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基于半导体控温的冷热敷治疗仪控制系统设计基于半导体控温的冷热敷治疗仪控制系统设计temperature control based on semiconductor of cold fomentation therapy instrument control system design学部（学院）： 机械工程学院 专 业： 测控技术与仪器 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 摘 要冷热敷治疗仪是一种集热敷和冷敷两种物理治疗方法于一体的医疗器械，在各大医院以及临床研究领域有广泛应用。但从目前国内大部分的冷热敷医用器械来看，往往存在着安全可靠性能差，温度控制不够精确，噪声大以及不环保等等缺点。针对这些种种缺点，本文在参考了国内外医用冷热敷设备的基础上，利用本科所学习的一些微机原理，数字传感器技术等等，提出了基于半导体制冷原理的医用冷热敷治疗仪的控制系统设计方案。本系统是基于st公司生产的stm32f103vet6单片机芯片的控制系统，可分为控制系统部分，负责制冷加热转换的升降温系统部分以及电源部分。控制系统中，采用的是触摸液晶屏实现人机交互，来获取用户所设定的目标温度，同时可以显示由温度传感器所测的实时温度；;升降温系统部分则利用温度传感器所传输的不同信号，使得stm32输出不同占空比的pwm脉冲从而控制半导体制冷模块对循环制冷液的加热或制冷来达到设定目标温度；电源部分则是外接220v市电，经过电压转换模块变成24v，其他各个部分不同的电源电压则是通过不同的电压转换变成相应所需要的电压，3.3v，5v，12v等等。同时，本系统中大量采用了adum系列磁耦隔离芯片来实现输入信号、主控系统以及输出信号之间的隔离，从而提高了系统的安全性和可靠性。关键词：冷热敷；stm32；半导体制冷- ii -基于半导体控温的冷热敷治疗仪控制系统设计temperature control based on semiconductor of cold fomentation therapy instrument control system designabstract cold fomentation therapy device is a set of hot and cold in one of two physical therapy medical device .many hospitals and clinical research has wide application. most of the domestic medical control blankets have poor security and reliability, low temperature accuracy, unfriendly interface and other shortcomings. to compensate for these shortcomings, this paper proposes a design of the medical control blanket control system on the basis of embedded technology, digital sensor technology, touch screen technology and intelligent control algorithm.this system is based on the st companys stm32f103vet6 single chip control system.it can be divided into the part of the control,heating and cooling systems,and power supply section. in control system, using lcd touch screen human-computer interaction, to get the user the set target temperature. and it can display real-time temperature measured by the temperature sensor. heating and cooling systems with different parts of the transmitted signal from the temperature sensor, so that different stm32 output pwm duty cycle pulses to control the semiconductor cooling module for circulating cooling fluid heating or cooling to achieve the set target temperature.power is the external power supply 220v electricity, through the voltage converter module becomes 24v, various other parts of the different supply voltage is turned into the appropriate voltage required by different voltage conversion, 3.3v, 5v, 12v, etc. at the same time, the system uses a lot adum series magnetic coupling isolation chip to achieve isolation of the input signal, the main control system and the output signals, thereby improving the safety and reliability of the system.key words：cold and hot fomentation; stm32; tec- v -目 录摘 要iabstractii1 绪论11.1 背景11.2 冷热敷治疗仪的国内外产品现状21.3 课题主要工作32 系统总体方案设计42.1 升温/降温方案42.2 系统总体结构组成52.3 系统总体硬件设计62.4 系统总体程序设计83 主控系统电路设计83.1 中央处理器电路设计93.1.1 中央处理器的选择93.1.2 stm32最小系统电路设计93.2 温度信号采集电路设计113.2.1 隔离方案的选择123.2.2 温度信号采集电路设计133.3 其他信号采集电路设计153.3.1 水位信号采集电路设计163.3.2 电流信号采集电路设计173.4 液晶接口电路193.5 其他电路设计193.5.1 控制输出电路设计193.5.2 存储电路设计203.5.3 报警电路设计213.6 系统电源设计223.6.1 电源结构设计223.6.2 电源电路设计234 驱动电路设计284.1 驱动电路总体结构284.2 h桥电路294.2.1 h桥驱动电路294.2.2 滤波电路304.2.3 电压转化电路304.2.4 继电器模块电路315 软件部分335.1 控制系统程序设计335.2 存储和报警程序设计346 软件调试356.1 液晶模块调试356.2 温度传感器模块调试357 经济性分析36结 论37附录a stm32中央处理器电路部分39附录b 传感器部分40附录c 隔离输出部分41附录d h桥电路43附录e 电源电路44附录f 继电器部分45致 谢46基于半导体控温的冷热敷治疗仪控制系统设计1 绪论1.1 背景冷热敷治疗仪，即集为患者患处提供冷敷或者热敷于一体的医疗器械。在临床医学中，对患者全身或者局部的物理升温（热敷）或者物理降温（冷敷）是非常普遍的。物理降温较为常见的被应用于神经外科、icu、神经内科等临床科室的亚低温（2835）治疗。这是由于在一项研究中表面，由于外部温度对脑组织细胞中与能量代谢相关的酶促反应的影响比较明显， 在亚低温状态时酶促反应变慢，其能量代谢能够较正常状态减弱 60%，使得脑组织能更好的耐受血氧不足的状态，这一特点使得亚低温治疗方法在治疗中重型颅脑损伤等方面有着先天优势，大量的临床应用也表明亚低温治疗脑组织损伤患者成功率更高，且尚未发现有严重的并发症发生，具有令人满意的安全性1。物理升温治疗主要应用在医疗手术及康复治疗过程中，临床研究表明，手术中或手术后会有较大的可能出现体温过低的现象，引起如心律失常、呼吸系统损坏、肾功能衰竭等并发症，对于全身麻醉时间较长的手术，需要做好相应的保温或升温措施以保证手术过程中患者的体温正常2。 国内主流的冷热敷仪基本都是使用压缩机制冷方式实现降温过程，利用电热管加热来实现升温过程，然而该控制系统存在诸多弊端：（1）安全性能可靠性能差。国内的相关产品在抗干扰性、功能设计方面仍存在很多问题，比如电磁干扰导致的传感器失灵的故障而导致患者被冻伤或烫伤，功能设计缺陷导致的产品报警功能不完善而存在发生医疗事故的隐患。北京药监局就有2008年医用控温毯引发患者受伤的记录3。 （2）温度控制精度方面不足。由于国外的医用控温毯产品的控制精度往往小于1，且降温速率较快；国内的相关产品的实际控制精度（特别是制冷精度）通常大于1.5。这是因为国内大部分产品使用的是压缩机制冷电热管加热，不仅精度控制方便达不到要求并且还有很多安全隐患，比如电热管加热就有可能发生漏电现象。而国外的产品大多都是采用半导体制冷模块（tec）实现温度控制，不仅绿色环保无污染，而且噪声小响应速度快，一个半导体制冷模块就能实现升温和降温两个过程，使得设备大大简化。本文所介绍的冷热敷治疗仪控制系统，是以stm32单片机为硬件核心，通过各个温度传感器所传输的信号使得单片机输出不同占空比的pwm脉冲，控制电路利用半导体制冷模块对循环制冷液进行加热制冷等一系列控制最终达到预设的温度值的嵌入式控制系统。相比国内大部分冷热敷治疗仪控制系统来说，该系统通过硬件上的隔离、抗干扰设计保护措施以及报警功能使得该系统安全可靠性能显著提高，并且通过半导体制冷模块来控制温度保证了温度的精度控制要求，最终达到了缩小与国外产品差距、提高医疗效果并且降低了医疗成本，有着较高的社会效益与经济利益。1.2 冷热敷治疗仪的国内外产品现状众所周知，国外的电子技术和控制技术领先国内许多，同样，在冷热敷治疗仪等医用器械上，国外产品的发展也比国内的产品更先进。根据所查资料得知，第一个被大规模应用的医用控温毯是在 1963 年由美国cincinnati sub-zero (csz)公司研发的 blanketrol ii（超）低温系统（如图1.1 左图所示），并由最初的只有降温功能，发展为具备降温升温的功能，是世界范围内目前应用最广泛，出口量最多的医用控温产品4 ； 同时代的类似产品还有美国 baxter公司的 rk 系列产品，美国 gaymar公司的 mta 系列产品等等；如今在各个医院中使用的医用控温毯产品大部分仍是国外的产品，包括美国csz公司的blanketrol iii体温调节系统，美国 bard medical division公司的arctic sun系列温度控制系统（如图1.1 右图所示），美国 gaymar 公司的mta-7912（超）低温仪器等。图1.1 国外医用控温仪器然而国内的医用控温设备起步相比国外晚了许多，大部分医院都是使用的国外的设备，国内对于医用控温设备的管理措施也相对薄弱和落后，直到2014年才发表医用控温毯产品注册技术审查指导原则等相关文件，但相关标准仍没有出台，现在主要依靠企业自己制定的产品标准；国内相关的产品有北京恒邦科技开发有限责任公司生产的p&c-ai系列（如图1.2左图所示），吉林日成医用电子有限公司的 rc-2000iii 型升降温仪（如图1.2右图所示）等。图1.2 国内医用控温仪器1.3 课题主要工作本课题其核心内容是利用半导体的帕尔帖效应，在基于stm32单片机控制半导体制冷模块进行温度控制的控制系统设计。其中还包括了利用温度传感器实时温度采集并用显示设备显示温度，通过接收到的不同信号输出不同占空比的pwm脉冲控制半导体制冷模块输出功率从而达到预设温度，另外还采用了磁耦隔离芯片技术，大大增加了系统的抗干扰能力，以及蜂鸣报警装置，断电记忆存储能力等。个人的主要工作：（1） 查阅国内外冷热敷治疗仪产品相关资料，了解冷热敷治疗仪发展及其现状，了解冷热敷治疗原理、半导体制冷原理等。（2） 硬件电路设计，其中包括总体方案的确定，主控电路各部分电路设计以及驱动电路部分的电路设计，以及其他模块的电路设计。（3） 部分模块的调试工作。包括液晶显示模块界面调试以及温度传感器部分的软件仿真调试。2 系统总体方案设计2.1 升温/降温方案上文中我们提到，国内的用于医疗的升降温设备除了升温降温分开的设备以外，集升降温于一体的设备往往是通过电热管的加热以及压缩机制冷循环液来实现温度的升降。尽管此类产品降温方面来说有着降温效率高可降温度低等特点，但是其生产成本高，制冷液有毒不环保，工作噪声大等一系列弊端。尤其是电热管加热还存在一系列安全隐患。对于压缩机来说，其结构特点决定了他不能够频繁的开关，使得控制效果表现不佳，这样也造成了该类医疗产品在使用过程中使得循环液温度振荡幅度大，控制精度不够准确等缺点。半导体制冷技术与传统的制冷技术有着根本的区别，它即不用制冷剂，也不用机械设备和管路，只要给半导体制冷器通上直流电，它的冷端就会迅速降温，降温速度快并且容易控制，无噪音和污染，体积小，解决了许多特殊场合下的制冷问题，并能实现对温度的精确控制。本系统的温度升降过程由半导体制冷模块来实现。半导体制冷模块是利用了热电原理中的帕尔帖效应，是由半导体组成的 p-n结，通过两端施加直流电将电能转换成热能的装置。如图 2.1.1所示，当电流由 n 型半导体流向 p 型半导体时就会从外界吸收能量形成冷端，相反，在下面的接头处，电流是从p型半导体流向 n 型半导体时释放能量形成热端；同样当电源正负极反接时冷热端将调换。使用半导体制冷模块的设备可以同时具有升温和降温两个功能。这样就可以使得本系统结构更为轻便紧凑无运动部件，同时使得系统噪声更小，环保无污染，冷热转换迅速，可靠性高，操作简单等一系列传统制冷方式没有的优点。半导体制冷技术已经被广泛的使用在工业、农业还有国防建设等各个领域。在这里我们是用的是苏州冰雪电子公司生产的型号为fl-200w-24hc 的半导体制冷模块，其工作原理就是利用半导体制冷模块对制冷液进行制冷或制热来控制温度，如图 2.1.2 所示。使用该半导体制冷模块时，控制直流电的方向就可以对其进行加热和制冷间的切换，控制电流的大小就可以来控制其制冷制热量以实现高精度温度控制。图2.1.1 半导体制冷原理图图2.1.2 半导体制冷模块实物图2.2 系统总体结构组成参照国内标准医用控温毯产品注册技术审查指导原则等相关文件（以下简称“标准”），了解到医用控温毯主要由三部分组成：控制系统、升降温循环、供电电源。控制系统是整个医用控温毯的中心，提供与用户交互的界面，采集各路温度信号、水位信号、电流信号灯，控制升降温循环输出用户设定温度的液体；升降温循环由半导体制冷模块负责制冷或加热循环液体，水泵将循环液体在半导体制冷模块与变温毯之间循环，水箱负责为循环通路补水，变温毯则直接与患者接触以治疗病患处；供电电源将 220v 市电转化为相应的电压为控制系统与升降温循环供电，保证整个系统的正常运行。本课题的“冷热敷治疗仪控制系统”根据“标准”不需要非常高的控制精度等一系列要求，但是在设计中我们可参考“标准”作为指导。系统结构如图2.2所示：图2.2 冷热敷治疗仪结构图2.3 系统总体硬件设计冷热敷治疗仪的控制系统硬件方案框图如下图2.3所示，主要包括主控系统部分和驱动电路部分两部分组成：（1） 主控系统部分，是本系统的硬件核心，包括以下几个方面： 中央处理器stm32电路设计，包括上电复位电路、启动方式电路、晶振电路、基准电源电路、报警电路等。 信号采集和处理电路，包括多路温度信号采集电路，水位信号采集电路，电流信号采集电路；并通过相应的隔离措施实现与中央处理器的隔离。 电源电路，包括各个隔离区的电源电路，为系统的各个部分提供相应的电源。 液晶接口电路，实现中央处理器与触摸液晶屏的通讯。 其他电路，包括控制输出电路，实现控制信号的隔离输出；存储电路，实现中央处理器与存储芯片的通讯；报警电路，实现报警提示的功能。（2） 驱动电路部分，负责控制系统通过该部分控制升降温循环实现对循环液体的制冷或制热，主要包括以下两个方面： h 桥模块电路设计，包括 h 桥电路、mos 管驱动电路、稳压电路的设计，实现 pwm信号控制输出电压的改变。 继电器模块电路设计，连接驱动模块与升降温循环，实现对升降温循环控制的通断，保证冷热敷仪与人体接触部分的安全。图2.3 系统硬件总体方案框图2.4 系统总体程序设计本系统的程序由两部分组成。一部分是stm32单片机对半导体控温模块控制以及各路传感器信号所反馈的信号信息的处理，另外一部分是液晶显示器模块显示与触摸控制部分。其中，对半导体模块的控制部分运用了pwm脉宽他调制的方式进行控制，其中还涉及到pid算法问题。由于学识条件所限，且本课题主要以硬件电路设计为主，故这部分简略介绍。3 主控系统电路设计医用控温毯属于医疗器械分类目录中分类代号为 6858 的医疗冷温、低温产品；电气方面需要满足相应的强制性标准要求，比如 gb 9706.1-2007（医用电气设备第1部分：安全通用要求）、yy/t 0505-2012（医用电气设备 第 1-2 部分：安全通用要求 并列标准：电磁兼容 要求和试验）、yy 0709-2009（医用电气设备 第 1-8 部分：安全通用要求 并列标准：通用要求，医用电气设备和医用电气系统中报警系统的测试和指南（如适用）、yy 0785-2010（临床体温计 连续测量的电子体温计性能要求）、yy0834-2011（医用电气设备 第 2 部分：医用电热毯、电热垫和电热床垫安全专用要求）等。为保证医用控温毯满足上述强制性标准要求，同时实现医用控温毯的各项功能，在控制系统的电路设计中需遵循以下几点原则5 6：（1） 为缩短控制系统的开发周期，在满足系统要求的前提下，应尽量选用具有成熟的技术、广泛的应用、丰富的资源的主控芯片。（2） 在复杂电路的设计过程中，应尽量采用现有的最好是已经被广泛应用的成熟电路，如果有能实现同样功能的集成芯片，则采用集成芯片，并参考其技术文档上的典型应用电路，不仅能减轻设计的工作量，还能使电路的功能更加稳定可靠。（3） 在电路设计时，应充分考虑控制系统的工作环境及其有可能遭受的干扰，并在电路设计的过程中做好相应的应对措施，包括可靠的电源电路、适当的滤波处理、合理的 pcb 走线等。（4） 在电路设计时，应预留一定的接口或测试点以方便系统的调试工作，比如为输入信号、输出信号以及调试信号留有相应的测试点，以供调试或维护时观察相应的信号是否符合要求。（5） 在电路设计时，应充分考虑到以后的拓展与升级，在满足现有系统要求的前提下，为以后可能的拓展或升级需求留有额外的电路与接口。3.1 中央处理器电路设计3.1.1 中央处理器的选择中央处理器作为整个控制系统的核心，负责整个控制系统的信号处理与数据通信，其他硬件电路全部围绕中央处理器而进行设计， 其性能直接影响整个控制系统的功能实现。在选择中央处理器时要结合其性能表现、片内资源、设计成本等因素，此外还有考虑其开发环境、技术支持以及开发周期等。本控制系统的中央处理器采用意法半导体（st）公司的stm32f103vet6芯片，该芯片采用arm公司的32位cortex-m3内核，是 stm32f10 x 系列中的增强型系列，内部集成有512kb的闪存以及64kb的静态随机存取存储器，主频最高可达72mhz，且内部集成单周期乘法和硬件除法，有休眠、停止和待机的三种低功耗模式，片内外设极其丰富，包括 3 个 12 位的 a/d 转换器、2 个12 位的 d/a 转换器、11个定时器、支持 13 个通信接口等，且具有很好可靠性和抗干扰能力，并且具有高速数据处理能力，被广泛应用在工业领域、医疗领域、建筑安防领域、家电应用领域、消费类产品领域等7。在stm32单片机中，内部的cortex-m3内核、flash、sram、dma、时钟系统等均通过总线矩阵连接，da转换器、usb、spi、i 2 c等片内外设连接在apb1总线上，高级定时器、ad转换器gpio等片内外设则连接在 apb2 总线上。stm32f103vet6芯片的i/o端口包括 pa、pb、pc、pd、pe 共5个16 位的端口，其他外设接口管脚与i/o 端口的管脚功能复用，其中上图中的af表示功能复用管脚。采用意法半导体（st）公司的stm32系列芯片进行硬件开发的原因不只因为其丰富的外设和强大的功能，还由于其有着完善、方便的开发环境可为开发人员减少开发周期；意法半导体（st）公司为开发人员提供了丰富、可靠、免费的stm32固件库，开发者可通过调用该固件库的函数实现对stm32系列芯片的片内外设资源的使用，而不必再访问芯片内部复杂繁多的寄存器，减轻了开发人员的工作量，同时也有利于项目代码的维护；此外，意法半导体（st）公司以及众多的第三方公司与组织为stm32系列芯片提供了各自开发工具，在意法半导体（st）官网上有着丰富的开发资料与文档信息，同时国内有大量关于 stm32 系列芯片的书籍，保证了在硬件开发过程中有充足的技术保障。3.1.2 stm32最小系统电路设计最小系统电路是指用最少的元件组成单片机可以工作的系统，主要包括电源电路、晶振电路、复位电路三部分；最小系统电路为中央处理器的工作提供最基本的保障，是整个硬件电路系统最基本最核心的部分。stm32f103vet6 芯片的最小系统电路图如图3.1.2 所示。图3.1.2 stm32最小系统电路图在stm32f103vet6芯片的最小系统电路中，电源电路为stm32f103vet6芯片的vdd（主电源）、vss（主电源地）、vdda（模拟电源）、vssa（模拟电源地）、vref+（ad参考电压正极）、vref-（ad 参考电压负极）、vbat（备份电源）等管脚供电，其中vbat（备份电源）通过二极管d2与d3可实现在当系统上电工作时由vdd（主电源）提供，当系统断电后，由外接电池提供，其余电源电路在后续章节中有具体说明；晶振电路中接有 8mhz 的高速外部晶振，在芯片内部可通过分频与倍频给cpu与各个片内外设提供时钟频率， 同时接有32.768khz的低速外部晶振可用来为rtc提供时钟频率；上电复位电路由电阻r37与电容c21实现，并接有按键s1实现手动按键复位。其他电路还包括启动方式电路和 jtag 接口电路。stm32f103vet6的启动方式可在 p12 上通过短路帽设置boot0与boot1管脚的电平来改变，其对应的启动模式如表 3.1.2 所示7。本系统在正常工作时使用用户闪存存储器作为启动空间，即代码从片内 flash 中启动。表 3.1 stm32f103vet6 启动模式表3.2 温度信号采集电路设计控制系统在控制升降温循环系统工作时，为达到输出用户所设定温度值的循环液体，并保证系统正常运转的目的，控制系统需要采集以下温度信号：（1） 实际水温信号，与患者患处进行热交换的循环液体的温度，即循环液体到达变温毯处的温度；此信号是控制系统的目标调节对象，通过采集该信号实现闭环控制，以达到更加精确控制的目的。（2） 热端温度信号，半导体制冷模块在制冷时的热端温度，半导体制冷模块在工作时热端温度不能过热（70），否则将导致半导体制冷模块损坏，所以需要监测此处温度以保护模块。此外，为提高控制系统的稳定性与可靠性以及满足相关强制性标准中的电磁兼容性（emc）与静电放电测试（esd）的要求；在硬件电路设计中，采取输入信号、主控系统、输出信号之间的相互隔离的措施，保证三者的之间只有信号的传递不能有电流的流动，排除相互之间的噪声与干扰，可大大增强控制系统的稳健性与独立性。此处在介绍温度信号采集电路前需先介绍隔离方案的选择。3.2.1 隔离方案的选择本控制系统中的信号隔离属于数字信号和开关量信号的传输隔离，这类信号的隔离在实际应用中主要有三种类型8：（1） 光电隔离，使用由发光二极管与光敏元件组成的光电耦合器将电信号转化为光信号再转化为电信号以达到信号隔离的效果；光电隔离对外部电磁干扰、内部信号串扰等有较好的屏蔽作用，在早期的电路设计中被广泛采用，但是由于存在传输速度的限制、消耗功率大、发光二极管老化等缺点，使得该种隔离方式在未来的应用中逐渐不被看好；比较典型的常见芯片有 tlp521 系列、6n137 系列光耦。（2） 磁耦隔离，也可称为电磁隔离，通过绝缘隔离层两侧的线圈之间的电磁感应，实现数字信号的隔离传递；磁耦隔离有着传输速度高、传输效率高、功耗极低等优点。但由于其隔离方式需要将电信号转换为电磁信号，所以一定程度上会受到外部电磁干扰的影响。常见的有亚德诺半导体（adi）公司的 adum 系列隔离器产品。（3）电容隔离，利用电容的绝缘电介质实现信号的隔离，隔离层两侧的信号通过电场的变化实现传输；电容隔离有着传输效率高、抗外部电磁干扰强等优点，但这种隔离方式不能隔离两端信号间的噪声传输。常见的有德州仪器（ti）公司的 iso 系列隔离器产品。通过上述比较，本系统中在隔离设计中采用的是亚德诺半导体（adi）公司的 adum系列的高性能数字隔离器产品，该系列产品使用亚德诺半导体（adi）公司的专利磁耦隔离(icoupler)技术，而且由于其内部集成在芯片内的磁耦隔离器件尺寸极小，使得其对外部电磁干扰也有较好的屏蔽作用。adum 系列隔离器有高性能、低功耗、高可靠性、较长寿命、外围电路简单等优点9。磁耦隔离技术的原理图如图所示。图 磁耦隔离技术原理图通过图3.2.1可以看出，磁耦隔离技术在检测数字信号的跳变边沿后，将不同的跳变边沿通过一定的电路编码成不同的脉冲信号，并通过芯片级变压器传输到隔离的一侧，隔离侧检测到脉冲后通过一定的电路将脉冲信号转换成相应的数字信号跳变边沿，完成数字信号的磁耦隔离传输。下文以adum1200双通道磁耦隔离芯片为例介绍该芯片的各个引脚及接法。其功能框图如图所示。图 adum1200功能框图从图 3.4 中可以看出，芯片左右侧通过磁耦隔离，输入输出的关系对应明显；vdd1 、gnd1是左侧的供电系统，via与 vib分别是 a 路与b路输入；vdd2 、gnd2是右侧的供电系统，voa 与vob分别是a路与b路输出。adum 系列隔离器的原理都一样，功能框图大都相似，在后续章节的应用电路中将具体介绍其连接电路。3.2.2 温度信号采集电路设计根据设计要求中所述，以及医疗控温毯产品注册技术审查指导原则中的要求，循环液体的温度允差为1.5，温度控制范围4-42，温度控制精度为1，并且半导体制冷模块热端温度小于70。因此可直接选用美信集成产品（maxim integrated products）公司的ds18b20数字温度传感器用来做温度采集。（1）ds18b20温度传感器ds18b20温度传感器是集温度检测与数据输出于一个芯片之上，具有很强的抗干扰能力其一个工作周期分为两个部分，即温度检测与数据处理。ds18b20是单总线数据通信，工作电压35.5v。其内置eeprom，具有限温报警功能，最高12位分辨率，精度可达0.5，检测温度范围是在-55+125。ds18b20的封装结构如下图所示。ds18b20使用方便，简单，是众多单片机学习爱好者首选的温度检测装置，被广泛应用在农用设备、环境控制、医疗装置、电信行业等领域，有众多的应用案例可供开发过程中参考，同时也证明了该温度传感器有较好的可靠性10。在本系统中，因为系统所要求的温度控制范围在4-42，循环制冷液的温度范围大概在-5+80，完全满足ds18b20的工作范围。图 ds18b20封装（2）温度采集信号隔离电路设计ds18b20 的隔离电路设计难点在于其通信协议为单线协议， 所有通讯数据全在一根数据线传输，其传输方向是双向的，而所采用的 adum 系列隔离器的单个隔离通道都是单向的，如果将单数据总线同时直接连接 adum1201 的输入和输出管脚，将会到导致信号死锁，无法进行通信。ds18b20 的隔离电路图如图 所示.在图中，隔离电路采用adum1201、adum1200、adum1300电磁隔离器实现控制系统与温度采集电路的隔离，并通过模拟电子开关 cd4051 实现对 ds18b20 的分时读写，实现了单总线的双向隔离功能。其中 cd4051 是德州仪器（ti）公司生产的单路 8 通道数字控制模拟电子开关芯片，其有a、b、c选择控制管脚；1 个 inh 管脚，可通过低电平来使能接通；1个公共管脚（comio）和8个通道管脚（iox）11。比如当 inh 管脚为低，a、b、c 三个管脚电平对应为 011 时，公共管脚将与 3 号通道管脚接通，与其他通道管脚不接通。stm32f103vet6 的两个管脚 tem_s （pd6） 与 tem_m （pd7） 分别实现对 ds18b20的读写功能；当单片机对 ds18b20 进行读操作时，单片机将管脚 cd_1（pd5）置低，cd_2（pd4）置高，对应的图中标记为 u16 的模拟电子开关 cd4051 的 inh 管脚变为低电平，使能接通功能，单片机的 tem_s（pd6）管脚与对应的 ds18b20 的数据线接通，从而进行读操作，同时对应的图中标记为 u18 的模拟电子开关 cd4051 的 inh 管脚变为高电平，关闭接通功能，防止写操作管脚的电平干扰读操作管脚的电平；同理单片机将管脚 cd_1（pd5）置高，cd_2（pd4）置低，将单片机的 tem_m（pd7）管脚与对应的 ds18b20 的数据线接通，实现写操作，并防止读操作管脚电平干扰写操作管脚电平。电路图中的4.7k的排阻接电源作为 ds18b20 数据线的上拉电阻，ds18b20数据线上串联的 22的电阻起阻抗匹配的作用。在 ds180b20 隔离电路中，cd4051 有 8 个通道可与公共管脚进行接通，考虑到以后控制系统的升级与可拓展性，电路设计中使用了全部通道留出了8 路ds18b20 数据线接口，意味着通过该电路可以接入 8 个ds18b20温度传感器进行温度采集，单片机只需通过 cd_a（pd14）、cd_b（pd13）、cd_c（pd12）管脚实现对两个 cd4051的通道选择，从而能够分别与 8 个 ds18b20 进行通信，实现温度采集功能。图 温度传感器的隔离电路3.3 其他信号采集电路设计控制系统在控制升降温循环系统工作时还需要采集以下信号：（1）水位信号，水箱里的液面信号，水箱主要用来给升降温循环系统补充循环液体，监测水位信号以防止水箱中水量过少，导致升降温循环系统循环液体不足而损坏循环水泵。（2）电流信号，半导体制冷模块的电流信号，监测流过半导体制冷模块的电流信号，防止其因电流过大而造成不可逆转的损坏。以上两路信号主要作用是为了保护整个系统的正常工作， 以增长系统的使用寿命并增强系统的安全可靠性。3.3.1 水位信号采集电路设计本控制系统只需检测水箱中的水位上下限，保证水箱中的水既不太满也不太少即可。所以本系统中的水位传感器选用双点式浮球液位开关，如图 左图所示。其工作原理比较简单，在浮球液位开关中，杆中有气密式干簧管开关，而套在杆上的浮子配有永磁体，能在短距离内产生较大的静磁场，双点式浮球液位开关则是在需要监测的上下限液位点各使用一个浮球，当水箱中的水位降到低于所设定的下限液面时，双点式浮球液位开关的两个浮球都会接触到下部限位，使得杆内的干簧管开关都断开；其原理如图 中图和右图所示。 图 液位开关工作原理图水位信号的采集电路如图所示。在电路中采用adum1200对双点式浮球液位开关的两路开关量信号进行隔离。水位信号的采集电路比较简单， 双点式浮球液位开关的两个干簧管开关的一端都接地，另外两端接上拉电阻（r80、r81）并通过 adum1200 隔离器分别连接到单片机的high（pc9）管脚与 low（pc8）管脚。通过上文的分析可知，当单片机检测到 low（pc8）与 high（pc9）管脚都为高电平时，表示水箱中的水位过低；当单片机检测到 low（pc8）与 high（pc9）管脚都为低电平时，表示水箱中的水位过高；当单片机检测到 low（pc8）管脚为低电平且 high（pc9）管脚为高电平时，表示水箱中的水位正常。图 液位开关隔离电路3.3.2 电流信号采集电路设计在电流检测方面， 传统方式往往采用串联电阻法将电流信号转换为电压信号进行测量，这种方式存在测量精度不高，反应时间长等缺点。本系统中采用 allegro 公司的线性电流传感器 acs712 芯片实现对半导体制冷模块的电流信号的监测。该器件内置有精确的低偏置的线性霍尔传感器电路，能输出与检测的交流或直流电流成比例的电压，具有低噪声、响应时间快，50千赫带宽，总输出误差最大4%，高输出灵敏度（66185mv/a）使用方便性价比低等特点，被广泛应用于电动机控制，载荷检测和管理，开关式电源和过电流故障保护等12。线性电流传感器acs712-20a典型应用图如下图所示。图 acs712的典型应用图由上图我们很明显的可以看出，ip+与ip-为电流输出接口，vcc与gnd分别是5v与接地端，viout为电压输出端口。其电路图很简单，并且该器件自带隔离功能，因此不需要额外设计隔离电路，大大简化了本电路的设计。但是由于本电路中模拟信号的电压范围是05v，而系统采用的stm32单片机的ad参考电压需小于3.3v，即stm32单片机的ad转换器能够采样的模拟信号的电压范围需在03.3v之间，因此在这里存在一个电压大小不能够匹配的状况。所以在电路设计中我们需要设计一个信号调理电路使得两者的电压范围统一即让acs712-20a芯片输出的05v的电压信号转变为stm32单片机中ad可采样的模拟信号电压范围。本控制系统的用于电流信号调理的电路图如图所示。图 电流信号调理电路信号调理电路采用亚德诺半导体（adi）公司的经典放大器 op07，是一款有着低噪声、高增益、稳定性好、失调电压低、共模输入宽等优点的放大器。在图 中，05v 的模拟电压信号通过第一级 op07 放大器（图中的 u5）实现反相比例缩小，被转换为-2.50v的模拟电压信号，再通过第二级 op07 放大器（图中的 u6）实现同比例反相，被转换为 02.5v 的模拟电压信号，该信号将直接进入stm32f103vet6的ad采样通道被转换成数字信号。另外，这里简单介绍下stm32的ad参考电压电路。电路图如图所示。本电路采用的是德州仪器（ti）公司生产的串联电压基准芯片ref3025，可以为ad参考电压提供2.5v的基准电压。图中的c27_t 与c28_t均采用钽电容，可大大提高 ad 参考电压的质量。图 ad参考电压电路3.4 液晶接口电路随着技术条件日益优越与硬件不断的升级，许多控制设备部再局限于实体按键以及普通液晶屏幕，就趋势看来，触摸面板的使用越来越频繁。使用触摸面板的控制设备，其操作显示简单，有着更好的操作体验以及更好的人机交互。由于条件所限，本系统设计中使用的是一块3.5英寸的电容式触摸屏，其电路图如下：图 3.4.1 tft触摸屏接口电路图3.5 其他电路设计3.5.1 控制输出电路设计在驱动半导体制冷模块方面，有两种驱动方式被广泛使用 。（1）pwm驱动方式，通过改变pwm脉冲的占空比改变mos管等功率器件的打开与关闭时间，从而实现对接入半导体制冷模块的电压通断，再通过一定的滤波稳压电路实现调节半导体制冷模块上的电压的功能。（2）恒流源驱动方式，通过控制恒流源来改变半导体制冷模块的电流大小，这种驱动方式需要搭建一个可调的恒流源，且该驱动方式能够驱动的功率范围比较大。通过比较两种方案，本控制系统采用 pwm 驱动方式，通过驱动h桥模块电路实现半导体制冷模块电压的改变，其驱动方式类似于电机驱动方式，有较多的实例可供参考。控制输出电路如图 3.5.1. 1和所示。图 隔离输出电路图（pwm信号输出部分）图 隔离输出电路图（继电器部分）在上图中， stm32f103vet6 单片机的 pwm _1（pa8）、 pwm _2（pa11）管脚输出相应的 pwm 脉冲信号，这些管脚分别是单片机片内外设的高级定时器1的 pwm 输出通道，并使用adum1300隔离器将两路pwm与一路使能信号隔离， 隔离器左侧连接单片机管脚，右侧连接外部驱动电路；图是继电器信号输出电路，使用adum1200隔离器将继电器开关信号隔离，隔离器左侧连接单片机管脚，右侧连接外部驱动电路。3.5.2 存储电路设计控制系统在工作过程中往往需要存储一些参数， 以便下次上电后控制系统能直接根据之前的参数运行，控制系统在运行过程中需要存储的参数包括：用户设定的降温设定温度值、升温设定温度值、控制中的 pid 参数，以及今后升级系统所需用到存储空间等。本控制系统采用atmel公司生产的at24c04存储芯片；at24c04存储芯片是一个4k字节的串行e2 prom，该存储芯片有较低的功耗、兼容 400khz 的i 2 c总线、有1.8v6.0v 较宽的工作电压、有写保护功能、编程/擦除一百万次、内部数据可保存 100年等特点，被长期广泛应用于各个领域13。at24c04 存储芯片使用i2c总线进行通信，其电路图如图 3.5.2 所示.图 3.5.2 存储电路从图 3.5.2 可以看出，由于通信连接不需要与中央处理器进行隔离，at24c04 的连接电路比较简单， at24c04的scl管脚接入4.7k的上拉电阻直接ic1_scl（pb6）相连接，sda管脚接入4.7k的上拉电阻直接与i2 c1_sda（pb7）相连接。这样设计可直接利用单片机的内部的i2c1外设与存储芯片at24c02进行通信。3.5.3 报警电路设计控制系统在检测到相关异常时，比如传感器脱落、温度信号超限、水位信号超限、电流信号超限等，将停止运行并发出声音报警；本控制系统采用有源蜂鸣器产生报警声音，有源蜂鸣器内部带振荡源，只要通电就能鸣叫。蜂鸣器电路如图 3.5.3 所示。蜂鸣器电路比较简单，中央处理器的 beep（pa4）管脚输出高电平通过 s9013 三极管驱动蜂鸣器的鸣叫。图 3.5.3 蜂鸣器报警电路3.6 系统电源设计电源系统是一个控制系统中为各个部分提供电源输出的一部分，是一个控制系统的硬件设计重要组成部分。在电源设计前，需从整个控制系统的大局出发，估算整个控制系统的消耗功率以及了解各个部分对电源质量的要求，选择电源功率时，所选电源功率须是总功率的1.5倍2倍，以保证控制系统能有足够的电源供应 13。本系统中由于输入信号，主控系统和输出信号之间相互隔离，所以各个部分需要独立供电，因此需要较好的规划从而保证各部分能够正常工作。本系统中各部分的电压有12v，5v和3.3v。3.6.1 电源结构设计本系统的电源总体结构简图如图3.6.1所示。从电源总体结构图中可以看出，电源总体分为两路。1）一路是外接的220v市电经过隔离电源开关1之后转变为12v的直流电，之后经过稳压器1（三端稳压器）转变为5v共同给继电器和隔离电路供电，12v的直流电还要经过隔离dc-dc（1）转变为5v直流电，通过反向电荷泵产生5v的电压给给信号调理电路其电流采集电路供电，经过稳压器2转变为3.3v给stm32单片机、液晶屏、报警电路及存储电路供电。同时12v的直流电还需经过隔离dc-dc（2）转变为5v之后给温度、水位信号采集电路供电。 （2）另外一路是指外接220v市电经过隔离开关电源2转为24v直流经外部驱动电路变为12v直流电，在通过稳压器3（三端稳压器）转换为5v为驱动电路的h桥电路供电。通过以上叙述可以看出，系统各个部分电源设计做到了相互独立，相互隔离，保证了系统的安全性和抗干扰性。图3.6.1 电源总体结构简图3.6.2 电源电路设计（1）隔离开关电源本系统中使用的隔离开关电源（1）是将220v变12v，隔离开关电源（2）是220v变24v。在选择隔离开关电源之前，需要知道控制系统中的功率损耗大小。在本系统中，液晶屏电压3.3v，电流约150ma，继电器线圈功率1.1w，其余部分功率太小忽略不计，因此系统的总功率约为6w。本系统使用的隔离开关电源（1）是广州明纬电子公司生产的nes-15-12型，其功率是15w，其输出电源为12v，纹波与噪声最大为150mvp-p，隔离电压为3kv，且具有短路保护模式，符合相应的安全规范与电磁兼容性标准。另外一个隔离开关电源（2）负责将220v电压转变为24v电压为半导体制冷模块供电，因此需要根据半导体制冷模块电压选择。本系统中的半导体制冷模块工作电压24v，工作电流12.5a，故选用广州明纬电子公司的型号为 nes-350-24 的隔离开关电源，该电源功率为350w，输出电压24v，纹波与噪声最大为 150mvp-p，隔离电压为 3kv，且具有短路保护模式，符合相应的安全规范与电磁兼容性标准。（2）三端稳压器在电源方案图中总共用到2类三端稳压器，一类是将 12v 转换为 5v，一类是将 5v转换为3.3v。将12v 转换5v 的后续电路对电流要求到不高，只是为 adum 系列隔离器或三极管供电，所以本控制系统选用德州仪器（ti）公司生产的 lm78l05 三端稳压器，该稳压器输出 5v5%，输出电流可达 100ma，输入电压范围为 7v20v，完全满足系统要求。图 lm78l05电路图三端稳压器 lm78l05 的电路图比较简单，只需分别在输入端与输出端连接两个滤波电容， 其中 0.1uf 的电容滤除电源中的高频噪声， 10uf 的电容滤除电源中的低频噪声，以保证为后续电路输出稳定可靠的电源。在控制系统中，将5v 转换为3.3v 的三端稳压器选用的是advanced monolithic systems（ams）公司的ams1117-3.3芯片，该三端稳压器输出电压为 3.3v3%，输出电流可达 1a，被广泛应用在各种低电压供电场合。该三端稳压器主要为中央控制器电路以及其他外围电路供电，故其可靠性极其重要，其电路图如图 所示。图 ams1117电路图三端稳压器 ams1117-3.3的电路连接与lm78l05电路连接类似，只是 0.1uf 的滤波电容使用了钽电容，以便更好的滤除电源中的噪声。此外，stm32芯片的vdda（模拟电源）、vssa（模拟电源地）分别通过电感和 0 电阻与3.3v、gnd 相连接，0 电阻可实现数字地与模拟地的单点连接，能够