設(shè)計智能中藥煲的方法

為了方便病人服用中藥藥劑，目前已經(jīng)有一些生產(chǎn)廠家推出了自動中藥煲，并在市場上進行銷售。經(jīng)過調(diào)查及實物分析，這些所謂自動中藥煲也就只是利用了類似傳統(tǒng)電飯鍋的原理，將待煎煮中藥材的水份煎煮至少于某一固定程度而已。這些自動中藥煲原理簡單，對煎煮對象采用固定的煎煮模式，雖然解決了煎糊的問題，可卻由于不能對中藥材的自動識別而極大影響了本應(yīng)采取不同煎煮模式（參見附錄一）的中藥藥劑的藥效。市場需要一種能較好實現(xiàn)中藥煎煮自動化、智能化的家用電器，而目前在此方面卻存在著一個空白區(qū)域。

??? 基于本設(shè)計中提出的中藥類型自動識別理論，我們采用了Motorola M68HC08單片機設(shè)計完成了智能中藥煲。它充分利用該單片機所提供的功能，實現(xiàn)了中藥煎煮的全自動化和智能化。不但能夠?qū)崿F(xiàn)中藥煎煮的“一鍵完成”（指用戶的操作只是按一個啟動鍵）的“傻瓜操作"，更能實現(xiàn)一個大致的中藥類型自動識別，從而為對不同對象采取不同的煎煮模式提供了條件。

??? 設(shè)計目標

??? 該項目的目的是設(shè)計一個智能中藥煲，實現(xiàn)以下功能：
????? 1、 面向用戶的單鍵操作（One-touch）。
????? 2、 對煎煮中藥材類型的自動識別。
????? 3、 煎煮全過程的自動控制，勿需用戶干預(yù)。
????? 4、 自動保溫功能。
????? 5、 發(fā)生系統(tǒng)故障后自動切斷電源，避免系統(tǒng)損壞。
????? 6、 低廉的生產(chǎn)成本。

??? 設(shè)計描述

??? 作為一個家用電器的設(shè)計項目，我們除了要考慮技術(shù)上的問題，更重要的還是要從市場的角度來指導(dǎo)我們的設(shè)計思想，盡量簡化或摒棄不必要的功能，努力降低產(chǎn)品的成本，并盡可能的使用戶操作的復(fù)雜度降到最低。這樣才能設(shè)計出一個貼近消費市場脈搏并滿足時下消費產(chǎn)品SMART（S-simple，M-mindful，A-attentive，R-responsive，T-teachable）特點的新產(chǎn)品。

??? 本設(shè)計在硬件方面采用成熟的方案。作為家用電器，我們注意到了系統(tǒng)的容錯性，使其基本可對可能發(fā)生的各種事故進行相應(yīng)處理。
???

??? 控制原理

??? 1.中藥類型自動識別算法

??? 中藥材根據(jù)其藥性可分為一般藥劑、解表藥劑、滋補調(diào)理藥劑三種（具體參見附錄一）。不同類型的中藥材的主要組成形態(tài)也不同，如解表藥劑多草劑，而滋補調(diào)理藥劑則多塊劑，至于一般藥劑則介于兩者之間。再根據(jù)草劑比熱容系數(shù)較低，塊劑比熱容系數(shù)較高，經(jīng)過多次實驗，我們得出一個記錄各類藥劑比熱的數(shù)據(jù)表。在實際應(yīng)用中，通過對待煎煮中藥材的溫升檢測，我們可以將得出的數(shù)據(jù)同預(yù)先制好的比熱數(shù)據(jù)表進行比較，從而大致判別待煎煮中藥材的基本類型。

??? 需要指出的是，該算法不可能十分準確的識別對象類型，因為就算是人工判別也很難達到理想的效果，而且中藥材本身就沒有明確的類型區(qū)分，所以無論是人工也好，還是使用本算法，都只可能做到判別對象的大致類型。

??? 本算法使用的是單輸入單輸出的模糊結(jié)構(gòu)。這是一種最為簡單的模糊控制器，其輸入和輸出變量均只有一個。其輸入量為不同時段內(nèi)對象溫升斜率的改變情況，借此我們可以得出該藥材的溫升曲線，并與事先輸入的數(shù)據(jù)表進行比較，從而可以得出結(jié)果。該模型結(jié)構(gòu)的輸出為對象屬于三種藥劑類型的隸屬度。在此我們采用MIX-MAX法來求出該隸屬度。再根據(jù)該隸屬度決定之后的加熱模式及計算加熱的時間與功率參數(shù)。

??? 2.不同類型中荮材的煎煮方案設(shè)計

??? 考慮到程序編寫方便的需要，我們在設(shè)計中將三種類型中藥材的煎煮方案統(tǒng)一起來，只是時間、溫度參數(shù)不同而已，同時根據(jù)煎煮量的不同對相應(yīng)參數(shù)進行適當修改。以下就是相應(yīng)的參數(shù)概況列表：

??? 3.模糊控溫算法

??? 對于一個控制變量輸入，通常總是將其歸入某一集合，但這種方法只對物理模型已被較為全面了解的受控系統(tǒng)效果較好；而對于那些復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，這種控制方法的效果極其有限。以電熱絲為加熱源并存在多種未知干擾因素的本設(shè)計就明顯屬于后者。因此，模糊控制原理認為，任何一個變量都不單屬于某個集合，而分屬不同集合；所不同的是，對于不同集合，其隸屬程度不同，并用隸屬度來反映這種不同。在此基礎(chǔ)上，建立基于模糊原理的控制算法。

??? 根據(jù)本設(shè)計的特點，我們設(shè)計了一個雙輸入單輸出的模糊結(jié)構(gòu)。輸入量為溫差與溫度變化的斜率經(jīng)模糊化后得出的相應(yīng)隸屬度，是模糊量。輸出為經(jīng)反模糊化后得出的加熱器的通斷時間比，是一精確量。在此算法中我們也是采用了MIN-MAX取值法獲得相應(yīng)的隸屬度。使用模糊控溫算法與傳統(tǒng)方式相比，可較好地解決智能中藥煲的溫控問題，尤其是在對象具有較大滯后效應(yīng)時更顯模糊控制技術(shù)的優(yōu)勢。

??? 值得一提的是，在本模糊控溫算法中，并不是象一般方案那樣使溫度沿預(yù)定曲線改變，而是采用了我們稱之為多點恒溫控制的方式。即由系統(tǒng)計算并設(shè)置多個恒溫點，模糊控溫算法所要做的就是在這些點實現(xiàn)指定時間的恒溫。這種方式是非常適合智能中藥煲的溫度控制的，取得了很好的效果。

??? 模糊控制算法的實現(xiàn)：由單片機實時采集當前的實際煲底溫度，可以求得溫度和溫度改變的斜率。根據(jù)此兩項數(shù)據(jù)查模糊數(shù)據(jù)表可以確定控制量的變化，通過控制負載的通斷時間比來達到調(diào)節(jié)溫度的目的。

??? 硬件設(shè)計

??? 在硬件電路上，采用了模塊化的設(shè)計制作方法。整個電路被分為五大模塊：溫度傳感器、加熱器、加熱器控制電路、電源模塊和控制器主電路。這樣的設(shè)計便于調(diào)試與改進，同時也可縮短成品的生產(chǎn)周期。

??? 1、 溫度傳感器：為了準確測量加熱對象的溫度，我們采用了單片化的數(shù)字溫度計DS1820作為溫度傳感器。DS1820數(shù)字溫度計以九位數(shù)字來表達該器件的溫度，并通過單線界面來發(fā)送和接收信息，從而只需一根導(dǎo)線（以及地線）接到MCU。數(shù)據(jù)的讀寫以及執(zhí)行所需要的能源可以從數(shù)據(jù)線本身索取而無需額外的電源。但考慮到溫度轉(zhuǎn)換的速度，我們還是提供了外接5V電源。由于DS1820使用享有專利的溫度測量技術(shù)來檢測溫度，并內(nèi)置了A/D轉(zhuǎn)換，能將測量結(jié)果直接以數(shù)字量提供給MCU，所以68HC08可以直接從DS1820中讀出測量結(jié)果。DS1820的測量精度同常用的AD590，測量溫度范圍從 -55~+125℃，并以0.5℃遞增，提供9位的數(shù)字量以供讀取。DS1820提供的功能足以滿足本設(shè)計的要求。

??? 2、 加熱器：該加熱器為一400W的電熱絲，呈環(huán)狀緊貼加熱煲體，這一點同普通的加熱電熱絲有所區(qū)別，使得熱效率有所提高。

??? 3、 加熱器控制電路：該模塊以一固態(tài)繼電器SSR為核心部件。利用了68HC08具有的大電流LED驅(qū)動能力的PTD7口，通過三極管放大對SSR的直流控制端進行直接操作，達到控制電熱絲的目的。因為該SSR具有過零觸發(fā)的功能，所以本系統(tǒng)將降低對電網(wǎng)的影響，同時可以省去過零檢測的電路及程序，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

??? 4、 電源模塊：該模塊負責全電路的電源供應(yīng)與安全控制。在交流輸入端使用了溫度開關(guān)KSD301。KSD301的感溫端同煲體相接觸，當煲內(nèi)的加熱對象溫度上升到105℃（可認為無水），KSD301會自動斷開，切斷了全系統(tǒng)的電源，這樣就避免了因控制器失效時有可能造成的事故。采取這一安全措施是極為必要的，可以防止出現(xiàn)“干燒”的現(xiàn)象。

??? 5、 主電路模塊：該模塊是系統(tǒng)的主體，68HC08多余的I/O口及IRQ、RST端全部通過排阻上拉至VCC，以防因懸空而引入可能使系統(tǒng)崩潰的干擾，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)從實用的角度來考慮，以4個LED發(fā)光二極管來顯示系統(tǒng)狀態(tài)。它們分別是系統(tǒng)電源、加熱指示燈、保溫指示燈、SSR工作指示燈。它們同樣是利用了68HC08提供的具有LED驅(qū)動能力的PA0~PA3口，省掉了驅(qū)動電路，降低了成本。

??? 從本系統(tǒng)的電路圖可以看出，智能中藥煲的硬件結(jié)構(gòu)基本上都是采用成熟電路模式。這樣不但降低了產(chǎn)品成本，也使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得以提高。設(shè)計的重點放在了內(nèi)部程序上，以圖用簡潔的硬件配合完善的程序達到我們的設(shè)計目的。這一思路是符合家用電器產(chǎn)品開發(fā)規(guī)律的。

??? 軟件設(shè)計

??? 考慮到算法實現(xiàn)的問題，中藥檢測模塊實際上是通過計算比較得出一組加熱數(shù)據(jù)。再由模糊控溫模塊按這一組數(shù)據(jù)對加熱器進行控制，使中藥材按指定溫度進行煎煮。在這全過程中，用戶所要做的唯一件事就是按下啟動鍵，使系統(tǒng)開始工作。而之后直至結(jié)束都不需要用戶進行任何干預(yù)。

??? 為降低系統(tǒng)負荷，提高計算速度，我們事先將模糊控溫及中藥類型檢測所需要的大量數(shù)據(jù)進行了離線計算。在程序中，大量使用查找表格來取代在線計算，68HC08提供的足夠大的存儲器為查表的順利實現(xiàn)提供了條件，而其豐富的語句也為設(shè)計帶來了方便。

??? 在對SSR的控制中，我們沒有采用一般的過零檢測PWM調(diào)節(jié)功率的控制方式，而是采用了面向時間的時段通斷機制來控制加熱器。簡單的來說就好象是在10秒中，半功率加熱就是每間隔1秒就接通1秒，以全功率加熱5秒鐘來替代采用PWM方式的半功率加熱10秒。這種方式主要優(yōu)點是省卻了過零檢測的麻煩，降低了成本，而控制效果并無太大改變。???

??? 附錄

??? 中藥煎煮基本常識簡介

??? 對中藥的服用，不同地區(qū)有一定的不同，但一般均以煎煮為主要方式。煎煮方式又主要分為文火、武火兩種。文火，又稱“慢火”，火溫較弱，水份蒸發(fā)緩慢。武火，又稱“快火”，火溫較高，水份蒸發(fā)較快。

??? 按照藥性，中藥藥劑大致分為以下三種類型：1、解表藥劑；2、一般藥劑；3、滋補、調(diào)理藥劑。

??? 對不同藥性的中藥材要采用不同的煎煮方式，前煮的時間也有所不同，這樣才能盡可能的使中藥材里的有效成分得到充分的利用。以下是供參考的各類型中藥材煎煮方案：

??? a) 解表藥劑
??? 此類藥劑要用“武火”速煎，煎出的藥才“氣正勢猛”，藥力迅速。以武火煎沸，中火（介于文火、武火之間）保持沸態(tài)約10分鐘后完成。
??? b) 一般藥劑
??? 此類藥劑就用“武火”“文火”交替煎煮，煎出藥的有效成分。
??? c) 滋補、調(diào)理藥劑

??? 此類藥劑要久煎，否則達不到補益的目的，火力為先武后文。先以武火快速煮沸，再改用文火慢煎較長時間。