基于LM3S811的中藥自動(dòng)熬制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張艷平，吳 衛(wèi)，陳 浩，廖紅華

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

明代醫(yī)學(xué)家李時(shí)珍曾說(shuō)：“凡服湯藥，雖品物專精，修治如法，而煎藥者鹵莽造次，水火不良，火候失度，則藥亦無(wú)功”.可見(jiàn)熬制中藥方法不可忽視.根據(jù)藥效不同可將中藥材主要分為：解表藥、清熱藥、芳香類和滋補(bǔ)類藥物等類型.不同種類的熬制方法也不相同，如解表藥、清熱藥、芳香類藥物不宜久煎，煮沸后煎15～20 min.滋補(bǔ)藥先用武火煮沸后，改用文火慢煎40～60 min等等[1-6].現(xiàn)實(shí)生活中，往往由于沒(méi)中藥熬制經(jīng)驗(yàn)，從而限制了中醫(yī)中藥的推廣.為此，本為介紹了一種基于LM3S811微控制器控制的中藥自動(dòng)熬制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并重點(diǎn)介紹了其軟、硬件實(shí)現(xiàn).

1 模糊自整定PID控溫算法

為了有效實(shí)現(xiàn)自動(dòng)熬制系統(tǒng)的溫度控制，其控溫算法采用開(kāi)關(guān)算法、模糊預(yù)測(cè)控制算法以及模糊自整定PID控溫算法.其中當(dāng)實(shí)際溫度值與設(shè)定溫度值偏差較大時(shí)，采用開(kāi)關(guān)算法、模糊預(yù)測(cè)控制算法，當(dāng)實(shí)際溫度值與設(shè)定溫度值偏差在一定范圍內(nèi)時(shí)，采用模糊自整定PID控溫算法.模糊自整定PID控溫算法它是以PID控制器為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合控制專家整定PID控制器參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程模式的在線識(shí)別，實(shí)時(shí)搜索相適應(yīng)的模糊推理矩陣，并進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，直到其實(shí)際溫度與設(shè)定溫度一致為止.實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自整定，通常以啟發(fā)式語(yǔ)句if(條件) then(結(jié)果)的形式組成知識(shí)庫(kù)，經(jīng)模糊合成推理形成模糊查詢表[7-8].

圖1 模糊自整定PID控制系統(tǒng)原理框圖Fig.1 The block diagram of fuzzy self-tuning PID control system

1.1 PID控溫算法

PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)設(shè)定值Tset(t)與實(shí)際溫度值Tact(t)的偏差，利用比例、 積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的.實(shí)際控溫時(shí)，控制量為PWM波形的占空比，其控制算式表示為：

式中:e(t)=Tset(t)-Tact(t).

PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用：

1)比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差.

2)積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度.積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng).

3)微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間.

1.2 模糊自整定PID控制算法

中藥自動(dòng)熬制系統(tǒng)模糊自整定PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示.

對(duì)于中藥自動(dòng)熬制系統(tǒng)而言，加熱環(huán)節(jié)包含熬制控溫與保溫控溫，其控溫算法均為模糊自整定PID控溫算法.以熬制控溫而言，集成溫度傳感器AD590將中藥熬制容器溫度信號(hào)輸入到CD4051模擬電子開(kāi)關(guān)，經(jīng)微處理器LM3S811控制選通后送到前置放大電路，并經(jīng)ADC變?yōu)閿?shù)字溫度信號(hào)，該溫度信號(hào)與設(shè)定溫度比較產(chǎn)生偏差e和偏差變化率Δe信號(hào)，模糊推理機(jī)依據(jù)e和Δe變化情況進(jìn)行模糊推理，而后根據(jù)不同溫區(qū)以及溫度變化動(dòng)態(tài)地調(diào)整PID控制器的3個(gè)參數(shù)Kp、Ki、Kd，再由PID控制器控制PWM控制器控制輸出PWM波形從而產(chǎn)生加熱控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)中藥自動(dòng)熬制系統(tǒng)的溫度控制.

中藥自動(dòng)熬制系統(tǒng)模糊自整定PID控制系統(tǒng)核心部件為模糊推理及參數(shù)修正部分.通常情況下，模糊自整定PID控制算法可歸納為6個(gè)步驟[9-10]：

1)輸入變量的計(jì)算，依據(jù)設(shè)定溫度值、本次采集溫度值計(jì)算出輸入變量的溫度偏差偏差e和偏差變化率Δe；

2)模糊化，對(duì)輸入變量進(jìn)行模糊描述；

3)模糊推理，根據(jù)輸入模糊量、模糊控制規(guī)則，確定PID控制其輸入?yún)?shù)Kp、Ki、Kd的模糊量；

4)反模糊化，將PID控制器輸入?yún)?shù)Kp、Ki、Kd的模糊量轉(zhuǎn)化為精確量；

5)自整定參數(shù)投運(yùn)，將3個(gè)PID控制器輸入?yún)?shù)Kp、Ki、Kd的精確量送入PID控制器投入運(yùn)行；

6)模糊自整定PID控制器控制量輸出PWM波形，控制固態(tài)繼電器通斷狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)發(fā)熱盤加熱功能.

2 中藥自動(dòng)熬制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

中藥智能熬制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，該系統(tǒng)包含兩套加熱裝置，分別實(shí)現(xiàn)中藥熬制、中藥功能，為了有效控制藥效的流失，設(shè)計(jì)有制冷回流裝置，當(dāng)熬制過(guò)程中有藥蒸汽上升至制冷回流裝置時(shí)，由半導(dǎo)體制冷片冷卻從回流孔流回中藥熬制容器.中藥熬制容器及保溫容器溫度檢測(cè)由集成溫度傳感器AD590完成.

圖2 中藥智能熬制系統(tǒng)原理框圖Fig.2 The block diagram of Chinese medicine automatic decocting system

圖3 PWM信號(hào)發(fā)生器模塊方框圖Fig.3 The block diagram of PWM signal generator module

中藥自動(dòng)熬制系統(tǒng)工作原理是：將所需熬制的藥材放入熬制容器中，并將中藥材的名稱通過(guò)鍵盤輸入此智能系統(tǒng)，之后按啟動(dòng)鍵，系統(tǒng)依據(jù)輸入的中藥信息，自動(dòng)將藥材歸類，并按中藥種類的相應(yīng)的屬性通過(guò)算法生成最為合理的熬制程序以及給水量，并設(shè)置好火候和相應(yīng)的加熱時(shí)間.通過(guò)對(duì)熬制容器內(nèi)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并反饋回系統(tǒng)，系統(tǒng)據(jù)反饋的信息實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)火候.通過(guò)水位傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)補(bǔ)水功能.系統(tǒng)中，采用制冷回流裝置的設(shè)計(jì)可使藥效不流失，且無(wú)藥味揮發(fā)，對(duì)環(huán)境無(wú)污染.熬好的湯劑通過(guò)過(guò)濾裝置導(dǎo)入此系統(tǒng)的一個(gè)保溫容器中，使其隨時(shí)保持可飲用溫度.

2.1 溫度檢測(cè)傳感器

系統(tǒng)中，中藥熬制容器以及保溫容器內(nèi)溫度檢測(cè)選用集成模擬溫度傳感器AD590實(shí)現(xiàn)，制冷回流裝置內(nèi)溫度檢測(cè)選用集成數(shù)字溫度傳感器DS18B20實(shí)現(xiàn).

AD590是一款集成模擬溫度傳感器，其輸出電流是以絕對(duì)溫度零度(-273℃)為基準(zhǔn)，每增加1℃，它會(huì)增加1 μA輸出電流，其測(cè)量溫度范圍從-55℃～+150℃.除了溫度測(cè)量以外，AD590可廣泛應(yīng)用于溫度補(bǔ)償、分立器件校正、流速測(cè)量、液體水平檢測(cè)和風(fēng)速測(cè)定等領(lǐng)域.

DS18B20是一款集成數(shù)字溫度傳感器，具有獨(dú)特的單線接口，僅需一個(gè)端口引腳進(jìn)行通訊，無(wú)需外部器件，輸出即為數(shù)字溫度信號(hào)，可直接和LM3S811處理器連接.其測(cè)量溫度范圍從-55℃～+125℃，以0.5℃遞增，也可廣泛應(yīng)用于溫度控制、工業(yè)系統(tǒng)等領(lǐng)域.

2.2 制冷回流控制電路

制冷回流裝置設(shè)計(jì)成雙層結(jié)構(gòu)(如圖2所示)，為實(shí)現(xiàn)最佳制冷控制，選用多片半導(dǎo)體制冷片并聯(lián)構(gòu)成制冷回流組件，當(dāng)中藥蒸氣進(jìn)入雙層后，制冷回流組件將其冷凝成水珠由回流孔回流至中藥熬制容器，從而避免了中藥藥效流失.制冷回流控制溫度由數(shù)字集成溫度傳感器DS18B20檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)蒸汽溫度在95℃～+105℃時(shí)，啟動(dòng)制冷回流組件制冷.

2.3 PWM控制加熱電路

PWM波形輸出控制選用LM3S811內(nèi)部集成的PWM模塊，該P(yáng)WM模塊由 3個(gè) PWM發(fā)生器模塊 1個(gè)控制模塊組成.每個(gè) PWM發(fā)生器模塊包含1個(gè)定時(shí)器(16位遞減或先遞增后遞減計(jì)數(shù)器)，2個(gè)PWM比較器，PWM信號(hào)發(fā)生器，死區(qū)發(fā)生器和中斷/ADC-觸發(fā) 選擇器.而控制模塊決定了PWM信號(hào)的極性，以及將哪個(gè)信號(hào)傳遞到管腳.PWM信號(hào)發(fā)生器模塊方框圖如圖3所示.系統(tǒng)中，選用PWM0發(fā)生器控制制冷回流，PWM1發(fā)生器控制中藥熬制加熱，PWM1發(fā)生器控制保溫加熱.

3 中藥自動(dòng)熬制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于一般中藥熬制,通常情況應(yīng)先用冷水浸泡20 min左右，煎藥用水量一般以浸過(guò)藥面1～3 cm為宜.對(duì)于大劑量和松泡易吸水的藥物可適當(dāng)增加用水量，煎藥時(shí)間應(yīng)根據(jù)藥性而定，一般藥為30 min.解表藥、清熱藥、芳香類藥物不宜久煎，沸后煎15～20 min.滋補(bǔ)藥先用武火煮沸后，改用文火慢煎40～60 min.

為此，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包含數(shù)據(jù)管理以及溫度優(yōu)化控制程序、模糊自整定PID溫度控制程序的設(shè)計(jì)、制冷回流控制程序、人機(jī)交互以及LCD顯示等程序模塊.其中，數(shù)據(jù)管理以及溫度優(yōu)化控制程序主要依據(jù)中藥材的屬性，如全草、根、莖、莖木、花、葉、果實(shí)、地衣、樹(shù)脂、動(dòng)物以及礦物等不同類型，設(shè)置不同的加熱加權(quán)因子，而后綜合比較，采用模糊控制策略判斷出最佳溫度控制方案，其數(shù)據(jù)管理及優(yōu)化控制流程如圖4所示，系統(tǒng)軟件流程示意圖如圖5所示.

圖4 數(shù)據(jù)管理及溫度優(yōu)化控制流程 圖5 系統(tǒng)軟件流程示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

基于LM3S811微控制器實(shí)現(xiàn)中藥自動(dòng)熬制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能有效利用微控制器內(nèi)置的強(qiáng)大功能模塊實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)高度集成，如內(nèi)置ADC、內(nèi)置PWM模塊等.系統(tǒng)中，依據(jù)輸入中藥材名稱，模糊控制策略自動(dòng)生成熬制方案，并基于開(kāi)關(guān)算法、模糊預(yù)測(cè)控制算法以及模糊自整定PID控溫算法能有效實(shí)現(xiàn)溫度的快速加溫，快速穩(wěn)定，同時(shí)，利用半導(dǎo)體制冷片構(gòu)成制冷回流裝置能盡可能地使中藥藥效在熬制過(guò)程中不會(huì)隨著蒸汽而揮發(fā)，這對(duì)于推動(dòng)中醫(yī)中藥的發(fā)展與普及具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義.

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