馬文龍 趙興娜 周建

摘 ?要：針對目前長時間外出需要便捷儲存低溫藥品的現(xiàn)狀，文章設計了一款基于STC12LE5A60S單片機的低功耗便攜恒溫藥盒。其內(nèi)設有溫度測量模塊和OLED顯示模塊，可用來檢測藥盒內(nèi)的溫度并顯示溫度、待機時間、電量等信息。單片機內(nèi)有智能溫控算法，若藥盒內(nèi)溫度高于設定溫度，會通過PWM溫控電路調(diào)節(jié)半導體散熱模塊進行降溫。實驗結果表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了藥盒以最低功耗運行，可滿足用戶的實際要求。

關鍵詞：低功耗;OLED顯示;智能溫控算法

中圖分類號：TP368 ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：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

隨著現(xiàn)代化社會科學技術的日益發(fā)展成熟和全國人民群眾生活水平的顯著提高，人們生活對其自身藥品健康安全性的意識追求水平也變得越來越高，藥品使用安全保障問題自然也變得越來越容易受到人們重視，一直深深地影響到我國人們健康生活的質(zhì)量。

變質(zhì)過期的劣質(zhì)藥品因其本身化學結構發(fā)生變化，輕則引起藥效減弱并影響到有關疾病的繼續(xù)治療，重則可能需要付出生命的沉重代價。像疫苗、血清等如果儲存不當藥效會大打折扣。

藥物的有效期不是絕對的，而是有條件的，這是藥物的標簽和說明書中規(guī)定的儲存條件。每種藥物的有效期是指在特定儲存條件下可以儲存的時間。一旦儲存條件發(fā)生變化，藥物的有效期只能作為參考，而不是確定的儲存時間。

針對以上問題，市場上出現(xiàn)了許多可以調(diào)溫儲存藥品的藥箱及相關產(chǎn)品。但是這些裝置均存在體積大、噪音大、功耗高、待機時間短等問題，并不能滿足人們長時間外出需要長時間儲存藥品的需求，也不能滿足人們對便攜的需求。筆者基于大學生創(chuàng)新訓練項目對基于STC12LE5A60S單片機的低功耗便攜恒溫藥盒系統(tǒng)進行了設計與開發(fā)，并實現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，以最低功耗運行準確控制溫度，確保效率最大化。

1 ?系統(tǒng)總體設計方案

本低功耗便攜恒溫藥盒中目前所使用的恒溫模塊器件全部為半導體制冷片，并大部分都直接采用到了以航天級半導體芯片作恒溫制冷芯片的基本原材料，這種低溫半導體制冷片系統(tǒng)本身也不需要再外加其他制冷劑，工作性能正常運作時系統(tǒng)基本都沒有可能產(chǎn)生明顯震動、噪音、壽命長，僅需一節(jié)1.5 V干電池就可工作，功耗低。在設計本藥盒控制器時首先將半導體制冷芯片電路與數(shù)字脈沖寬度調(diào)制（Pulse width modulation， PWM）控溫芯片電路直接相連，采用的PWM信號控制系統(tǒng)從控制處理器輸入到整個被控溫度系統(tǒng)信號輸出都是以數(shù)字形式進行的再進行數(shù)模轉換?？捎行⒃肼暩蓴_影響度降到了最低，對高頻噪聲也有其較極強的抵抗能力，且單片機普遍都有PWM輸出功能，方便使用。系統(tǒng)控制核心芯片類型為STC（宏晶）增強型的8051系列單片機，具體型號與規(guī)格編號為STC12LE5A60S，這是一款高性能單片機指令代碼格式完全可以完全兼容于傳統(tǒng)單片機如8051，但其運算的速度也可快出8倍～12倍，2路PWM控制電壓脈沖輸出，資料信息很豐富，上起操手起來比較輕松容易，操作與編程簡單易懂;其電源工作環(huán)境電壓能控制范圍在從直流電壓2.2 V范圍到高頻電流3.6 V的范圍內(nèi)之間，功耗低;而且其內(nèi)部電路還有一個內(nèi)置有4個16位的定時器，集成了一個MAX810的專用復位控制電路，8路的高速運算和一個10位的高速A/D轉換，因此由于這款高性能單片機將可迅速被更廣泛的設計應用于各種超微低功耗系統(tǒng)中的設計及應用方案中，所以采用的還是該系列高性能單片機作為其控制的核心。

本藥盒采用進口DS18B20數(shù)字溫度傳感器芯片作為測溫傳感系統(tǒng)模塊電路組成的主要邏輯核心，該新型測溫傳感器電路芯片是目前較常用到的一個新型的數(shù)字溫度傳感器，其電路芯片的輸出所采集得到的電信號主要仍是一種純物理數(shù)字信號，具有對設備體積資源占用極小，硬件的運算功耗開銷要求相對極低，抗干擾與檢測保護能力均極強，精度高和可靠程度的等諸多特點;接線方法簡捷和方便，獨特設計的一線接口，只需用戶通過另一個端口進行連接后即可獨立完成與多個被測量點之間實時遠程通信，從而也進一步地簡化及實現(xiàn)了分布式網(wǎng)絡的遠程溫度實時自動檢測操作及實際應用，無須另行連接其他外部測溫加熱測量元件，并且數(shù)據(jù)總線接口還可以完全獨立的作為遠程測溫加熱電源并隨時連接可用。電壓范圍一般從正3.0 V可調(diào)至5.5 V，無須另行增加備用電源，功耗低;測量溫度范圍一般可為-5 ℃至+125 ℃，測溫范圍均可適合各種藥盒需求溫度;其可編程溫度的數(shù)字分辨率最高可為從9位數(shù)到多達12位，用戶能自定義的非易失性溫度檢測和故障報警功能的溫度設置，被廣大用戶所廣泛認可的應用于室內(nèi)恒溫濕度調(diào)節(jié)控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費級電子產(chǎn)品溫度計或其他對任何環(huán)境熱敏感系統(tǒng)。故采用此溫度傳感器。

本藥盒采用了一塊0.91寸的IIC協(xié)議型的OLED屏片（Organic Light-Emitting Diode）作為顯示屏，OLED的顯示技術幾乎具有了自適應聚焦式發(fā)光晶體二極管顯示器的所有技術特點。它表面還同時使用有一種看上去非常的輕薄而且堅固耐用的有機高分子材料涂層和玻璃基板。當外界僅有微弱小角度電流能直接有效通過顯示屏時，這些新型的有機高分子薄膜材料上就會發(fā)光，OLED顯示屏本身也同時具有融合了大視角顯示寬視角特點和高效和低功耗特性的兩種明顯性能優(yōu)勢。因為這些OLED顯示器的同時它又完全具有了自發(fā)的背光功能，不需要任何人工背光，具有顯示著的對比度也較高、厚度還比較的薄、視角范圍極廣、反應靈敏發(fā)光響應速度快等的眾多的優(yōu)異功能特性。OLED屏幕的顯示效果相比較于目前其他類型傳統(tǒng)的彩色LCD液晶屏幕顯示器需要大量的彩色背光、功耗較高的顯著技術劣勢，OLED屏幕顯示的整機功耗一般較低，3.3 V電池的直接供電環(huán)境下就可輕松進行長期穩(wěn)定持續(xù)地連續(xù)工作，更加的能完美適合目前各種微型的液晶顯示系統(tǒng)需求了;而正由于這兩者中所選發(fā)光器件用的原材料本身具備的發(fā)光的特性本就很不同，在這種具有不同照明條件要求的工作環(huán)境與外部光照的工作環(huán)境條件比較中，OLED屏面板的屏幕實際發(fā)光顯示時的亮度效果就將會相比較而言表現(xiàn)會更優(yōu)佳了些;而且在OLED顯示的屏幕電路中包含有多個控制功能命令，可以直接用來控制顯示在OLED屏面板上方的屏幕亮度、對比度、切換開關及電源升壓與保護開關電路開關等功能命令。操作流程極為的簡單，功能豐富?？梢燥@示漢字、ASCII、圖案等。故采用OLED屏幕用來顯示。

本款藥盒的所有充電線接口采用標準USB型或普通Type-C型的接口，它擁有比Type-A及Type-B均小得多的體積，是最新的USB接口外形標準，這種接口沒有正反方向區(qū)別，可以隨意插拔。而且目前的手機充電接口多為USBType-C接口，方便充電;同時USB、車載充電器等進行供電時設備可不間斷工作，在共享充電寶盛行的現(xiàn)在擺脫沒電焦慮。經(jīng)過綜合比較考慮后，最終確定了整個系統(tǒng)由STC12LE5A60S核心控制模塊、DS18B20溫度傳感器、半導體恒溫模、顯示模塊等部分組成。

在這種小型低功耗的便攜式恒溫藥箱控制系統(tǒng)的理論設計思路中，首先是逐步分析研究如何設計出每個恒溫系統(tǒng)組件，然后逐步將這些功能模塊有機組合連接在一起，以逐步減少每個模塊組合之間可能的人為干擾和因素，并進一步確定哪些恒溫模塊組件可以完全獨立運行工作，最后逐步形成這樣一個功能完整高效的便攜式恒溫系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結構設計總框圖如圖1所示。

圖1 ?系統(tǒng)總體設計框圖

本系列低功耗便攜恒溫藥盒系統(tǒng)在其開始正式工作狀態(tài)時系統(tǒng)首先都會開始進行一次系統(tǒng)的自檢，并可以實時監(jiān)控檢查該系統(tǒng)操作是否完成正常，如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)已不能完全正常的完成其預期的操作，則就會立刻向其他用戶電話進行報警。當藥品使用者把將要長期儲存使用的藥品重新放入藥盒里后，通過設定藥品的存儲溫度，在處理器進行計算分析從而得出輸出功率，通過控制半導體輸入電壓來調(diào)整最適合當前環(huán)境的半導體的制冷功率。在環(huán)境相對穩(wěn)定時進行休眠，以獲得最低的功耗。當處于低電量或設備功耗過高時都會向用戶報警，方便用戶使用。

2 ?理論分析

半導體材料有一種特性，當其通過在導電材料的其中部分摻和加入一種有著一定有機摻雜量的無機雜質(zhì)材料后，能夠在短期限度內(nèi)可以極大且有效地降低成本來有效改善這些半導體材料及其自身具有的高熱導電性能。且如果同時摻合加入各種不同的含量的有機金屬雜質(zhì)則又往往能夠有效分別來使以上各種類型半導體材料的各自性能呈現(xiàn)著各自的不同的類型的高導電特性。根據(jù)摻入了這些雜質(zhì)材料后在半導體材料載流子處是會放出大量的自由的電子還是只會形成了一個小空穴，能夠進一步地把這種半導體材料又細分為了N型半導體和P型半導體。一個是由金屬P型半導體材料形成的金屬電偶臂之間與由另外的一個或同樣的由一個N型的金屬半導體材料所而所形成的一個金屬電偶臂之間再通過另外一個金屬電標連接所結合在一起，就已經(jīng)構成起了另一個導寫式熱電偶—即半固態(tài)導寫式熱電偶體制冷器系統(tǒng)中的其他一些的基本電路結構單元。當外界磁場有一個強直流電場通過金屬熱電偶的內(nèi)部電子回路時，在比外源磁場稍加強一點電場強度的外加電場作用條件下，N型金屬半導體腔中產(chǎn)生出的金屬自由電子和在P型金屬半導體腔壁中同時存在出的金屬空穴子會屬之間按照給定電流和一定的能量的電流方向相反而又開始產(chǎn)生相互平行運動，而此時金屬載流子在金屬電子會屬腔內(nèi)產(chǎn)生的垂直運動的勢能會明顯大大低于金屬半導體，當溫度空穴熱電偶沿一定的電流方向從金屬電橋結構中進入到金屬P型半導體材料內(nèi)腔時，熱電偶冷餅體就還需要再吸收一定的熱量;而當空穴流經(jīng)P型半導體電子離開進入金屬片時，熱電偶依端需要釋救熱量。同樣，當半導體電子沿溫度與電流方向截然相反的方向從會金屬電橋進入N型半導體時，熱電偶冷端要吸收熱量，而只有當半導體電子直接流經(jīng)N型半導體電子通道進入金屬片時，熱電偶才需要釋放熱量，從而也才能分別實現(xiàn)了。當所有上述的眾多的半導體熱電偶元件都依次的被串聯(lián)或裝配固定在一起，就會共同地構成起了某一塊半導體制冷片，其主要拓撲與結構特征圖如圖2所示。

圖2半導體制冷片結構圖

3 ?硬件電路與軟件設計

3.1 ?硬件電路設計

本低功耗便攜式恒溫藥盒系統(tǒng)控制核心采用了STC12LE5A60S單片機，該單片機的計算能力強，處理速度快，用其來運行此系統(tǒng)完成溫度數(shù)據(jù)采集與PWM輸出控制半導體制冷片，大大地提高了系統(tǒng)的靈敏性和準確性。

根據(jù)系統(tǒng)在實際設計時的要求，在藥盒內(nèi)裝有DS18B20溫度傳感器的基礎上又在藥盒外安裝一個DS18B20溫度傳感器。通過實時檢測藥盒內(nèi)外的溫度，經(jīng)單片機PID（Proportion Integral Differential）算法智能計算半導體制冷片制冷功率，通過PWM控溫電路控制半導體制冷片工作，達到降低系統(tǒng)功耗的目的，并采用OLED屏幕來減少耗電，延長了設備的使用時間。

在半導體制冷片上裝有溫控風扇，通過硬件電路設計，防止因為溫度過高導致半導體制冷片燒毀的問題，其電路圖如圖3所示。通過單片機A/D模塊檢測電池電壓，及時提醒用戶充電。使用USB Type-C接口，方便充電。

系統(tǒng)中使用了AMS1117穩(wěn)壓電源芯片可以將一個7.4 V電壓的18650電池組電壓自動轉換成一個3.3 V的電壓輸出給整個電源系統(tǒng)并進行自動供電，構建了基本的模塊電路框架后，測試電路并進一步分析每個電源模塊，以保證確認整個系統(tǒng)均可以進行正常穩(wěn)定運行，然后再組合好各個部分。整體系統(tǒng)設計的電路圖如圖4所示。

3.2 ?軟件設計

系統(tǒng)軟件整體流程圖如圖5所示，系統(tǒng)在啟動完成后，程序將會依次對系統(tǒng)軟件包括微系統(tǒng)控制器系統(tǒng)內(nèi)所有的軟硬件各主要模塊系統(tǒng)進行系統(tǒng)初始化，然后從微系統(tǒng)控制器上實時自動獲取系統(tǒng)溫度數(shù)據(jù)和輸出電壓數(shù)據(jù)，通過運算處理，控制恒溫模塊工作。

圖3 ?溫控風扇電路

下面以DS18B20對采集的溫度數(shù)據(jù)進行濾波為例，部分核心轉換程序及中位值平均濾波算法程序為：

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;

//采樣值按位數(shù)從小到大依次排列（冒泡法）

for（j=0;j<N-1;j++） ?//遍歷整個數(shù)組

{

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 ?系統(tǒng)整體電路圖

圖5 ?系統(tǒng)軟件整體流程圖

在用戶對本系列低功耗的便攜式恒溫藥盒系統(tǒng)產(chǎn)品進行儲存溫度的測試校準時，每次必須將藥品儲存恒溫倉罐里產(chǎn)品的存儲溫度每次升高至少0.5 ℃，將專用設備儀器測得出來的貯存溫度參數(shù)與用專業(yè)精密測溫系統(tǒng)設備儀器測得出的存儲溫度數(shù)據(jù)進行綜合比較，以切實保證了測試溫度數(shù)據(jù)結果的絕對準確性度和可靠性。經(jīng)過多次反復的現(xiàn)場實際現(xiàn)場測量，不斷反復地對系統(tǒng)所測量得的各種數(shù)據(jù)結果進行綜合對比及分析，對整個系統(tǒng)再進行綜合改進以及完善，最后就得到了如表1所示的測量數(shù)據(jù)。

4 ?結 ?論

本系統(tǒng)對基于STC8051增強型單片機低功耗便攜恒溫藥盒系統(tǒng)進行了設計，設計了一種基于傳感器以及控制器的低功耗藥品存儲設備，設備包括：存儲倉剩余電量檢測、溫度控制器、剩余待機時間顯示。設備還配有開蓋檢測防止設備保溫蓋沒關嚴導致熱量流失，以及藥品外露。配備高精度溫度傳感器以及較大的溫度慣性緩沖系統(tǒng)可以精確地控制設備達到預設溫度，即使設備虧電也可以保證儲藏相當長的時間。在日常生活中，某些生物制藥需要在低溫環(huán)境下保存，尤其是對于出差長時間沒有固定地點的人群，使用本系統(tǒng)可以解決儲存以及隨身攜帶的困擾，以達到更好的治療效果。該系列設計的方案均具有高效率低功耗、低成本高性能的產(chǎn)品特點，符合現(xiàn)代模塊化系統(tǒng)設計技術理念，便于客戶將來產(chǎn)品擴展成為其他的功能，滿足當今人們多方面的設計需求，具有相當一定高度的開發(fā)實用價值。

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作者簡介：馬文龍（2000—），男，漢族，山東東營人，本科在讀，研究方向：電子信息工程;趙興娜（1983—），女，漢族，山東德州人，副教授，碩士，研究方向：電子與通信技術、智能控制;周建（1998—），男，漢族，山東泰安人，本科在讀，研究方向：電子信息工程。