ＳＴＭ３２帕尔贴 加热 器软件的模块化设计 熊伟。耿琅环 （西安工程大学电子信息学院，西安７１００４８） 摘要：为解决市面上医用加热器成本较高、智能化程度较低、安全性较低的问题，本文设计一种基于ＳＴＭ３２微控器的帕 尔贴加热器。使用较为常见的帕尔贴热电半导冷器件和ＳＴＭ３２微控器，针对帕尔贴加热和制冷双功能特性，搭建 两路以４个场效应管为基础元器件的Ｈ桥电路作为驱动电路，实现智能化温度控制以及按键控制多功能并显示，体现 了人性化设计。另外，对系统各个模块进行模块化编程，使用￣Ｃ／ＯＳ－ＩＩ和ＰＩＤ优化控制算法，不仅实现脱机工作，而且 很大程度上提高了系统的稳定性、精确性和实用性。 关键词：ＳＴＭ３２；帕尔贴；Ｈ桥驱动电路 中图分类号：ＴＰ２９ 文献标识码：Ａ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｍｏｄｕｌａｒ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐｅｌｔｉｅｒ Ｈｅａｔｅｒ Ｂａｓｅｄ Ｏｎ ＳＴＭ３２ Ｘｉｏｎｇ Ｗｅｉ，Ｇｅｎｇ Ｌａｎｇｈｕａｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｆｉ，ｘｉ’ａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００４８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｃｏｓｔ，ｌｏｗ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ａｎｄ ｌｏｗ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｍｅｄｉｃａｌ ｈｅａｔｅｒ ｏｎ ｔｈｅ ｍａｒｋｅｔ，ａ ＳＴＭ３２一ｂａｓｅｄ Ｐｅｌｔｉｅｒ ｈｅａｔｅｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ Ｐｅｈｉｅｒ ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ ＳＴＭ３２ ｃｈｉｐ ａｒｅ ｕｓｅｄ．Ｆｏｒ ｔｈｅ Ｐｅｌｔｉｅｒ ｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｏｌｉｎｇ ｄｕａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｔＷＯ Ｈ—ｂｒｉｄｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｒｅ ｂｕｉｌｔ ａｓ ａ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｅａｃｈ Ｈ—ｂｒｉｄｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｕｓｉｎｇ ｆｏｕｒ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ａｓ ａ ｂａｓｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ．Ｔｈｉｓ ｄｅｓｉｇｎ ａｃｈｉｅｖｅｓ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｋｅｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｕｌｔｉ－ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｙ，ｉｔ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｕｓｅｒ— ｆｒｉｅｎｄｌｙ ｄｅｓｉｇｎ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｍｏｄｕｌａｒｉｚｅｄ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ．Ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ￣Ｃ／ＯＳ－ＩＩ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ＰＩＤ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｅｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｎｏｔ ｏｎｌｙ ａｃｈｉｅｖｅｓ ｏｆｆｌｉｎｅ ｗｏｒｋ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＳＴＭ３２；ｐｅｈｉｅｒ；Ｈ ｂｒｉｄｇｅ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ 顺应了当代电子产品设计低功耗的潮流。软件设计程序 引 言 随着科技地不断进步、经济飞速发展，人们的生活质 量在不断提高，平均寿命得到很大改善，中国在一步一步 地走向老龄化社会，市场对于医疗设备与服务的保障提出 了更高的要求。市面上大多数加热器采用发热管或ＰＴＣ 热敏电阻作为发热器件，只有加热功能，而帕尔贴热电半 导冷片，不仅可以实现加热的功能，还可以快速降温， 达到制冷的效果。由于帕尔贴热电半导冷片工作方 向都是由继电器控制，此方案的缺点无法消除机械噪声， 使用ｇＣ／ＯＳ－ＩＩ操作系统，可以更好地管理芯片内存，实用 性较强。 １ 硬件设计 １．１硬件总体结构 本系统硬件主要由ＳＴＭ３２、Ｈ桥驱动电路和电源电 路组成，ＳＴＭ３２作为控制主芯片，外围电路有双Ｈ桥驱 动模块、帕尔贴散热模块、温度采集模块、电源电路模块、 显示模块及按键选择模块，主芯片控制各个模块之间信号 并且会缩短帕尔贴的使用寿命，所以有必要设计一种既安 全又可靠的环保型驱动电路。 医疗设备的设计除了要考虑便携性、安全性，还要注 的传递与通信。加热器是利用帕尔贴效应实现加热或者 制冷的，当电流流经两个不同导体形成的接点时，接点处 会产生放热和吸热现象，放热或吸热大小由电流的大小来 重智能化、产业化。本设计采用改进的Ｈ桥驱动电路，加 入了转换电压电路保护功能，极大程度降低了安全风险。 采用性价比高的ＳＴＭ３２作为控制核心芯片，与以往的 决定，本设计使用改进的Ｈ桥电路对帕尔贴半导冷 片的方向进行控制。试剂从冷库里取出来，放在加热器上 面，有２个按钮，１个按钮控制一路帕尔贴。按下按钮，加 热器从３７℃加热到６５℃，然后从６５℃降温到３７℃，最 ＨＴ４６Ｒ ４７控制芯片相比，配置更加丰富，使用更加灵活， 敬请登录网站在线投稿 ２０１７年第７期 《平旁机－喜嵌入式系＇乞应国》 ６７ 后保持恒温３７℃。每一路帕尔贴热电半导冷片上下 各放置一个风扇，供其散热。其硬件结构图如图１所示。 ＣＴＲ２低电平，Ｑ３截至，Ｂ点为１２Ｖ，Ｑ１Ａ为Ｎ型场效应 管，此时为导通状态，Ｑ１Ｂ为Ｐ型场效应管，此时为截止 状态，０ＵＴ ２为０ Ｖ，所以电流从ＯＵＴ１流向０ＵＴ２， ＯＵＴ１和０ＵＴ２之间为帕尔贴元件，此时帕尔贴呈加热 状态。 反之，给ＣＴＲ１低电平，Ｑ４截止，Ａ点相当于１２ Ｖ， Ｑ２Ｂ为Ｐ型场效应管，栅极高电平时截止，Ｑ２Ａ为Ｎ型 管，在栅极高电平时导通，则０ＵＴ１为０ Ｖ。若给ＣＴＲ２ 高电瓶，Ｑ３导通，Ｂ点接地为０ Ｖ，Ｑ１Ａ为Ｎ型场效应管， 图１ 系统硬件结构图 此时为截止状态，Ｑ１Ｂ为Ｐ型场效应管，此时为导通状 态，０ＵＴ ２为１２ Ｖ，所以电流从ＯＵＴ２流向ＯＵＴ１，此时 １－２ Ｈ桥驱动电路 Ｈ桥电路一般用于控制直流电机反转方向，简单的 Ｈ桥电路由２个Ｐ型场效应管ＱＩＢ、Ｑ２Ｂ与２个Ｎ型场 效应管Ｑ３Ａ、Ｑ４Ａ组成，如图２所示。Ｐ型管在高电平时 帕尔贴呈制冷状态，如图４所示。Ｑ２Ｂ和Ｑ２Ａ导通和截 止相互切换的过程当中，元器件电流变换有可能产生的惰 性，为了防止短路，减小损伤元器件的风险，设计中加入 关闭；Ｎ型管在栅极高电平时导通，低电平时关闭，场效应 管是电压控制型元件，栅极通过的电流几乎为“零”，４个 ＥＮ１使能端电路。系统运行，先给ＣＴＲ１、ＣＴＲ２高低电 平，然后打开ＥＮ１，整个系统具有较高的安全系数。 场效应晶体管中间为帕尔贴加热或制冷输出。 ＶＣＣ ２ 软件设计 ４ ４ ２．１￣ｃ／ｏｓ—ＩＩ实时操作系统 ／￣Ｃ／ＯＳ－ＩＩ是一个实时操作系统内核，它仅仅包含了 任务调度、任务管理 时间管理、内存管理和任务间的通信 和同步等基本功能。此操作系统不仅最多可以支持２５６ 个任务，功能扩展性强，而且可以很好地保证系统的实时 性，对优先级最高的任务或中断能够及时处理，提高整个系 统的效率。帕尔贴加热器的整体程序是通过在肚ｃ／ＯＳ－ＩＩ 实时操作系统上添加相应的任务来实现的，这里的三个任 务分别是按键选择、帕尔贴加热（或者制冷控制）以及 ： ＧＮＤ ＬＥＤ显示，它们是通过信号量和消息列队进行同步和通 信的。操作系统对３个模块的程序分别进行控制和调度， 如图５所示。 图２ Ｈ桥电路基本原理电路图 本设计的改进Ｈ桥 式驱动电路，要使ＯＵＴ１ 与０ＵＴ２之间有电流通 ４ 过，必须使对角线上的一 对场效应晶体管导通。改 进Ｈ桥式驱动加热状态 如图３所示，给ＣＴＲ１高 电平，Ｑ４导通，Ａ点相当 于接地，为０ Ｖ，Ｑ２Ｂ为Ｐ 型场效应管，栅极低电平 时导通，Ｑ２Ａ为Ｎ型管， 在栅极低电平时截止，则 ０ＵＴ１为１２ Ｖ。同理给 ： ： ４ＤＹ ＧＮＤ ＧＮＤ 圈３改进Ｈ桥式驱动加热状态 ６ ８ Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ＆Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ２０ １ ７年第７期 ＷＷＷ．ｍｅｓｎｅｔ．Ｃ０ｍ．ｃｒｌ 需要加温到的６５℃，ＰＶ 为当前温度值Ｔ１，ＰＶ 一 ４ 为前次Ｔ１的温度值，温 度变化率即为ＰＶ 一 ＰＶ ，∑（Ｔ 一Ｐｖ ）为 ０ 从０到１２的偏差的总和，Ｋ。 为是比例系数，Ｉ（ｉ为是积 分系数、 为是微分系数。 该系统的帕尔贴加热 ＧＮＤ ＧＮＤ 图４改进Ｈ桥式驱动制冷状态 ２．２温度控制程序 整个系统软件温度控 法解决精确加温到６５℃。 导致过加热和过冷却，设计中加入了温度变化斜率的跟 制程序包括初始化、按键 选择、温度采集、优化ＰＩＤ ｌ操￣Ｃ作／Ｏ系Ｓ－统Ｉ／Ｉ 踪。温度斜率计算公式为： 温度控制算法、驱动电路 的控制。上电初始化完 成之后，等待按键选择一图５ ｕｃ／Ｏｓ－”操作系统设计框架 面蘸 Ｓｌｏｐｅ一 式中，Ｓｌｏｐｅ为温度变化斜率，ｔ为温度采集时间间隔， ＰＶ 、ＰＶ 一 分别为本次的温度采集的数据和上次的温度采 路加热器进行加热操作。 系统设计将１Ｏ个加热槽进行 加热处理，分为两组，每组加热 操作对应一个按键，若是触发 ＫＥＹ１将对第一组的５个加热 集的数据。在加热或制冷进行当中，一旦温度变化斜率大 于给定的值，帕尔贴停止工作，防止下一次ＰＩＤ计算之前试 剂过加热或者过冷却。 图７为ＰＩＤ控制优化算法流程图。 槽同时处理，若是触发ＫＥＹ２ 将对第二组的５个加热槽同时 处理。每一路加热槽的试剂将 从３７℃加热到６５℃，然后从 ６５℃降温到３７℃，最后一直 保持恒温３７℃。软件主程序流 程如图６所示。 ２．３ ＰＩＤ控制优化算法 ＰＩＤ控制即为调制器控制 规律为比例、积分、微分控制。 由于本系统是闭环控制系统， 图６系统软件主程序流程且采用数字ＰＩＤ控制算法控 制，最终公式如下： ＭＶ 一Ｋ。×（ＴｓＰ—ＰＶ ）＋ 图７ ＰＩＤ控制优化算法流程图 ３ 系统调试 本系统硬件Ｈ桥电路加入了保护电路，并对加热器 Ｋ ×∑（ＴＳＰ—ＰＶ ）＋ Ｋ ×（ＰＶ 一ＰＶ ） 件进行散热处理，经运行测试，整个系统运行可靠、功能稳 定，具有良好的动态品质。该加热器可以有效完成试剂从 式中，ＭＶ 为控制帕尔贴温度调节的输出量，Ｔ 为 ３７℃加热加热到６５℃，然后降温到３７℃，最后恒温３７℃ 这一过程，图８为试剂瞬时温度测试结果。图中参考线为 ３７℃，最高加热温度为６５℃，根据实验结果，本系统设计 能够达到准确升温和降温的要求。 图８温度测试结果 结 语 该系统设计基于ＳＴＭ３２主芯片，充分利用其固件库 函数大大减少了开发周期，提高了效率，同时选用改进Ｈ ［３］王直，孙强．基于ＳＴＭ３２的半导冷片控制系统设计［Ｊ］． 电子设计工程，２０１５（１８）：ｌ∞一１Ｏ２，１Ｏ６． ［４］钱青．基于帕尔贴的温度控制实验平台的研究与开发［Ｄ］．南 京：东南大学，２Ｏｌ５． 桥电路作为驱动电路对帕尔贴器件进行加热制冷控制，电 路设计简单，耗材成本较低，有效完成了既定功能，弥补了 传统帕尔贴加热器的功能不足。软件设计上运用 Ｃ／ＯＳ－ＩＩ 操作系统和ＰＩＤ优化控制算法，解决了温度控制的惰性和 延迟问题，保证了系统的实时性。●Ｅ 参考文献 ［１］曹 ．医疗没备产业发展趋势概述［Ｊ］．医疗卫生装备，２０１５ （８）：１０９～１１ ２． ［５３李俊涛．基于Ｈ桥驱动电路的半导冷片恒温控制系统 ［Ｊ］．北华大学学报：自然科学版，２Ｏ１０（５）：４６４—４６６． ［６］张鹏飞，齐晓慧．基于Ｎ沟道ＭＯＳ管Ｈ桥驱动电路设计与 制作［Ｊ］．科技信息，２ｏ１２（２ｏ）：１４７—１４９． ［７］陶凯，赖康生．基于ＰＷＭ控制Ｈ桥驱动半导冷片的恒 温系统［Ｊ］．工业控制计算机，２０１３（４）：１３１—１３３． 熊伟（在校研究生）．主要研究方向为信号与信息处理；耿琅环（在校 研究生），主要研究方向为信号与信息处理。 ［２］朱小松．帕尔贴器件及其在控温装置中的应用［Ｊ］．电子技术 廊用．１ ９９０（１ ２）：４４—４７． （责任编辑：杨迪娜 收稿日期：２Ｏｌ７一Ｏ２—１ ６） —Ｄ挡时任然会ｆｌＪ现一定量的偏差，接下来的工作就是提升算 算机学报，２００３，２６（Ｉ２）：１ ６９７—１７００． 法的鲁棒性能．使其 长时间的路标丢失的情况下尽可能地减 ［６］Ｌｉ Ｘｉａｏｒａｎ，Ｃｈｅｎ Ｍｏｕ，Ｚｈａｎｇ Ｌｅｉ．Ｑｕａｔｅｒｎｉｏｎ—Ｂａｓｅｄ Ｒｏｂｕｓｔ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｋａｌｍａｎ Ｆｉｌｔｅｒ ｆｏｒ Ａｔｔｉｔｕｄｅ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｉｃｒｏ 小偏差，或者尝试更加有效的方式提升定位性能。簟 参考文献 ［１］姜天字．基于多ＭＥＭＳ传感器数据融合的组合测姿系统的 设计与实现［Ｄ］．南京：东南大学，２Ｏ１５． Ｑｕａｄｒｏｔｏｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ｌｏｗ—ｃｏｓｔ ＭＥＭＳ［Ｃ］／／Ｉｎ：Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，ＩＥＥＥ，２０１ ６：１０７１２—１０７１３． ［７］Ｊｏｓｅ—Ｉ ｕｉｓ Ｂｌａｎｃｏ．Ｄｅｒｉｖａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｆｕｌｌ ６Ｄ ＥＫＦ—ｂａｓｅｄ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔＯ Ｂｅａｒｉｎｇ—Ｒａｎｇｅ ＳＩ ＡＭ［Ｍ］．Ｓｐａｉｎ： Ｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｏｂｉｌｅ Ｒｏｂｏｔｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｇｒｏｕｐ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍａｌａｇａ，２００８：１０—１１． ［２］刘昆．基于多传感器的同时定位与建罔［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨 工业大学．２０１ ５． ｒ３］Ｍ Ｄｉｓｓａｎａｙａｋｅ．Ｐ Ｎｅｗｍａｎ，Ｓ Ｃｌａｒｋ，ｅｔ ａ１．Ｃｓｏｒｂａ．Ａ ｓｏｌｕ— ｔｌ‘ｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｐ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｐｒｏｂ— ｌｅｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ， ２００１，１７（３）：２３６． 尚明超（硕士研究生），主要研究方向为嵌入式与智能控制；杨斌（硕 士生导师），主要研究方向为嵌入式系统应用；张翠芳（硕士生导 师），主要研究方向为智能控制。 ［ Ｓｅｂａｓｔｉａｎ Ｔｈｒｕｎ．Ｗｏｌｆｒａｍ Ｂｕｒｇａｒｄ，ａｎｄ Ｄｉｅｔｅｒ Ｆｏｘ．Ｐｒｏｂａ— ｂｉｌｉｓｔｉｃ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ［Ｍｊ．Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ：Ｔｈｅ ＭＩＴ Ｐｒｅｓｓ，２００５：１２８． ［５］周鑫，朱枫．关于Ｐ３Ｐ问题解的唯一性条件的几点讨论［Ｊ］．计 （责任编辑：杨迪娜 收稿日期：２Ｏ１７一Ｏ２—２４） Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ＆Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ２０ １ ７年第７期 ｗＷｗ．ｍｅｓｎｅｔ．Ｇｅｍ。ｃｎ
