設計智能中藥煲的方法

為了方便病人服用中藥藥劑，目前已經有一些生產廠家推出了自動中藥煲，并在市場上進行銷售。經過調查及實物分析，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域。

??? 基于本設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，實現了中藥煎煮的全自動化和智能化。不但能夠實現中藥煎煮的“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。

??? 設計目標

??? 該項目的目的是設計一個智能中藥煲，實現以下功能：
????? 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。
????? 4、 自動保溫功能。
????? 5、 發生系統故障后自動切斷電源，避免系統損壞。
????? 6、 低廉的生產成本。

??? 設計描述

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

??? 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生的各種事故進行相應處理。
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??? 控制原理

??? 1.中藥類型自動識別算法

??? 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（具體參見附錄一）。不同類型的中藥材的主要組成形態也不同，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，經過多次實驗，我們得出一個記錄各類藥劑比熱的數據表。在實際應用中，通過對待煎煮中藥材的溫升檢測，我們可以將得出的數據同預先制好的比熱數據表進行比較，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構。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，并與事先輸入的數據表進行比較，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型的隸屬度。在此我們采用MIX-MAX法來求出該隸屬度。再根據該隸屬度決定之后的加熱模式及計算加熱的時間與功率參數。

??? 2.不同類型中荮材的煎煮方案設計

??? 考慮到程序編寫方便的需要，我們在設計中將三種類型中藥材的煎煮方案統一起來，只是時間、溫度參數不同而已，同時根據煎煮量的不同對相應參數進行適當修改。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效果較好；而對于那些復雜的非線性系統，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。在此基礎上，建立基于模糊原理的控制算法。

??? 根據本設計的特點，我們設計了一個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模糊化后得出的相應隸屬度，是模糊量。輸出為經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題，尤其是在對象具有較大滯后效應時更顯模糊控制技術的優勢。

??? 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。即由系統計算并設置多個恒溫點，模糊控溫算法所要做的就是在這些點實現指定時間的恒溫。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：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。根據此兩項數據查模糊數據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，同時也可縮短成品的生產周期。

??? 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表達該器件的溫度，并通過單線界面來發送和接收信息，從而只需一根導線（以及地線）接到MCU。數據的讀寫以及執行所需要的能源可以從數據線本身索取而無需額外的電源。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使用享有專利的溫度測量技術來檢測溫度，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提供的功能足以滿足本設計的要求。

??? 2、 加熱器：該加熱器為一400W的電熱絲，呈環狀緊貼加熱煲體，這一點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：該模塊以一固態繼電器SSR為核心部件。利用了68HC08具有的大電流LED驅動能力的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具有過零觸發的功能，所以本系統將降低對電網的影響，同時可以省去過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關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℃（可認為無水），KSD301會自動斷開，切斷了全系統的電源，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“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。本系統從實用的角度來考慮，以4個LED發光二極管來顯示系統狀態。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驅動能力的PA0~PA3口，省掉了驅動電路，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。這樣不但降低了產品成本，也使系統的穩定性得以提高。設計的重點放在了內部程序上，以圖用簡潔的硬件配合完善的程序達到我們的設計目的。這一思路是符合家用電器產品開發規律的。

??? 軟件設計

??? 考慮到算法實現的問題，中藥檢測模塊實際上是通過計算比較得出一組加熱數據。再由模糊控溫模塊按這一組數據對加熱器進行控制，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，使系統開始工作。而之后直至結束都不需要用戶進行任何干預。

??? 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型檢測所需要的大量數據進行了離線計算。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提供了條件，而其豐富的語句也為設計帶來了方便。

??? 在對SSR的控制中，我們沒有采用一般的過零檢測PWM調節功率的控制方式，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，水份蒸發緩慢。武火，又稱“快火”，火溫較高，水份蒸發較快。

??? 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。