智能中藥?kù)以O(shè)計(jì)

基于本設(shè)計(jì)中提出的中藥類(lèi)型自動(dòng)識(shí)別理論，我們采用了Motorola M68HC08單片機(jī)設(shè)計(jì)完成了智能中藥?kù)?。它充分利用該單片機(jī)所提供的功能，實(shí)現(xiàn)了中藥煎煮的全自動(dòng)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(hù)的操作只是按一個(gè)啟動(dòng)鍵）的“傻瓜操作"，更能實(shí)現(xiàn)一個(gè)大致的中藥類(lèi)型自動(dòng)識(shí)別，從而為對(duì)不同對(duì)象采取不同的煎煮模式提供了條件。

設(shè)計(jì)目標(biāo)

該項(xiàng)目的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)智能中藥?kù)?，?shí)現(xiàn)以下功能：
1、 面向用戶(hù)的單鍵操作（One-touch）。
2、 對(duì)煎煮中藥材類(lèi)型的自動(dòng)識(shí)別。
3、 煎煮全過(guò)程的自動(dòng)控制，勿需用戶(hù)干預(yù)。
4、 自動(dòng)保溫功能。
5、 發(fā)生系統(tǒng)故障后自動(dòng)切斷電源，避免系統(tǒng)損壞。
6、 低廉的生產(chǎn)成本。

設(shè)計(jì)描述

作為一個(gè)家用電器的設(shè)計(jì)項(xiàng)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(dǎo)我們的設(shè)計(jì)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(fù)雜度降到最低。這樣才能設(shè)計(jì)出一個(gè)貼近消費(fèi)市場(chǎng)脈搏并滿(mǎn)足時(shí)下消費(fèi)產(chǎn)品SMART（S-simple，M-mindful，A-attentive，R-responsive，T-teachable）特點(diǎn)的新產(chǎn)品。

本設(shè)計(jì)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(cuò)性，使其基本可對(duì)可能發(fā)生的各種事故進(jìn)行相應(yīng)處理。


控制原理

1.中藥類(lèi)型自動(dòng)識(shí)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(bǔ)調(diào)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(bǔ)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(guò)多次實(shí)驗(yàn)，我們得出一個(gè)記錄各類(lèi)藥劑比熱的數(shù)據(jù)表。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)對(duì)待煎煮中藥材的溫升檢測(cè)，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(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(zhǔn)確的識(shí)別對(duì)象類(lèi)型，因?yàn)榫退闶侨斯づ袆e也很難達(dá)到理想的效果，而且中藥材本身就沒(méi)有明確的類(lèi)型區(qū)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(duì)象的大致類(lèi)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(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(nèi)對(duì)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(jìn)行比較，從而可以得出結(jié)果。該模型結(jié)構(gòu)的輸出為對(duì)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(jù)該隸屬度決定之后的加熱模式及計(jì)算加熱的時(shí)間與功率參數(shù)。

2.不同類(lèi)型中荮材的煎煮方案設(shè)計(jì)

考慮到程序編寫(xiě)方便的需要，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中將三種類(lèi)型中藥材的煎煮方案統(tǒng)一起來(lái)，只是時(shí)間、溫度參數(shù)不同而已，同時(shí)根據(jù)煎煮量的不同對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)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(duì)于一個(gè)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(duì)物理模型已被較為全面了解的受控系統(tǒng)效果較好；而對(duì)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(jì)就明顯屬于后者。因此，模糊控制原理認(rèn)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(duì)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(chǔ)上，建立基于模糊原理的控制算法。

根據(jù)本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)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(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(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?kù)业臏乜貑?wèn)題，尤其是在對(duì)象具有較大滯后效應(yīng)時(shí)更顯模糊控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

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(chēng)之為多點(diǎn)恒溫控制的方式。即由系統(tǒng)計(jì)算并設(shè)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(xiàn)指定時(shí)間的恒溫。這種方式是非常適合智能中藥?kù)业臏囟瓤刂频?，取得了很好的效果?/P>

模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)：由單片機(jī)實(shí)時(shí)采集當(dāng)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(jù)此兩項(xiàng)數(shù)據(jù)查模糊數(shù)據(jù)表可以確定控制量的變化，通過(guò)控制負(fù)載的通斷時(shí)間比來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。

硬件設(shè)計(jì)

在硬件電路上，采用了模塊化的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)便于調(diào)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(zhǔn)確測(cè)量加熱對(duì)象的溫度，我們采用了單片化的數(shù)字溫度計(jì)DS1820作為溫度傳感器。DS1820數(shù)字溫度計(jì)以九位數(shù)字來(lái)表達(dá)該器件的溫度，并通過(guò)單線界面來(lái)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(xiě)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(wú)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(zhuān)利的溫度測(cè)量技術(shù)來(lái)檢測(cè)溫度，并內(nèi)置了A/D轉(zhuǎn)換，能將測(cè)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(cè)量結(jié)果。DS1820的測(cè)量精度同常用的AD590，測(cè)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(mǎn)足本設(shè)計(jì)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(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(dòng)能力的PTD7口，通過(guò)三極管放大對(duì)SSR的直流控制端進(jìn)行直接操作，達(dá)到控制電熱絲的目的。因?yàn)樵揝SR具有過(guò)零觸發(fā)的功能，所以本系統(tǒng)將降低對(duì)電網(wǎng)的影響，同時(shí)可以省去過(guò)零檢測(cè)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(fù)責(zé)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(kāi)關(guān)KSD301。KSD301的感溫端同煲體相接觸，當(dāng)煲內(nèi)的加熱對(duì)象溫度上升到105℃（可認(rèn)為無(wú)水），KSD301會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)，切斷了全系統(tǒng)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(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(guò)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(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(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(dòng)能力的PA0~PA3口，省掉了驅(qū)動(dòng)電路，降低了成本。

從本系統(tǒng)的電路圖可以看出，智能中藥?kù)业挠布Y(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(jì)的重點(diǎn)放在了內(nèi)部程序上，以圖用簡(jiǎn)潔的硬件配合完善的程序達(dá)到我們的設(shè)計(jì)目的。這一思路是符合家用電器產(chǎn)品開(kāi)發(fā)規(guī)律的。

軟件設(shè)計(jì)

考慮到算法實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，中藥檢測(cè)模塊實(shí)際上是通過(guò)計(jì)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(duì)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(tǒng)開(kāi)始工作。而之后直至結(jié)束都不需要用戶(hù)進(jìn)行任何干預(yù)。

為降低系統(tǒng)負(fù)荷，提高計(jì)算速度，我們事先將模糊控溫及中藥類(lèi)型檢測(cè)所需要的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行了離線計(jì)算。在程序中，大量使用查找表格來(lái)取代在線計(jì)算，68HC08提供的足夠大的存儲(chǔ)器為查表的順利實(shí)現(xiàn)提供了條件，而其豐富的語(yǔ)句也為設(shè)計(jì)帶來(lái)了方便。

在對(duì)SSR的控制中，我們沒(méi)有采用一般的過(guò)零檢測(cè)PWM調(diào)節(jié)功率的控制方式，而是采用了面向時(shí)間的時(shí)段通斷機(jī)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(cè)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(shí)簡(jiǎn)介

對(duì)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(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(bǔ)、調(diào)理藥劑。

對(duì)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(shì)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(bǔ)、調(diào)理藥劑

此類(lèi)藥劑要久煎，否則達(dá)不到補(bǔ)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(zhǎng)時(shí)間。