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基于復(fù)旦微MCU的半導(dǎo)體制冷器方案

復(fù)旦微MCU ? 2022-11-04 14:27 ? 次閱讀

引言與說明

現(xiàn)有的制冷技術(shù)可以分為兩大類,第一類是較為傳統(tǒng)的壓縮氣體制冷技術(shù),主要特征為使用易壓縮氣體作為熱介質(zhì),利用氣體變化實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)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(huì)造成大氣環(huán)境污染。第二類則為近些年來新興的清潔制冷技術(shù),常見的有半導(dǎo)體制冷技術(shù)和磁制冷技術(shù),半導(dǎo)體制冷又稱為溫差電制冷,是一種發(fā)展較為成熟的新型制冷方式。


現(xiàn)有的國產(chǎn)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(gè)溫度區(qū)間,例如,狂犬病疫苗、百白破疫苗、甲肝疫苗、脊髓灰質(zhì)炎糖丸、麻疹疫苗等。

本課題設(shè)計(jì)了一款用于保存疫苗的半導(dǎo)體制冷設(shè)備,硬件系統(tǒng)包括主控電路、制冷電路、開關(guān)檢測電路、顯示電路、照明電路等模塊;軟件系統(tǒng)包括主程序、DS18B20傳感器驅(qū)動(dòng)函數(shù)、LCD屏幕驅(qū)動(dòng)函數(shù)、開關(guān)檢測函數(shù)、PID算法函數(shù),制冷片控制函數(shù)等部分。

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圖制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖


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主控芯片


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處理器內(nèi)核:ARM Cortex-M0架構(gòu),支持MPU,支持用戶/特權(quán)模式,64MHz主頻,SWD接口,24bit Systick定時(shí)器

低功耗平臺:典型運(yùn)行功耗130uA/MHz@48MHz,Sleep模式3.3uA typ,DeepSleep模式,RTC走時(shí)+全部RAM保持+CPU內(nèi)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(hù)功能。

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

通用通信接口:5個(gè)UART接口,3個(gè)LPUART接口,1個(gè)7816智能卡接口,3個(gè)主從模式SPI,1個(gè)主從模式I2C,1個(gè)CAN2.0B接口,7通道外設(shè)DMA,可編程CRC校驗(yàn)?zāi)K。

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

LCD資源:芯片內(nèi)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。

想了解關(guān)于這顆芯片的更多資料,也可以直接點(diǎn)擊閱讀原文下載



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傳感器工作介紹

本設(shè)計(jì)使用DS18B20溫度傳感器。該傳感器由DALLAS公司生產(chǎn),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(yīng)多種采樣時(shí)間,如下表所示。


DS18B20分辨率和采樣時(shí)間

寄存器R1R0

分辨率

采樣時(shí)間

00

0.5℃

93.75ms

01

0.25℃

187.5ms

10

0.125℃

375ms

11

0.0625℃

750ms

根據(jù)傳感器芯片手冊編寫驅(qū)動(dòng)代碼,分別有:復(fù)位函數(shù)、寫入函數(shù)、讀取函數(shù);各函數(shù)結(jié)構(gòu)如下:

復(fù)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

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圖DS18B20復(fù)位時(shí)序

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圖DS18B20讀取時(shí)序

根據(jù)時(shí)序圖的要求,我們采用延遲函數(shù)實(shí)現(xiàn)電平的延遲,采用GPIO設(shè)置函數(shù)實(shí)現(xiàn)電平的設(shè)定。在完成基礎(chǔ)函數(shù)的搭建后,根據(jù)DS18B20傳感器的工作要求,即可實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的獲取。

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人機(jī)交互界面介紹


根據(jù)FM33LG048芯片內(nèi)置的LCD顯示接口,本設(shè)計(jì)采用四端口模式來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,通過連接4個(gè)控制端口(設(shè)計(jì)采用PA0-PA3),25個(gè)數(shù)據(jù)端口,將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示屏上,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。

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溫度控制介紹


本設(shè)計(jì)采用位置型PID算法調(diào)節(jié)溫度,共有三個(gè)環(huán)節(jié)分別為:比例控制環(huán)節(jié)、積分控制環(huán)節(jié)、微分控制環(huán)節(jié)。

比例控制(P,proportion):能夠成比例控制偏差信號。當(dāng)出現(xiàn)偏差信號時(shí),偏差信號和比例增益一起產(chǎn)生作用,因而可以提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度。的大小會(huì)直接影響系統(tǒng)穩(wěn)定性,當(dāng)參數(shù)過大時(shí),系統(tǒng)反應(yīng)速度會(huì)明顯提高,但是超調(diào)量會(huì)增加,很容易產(chǎn)生振蕩。當(dāng)參數(shù)過小時(shí),系統(tǒng)反應(yīng)速度慢且調(diào)節(jié)效果差,造成大量資源浪費(fèi)。因而,單純的比例控制并不能獲得穩(wěn)定的效果,需要加入積分微分環(huán)節(jié)。

積分控制(I,integral):能夠減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差。當(dāng)出現(xiàn)偏差信號時(shí),積分環(huán)節(jié)始終會(huì)發(fā)生作用。參數(shù)決定了積分作用的強(qiáng)弱,的大小和積分作用呈反比關(guān)系。在積分時(shí)間充足的條件下,積分控制可以完全消除靜態(tài)誤差。但是積分控制和比例控制一樣,作用太強(qiáng)也會(huì)產(chǎn)生超調(diào)震蕩。

微分控制(D,differential):能夠減小系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差。當(dāng)出現(xiàn)偏差信號時(shí),微分環(huán)節(jié)能夠給出修正信號,避免偏差信號快速變大帶來的調(diào)節(jié)失效。參數(shù)決定了微分修正的大小,當(dāng)過大時(shí),系統(tǒng)誤差變化趕不上修正變化,會(huì)產(chǎn)生震蕩現(xiàn)象。當(dāng)輸入沒有變化時(shí),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(yōu)點(diǎn),比例控制器可以提高反應(yīng)速度,積分控制器消除靜態(tài)誤差、微分控制器預(yù)判系統(tǒng)誤差發(fā)展趨勢,選擇合適的、、可以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)輸出量。

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圖 溫度輸出函數(shù)流程圖

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創(chuàng)新點(diǎn)

1、采用國產(chǎn)單片機(jī)芯片F(xiàn)M33LG048完成了半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì),并制作實(shí)物設(shè)備完成性能檢測實(shí)驗(yàn)。

2、開發(fā)基于FM33LG048單片機(jī)的DS18B20傳感器驅(qū)動(dòng)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(gè)性化方案。

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圖系統(tǒng)制冷測試狀態(tài)(紅色LED為繼電器吸合指示燈)

43974a34-5ad0-11ed-b116-dac502259ad0.png圖LCD全顯示狀態(tài)圖


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圖 主程序流程圖

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