE5A60S单片机的低功耗便携恒温药盒设计

马文龙 赵兴娜 周建

摘  要：针对目前长时间外出需要便捷储存低温药品的现状，文章设计了一款基于STC12LE5A60S单片机的低功耗便携恒温药盒。其内设有温度测量模块和OLED显示模块，可用来检测药盒内的温度并显示温度、待机时间、电量等信息。单片机内有智能温控算法，若药盒内温度高于设定温度，会通过PWM温控电路调节半导体散热模块进行降温。实验结果表明系统运行稳定，实现了药盒以最低功耗运行，可满足用户的实际要求。

关键词：低功耗;OLED显示;智能温控算法

中图分类号：TP368        文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）05-0042-05

Design of Low Power Portable Constant Temperature Medicine Box Based on STC12LE5A60S Single-Chip Microcomputer

MA Wenlong， ZHAO Xingna， ZHOU Jian

（Shandong Huayu University of Technology， Dezhou  253034， China）

Abstract： In view of the current situation that low temperature medicines need to be conveniently stored for a long time out， this paper designs a low power portable constant temperature medicine box based on STC12LE5A60S single-chip microcomputer. It is equipped with a temperature measurement module and an OLED display module， which can be used to detect the temperature in the medicine box and display information such as temperature， standby time and power. There is an intelligent temperature control algorithm in the single-chip microcomputer. If the temperature in the medicine box is higher than the set temperature， the semiconductor heat dissipation module will be adjusted through the PWM temperature control circuit to cool down. The experimental results show that the system runs stably， realizes the operation of lowest power consumption of medicine box， and it can meet the actual requirements of users.

Keywords： low power consumption; OLED display; intelligent temperature control algorithm

0  引  言

隨着现代化社会科学技术的日益发展成熟和全国人民群众生活水平的显著提高，人们生活对其自身药品健康安全性的意识追求水平也变得越来越高，药品使用安全保障问题自然也变得越来越容易受到人们重视，一直深深地影响到我国人们健康生活的质量。

变质过期的劣质药品因其本身化学结构发生变化，轻则引起药效减弱并影响到有关疾病的继续治疗，重则可能需要付出生命的沉重代价。像疫苗、血清等如果储存不当药效会大打折扣。

药物的有效期不是绝对的，而是有条件的，这是药物的标签和说明书中规定的储存条件。每种药物的有效期是指在特定储存条件下可以储存的时间。一旦储存条件发生变化，药物的有效期只能作为参考，而不是确定的储存时间。

针对以上问题，市场上出现了许多可以调温储存药品的药箱及相关产品。但是这些装置均存在体积大、噪音大、功耗高、待机时间短等问题，并不能满足人们长时间外出需要长时间储存药品的需求，也不能满足人们对便携的需求。笔者基于大学生创新训练项目对基于STC12LE5A60S单片机的低功耗便携恒温药盒系统进行了设计与开发，并实现了系统的稳定运行，以最低功耗运行准确控制温度，确保效率最大化。

1  系统总体设计方案

本低功耗便携恒温药盒中目前所使用的恒温模块器件全部为半导体制冷片，并大部分都直接采用到了以航天级半导体芯片作恒温制冷芯片的基本原材料，这种低温半导体制冷片系统本身也不需要再外加其他制冷剂，工作性能正常运作时系统基本都没有可能产生明显震动、噪音、寿命长，仅需一节1.5 V干电池就可工作，功耗低。在设计本药盒控制器时首先将半导体制冷芯片电路与数字脉冲宽度调制（Pulse width modulation， PWM）控温芯片电路直接相连，采用的PWM信号控制系统从控制处理器输入到整个被控温度系统信号输出都是以数字形式进行的再进行数模转换。可有效将噪声干扰影响度降到了最低，对高频噪声也有其较极强的抵抗能力，且单片机普遍都有PWM输出功能，方便使用。系统控制核心芯片类型为STC（宏晶）增强型的8051系列单片机，具体型号与规格编号为STC12LE5A60S，这是一款高性能单片机指令代码格式完全可以完全兼容于传统单片机如8051，但其运算的速度也可快出8倍～12倍，2路PWM控制电压脉冲输出，资料信息很丰富，上起操手起来比较轻松容易，操作与编程简单易懂;其电源工作环境电压能控制范围在从直流电压2.2 V范围到高频电流3.6 V的范围内之间，功耗低;而且其内部电路还有一个内置有4个16位的定时器，集成了一个MAX810的专用复位控制电路，8路的高速运算和一个10位的高速A/D转换，因此由于这款高性能单片机将可迅速被更广泛的设计应用于各种超微低功耗系统中的设计及应用方案中，所以采用的还是该系列高性能单片机作为其控制的核心。

本药盒采用进口DS18B20数字温度传感器芯片作为测温传感系统模块电路组成的主要逻辑核心，该新型测温传感器电路芯片是目前较常用到的一个新型的数字温度传感器，其电路芯片的输出所采集得到的电信号主要仍是一种纯物理数字信号，具有对设备体积资源占用极小，硬件的运算功耗开销要求相对极低，抗干扰与检测保护能力均极强，精度高和可靠程度的等诸多特点;接线方法简捷和方便，独特设计的一线接口，只需用户通过另一个端口进行连接后即可独立完成与多个被测量点之间实时远程通信，从而也进一步地简化及实现了分布式网络的远程温度实时自动检测操作及实际应用，无须另行连接其他外部测温加热测量元件，并且数据总线接口还可以完全独立的作为远程测温加热电源并随时连接可用。电压范围一般从正3.0 V可调至5.5 V，无须另行增加备用电源，功耗低;测量温度范围一般可为-5 ℃至+125 ℃，测温范围均可适合各种药盒需求温度;其可编程温度的数字分辨率最高可为从9位数到多达12位，用户能自定义的非易失性温度检测和故障报警功能的温度设置，被广大用户所广泛认可的应用于室内恒温湿度调节控制、工业系统、消费级电子产品温度计或其他对任何环境热敏感系统。故采用此温度传感器。

本药盒采用了一块0.91寸的IIC协议型的OLED屏片（Organic Light-Emitting Diode）作为显示屏，OLED的显示技术几乎具有了自适应聚焦式发光晶体二极管显示器的所有技术特点。它表面还同时使用有一种看上去非常的轻薄而且坚固耐用的有机高分子材料涂层和玻璃基板。当外界仅有微弱小角度电流能直接有效通过显示屏时，这些新型的有机高分子薄膜材料上就会发光，OLED显示屏本身也同时具有融合了大视角显示宽视角特点和高效和低功耗特性的两种明显性能优势。因为这些OLED显示器的同时它又完全具有了自发的背光功能，不需要任何人工背光，具有显示着的对比度也较高、厚度还比较的薄、视角范围极广、反应灵敏发光响应速度快等的众多的优异功能特性。OLED屏幕的显示效果相比较于目前其他类型传统的彩色LCD液晶屏幕显示器需要大量的彩色背光、功耗较高的显著技术劣势，OLED屏幕显示的整机功耗一般较低，3.3 V電池的直接供电环境下就可轻松进行长期稳定持续地连续工作，更加的能完美适合目前各种微型的液晶显示系统需求了;而正由于这两者中所选发光器件用的原材料本身具备的发光的特性本就很不同，在这种具有不同照明条件要求的工作环境与外部光照的工作环境条件比较中，OLED屏面板的屏幕实际发光显示时的亮度效果就将会相比较而言表现会更优佳了些;而且在OLED显示的屏幕电路中包含有多个控制功能命令，可以直接用来控制显示在OLED屏面板上方的屏幕亮度、对比度、切换开关及电源升压与保护开关电路开关等功能命令。操作流程极为的简单，功能丰富。可以显示汉字、ASCII、图案等。故采用OLED屏幕用来显示。

本款药盒的所有充电线接口采用标准USB型或普通Type-C型的接口，它拥有比Type-A及Type-B均小得多的体积，是最新的USB接口外形标准，这种接口没有正反方向区别，可以随意插拔。而且目前的手机充电接口多为USBType-C接口，方便充电;同时USB、车载充电器等进行供电时设备可不间断工作，在共享充电宝盛行的现在摆脱没电焦虑。经过综合比较考虑后，最终确定了整个系统由STC12LE5A60S核心控制模块、DS18B20温度传感器、半导体恒温模、显示模块等部分组成。

在这种小型低功耗的便携式恒温药箱控制系统的理论设计思路中，首先是逐步分析研究如何设计出每个恒温系统组件，然后逐步将这些功能模块有机组合连接在一起，以逐步减少每个模块组合之间可能的人为干扰和因素，并进一步确定哪些恒温模块组件可以完全独立运行工作，最后逐步形成这样一个功能完整高效的便携式恒温系统。系统总体结构设计总框图如图1所示。

图1  系统总体设计框图

本系列低功耗便携恒温药盒系统在其开始正式工作状态时系统首先都会开始进行一次系统的自检，并可以实时监控检查该系统操作是否完成正常，如果发现系统已不能完全正常的完成其预期的操作，则就会立刻向其他用户电话进行报警。当药品使用者把将要长期储存使用的药品重新放入药盒里后，通过设定药品的存储温度，在处理器进行计算分析从而得出输出功率，通过控制半导体输入电压来调整最适合当前环境的半导体的制冷功率。在环境相对稳定时进行休眠，以获得最低的功耗。当处于低电量或设备功耗过高时都会向用户报警，方便用户使用。

2  理论分析

半导体材料有一种特性，当其通过在导电材料的其中部分掺和加入一种有着一定有机掺杂量的无机杂质材料后，能够在短期限度内可以极大且有效地降低成本来有效改善这些半导体材料及其自身具有的高热导电性能。且如果同时掺合加入各种不同的含量的有机金属杂质则又往往能够有效分别来使以上各种类型半导体材料的各自性能呈现着各自的不同的类型的高导电特性。根据掺入了这些杂质材料后在半导体材料载流子处是会放出大量的自由的电子还是只会形成了一个小空穴，能够进一步地把这种半导体材料又细分为了N型半导体和P型半导体。一个是由金属P型半导体材料形成的金属电偶臂之间与由另外的一个或同样的由一个N型的金属半导体材料所而所形成的一个金属电偶臂之间再通过另外一个金属电标连接所结合在一起，就已经构成起了另一个导写式热电偶—即半固态导写式热电偶体制冷器系统中的其他一些的基本电路结构单元。当外界磁场有一个强直流电场通过金属热电偶的内部电子回路时，在比外源磁场稍加强一点电场强度的外加电场作用条件下，N型金属半导体腔中产生出的金属自由电子和在P型金属半导体腔壁中同时存在出的金属空穴子会属之间按照给定电流和一定的能量的电流方向相反而又开始产生相互平行运动，而此时金属载流子在金属电子会属腔内产生的垂直运动的势能会明显大大低于金属半导体，当温度空穴热电偶沿一定的电流方向从金属电桥结构中进入到金属P型半导体材料内腔时，热电偶冷饼体就还需要再吸收一定的热量;而当空穴流经P型半导体电子离开进入金属片时，热电偶依端需要释救热量。同样，当半导体电子沿温度与电流方向截然相反的方向从会金属电桥进入N型半导体时，热电偶冷端要吸收热量，而只有当半导体电子直接流经N型半导体电子通道进入金属片时，热电偶才需要释放热量，从而也才能分别实现了。当所有上述的众多的半导体热电偶元件都依次的被串联或装配固定在一起，就会共同地构成起了某一块半导体制冷片，其主要拓扑与结构特征图如图2所示。

图2半导体制冷片结构图

3  硬件电路与软件设计

3.1  硬件电路设计

本低功耗便携式恒温药盒系统控制核心采用了STC12LE5A60S单片机，该单片机的计算能力强，处理速度快，用其来运行此系统完成温度数据采集与PWM输出控制半导体制冷片，大大地提高了系统的灵敏性和准确性。

根据系统在实际设计时的要求，在药盒内装有DS18B20温度传感器的基础上又在药盒外安装一个DS18B20温度传感器。通过实时检测药盒内外的温度，经单片机PID（Proportion Integral Differential）算法智能计算半导体制冷片制冷功率，通过PWM控温电路控制半导体制冷片工作，达到降低系统功耗的目的，并采用OLED屏幕来减少耗电，延长了设备的使用时间。

在半导体制冷片上装有温控风扇，通过硬件电路设计，防止因为温度过高导致半导体制冷片烧毁的问题，其电路图如图3所示。通过单片机A/D模块检测电池电压，及时提醒用户充电。使用USB Type-C接口，方便充电。

系统中使用了AMS1117稳压电源芯片可以将一个7.4 V电压的18650电池组电压自动转换成一个3.3 V的电压输出给整个电源系统并进行自动供电，构建了基本的模块电路框架后，测试电路并进一步分析每个电源模块，以保证确认整个系统均可以进行正常稳定运行，然后再组合好各个部分。整体系统设计的电路图如图4所示。

3.2  软件设计

系统软件整体流程图如图5所示，系统在启动完成后，程序将会依次对系统软件包括微系统控制器系统内所有的软硬件各主要模块系统进行系统初始化，然后从微系统控制器上实时自动获取系统温度数据和输出电压数据，通过运算处理，控制恒温模块工作。

图3  温控风扇电路

下面以DS18B20对采集的温度数据进行滤波为例，部分核心转换程序及中位值平均滤波算法程序为：

floatMedian_Average_Filter（float Value）

{

static unsigned char num = 0;

unsigned char i，j;

float temp=0，sum=0，value=25;

static float xdata value_buf [N] ={25.0，25.0，25.0，25.0，25.0，25.0，25.0，25.0，25.0，25.0，25.0，25.0};

if（num++ == N） num = 0;value_buf[num] = Value;

//采样值按位数从小到大依次排列（冒泡法）

for（j=0;j<N-1;j++）  //遍历整个数组

{

for（i=0;i<N-j;i++）

{

if（value_buf[i]>value_buf[i+1]）

{

temp = value_buf[i];

value_buf[i] = value_buf[i+1];

value_buf[i+1] = temp;

}

}

}

for（i=1;i<N-1;i++）;

sum += value_buf[i];

value = sum/（N-2）;

return（value）;

}

圖4  系统整体电路图

图5  系统软件整体流程图

在用户对本系列低功耗的便携式恒温药盒系统产品进行储存温度的测试校准时，每次必须将药品储存恒温仓罐里产品的存储温度每次升高至少0.5 ℃，将专用设备仪器测得出来的贮存温度参数与用专业精密测温系统设备仪器测得出的存储温度数据进行综合比较，以切实保证了测试温度数据结果的绝对准确性度和可靠性。经过多次反复的现场实际现场测量，不断反复地对系统所测量得的各种数据结果进行综合对比及分析，对整个系统再进行综合改进以及完善，最后就得到了如表1所示的测量数据。

4  结  论

本系统对基于STC8051增强型单片机低功耗便携恒温药盒系统进行了设计，设计了一种基于传感器以及控制器的低功耗药品存储设备，设备包括：存储仓剩余电量检测、温度控制器、剩余待机时间显示。设备还配有开盖检测防止设备保温盖没关严导致热量流失，以及药品外露。配备高精度温度传感器以及较大的温度惯性缓冲系统可以精确地控制设备达到预设温度，即使设备亏电也可以保证储藏相当长的时间。在日常生活中，某些生物制药需要在低温环境下保存，尤其是对于出差长时间没有固定地点的人群，使用本系统可以解决储存以及随身携带的困扰，以达到更好的治疗效果。该系列设计的方案均具有高效率低功耗、低成本高性能的产品特点，符合现代模块化系统设计技术理念，便于客户将来产品扩展成为其他的功能，满足当今人们多方面的设计需求，具有相当一定高度的开发实用价值。

参考文献：

[1] 张毅刚.单片机原理及应用 [M].北京：高等教育出版社，2010.

[2] 井绪忠，亓夫军.基于半导体制冷片的温度控制系统的设计 [J].科技创新导报，2011（12）：9-10.

[3] 赵汝和，黄晖，李小平，等.一种基于DS18B20传感器的温度测量系统的设计 [J].科学技术创新，2018（31）：132-133.

[4] 胡冬雪，张宗达，王睿，等.基于新型模糊PID算法的恒温控制系统研究 [J].吉林大学学报（信息科学版），2018，36（3）：312-317.

[5] 王化祥，张淑英.传感器原理及应用 [M].天津：天津大学出版社，1988.

[6] 纪明君，王健.基于汽车行驶记录仪的嵌入式USB主机系统的设计应用 [J].农业装备与车辆工程，2006（5）：17-19+28.

[7] 田军，杨磊，薛荣.基于智能控制的直流电机PWM调速 [J].价值工程，2019，38（18）：142-144.

作者简介：马文龙（2000—），男，汉族，山东东营人，本科在读，研究方向：电子信息工程;赵兴娜（1983—），女，汉族，山东德州人，副教授，硕士，研究方向：电子与通信技术、智能控制;周建（1998—），男，汉族，山东泰安人，本科在读，研究方向：电子信息工程。