引言與說明

現有的制冷技術可以分為兩大類，第一類是較為傳統的壓縮氣體制冷技術，主要特征為使用易壓縮氣體作為熱介質，利用氣體變化實現熱量轉移，常見的工作氣體有氨氣、二氧化碳、氟利昂等，這些氣體泄露后會造成大氣環境污染。第二類則為近些年來新興的清潔制冷技術，常見的有半導體制冷技術和磁制冷技術，半導體制冷又稱為溫差電制冷，是一種發展較為成熟的新型制冷方式。

現有的國產新冠疫苗，保存溫度大都在2-8℃之間，其他常見疫苗也保存在這個溫度區間，例如，狂犬病疫苗、百白破疫苗、甲肝疫苗、脊髓灰質炎糖丸、麻疹疫苗等。

本課題設計了一款用于保存疫苗的半導體制冷設備，硬件系統包括主控電路、制冷電路、開關檢測電路、顯示電路、照明電路等模塊；軟件系統包括主程序、DS18B20傳感器驅動函數、LCD屏幕驅動函數、開關檢測函數、PID算法函數，制冷片控制函數等部分。

圖制冷系統結構圖

主控芯片

處理器內核：ARM Cortex-M0架構，支持MPU，支持用戶/特權模式，64MHz主頻，SWD接口，24bit Systick定時器。

低功耗平臺：典型運行功耗130uA/MHz@48MHz，Sleep模式3.3uA typ，DeepSleep模式，RTC走時+全部RAM保持+CPU內核保持，1.5uA typ。

大容量儲存器：256KB Flash空間，32 KB RAM，100000次Flash壽命，自帶用戶代碼保護功能。

豐富的模擬外設：高可靠、可配置BOR電路，超低功耗PDR電路可編程電源監測模塊，3個低功耗模擬比較器，12bit 2Msps SAR-ADC，12bit 1Msps DAC，內置基準電壓產生電路，高精度溫度傳感器（±2℃）。

通用通信接口：5個UART接口，3個LPUART接口，1個7816智能卡接口，3個主從模式SPI，1個主從模式I2C，1個CAN2.0B接口，7通道外設DMA，可編程CRC校驗模塊。

定時器資源：一個16bit高級定時器，最高PWM分辨率120MHz，3個16bit通用定時器，1個32bit基本定時器，1個16bit基本定時器，1個24bit Systick，1個32bit低功耗定時器，1個16bit低功耗定時器，2個看門狗定時器，一個低功耗實時時鐘日歷（RTCC）。

LCD資源：芯片內部集成LCD接口，最大支持4COM×44SEG/ 6COM×42SEG/ 8COM×40SEG三種顯示方案，支持休眠顯示。

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傳感器工作介紹

本設計使用DS18B20溫度傳感器。該傳感器由DALLAS公司生產，工作電壓為3.3~5.5V，溫度測量范圍為-55℃~125℃，溫度測量精度為1℃，分辨率有多種選擇，分別對應多種采樣時間，如下表所示。

DS18B20分辨率和采樣時間

根據傳感器芯片手冊編寫驅動代碼，分別有：復位函數、寫入函數、讀取函數；各函數結構如下：

復位指令：480-960us拉低+15-60us拉高+回傳60-240us低電平

讀取指令：1us拉低+15us后讀取

寫入指令：1us拉低+15-60us中讀取

圖DS18B20復位時序

圖DS18B20讀取時序

根據時序圖的要求，我們采用延遲函數實現電平的延遲，采用GPIO設置函數實現電平的設定。在完成基礎函數的搭建后，根據DS18B20傳感器的工作要求，即可實現溫度數據的獲取。

人機交互界面介紹

根據FM33LG048芯片內置的LCD顯示接口，本設計采用四端口模式來實現人機交互，通過連接4個控制端口（設計采用PA0-PA3），25個數據端口，將溫度數據發送到顯示屏上，實現數據的可視化。

溫度控制介紹

本設計采用位置型PID算法調節溫度，共有三個環節分別為：比例控制環節、積分控制環節、微分控制環節。

比例控制（P，proportion）：能夠成比例控制偏差信號。當出現偏差信號時，偏差信號和比例增益一起產生作用，因而可以提高系統的反應速度。的大小會直接影響系統穩定性，當參數過大時，系統反應速度會明顯提高，但是超調量會增加，很容易產生振蕩。當參數過小時，系統反應速度慢且調節效果差，造成大量資源浪費。因而，單純的比例控制并不能獲得穩定的效果，需要加入積分微分環節。

積分控制（I，integral）：能夠減小系統的穩態誤差和靜態誤差。當出現偏差信號時，積分環節始終會發生作用。參數決定了積分作用的強弱，的大小和積分作用呈反比關系。在積分時間充足的條件下，積分控制可以完全消除靜態誤差。但是積分控制和比例控制一樣，作用太強也會產生超調震蕩。

微分控制（D，differential）：能夠減小系統的動態誤差。當出現偏差信號時，微分環節能夠給出修正信號，避免偏差信號快速變大帶來的調節失效。參數決定了微分修正的大小，當過大時，系統誤差變化趕不上修正變化，會產生震蕩現象。當輸入沒有變化時，微分控制不起作用，因此需要和比例控制、積分控制一起使用。

PID控制器具有三者的優點，比例控制器可以提高反應速度，積分控制器消除靜態誤差、微分控制器預判系統誤差發展趨勢，選擇合適的、、可以實現快速調節輸出量。

圖 溫度輸出函數流程圖

創新點

1、采用國產單片機芯片FM33LG048完成了半導體制冷系統設計，并制作實物設備完成性能檢測實驗。

2、開發基于FM33LG048單片機的DS18B20傳感器驅動代碼。

3、提出不同的使用場景下的制冷方案，從而為不同需求的用戶提供個性化方案。

圖系統制冷測試狀態（紅色LED為繼電器吸合指示燈）

圖LCD全顯示狀態圖

圖 主程序流程圖