基于LM3S811的中药自动熬制系统设计与实现

张艳平，吴 卫，陈 浩，廖红华

(湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施 445000)

明代医学家李时珍曾说：“凡服汤药，虽品物专精，修治如法，而煎药者卤莽造次，水火不良，火候失度，则药亦无功”.可见熬制中药方法不可忽视.根据药效不同可将中药材主要分为：解表药、清热药、芳香类和滋补类药物等类型.不同种类的熬制方法也不相同，如解表药、清热药、芳香类药物不宜久煎，煮沸后煎15～20 min.滋补药先用武火煮沸后，改用文火慢煎40～60 min等等[1-6].现实生活中，往往由于没中药熬制经验，从而限制了中医中药的推广.为此，本为介绍了一种基于LM3S811微控制器控制的中药自动熬制系统设计方案，并重点介绍了其软、硬件实现.

1 模糊自整定PID控温算法

为了有效实现自动熬制系统的温度控制，其控温算法采用开关算法、模糊预测控制算法以及模糊自整定PID控温算法.其中当实际温度值与设定温度值偏差较大时，采用开关算法、模糊预测控制算法，当实际温度值与设定温度值偏差在一定范围内时，采用模糊自整定PID控温算法.模糊自整定PID控温算法它是以PID控制器为基础，在此基础上结合控制专家整定PID控制器参数的经验和知识，通过对系统过渡过程模式的在线识别，实时搜索相适应的模糊推理矩阵，并进行参数调整，直到其实际温度与设定温度一致为止.实现PID参数的自整定，通常以启发式语句if(条件) then(结果)的形式组成知识库，经模糊合成推理形成模糊查询表[7-8].

图1 模糊自整定PID控制系统原理框图Fig.1 The block diagram of fuzzy self-tuning PID control system

1.1 PID控温算法

PID控制器是一种线性控制器，它根据设定值Tset(t)与实际温度值Tact(t)的偏差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的.实际控温时，控制量为PWM波形的占空比，其控制算式表示为：

式中:e(t)=Tset(t)-Tact(t).

PID控制器各校正环节的作用：

1)比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差.

2)积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度.积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强.

3)微分环节：能反应偏差的变化趋势(变化速率)，并能在偏差的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间.

1.2 模糊自整定PID控制算法

中药自动熬制系统模糊自整定PID控制系统原理框图如图1所示.

对于中药自动熬制系统而言，加热环节包含熬制控温与保温控温，其控温算法均为模糊自整定PID控温算法.以熬制控温而言，集成温度传感器AD590将中药熬制容器温度信号输入到CD4051模拟电子开关，经微处理器LM3S811控制选通后送到前置放大电路，并经ADC变为数字温度信号，该温度信号与设定温度比较产生偏差e和偏差变化率Δe信号，模糊推理机依据e和Δe变化情况进行模糊推理，而后根据不同温区以及温度变化动态地调整PID控制器的3个参数Kp、Ki、Kd，再由PID控制器控制PWM控制器控制输出PWM波形从而产生加热控制信号，实现中药自动熬制系统的温度控制.

中药自动熬制系统模糊自整定PID控制系统核心部件为模糊推理及参数修正部分.通常情况下，模糊自整定PID控制算法可归纳为6个步骤[9-10]：

1)输入变量的计算，依据设定温度值、本次采集温度值计算出输入变量的温度偏差偏差e和偏差变化率Δe；

2)模糊化，对输入变量进行模糊描述；

3)模糊推理，根据输入模糊量、模糊控制规则，确定PID控制其输入参数Kp、Ki、Kd的模糊量；

4)反模糊化，将PID控制器输入参数Kp、Ki、Kd的模糊量转化为精确量；

5)自整定参数投运，将3个PID控制器输入参数Kp、Ki、Kd的精确量送入PID控制器投入运行；

6)模糊自整定PID控制器控制量输出PWM波形，控制固态继电器通断状态，实现发热盘加热功能.

2 中药自动熬制系统硬件设计

中药智能熬制系统原理框图如图2所示，该系统包含两套加热装置，分别实现中药熬制、中药功能，为了有效控制药效的流失，设计有制冷回流装置，当熬制过程中有药蒸汽上升至制冷回流装置时，由半导体制冷片冷却从回流孔流回中药熬制容器.中药熬制容器及保温容器温度检测由集成温度传感器AD590完成.

图2 中药智能熬制系统原理框图Fig.2 The block diagram of Chinese medicine automatic decocting system

图3 PWM信号发生器模块方框图Fig.3 The block diagram of PWM signal generator module

中药自动熬制系统工作原理是：将所需熬制的药材放入熬制容器中，并将中药材的名称通过键盘输入此智能系统，之后按启动键，系统依据输入的中药信息，自动将药材归类，并按中药种类的相应的属性通过算法生成最为合理的熬制程序以及给水量，并设置好火候和相应的加热时间.通过对熬制容器内的温度进行实时检测并反馈回系统，系统据反馈的信息实时调节火候.通过水位传感器的实时监测，自动补水功能.系统中，采用制冷回流装置的设计可使药效不流失，且无药味挥发，对环境无污染.熬好的汤剂通过过滤装置导入此系统的一个保温容器中，使其随时保持可饮用温度.

2.1 温度检测传感器

系统中，中药熬制容器以及保温容器内温度检测选用集成模拟温度传感器AD590实现，制冷回流装置内温度检测选用集成数字温度传感器DS18B20实现.

AD590是一款集成模拟温度传感器，其输出电流是以绝对温度零度(-273℃)为基准，每增加1℃，它会增加1 μA输出电流，其测量温度范围从-55℃～+150℃.除了温度测量以外，AD590可广泛应用于温度补偿、分立器件校正、流速测量、液体水平检测和风速测定等领域.

DS18B20是一款集成数字温度传感器，具有独特的单线接口，仅需一个端口引脚进行通讯，无需外部器件，输出即为数字温度信号，可直接和LM3S811处理器连接.其测量温度范围从-55℃～+125℃，以0.5℃递增，也可广泛应用于温度控制、工业系统等领域.

2.2 制冷回流控制电路

制冷回流装置设计成双层结构(如图2所示)，为实现最佳制冷控制，选用多片半导体制冷片并联构成制冷回流组件，当中药蒸气进入双层后，制冷回流组件将其冷凝成水珠由回流孔回流至中药熬制容器，从而避免了中药药效流失.制冷回流控制温度由数字集成温度传感器DS18B20检测，当检测蒸汽温度在95℃～+105℃时，启动制冷回流组件制冷.

2.3 PWM控制加热电路

PWM波形输出控制选用LM3S811内部集成的PWM模块，该PWM模块由 3个 PWM发生器模块 1个控制模块组成.每个 PWM发生器模块包含1个定时器(16位递减或先递增后递减计数器)，2个PWM比较器，PWM信号发生器，死区发生器和中断/ADC-触发 选择器.而控制模块决定了PWM信号的极性，以及将哪个信号传递到管脚.PWM信号发生器模块方框图如图3所示.系统中，选用PWM0发生器控制制冷回流，PWM1发生器控制中药熬制加热，PWM1发生器控制保温加热.

3 中药自动熬制系统软件设计

对于一般中药熬制,通常情况应先用冷水浸泡20 min左右，煎药用水量一般以浸过药面1～3 cm为宜.对于大剂量和松泡易吸水的药物可适当增加用水量，煎药时间应根据药性而定，一般药为30 min.解表药、清热药、芳香类药物不宜久煎，沸后煎15～20 min.滋补药先用武火煮沸后，改用文火慢煎40～60 min.

为此，系统软件设计主要包含数据管理以及温度优化控制程序、模糊自整定PID温度控制程序的设计、制冷回流控制程序、人机交互以及LCD显示等程序模块.其中，数据管理以及温度优化控制程序主要依据中药材的属性，如全草、根、茎、茎木、花、叶、果实、地衣、树脂、动物以及矿物等不同类型，设置不同的加热加权因子，而后综合比较，采用模糊控制策略判断出最佳温度控制方案，其数据管理及优化控制流程如图4所示，系统软件流程示意图如图5所示.

图4 数据管理及温度优化控制流程 图5 系统软件流程示意图

4 结语

基于LM3S811微控制器实现中药自动熬制系统的设计，能有效利用微控制器内置的强大功能模块实现该系统高度集成，如内置ADC、内置PWM模块等.系统中，依据输入中药材名称，模糊控制策略自动生成熬制方案，并基于开关算法、模糊预测控制算法以及模糊自整定PID控温算法能有效实现温度的快速加温，快速稳定，同时，利用半导体制冷片构成制冷回流装置能尽可能地使中药药效在熬制过程中不会随着蒸汽而挥发，这对于推动中医中药的发展与普及具有十分重要的现实意义.

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