设计智能中药煲的方法

设计智能中药煲的方法

为了方便病人服用中药药剂，目前已经有一些生产厂家推出了自动中药煲，并在市场上进行销售。经过调查及实物分析，这些所谓自动中药煲也就只是利用了类似传统电饭锅的原理，将待煎煮中药材的水份煎煮至少于某一固定程度而已。这些自动中药煲原理简单，对煎煮对象采用固定的煎煮模式，虽然解决了煎糊的问题，可却由于不能对中药材的自动识别而极大影响了本应采取不同煎煮模式（参见附录一）的中药药剂的药效。市场需要一种能较好实现中药煎煮自动化、智能化的家用电器，而目前在此方面却存在着一个空白区域。

    基于本设计中提出的中药类型自动识别理论，我们采用了Motorola M68HC08单片机设计完成了智能中药煲。它充分利用该单片机所提供的功能，实现了中药煎煮的全自动化和智能化。不但能够实现中药煎煮的“一键完成”（指用户的操作只是按一个启动键）的“傻瓜操作"，更能实现一个大致的中药类型自动识别，从而为对不同对象采取不同的煎煮模式提供了条件。

    设计目标

    该项目的目的是设计一个智能中药煲，实现以下功能：
      1、 面向用户的单键操作（One-touch）。
      2、 对煎煮中药材类型的自动识别。
      3、 煎煮全过程的自动控制，勿需用户干预。
      4、 自动保温功能。
      5、 发生系统故障后自动切断电源，避免系统损坏。
      6、 低廉的生产成本。

    设计描述

    作为一个家用电器的设计项目，我们除了要考虑技术上的问题，更重要的还是要从市场的角度来指导我们的设计思想，尽量简化或摒弃不必要的功能，努力降低产品的成本，并尽可能的使用户操作的复杂度降到最低。这样才能设计出一个贴近消费市场脉搏并满足时下消费产品SMART（S-simple，M-mindful，A-attentive，R-responsive，T-teachable）特点的新产品。

    本设计在硬件方面采用成熟的方案。作为家用电器，我们注意到了系统的容错性，使其基本可对可能发生的各种事故进行相应处理。
   

    控制原理

    1.中药类型自动识别算法

    中药材根据其药性可分为一般药剂、解表药剂、滋补调理药剂三种（具体参见附录一）。不同类型的中药材的主要组成形态也不同，如解表药剂多草剂，而滋补调理药剂则多块剂，至于一般药剂则介于两者之间。再根据草剂比热容系数较低，块剂比热容系数较高，经过多次实验，我们得出一个记录各类药剂比热的数据表。在实际应用中，通过对待煎煮中药材的温升检测，我们可以将得出的数据同预先制好的比热数据表进行比较，从而大致判别待煎煮中药材的基本类型。

    需要指出的是，该算法不可能十分准确的识别对象类型，因为就算是人工判别也很难达到理想的效果，而且中药材本身就没有明确的类型区分，所以无论是人工也好，还是使用本算法，都只可能做到判别对象的大致类型。

    本算法使用的是单输入单输出的模糊结构。这是一种最为简单的模糊控制器，其输入和输出变量均只有一个。其输入量为不同时段内对象温升斜率的改变情况，借此我们可以得出该药材的温升曲线，并与事先输入的数据表进行比较，从而可以得出结果。该模型结构的输出为对象属于三种药剂类型的隶属度。在此我们采用MIX-MAX法来求出该隶属度。再根据该隶属度决定之后的加热模式及计算加热的时间与功率参数。

    2.不同类型中荮材的煎煮方案设计

    考虑到程序编写方便的需要，我们在设计中将三种类型中药材的煎煮方案统一起来，只是时间、温度参数不同而已，同时根据煎煮量的不同对相应参数进行适当修改。以下就是相应的参数概况列表：

    3.模糊控温算法

    对于一个控制变量输入，通常总是将其归入某一集合，但这种方法只对物理模型已被较为全面了解的受控系统效果较好；而对于那些复杂的非线性系统，这种控制方法的效果极其有限。以电热丝为加热源并存在多种未知干扰因素的本设计就明显属于后者。因此，模糊控制原理认为，任何一个变量都不单属于某个集合，而分属不同集合；所不同的是，对于不同集合，其隶属程度不同，并用隶属度来反映这种不同。在此基础上，建立基于模糊原理的控制算法。

    根据本设计的特点，我们设计了一个双输入单输出的模糊结构。输入量为温差与温度变化的斜率经模糊化后得出的相应隶属度，是模糊量。输出为经反模糊化后得出的加热器的通断时间比，是一精确量。在此算法中我们也是采用了MIN-MAX取值法获得相应的隶属度。使用模糊控温算法与传统方式相比，可较好地解决智能中药煲的温控问题，尤其是在对象具有较大滞后效应时更显模糊控制技术的优势。

    值得一提的是，在本模糊控温算法中，并不是象一般方案那样使温度沿预定曲线改变，而是采用了我们称之为多点恒温控制的方式。即由系统计算并设置多个恒温点，模糊控温算法所要做的就是在这些点实现指定时间的恒温。这种方式是非常适合智能中药煲的温度控制的，取得了很好的效果。

    模糊控制算法的实现：由单片机实时采集当前的实际煲底温度，可以求得温度和温度改变的斜率。根据此两项数据查模糊数据表可以确定控制量的变化，通过控制负载的通断时间比来达到调节温度的目的。

    硬件设计

    在硬件电路上，采用了模块化的设计制作方法。整个电路被分为五大模块：温度传感器、加热器、加热器控制电路、电源模块和控制器主电路。这样的设计便于调试与改进，同时也可缩短成品的生产周期。

    1、 温度传感器：为了准确测量加热对象的温度，我们采用了单片化的数字温度计DS1820作为温度传感器。DS1820数字温度计以九位数字来表达该器件的温度，并通过单线界面来发送和接收信息，从而只需一根导线（以及地线）接到MCU。数据的读写以及执行所需要的能源可以从数据线本身索取而无需额外的电源。但考虑到温度转换的速度，我们还是提供了外接5V电源。由于DS1820使用享有专利的温度测量技术来检测温度，并内置了A/D转换，能将测量结果直接以数字量提供给MCU，所以68HC08可以直接从DS1820中读出测量结果。DS1820的测量精度同常用的AD590，测量温度范围从 -55~+125℃，并以0.5℃递增，提供9位的数字量以供读取。DS1820提供的功能足以满足本设计的要求。

    2、 加热器：该加热器为一400W的电热丝，呈环状紧贴加热煲体，这一点同普通的加热电热丝有所区别，使得热效率有所提高。

    3、 加热器控制电路：该模块以一固态继电器SSR为核心部件。利用了68HC08具有的大电流LED驱动能力的PTD7口，通过三极管放大对SSR的直流控制端进行直接操作，达到控制电热丝的目的。因为该SSR具有过零触发的功能，所以本系统将降低对电网的影响，同时可以省去过零检测的电路及程序，降低了系统的复杂度。

    4、 电源模块：该模块负责全电路的电源供应与安全控制。在交流输入端使用了温度开关KSD301。KSD301的感温端同煲体相接触，当煲内的加热对象温度上升到105℃（可认为无水），KSD301会自动断开，切断了全系统的电源，这样就避免了因控制器失效时有可能造成的事故。采取这一安全措施是极为必要的，可以防止出现“干烧”的现象。

    5、 主电路模块：该模块是系统的主体，68HC08多余的I/O口及IRQ、RST端全部通过排阻上拉至VCC，以防因悬空而引入可能使系统崩溃的干扰，提高了系统的稳定性。本系统从实用的角度来考虑，以4个LED发光二极管来显示系统状态。它们分别是系统电源、加热指示灯、保温指示灯、SSR工作指示灯。它们同样是利用了68HC08提供的具有LED驱动能力的PA0~PA3口，省掉了驱动电路，降低了成本。

    从本系统的电路图可以看出，智能中药煲的硬件结构基本上都是采用成熟电路模式。这样不但降低了产品成本，也使系统的稳定性得以提高。设计的重点放在了内部程序上，以图用简洁的硬件配合完善的程序达到我们的设计目的。这一思路是符合家用电器产品开发规律的。

    软件设计

    考虑到算法实现的问题，中药检测模块实际上是通过计算比较得出一组加热数据。再由模糊控温模块按这一组数据对加热器进行控制，使中药材按指定温度进行煎煮。在这全过程中，用户所要做的唯一件事就是按下启动键，使系统开始工作。而之后直至结束都不需要用户进行任何干预。

    为降低系统负荷，提高计算速度，我们事先将模糊控温及中药类型检测所需要的大量数据进行了离线计算。在程序中，大量使用查找表格来取代在线计算，68HC08提供的足够大的存储器为查表的顺利实现提供了条件，而其丰富的语句也为设计带来了方便。

    在对SSR的控制中，我们没有采用一般的过零检测PWM调节功率的控制方式，而是采用了面向时间的时段通断机制来控制加热器。简单的来说就好象是在10秒中，半功率加热就是每间隔1秒就接通1秒，以全功率加热5秒钟来替代采用PWM方式的半功率加热10秒。这种方式主要优点是省却了过零检测的麻烦，降低了成本，而控制效果并无太大改变。   

    附录

    中药煎煮基本常识简介

    对中药的服用，不同地区有一定的不同，但一般均以煎煮为主要方式。煎煮方式又主要分为文火、武火两种。文火，又称“慢火”，火温较弱，水份蒸发缓慢。武火，又称“快火”，火温较高，水份蒸发较快。

    按照药性，中药药剂大致分为以下三种类型：1、解表药剂；2、一般药剂；3、滋补、调理药剂。

    对不同药性的中药材要采用不同的煎煮方式，前煮的时间也有所不同，这样才能尽可能的使中药材里的有效成分得到充分的利用。以下是供参考的各类型中药材煎煮方案：

    a) 解表药剂
    此类药剂要用“武火”速煎，煎出的药才“气正势猛”，药力迅速。以武火煎沸，中火（介于文火、武火之间）保持沸态约10分钟后完成。
    b) 一般药剂
    此类药剂就用“武火”“文火”交替煎煮，煎出药的有效成分。
    c) 滋补、调理药剂

    此类药剂要久煎，否则达不到补益的目的，火力为先武后文。先以武火快速煮沸，再改用文火慢煎较长时间。