智能中藥煲設計

基于本設計中提出的中藥類(lèi)型自動(dòng)識別理論，我們采用了Motorola M68HC08單片機設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(shí)現了中藥煎煮的全自動(dòng)化和智能化。不但能夠實(shí)現中藥煎煮的“一鍵完成”（指用戶(hù)的操作只是按一個(gè)啟動(dòng)鍵）的“傻瓜操作"，更能實(shí)現一個(gè)大致的中藥類(lèi)型自動(dòng)識別，從而為對不同對象采取不同的煎煮模式提供了條件。

設計目標

該項目的目的是設計一個(gè)智能中藥煲，實(shí)現以下功能：
1、 面向用戶(hù)的單鍵操作（One-touch）。
2、 對煎煮中藥材類(lèi)型的自動(dòng)識別。
3、 煎煮全過(guò)程的自動(dòng)控制，勿需用戶(hù)干預。
4、 自動(dòng)保溫功能。
5、 發(fā)生系統故障后自動(dòng)切斷電源，避免系統損壞。
6、 低廉的生產(chǎn)成本。

設計描述

作為一個(gè)家用電器的設計項目，我們除了要考慮技術(shù)上的問(wèn)題，更重要的還是要從市場(chǎng)的角度來(lái)指導我們的設計思想，盡量簡(jiǎn)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(hù)操作的復雜度降到最低。這樣才能設計出一個(gè)貼近消費市場(chǎng)脈搏并滿(mǎn)足時(shí)下消費產(chǎn)品SMART（S-simple，M-mindful，A-attentive，R-responsive，T-teachable）特點(diǎn)的新產(chǎn)品。

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


控制原理

1.中藥類(lèi)型自動(dòng)識別算法

中藥材根據其藥性可分為一般藥劑、解表藥劑、滋補調理藥劑三種（具體參見(jiàn)附錄一）。不同類(lèi)型的中藥材的主要組成形態(tài)也不同，如解表藥劑多草劑，而滋補調理藥劑則多塊劑，至于一般藥劑則介于兩者之間。再根據草劑比熱容系數較低，塊劑比熱容系數較高，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗，我們得出一個(gè)記錄各類(lèi)藥劑比熱的數據表。在實(shí)際應用中，通過(guò)對待煎煮中藥材的溫升檢測，我們可以將得出的數據同預先制好的比熱數據表進(jìn)行比較，從而大致判別待煎煮中藥材的基本類(lèi)型。

需要指出的是，該算法不可能十分準確的識別對象類(lèi)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(méi)有明確的類(lèi)型區分，所以無(wú)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(lèi)型。

本算法使用的是單輸入單輸出的模糊結構。這是一種最為簡(jiǎn)單的模糊控制器，其輸入和輸出變量均只有一個(gè)。其輸入量為不同時(shí)段內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(xiàn)，并與事先輸入的數據表進(jìn)行比較，從而可以得出結果。該模型結構的輸出為對象屬于三種藥劑類(lèi)型的隸屬度。在此我們采用MIX-MAX法來(lái)求出該隸屬度。再根據該隸屬度決定之后的加熱模式及計算加熱的時(shí)間與功率參數。

2.不同類(lèi)型中荮材的煎煮方案設計

考慮到程序編寫(xiě)方便的需要，我們在設計中將三種類(lèi)型中藥材的煎煮方案統一起來(lái)，只是時(shí)間、溫度參數不同而已，同時(shí)根據煎煮量的不同對相應參數進(jìn)行適當修改。以下就是相應的參數概況列表：

3.模糊控溫算法

對于一個(gè)控制變量輸入，通?？偸菍⑵錃w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效果較好；而對于那些復雜的非線(xiàn)性系統，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計就明顯屬于后者。因此，模糊控制原理認為，任何一個(gè)變量都不單屬于某個(gè)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(lái)反映這種不同。在此基礎上，建立基于模糊原理的控制算法。

根據本設計的特點(diǎn)，我們設計了一個(gè)雙輸入單輸出的模糊結構。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(shí)間比，是一精確量。在此算法中我們也是采用了MIN-MAX取值法獲得相應的隸屬度。使用模糊控溫算法與傳統方式相比，可較好地解決智能中藥煲的溫控問(wèn)題，尤其是在對象具有較大滯后效應時(shí)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定曲線(xiàn)改變，而是采用了我們稱(chēng)之為多點(diǎn)恒溫控制的方式。即由系統計算并設置多個(gè)恒溫點(diǎn)，模糊控溫算法所要做的就是在這些點(diǎn)實(shí)現指定時(shí)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(shí)現：由單片機實(shí)時(shí)采集當前的實(shí)際煲底溫度，可以求得溫度和溫度改變的斜率。根據此兩項數據查模糊數據表可以確定控制量的變化，通過(guò)控制負載的通斷時(shí)間比來(lái)達到調節溫度的目的。

硬件設計

在硬件電路上，采用了模塊化的設計制作方法。整個(gè)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。這樣的設計便于調試與改進(jìn)，同時(shí)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字溫度計DS1820作為溫度傳感器。DS1820數字溫度計以九位數字來(lái)表達該器件的溫度，并通過(guò)單線(xiàn)界面來(lái)發(fā)送和接收信息，從而只需一根導線(xiàn)（以及地線(xiàn)）接到MCU。數據的讀寫(xiě)以及執行所需要的能源可以從數據線(xiàn)本身索取而無(wú)需額外的電源。但考慮到溫度轉換的速度，我們還是提供了外接5V電源。由于DS1820使用享有專(zhuān)利的溫度測量技術(shù)來(lái)檢測溫度，并內置了A/D轉換，能將測量結果直接以數字量提供給MCU，所以68HC08可以直接從DS1820中讀出測量結果。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位的數字量以供讀取。DS1820提供的功能足以滿(mǎn)足本設計的要求。

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(diǎn)同普通的加熱電熱絲有所區別，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驅動(dòng)能力的PTD7口，通過(guò)三極管放大對SSR的直流控制端進(jìn)行直接操作，達到控制電熱絲的目的。因為該SSR具有過(guò)零觸發(fā)的功能，所以本系統將降低對電網(wǎng)的影響，同時(shí)可以省去過(guò)零檢測的電路及程序，降低了系統的復雜度。

4、 電源模塊：該模塊負責全電路的電源供應與安全控制。在交流輸入端使用了溫度開(kāi)關(guān)KSD301。KSD301的感溫端同煲體相接觸，當煲內的加熱對象溫度上升到105℃（可認為無(wú)水），KSD301會(huì )自動(dòng)斷開(kāi)，切斷了全系統的電源，這樣就避免了因控制器失效時(shí)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“干燒”的現象。

5、 主電路模塊：該模塊是系統的主體，68HC08多余的I/O口及IRQ、RST端全部通過(guò)排阻上拉至VCC，以防因懸空而引入可能使系統崩潰的干擾，提高了系統的穩定性。本系統從實(shí)用的角度來(lái)考慮，以4個(gè)LED發(fā)光二極管來(lái)顯示系統狀態(tài)。它們分別是系統電源、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驅動(dòng)能力的PA0~PA3口，省掉了驅動(dòng)電路，降低了成本。

從本系統的電路圖可以看出，智能中藥煲的硬件結構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，也使系統的穩定性得以提高。設計的重點(diǎn)放在了內部程序上，以圖用簡(jiǎn)潔的硬件配合完善的程序達到我們的設計目的。這一思路是符合家用電器產(chǎn)品開(kāi)發(fā)規律的。

軟件設計

考慮到算法實(shí)現的問(wèn)題，中藥檢測模塊實(shí)際上是通過(guò)計算比較得出一組加熱數據。再由模糊控溫模塊按這一組數據對加熱器進(jìn)行控制，使中藥材按指定溫度進(jìn)行煎煮。在這全過(guò)程中，用戶(hù)所要做的唯一件事就是按下啟動(dòng)鍵，使系統開(kāi)始工作。而之后直至結束都不需要用戶(hù)進(jìn)行任何干預。

為降低系統負荷，提高計算速度，我們事先將模糊控溫及中藥類(lèi)型檢測所需要的大量數據進(jìn)行了離線(xiàn)計算。在程序中，大量使用查找表格來(lái)取代在線(xiàn)計算，68HC08提供的足夠大的存儲器為查表的順利實(shí)現提供了條件，而其豐富的語(yǔ)句也為設計帶來(lái)了方便。

在對SSR的控制中，我們沒(méi)有采用一般的過(guò)零檢測PWM調節功率的控制方式，而是采用了面向時(shí)間的時(shí)段通斷機制來(lái)控制加熱器。簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)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(lái)替代采用PWM方式的半功率加熱10秒。這種方式主要優(yōu)點(diǎn)是省卻了過(guò)零檢測的麻煩，降低了成本，而控制效果并無(wú)太大改變。

附錄

中藥煎煮基本常識簡(jiǎn)介

對中藥的服用，不同地區有一定的不同，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(chēng)“慢火”，火溫較弱，水份蒸發(fā)緩慢。武火，又稱(chēng)“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(lèi)型：1、解表藥劑；2、一般藥劑；3、滋補、調理藥劑。

對不同藥性的中藥材要采用不同的煎煮方式，前煮的時(shí)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(lèi)型中藥材煎煮方案：

a) 解表藥劑
此類(lèi)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(lèi)藥劑就用“武火”“文火”交替煎煮，煎出藥的有效成分。
c) 滋補、調理藥劑

此類(lèi)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(cháng)時(shí)間。