一种自动化中药壶的设计

郑慧珍

(漳州职业技术学院 智能制造学院,福建 漳州363000)

中医药事业是我国医药卫生事业的重要组成部分。近几年来,各大医疗机构纷纷加大对中医药的应用和研究。熬制中药时间长,费时费力,给患者带来不便。随着中医药的大力推广,各个家庭对中药熬制设备的需求日益凸显,迫切需要一款自动化的中药熬制设备[1]。中医药熬制方式考究,不同阶段用不同的功率加热,且对加水量和剩余药汁有一定的要求。许艳亭等[2]提出了一种具有快速破壁、自动清洗功能的智能化中药熬药机,但不具有定量煎煮功能,仍然需要人工看管。龚英姬等[3]设计了一种自动换火的熬制设备,采用人工设定加热时长的方式实现定量煎煮,存在定量不准确的问题。调研市场上已有产品,多数产品根据用户事先设置的加水量,结合产品出厂前的实验数据,计算出加热时长。但是,此方法存在较多弊端。不同时段、不同地区市电电压有所差别,加热功率相应存在偏差。特定加热时长得到的剩余药汁的量不等,大大降低了定量熬制的性能。已有产品功率控制效果不佳,采用控制全功率加热间隔的方式降低平均加热功率,瞬时加热功率分布不均匀。

基于已有产品缺陷,设计了一种自动化中药壶。该设备采用低成本的重量检测方案,CPU 能够实时了解剩余药汁的量,达到精准控制的目的。采用光电耦合和晶闸管技术,均匀控制加热功率。

1 基本原理

中药熬制初期,一般采用温水浸泡,使药材充分吸水。然后采用大功率加热,将药壶快速加热至高温状态释放药性。之后,降低加热功率“文火细煎”,使药性充分释放。最后,进入保温状态,保持在适宜饮用的温度。一般熬制前加水量和熬制后剩余药汁的量有一定的要求,而且随着患者年龄、病情和药材的不同有不同要求。熬制过程中须实时检测温度防止干烧,并且熬制结束后须保持在适宜的温度,因此须对药壶进行温度监测。其原理框图如图1所示。以CPU 为核心,控制整机电路运行。电源电路将交流电转换为直流电,为整机提供电源供应。按键电路和显示电路组成人机交互接口,以简单、容易上手的方式,帮助用户控制和了解整机运行。重量检测电路在熬制开始前,记录药材重量、用户加水量和目标药汁重量。熬制过程中,CPU 读取重量值,实时关注剩余药汁重量,适时切换至保温状态。市电相位检测电路帮助CPU 跟踪交流电相位,使调功控制信号实时锁定市电相位,实现均匀地加热功率。温度传感电路安装在加热盘底部,涂抹导热硅脂实现快速导热。CPU 在加热过程中,实时读取加热温度,防止干烧,并且精准控制保温温度。

图1 原理框图

2 硬件电路设计

2.1 电源电路

整机电路中,加热电路采用交流电直接供电,其余电路采用直流弱电供电。AC-DC 电源采用深圳市茂捷半导体推出的M5563 芯片方案。M5563芯片是一款高度集成的电流模式PWM控制芯片,主要用于高性能、低待机功耗和低成本的离线反激式电源适配器中。满载时,M5563工作在65k Hz固定频率模式下。在大负载电流时,工作在谷底导通的绿色工作模式实现高功率下的高转换效率。在负载电流小时以“扩展的突发模式”运行,减小待机功耗。因此,在整个负载范围内可以实现高转换效率。M5563 以其高转换效率和稳定性,被广泛应用于家电设备中[4-5]。

具体的电源电路如图2所示。交流电整流成变化平缓的直流,从V1节点输入,通过R1为U2芯片供电。U2的GATE引脚控制高功率场效应管的导通截止,使T1的原边产生交变电流。U2的RI引脚从T1的辅助绕组连接电路可以调节OVP 触发电压,检测变压器磁芯去磁状况。R5作为Q1电流的采样电阻,将电流强度转化为电压信号,送入U2 的电流信号检测端SENSE 引脚。R7和R10对+9V 节点进行分压,通过U3组成的光耦反馈电路[6],反馈回U2芯片。U2芯片根据FB引脚和SENSE引脚的反馈信号,控制GATE引脚的PWM 占空比,从而实现闭环控制。合理控制R7和R10的分压比,可得到稳定的9V 电压。变压器T1和光耦U3,有效实现市电和直流电隔离的效果。U4 为AMS1117 三端稳压器,+9V 转换为3.3V 为弱电线路供电,进一步稳定直流电平,提高负载电路稳定度。

图2 电源电路

若直接采用整流桥+电容的方式直接为V1节点供电,市电电压高于电容电压瞬间,输入电流才不为0,其他时刻电流为0,电流波形畸变严重,导致功率因素较低,且给国家电网带来污染。因此采用FAN7930芯片方案,组成PFC(功率因数校正)电路,连接于图2的前一级。具体电路如图3所示。R25和R26对V1节点分压,送入INV引脚,进行电压采集。FAN7930 控制Out引脚的PWM 输出脉宽,Q3随着PWM 信号切换导通和截止状态,使V1 电压稳定在一定范围。R24将流过Q3 的电流转换为电压,送入CS 引脚。FAN7930检测CS 引脚电平换算出Q3 漏极电流,调整PWM 信号实现控制Q3漏极电流的效果。Vcc引脚为芯片供电引脚,ZCD 通过R23连接互感器T2,实现过零检测。RDY 为芯片输入引脚,通过R22 电阻上拉,实现芯片使能。COMP通过C18接地,实现频率补偿。

图3 PFC电路

零线、火线和地线之间接入压敏电阻R27和R28,用于吸收雷击等因素产生的浪涌电压干扰。C19、C20、C22 和C23 采 用Y 电 容,C16 采 用X电容,与L3～L6组成高频滤波器,滤除高频噪声干扰。T3为共模电感,在铁芯两侧绕制匝数相等的电感绕组组成,进一步消除共模干扰。C21为X 电容,消除差模干扰。

2.2 重量检测电路

中药壶运行中需要稳定的支撑壶体,加热盘采用四个支撑点。因此需要四个应变片传感器作为支点,选用支持多传感器的芯片方案,可大大降低成本。芯海科技推出的CS1270 芯片,是一个带有高精度称重算法的专用称重芯片,可配置标定规格,内置1 路全差分模拟信号输入的24 位AD 转换单元,带有SPI(Serial Peripheral Interface)、UART 以及IIC 多种通信接口[7-8]。重量检测电路图如图4所示。U5第16脚为电源脚,采用3.3V 供电,C15作为电源去耦电容。U5第15脚为数字电路接地点,第2脚为模拟电路接地点。采用星型布线方式,从总电源引出地线分别连线至模拟地和数字地,可避免数字电路瞬时电流突变产生地线电位抖动,影响模拟电路的精准度。第9脚为片选脚,直接接地或者连入单片机IO 口,实现片选。MISO、MOSI和SCLK 引脚为SPI通信接口,连接至单片机的SPI单元。S2为应变片组成的电桥。E+和E-端子分别接入U5模拟电源脚VS 和模拟地,为全桥传感器供电。S+和S-端子连入U5的全差分AD 转换通道。当全桥传感器不受外力作用时,4个电阻几乎相等,电桥S+和S-端子差分电压稳定在某个点。当传感器受外力作用产生微弱形变时,两个桥臂分压比一升一降,使差分输出电压发生变化。U5检测差分电压变化量即可换算出受力情况,进而求取重量值。当需要多个称重支点时,多个传感器相应引脚直接并联即可,如图4 中S1 和S2连接方式,CS1270芯片支持4个以上传感器并联测量。

图4 重量检测电路

2.3 加热和测温电路

加热和测温电路如图5所示。以U6为核心组成交流电相位检测电路。采用二极管和R11串联,交流电正半周期时,U6内部发光二极管发亮,光敏三极管导通。Phase Test节点通过R13接地,变为低电平。交流电处于负半周期时,U6截止,Phase Test节点通过R13 和R12 上拉至3.3V。通过该电路,将有效值为220V 的正弦波形,转化为0至3.3V 的方波,送入单片机内部实现相位跟踪。由于采用光电耦合器,实现强弱电隔离,交流电无法干扰弱电线路的运行。

图5 加热和测温电路

以U7光电耦合器和Q2晶闸管为核心,组成加热电路。调功控制信号节点为高电平时,U7内部发光体发光,光敏部分双向导通。R16、光耦、R15、R20 组成回路,流过交变电流。当交流电瞬时电压在非零时刻,Q2的控制极和主电极存在压差,进入导通状态,R20加热管开始发热。当调功控制信号节点为低电平且交流电处于过零点时刻时,Q2截止。调功控制信号节点的方波与交流电保持一定的相位关系,调整占空比,即可控制加热功率。以全功率的75%为例,详细波形图如图6所示。t0-t3时段,调功控制信号高电平,晶闸管导通。t3 时刻,调功控制信号跳变为低电平,且交流电瞬时电压为零,晶闸管截止。直至t4时刻,调功控制信号瞬时电压为高电平,交流电越过过零点时刻后,晶闸管导通。R20加热管电压波形如第四个波形图所示,呈断续的正弦波。单片机通过跟踪Phase Test节点相位,适当控制调功控制信号节点占空比,即可调节加热功率。R18和R19 组成测温电路。R19 阻值随温度变化而变化时,分压比随之变化,Temperature节点连接至单片机的AD 通道中。单片机检测该通道模拟电压值,即可换算出实时温度[9-10]。

图6 各节点电压波形

3 软件设计

整机采用单片机为主控核心,其软件设计流程图如图7。单片机启动时,程序从入口地址开始执行,跳转到main函数入口。main函数中,首先进行各个单元的初始化,包括AD 转换单元、PWM 单元、IO 口和SPI通信单元。线路板上设置一个隐藏式开关,作为出厂前标定程序的入口。单片机初始化后,检测标定开关是否按下,如果按下则调用重量标定函数进行出厂标定。对于普通用户,标定功能不可见,初始化后程序自动跳入死循环执行既定加热任务。先扫描键盘并生成按键标志码,再依次进行市电相位检测、温度检测和重量检测。单片机读取上述所有传感器数据和按键信息后,进入状态机程序。最后进行显示刷新。

图7 监测器软件流程图

状态机负责记录食材和水的重量、控制加热功率和出厂标定。状态机采用非阻塞式编程方式,检测现态和触发条件,适时跳转到既定次态。占用CPU 时间片极短,不影响死循环中其他任务的执行。具体状态切换如表1所示。开机时默认进入0x01态,等待加入食材。用户加入食材和部分水后,按烹煮键进入0x02态同时记录食材重量W1。继续加目标药汁等量的水,按烹煮键进入0x03态,同时记录重量值W2,则目标药汁重量W3=W2-W1。然后先进行微功率加热,使药材受温水浸泡,定时时间到后进入全功率加热,当剩余汤汁小于一定阈值时进入半功率加热。

表1 状态切换表

称重传感器标定过程如图8所示。隐藏式标定开关按下时,状态机进入标定模式。一般理想情况下称重传感器阻值与受力情况成线性关系,进而采集的AD 值与受力关系间亦呈线性关系。但是由于称重传感器个体与标准值存在误差,使得称重传感器阻值与受力情况之间线性的斜率具有不确定性。标定的作用就是记录若干个标准重量对应的AD 值,进而求取AD 值与传感器受力的线性关系。CS1270内部集成了完整的标定程序,标定完成后输出重量测量值,不需要CPU 做数据校正。

图8 称重传感器标定过程

4 整机测试

对设备进行性能测试。加入70 g中药材,总加水量300 g。微功率加热时长约30分钟后进入全功率加热模式。剩余药汁重量设置为70 g,全功率加热至壶内固液混合物约190 g时进入半功率加热模式,采用具有功率计测得:微功率加热模式实际功率约50 W,全功率加热模式实际功率1000 W,半功率加热模式实际功率500 W。重复上述测试5次,剩余药汁重量如表2所示。由于中药材吸水导致剩余药汁重量所有差别,但是误差范围分布在允许范围内。验证试验表明:所设计的自动化中药壶能够稳定工作,能自动化熬制出目标重量的药汁,从而实现自动化熬制。

表2 性能测试后剩余药汁重量

以单片机为核心,设计了一款自动化中药壶。采用称重法,精准监测熬制过程中重量值,使中药壶能够根据用户设置熬制出特定量的汤药。采用CS1270实现低成本重量检测,采用晶闸管和交流相位检测电路实现瞬时功率均匀化。验证试验表明:该设备能够有效实现中药熬制自动化,为中药壶的设计提供了可靠的设计思路,一定程度上助力了中药的推广。不足之处在于未能把PFC 和直流电源电路合并,若能合二为一,能够降低成本、减少体积,后续将加强这方面的研究。