电子煎药全程控制系统设计与实现

李利花 袁钦

（南昌大学共青学院 江西省共青城市 332020）

现阶段，电子煎药项目逐渐成为各个医院中药房的主要工作模式，医院通过电子煎药，可以有效保证药物的效果以及质量，帮助患者更好的进行保健以及治疗，大幅度提高患者的满意度。并且，医院通过开展电子煎药，可以提高工作人员的效率、降低发生错误的几率、优化工作环节、减少质量事故的发生。因此，本院针对电子煎药主要从医生开药方、审方、调剂药物、复核、煎煮药物、包装配送、科室或者患者签收等多个环节进行监管。基于此，本文将主要研究构建电子煎药全程控制的系统进行设计，并对其进行合理的分析以及策略，开展高质量的电子煎药。

1 电子煎药壶的基本概述

智能电子煎药壶作为日本生产的第一台煎药壶，其深受中国传统文化的熏陶，且近几年越来越多的中药在国外被应用临床治疗中，且设计出的电子煎药壶种类比较繁多。但是，此种煎药壶与传统的煎药壶存在较大的差异，当前的煎药壶则具有更多的功能。电子煎药壶设计目的就是要实现全自动煎药，本设计在开始煎药前，需做好两样准备，一根据中药份量定好加水量，确保中药全被浸泡在水中，二是设定好三个时间。其中定时时间根据使用者喝药时间决定，浸泡时间和小火煎药时间则根据中药种类及份量进行设置。当设备开始工作时，先根据使用者设置水量自动进水，然后根据设定的浸泡时间浸泡药物，之后自动转为大火煎药状态，将壶内中药烧至沸腾（为安全起见，本设计假设95 摄氏度为沸腾状态），再根据设定的时间来进行小火煎药，当预定时间到时，系统停止工作，进入下一状态。

本次软件编程，选择用C 语言对单片机进行编程，先将整个系统细化，再将各个模块分部分，由分部分做起，逐一完成设计要求，最后将所有部分结合在一起，完成这个系统的总体设计。单片机作为整个系统的控制核心，它可以通过编写代码来实现对整个系统的控制，最后保证整个系统能够按照规定要求进行工作。此设计的想法是利用单片机结合各种种类的传感器，例如温度水位等，从而可实现对电子煎药壶的设计。温度采集模块由DS18B20 来实现，其功能是检测实时水温，将结果传送到控制系统。单片机可以根据温度值来判断当前状态（从安全方面着想，设定本系统的沸腾温度为95 摄氏度），并指挥其他部分继续工作。时间设定模块的功能是在设备工作前对三个时间进行设定，使用者可根据饮用药时间和药性来分别进行设置。供电模块就是通过电源和USB 接口提供电。自动注水模块的功能是能够实现设备自动进行加水及停止加水，用户可以根据中药量自己设置相应的加水量。

本系统根据继电器和水泵来实现此功能，当用户所设置的时间到时，设备自动进行加水，加至用户所设置的加水量时，设备自动停止加水。火候的变化则通过两种器件来实现。液晶显示模块作用是显示各个信息，使得使用者可以实时了解设备的运行状态，电子煎药系统设计中用LCD12864 来实现。水位检测模块利用传感器来实时检测水位，根据水位的不同高度，改变设备的状态。

图1：电子煎药壶整体设计框图

温度传感器是该模块中不可缺少的组成部分，其性能直接关系到系统的性能，因此温度传感器的选择非常重要，本设计中需要的传感器必须可以实时检测到水温，且可以将此信息传送到单片机中，DS18B20 可以实现设计的全部要求，所以本设计模块中选择它作为该模块元件。此传感器在与微处理器之间通信时仅需要一个引脚就可以实现双向通信；体积小、测量系数范围广、测量精度很高；用户可以自行设计报警的上限和下限；工作电源可以在远端引入进来，也可以由寄生电源产生；当电源接反时设备不会被烧毁，但是此时设备不能实现要求的功能。从上述特征中可以看出，DS18B20符合本设计要求。

2 电子煎药壶系统方案设计概括

本系统由单片机、采集温度数据的温度传感器、火候转换控制的可控硅、检查水位的湿度传感器、水泵和继电器组成的注水部分、LCD 液晶显示屏和时间设定七大部分组成，本设计是分模块进行设计的，通过对每个模块的设计后，整合各个模块，然后完成对整个系统的设计。电子煎药壶整体设计框图如图1。

单片机作为整个系统的控制核心，它可以通过编写代码来实现对整个系统的控制，最后保证整个系统能够按照规定要求进行工作。此设计的想法是利用单片机结合各种种类的传感器，例如温度水位等，从而可实现对电子煎药壶的设计。温度采集模块由DS18B20来实现，其功能是检测实时水温，将结果传送到控制系统。单片机可以根据温度值来判断当前状态（从安全方面着想，设定本系统的沸腾温度为95 摄氏度），并指挥其他部分继续工作。时间设定模块的功能是在设备工作前对三个时间进行设定，使用者可根据饮用药时间和药性来分别进行设置。供电模块就是通过电源和USB 接口提供电。自动注水模块的功能是能够实现设备自动进行加水及停止加水，用户可以根据中药量自己设置相应的加水量。本系统根据继电器和水泵来实现此功能，当用户所设置的时间到时，设备自动进行加水，加至用户所设置的加水量时，设备自动停止加水。火候的变化则通过两种器件来实现。液晶显示模块作用是显示各个信息，使得使用者可以实时了解设备的运行状态，在我的设计中用LCD12864 来实现。水位检测模块利用传感器来实时检测水位，根据水位的不同高度，改变设备的状态。

3 电子煎药壶系统方案改进概述

当确定电子煎药壶系统方案之后，需对其进行一系列的学习，并深入研究相关内容，以此根据项目任务书相关要求进行设计。对电子煎药壶系统进行改进的时候，首先需要对核心单片机进行合理的选择，并通过多次、反复的对比以及单片机学习，最终选择STC89C52 作为单片机控制核心。其次，则需要对电子煎药壶的温度检测部分进行合理的设计，针对这一部分需要实现合理的实时的检测，并对检测所得数值进行计算，同时将数据结果在显示屏上显示出来，当电子煎药壶的温度达到预先设定好的沸腾温度值时（95度），电子煎药壶能够自动从大火状态转为小火状态，并将温度传感器DS18B20 作为这一系统的模块核心。检测水位主要是通过土壤湿度传感器实现，其能够根据水位高低进行报警和加水，报警功能则通过蜂鸣器实现。光耦合器结合可控硅调节火候大小，本设计有三种火力状态，分别为大火烧水、小火煎药和保温状态。LCD液晶显示屏可以显示各种信息，方便使用者观察煎药状态。

方案改进一：温度、水位、显示、火力模块不用改动，在时间设置模块新增对定时时间的设置功能，本设计中的定时时间指的是对设备开始工作时间的设定，使用者可以通过喝药的时间来自由设置煎药壶开始工作时间，方便使用者喝药，定时时间设计是通过核心单片机中的定时器2 完成的。

方案改进二：在方案一的基础上，新增自动注水模块，自动注水模块主要实现的功能是，可以给设备自动进水，设计为通过水泵和继电器使得设备可以进行自动进水，当水量达到壶中土壤传感器的探头时，自动停止进水。

方案改进三:通过设计方案二，系统已经可以实现设计目标，但在操作过程中存在一些问题，如进水量完全由土壤湿度传感器探头位置决定，需要使用者在每次煎药前，手动调整土壤湿度传感器探头位置，操作比较麻烦，因存在的问题，经再三考虑，提出方案三，方案三是进水量不与探头位置有关，使用者根据药性自己设置进水量，在注水过程中，达到设定注水量时，自动停止注水。

本次电子煎药壶系统设计可以实现以下相关功能：

（1）设备可以根据使用者自己设置的水量进行自动加水和停水；

（2）对温度进行实时采集，经单片机处理后在显示屏上显示出来，使得使用者更方便了解温度情况；

（3）可以实现火力的自动转换，设定三个不同状态，用发光二极管显示状态信息，各个状态之间可自动进行转换，实现真正的全自动煎药；

（4）可实现三个时间的设定，智能方便，节约使用者时间；（5）防干烧功能的完善，可以检测煎药壶中水位的高低，并根据水位的高低来判断设备是否报警并进入保温状态；

（6）利用液晶显示屏显示各模块信息模块的代码，能够显示各状态信息，方便使用者观察设备运行情况。

但是，本次系统设计中也存在部分技术难点，其主要包括以下几点：

（1）时间控制需完成三个时间的设定，其中定时功能需可以控制整个系统的开始时间。

（2）如何将单片机和传感器进行结合，保证温度、水位等信息的传递，使得单片机可以控制整个系统的功能实现。

（3）防干烧功能的完善，防干烧需要做到根据水位的实时高度，判断设备运行状态，当水位降低时及时报警，并改变设备的状态。

（4）设备可以自动进行火力调节，真正实现全自动智能煎药。

4 系统硬件部分的设计实现

本文选择STC89C52 作为核心控制器，其存在的多方面特性很适合做本设计的核心器件，例如存储空间充裕，方便使用者使用、32 个通用的I/O 口、可直接使用串口进行下载、看门狗设计，能够防止程序进入死循环等。并且，单片机的最小系统由三部分构成：电源电路、复位电路、晶振电路。

温度传感器是该模块中不可缺少的组成部分，其性能直接关系到系统的性能，因此温度传感器的选择非常重要，本设计中需要的传感器必须可以实时检测到水温，且可以将此信息传送到单片机中，DS18B20 可以实现设计的全部要求，所以本设计模块中选择它作为该模块元件。此传感器在与微处理器之间通信时仅需要一个引脚就可以实现双向通信；体积小、测量系数范围广、测量精度很高；用户可以自行设计报警的上限和下限；工作电源可以在远端引入进来，也可以由寄生电源产生；当电源接反时设备不会被烧毁，但是此时设备不能实现要求的功能。从上述特征中可以看出，DS18B20符合本设计要求。

而时间设定模块则是由S1～S4 四个按键组成，四个按键与单片机相连。在设备工作前，需要先进行时间设置，需要提前设定的时间有三个，分别是定时时间、浸泡时间和小火煎药时间。定时时间决定这设备开始工作的时间，本设计中采取倒计时方法，利用单片机中的定时器2 实现定时功能；浸泡时间和小火煎药时间由药物成分决定，使用者可根据药物特性自由设定。

5 结束语

综上所述，随着我国科学技术以及社会经济的不断发展，当代人们的生活节奏也在逐渐增快，越来越多的患者对医院内的中药服务推出了更多的需求。传统的中药煎煮过程中存在一系列的问题，严重影响患者最终服用药物的效果，无法满足患者更高的中药服务需求。基于AT89S52 单片机的水温控制系统的测量、处理、输出形成闭环控制，调节PWM 脉冲占空比的加热方法，结构简单，易于实现，成本低，可根据用户的实际需要设定温度，温度测量和热效应达到了令人满意的结果，快速上升时间，超调量小，控制精度达到0.2℃，模块也可应用于其他温度控制中的应用。