中国报告大厅网讯，在医疗技术持续进步的当下，医疗设备的性能与便捷性愈发受到关注。恒温箱作为医疗领域的重要设备，承担着维持手术器械、输液药剂等物品恒温的关键任务。然而，当前市场上的许多恒温箱产品存在温度控制精度不足、体积庞大、操作复杂等问题，难以满足临床对高精度、便携性设备的需求。在此背景下，一款兼具便携性与智能精准控温的医用恒温箱的研发显得尤为必要。

  一、医用便携式智能恒温箱的总体设计方案

  医用便携式智能恒温箱行业设计以便携、轻质为核心原则，同时兼顾温度控制的高精度。其外形尺寸设定为 160mm×210mm×330mm，配备提手方便携带，有效容积约 8L，重量仅 3kg，极大地提升了在医疗场景中的移动性。恒温箱的核心功能是实现温度的自主调节，以满足药品等物品的存储与运输需求，因此将箱体内部温度控制范围设定为 (4.0±0.2)~(48.0±0.2)℃。

  恒温箱的温度控制系统采用闭环控制方式，通过温度传感器采集箱内温度，经处理器处理数据后，由温控元件进行升温或降温操作，以此保证温度控制精度和抗干扰性。该系统的控制流程如下：首先对 LCD 液晶、温度传感器、串口、定时器进行初始化;然后设定期望温度并打开中断;温度传感器读取温度数据并输入到控制器;控制器计算温度偏差(E)和温度偏差变化(EC)，将其输入模糊控制器以计算 PID 参数的修整值;利用 PID 计算输出量，根据输出量的大小和正负符号，控制半导体制冷器动作，直至实际温度与期望温度达到要求，半导体制冷片停止运行;若未收到结束指令，则继续读取实际温度，循环上述过程。

  二、医用便携式智能恒温箱的结构与硬件设计

  (一)恒温箱的结构设计

  恒温箱行业箱体采用裁切好的亚克力板，通过专用胶水粘接固定，确保结构稳固。半导体制冷片及其组件安装在箱体后部，箱体下半部分为恒温箱，上半部分用于放置控制器、LCD 显示屏、连接线、电池等硬件设备。DS18B20 温度传感器安装在恒温箱内，其连接线通过箱体中间隔板的小孔与控制器相连，这样的布局既保证了各部件的合理安置，又便于温度的实时采集与传输。

  (二)恒温箱的硬件设计

  恒温箱采用 12V 直流电源供电，通过温度传感器感受箱内温度，并将温度的数字量传输给单片机。单片机控制系统通过温度传感器实时检测温度，并将数据在 LCD 显示屏上显示。当温度低于设定温度时，半导体制冷片电流方向为 N-P，模糊 PID 控制器增大半导体制冷片的电流，增加放热量，使温度升高;当温度高于设定温度时，半导体制冷片电流方向为 P-N，增加吸热量，使温度下降，如此循环实现恒温箱内温度的自动控制。散热风扇和内循环风扇处于常开状态，接通电源即开始工作，以保证散热效果和箱内温度的均匀性。

  在硬件选择上，综合考虑成本、占用空间和运算能力，选用 STC89C52 单片机作为恒温箱的控制器;从控制温度范围和编程难易度出发，选择体积小、硬件开销低、抗干扰能力强且精度高的 DS18B20 作为温度传感器;温度控制元件采用 TEC1-12706 半导体制冷片，它无需制冷剂，干净环保，体积小且节省空间，其吸热和放热的多少由电流大小及半导体材料 N、P 的元件对数决定。

  恒温箱控制系统的硬件组成形成一个闭环温度控制系统：温度传感器 DS18B20 检测恒温箱内部温度，并将检测到的温度传给单片机;单片机将此温度与设定温度比较，若箱内温度高于设定温度，便给半导体制冷器发出制冷工作指令，反之则发出加热指令，从而改变恒温箱内部温度。

  单片机选用 STC89C52，其管脚分配明确，如 P0.0 至 P0.7 与液晶的 D0 至 D7 相连，作为 8 位双向数据线;P1.0 与 DS18B20 温度传感器的 DQ 引脚连接，用于数据输入输出;P1.1 用于 PWM 波形输出等，各管脚的合理分配保证了各外设与单片机之间的有效通信。

  温度采样电路采用 DS18B20 单口数据传输，其电压范围为 3.0~5.5V，测量温度范围为 - 55~+125℃，在 - 10~+85℃范围内精度为 ±0.2℃，数据输入输出接口与单片机的 P1.0 口连接，并接上拉电阻 10kΩ 以提高电平稳定性。制冷电路中，STM32 发出 PWM 信号，MOS 芯片 SI4336 接收 PWM 信号对 TEC1-12706 进行制冷，同时配备 2 个风扇散热。

  温度控制驱动电路设计中，采用 HIP4082 全桥驱动芯片驱动 H 桥，H 桥驱动电路由 4 个 N 沟道 MOS 管构成。由于单片机 IO 口输出电流小，采用 74HC244 驱动信号芯片，它可放大电流，作为具有三态输出的八路缓冲器和线路驱动器，同时还能起到隔离作用，防止电流回灌损坏控制器。

  三、医用便携式智能恒温箱的软件设计

  恒温箱的控制系统软件由温度采集模块、数据处理模块和加热制冷模块组成。温度采集模块负责测量恒温箱箱体内的温度，并将采集到的数据发送至数据处理模块;数据处理模块将实时温度与设定温度比较求差，经 PID 计算后决定对箱内进行制冷还是加热，当实际温度大于期望温度时制冷，反之则加热;加热制冷模块根据数据处理模块的信号，控制温控元件进行制冷或加热，使箱内温度达到设定值。

  《2025-2030年中国恒温箱行业市场深度研究及发展前景投资可行性分析报告》指出，恒温箱控制系统软件程序的主要任务包括系统初始化、设定温度、温度采样、读入单片机、数据处理、PID 计算、输出 PWM 等，据此将程序分为主函数、LCD 液晶显示部分、温度读取部分、UART 串口上位机调试部分、PWM 波形生成部分和输出控制部分。

  温度采样通过 DS18B20 和单片机的串行通信完成，其编程步骤为：单片机引脚拉高数据端;初始化 DS18B20;跳过读序列号命令，写入 0xCC;发送温度转换命令 0x44;再次初始化 DS18B20;跳过读序列号命令，写入 0xCC;发送读取温度寄存器命令 0xBE;分别读取低 8 位和高 8 位温度数据，转换为 10 进制温度数据并保存至数组。

  温度控制模块将采样温度与设定温度比较，判断加热或制冷操作。在控制算法上，设计模糊 PID 控制器，可在线修改 PID 参数，相比传统 PID 控制器适应能力更强，能更快接近期望温度。该模糊控制器选用双输入双输出类型，输入变量为 E 和 EC，输出为 U，乘以不同系数后输出为 P、D 参数的修整值 ΔP、ΔD。

  在变量的论域、模糊语言取值和隶属度函数方面，确定 E 的论域为 [-80,80]、EC 的论域为 [-20,20]、输出 U 的论域为 [0,90]。模糊语言值用 “负大”(NB)、“负中”(NM)、“负小”(NS)、“零”(ZO)、“正小”(PS)、“正中”(PM)、“正大”(PB)描述，E 的模糊子集为 {NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}，EC 的模糊子集为 {NB、NS、ZO、PS、PM}，U 的模糊子集为 {NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}。根据各变量的论域和模糊子集，确定了相应的隶属度函数。

  同时，结合人脑控制经验和温度控制特性，总结出适用于该设计的模糊控制规则表，并利用 MATLAB 模糊控制工具箱，输入各变量的隶属度函数和输入输出控制规则，得出模糊控制器的三维输入输出函数图像，基于此设计的模糊 PID 控制器，通过输入 E 和 EC，修整 PID 控制器参数，实现对半导体制冷片的控制，达到恒温目的。

  四、医用便携式智能恒温箱的实物搭建及试验结果

  (一)恒温箱的实物搭建

  亚克力板切割后用专用胶水粘接固定，箱体下方的恒温室用带铝箔的隔热棉密封，将裁剪好的隔热棉用热熔胶密封。箱体上半部分为控制室，下半部分为恒温室，两者之间用挡板隔开，挡板上有 4 个小孔用于通过各种导线。控制室内的控制器、小液晶、驱动板和恒温室内的温度传感器等用热熔胶固定，完成恒温箱的实物搭建。

  (二)恒温箱控制系统的性能测试

  根据低温试验箱技术条件要求设计实物和测试，对 PWM 波形控制和实时温度进行采集并与标准要求比对。利用单片机的串口通信功能，将单片机与电脑通过串口线连接，使用电脑的上位机软件对恒温箱控制系统进行测试，将单片机采集的数据发送到上位机软件，判断各硬件部分工作是否正常。

  测试温度采集模块时，将实时温度发送至上位机并显示温度波形图像，通过手指接触温度传感器，观察波形图像是否随温度变化，以此判断模块是否正常运行，测试结果显示该模块运行正常。随后测试温度控制模块，将单片机产生的 PWM 波形显示在上位机上，测试程序设置占空比为 30%，上位机显示图像符合设定值，表明温度控制模块可正常运行。

  在温度采集模块和温度控制模块正常运行后，将温度控制程序写入单片机，使采样温度和期望温度显示在 LCD 显示屏上，通过调整 PID 参数调试整体控制系统，使其更稳定、快速。最终测试结果显示：温度传感器能采集到小数点后 2 位精度的温度值;液晶屏可显示期望温度和实时温度;半导体制冷片能在单片机控制下进行加热或制冷动作，系统电路运行正常。

  当设定温度为 25.0℃时，在普通室内环境下测试 30min，恒温箱内的温度能较快稳定在 (25.0±0.1)℃;设定温度为 50.1℃时，同样环境下测试 30min，温度稳定在 (50.1±0.1)℃，数据均符合正态分布且具有一定可行度，表明便携式智能恒温箱控制系统的电路和程序部分满足设计预期。

  总结

  本研究基于模糊 PID 控制理论，结合半导体热电技术，成功设计出一款医用便携式智能恒温箱系统。该恒温箱有效容积为 8L，控温区间为 (4.0±0.2)~(48.0±0.2)℃，采用亚克力板搭建箱体，以 DS18B20 为温度传感器，STC89C52 为单片机控制器，HIP4082 为温度控制驱动电路，TEC1-12706 为半导体制冷片，并通过自主设计的模糊 PID 控制器实现温度调节。

  实物测试表明，在设定温度为 25.0℃和 50.1℃时，30min 后恒温箱内的温度误差分别为 (25.0±0.1)℃和 (50.1±0.1)℃，展现出宽温域、高精度和快速响应的优势，较传统设备体积更小、重量更轻，能满足临床需求，具有一定的临床推广价值。未来将依据相关标准对箱体进行优化，提高 PWM 波形频率，降低空占比，以实现更优的控温效果。