基于單片機的新型崩解儀系統設計與實現

王 磊，劉 杰，李紅衛，郭寶強

（1.廊坊職業技術學院 電氣工程系，河北 廊坊，065000；2.河北工業大學 信息工程學院，天津 300104；3.中國人民解放軍第161醫院藥械科，湖北 武漢 430010；4.河北工業大學 電氣工程學院，天津 300130）

0 引言

崩解儀是根據《中華人民共和國藥典》（2000版）有關片劑，丸劑等崩解時限檢測的規定而研制的機電一體藥檢儀器.其中崩解時限檢查法[1]是對用來檢測西藥的片劑、膠囊和中藥的片劑、膠囊、丸劑質量的一項常規檢測方法.崩解是指口服固體制劑在檢查時限內全部崩解溶散，并通過篩網（不溶性包衣材料或破碎的膠囊殼除外）.本法系用于檢查固體制劑在規定條件下的崩解情況.

溫度控制系統是崩解儀的關鍵組成部分，是實現藥品崩解時限檢測的重要保證條件[2].本文采用鉑電阻作為溫度檢測元件，鉑電阻是常用的測溫元件之一，具有測溫范圍廣、準確度高、可靠性好等特點[3-4].但將鉑電阻應用于高精度測溫系統中，在硬件電路方面會存在一些問題：電路必須能對調零、偏置等電路以及電路元件因為溫度漂移所產生的誤差進行精確補償[5-6].本文在硬件電路設計方面很好地解決了溫度漂移的問題，并通過建立誤差修正表實現了高精度的測溫系統.

1 系統結構

系統以STC12C5A60S2單片機為核心，通過行列式鍵盤接受用戶設定的參數，如崩解時限、崩解時的恒溫溫度等，并實時顯示在液晶屏幕上.系統的結構如圖1所示.

圖1 系統結構圖Fig.1 System architecture diagram

系統根據用戶設定的溫度（當用戶未進行設定時使用默認值，人體體溫37℃），控制加熱器產生恒溫環境.當用戶通過鍵盤啟動崩解測試時，電機啟動，帶動運動臂在豎直方向上做往返運動，用于模擬人體胃部的蠕動，對制劑進行分解.當測試進行到用戶設定的崩解時限時，光電開關檢測運動臂的位置，當達到設定位置后，停止電機，蜂鳴器報警，指示崩解過程完成.對制劑的溶解度進行測定.

2 溫度測量和控制

2.1 基于PT100鉑電阻的硬件電路

硬件電路設計如圖2所示.

圖2 電路設計圖Fig.2 Circuitdesign diagram

采用PT100三線制接法，電橋電路，并使用儀器放大器AD620，放大倍數可以很大且可調，記為G、共模抑制比高.結果使用10位AD轉換.電橋采用恒壓源供電，記為ref，AD620的輸出疊加一個2.5V電壓信號，以供后續AD使用，記為VRef2.5v，此外輸出結果使用肖特基二極管1N5817，將輸出結果鉗制在 0.3V以上，以避免損壞單片機.

進一步轉化為

通過式 ( 3)及 P T100的分度表，可以得到ADcal和溫度之間的關系，如圖3所示.

圖3 cal與溫度關系Fig.3 Relationship between cal and temperature

由圖3可知在0℃～60℃范圍內，cal值和溫度基本呈線性關系，因此單片機在計算出cal值，再通過查表的方法查出對應的溫度整數值，小數部分按照線性方法計算得出.該方法占用很少的單片機資源，可以快速得到高精度的溫度測量值，可以有效避免電源電壓變化對溫度測量的影響.

2.2 測量偏差修正

上述方法中標準PT100的分度表作為基礎，測量存在系統誤差，因此系統采用EEPROM記錄偏差值，以便修正溫度測量結果，該偏差值可通過用戶的按鍵操作進行輸入.如圖4所示.

溫度測量系統測量出某溫度后，通過高精度溫度測量設備得出測量誤差，將結果輸入單片機系統，記錄在EEPROM中，此后系統認為該溫度測量誤差線性分布在測量溫度上，再次進行溫度測量時，線性疊加上誤差值，在小溫度范圍內可有效提高溫度的測量精度.如崩解儀通常使用37℃水溫.

圖4 EEPROM電路Fig.4 EEPROM circuit

2.3 溫度控制

溫度控制采用負反饋PWM控制方式[6].將測量溫度與目標溫度之差作為負反饋返回到輸入端，構成閉環回路，溫度差越大，返回到輸入端的值越大，反之越小，使得測量溫度與目標溫度的誤差快速減小，系統趨于穩定.結合PWM控制對脈沖的寬度進行調制，通過調整PWM的占空比而控制加熱器輸入電流，從而改變加熱功率.當溫度遠小于預控溫度時，加熱器全速工作，當溫度到達某一臨界溫度時采用50%的占空比加熱，降低加熱速度，當溫度進一步接近預控溫度時，使用10%的占空比加熱.臨界值與占空比的設定可通過多次試驗獲得.與單純通斷加熱器的傳統方式相比，采用負反饋PWM控制方式可明顯縮短到達目標溫度所用的時間，保證了系統有良好的動態響應能力和穩定性.

3 運動臂位置檢測

運動臂位置的檢測是保證運動臂停止在確切位置的關鍵.常用的運動臂位置檢測方法有：使用接近開關或光電開關等方法[7].由于崩解儀在測試過程中，運動臂會在豎直方向上做往返運動，使用接近開關會快速損耗其工作壽命，因此系統采用光電開關對運動臂進行檢測.

如圖5所示，運動臂未經過光電開關時，電路輸出低電平信號，當運動臂正好經過光電開關時輸出高電平，使用單片機的外部中斷可有效記錄運動臂的經過.因此將光電開關放置在希望運動臂停留的位置附近上，當檢測到運動臂后立即停止運動臂的電機，利用電機的慣性，運動臂將停留在預定位置上.

4 實驗結果

崩解儀在完成后，設定崩解恒溫環境溫度為37℃，對水溫進行標定，并將誤差值存入EEPROM中.

標定完成后，對水溫的控制效果進行了多次實驗.實驗結果如表1所示.

表1中，目標溫度是用戶設定的溫度.實際水溫由熱電偶測溫儀和崩解儀同時測定，崩解儀的測量結果在液晶屏幕上實時顯示.由表1可知，崩解儀測量的溫度最大誤差0.2℃，最大偏差0.50%，造成該誤差主要有兩個因素，一是崩解儀的水槽暴露于空氣中，時刻與外界進行能量交換，二是崩解儀水槽水溫不均勻，PT100測量點的溫度與熱電偶測溫儀的測量點溫度存在差異.而崩解儀的目標溫度和水溫實際控制結果（體溫計的測量值），在常用目標溫度下，最大誤差為0.2℃，最大偏差0.67%，優于市面上誤差0.5℃，偏差1.67%的控溫效果.

實驗中將光電開關置于運動臂豎直方向運動的最高點處，崩解時限完成后運動臂停止于最高位置，便于取出制劑崩解后的溶劑.實現了設計構想.

圖5 運動臂檢測電路Fig.5 Moving-arm detective circuit

表1 恒溫控制效果/℃Tab.1 Constant temperature control results

5 結論

本文根據崩解時限檢查法，在原有崩解儀的基礎上，設計了一個基于PT100鉑電阻與51單片機相結合的高精度溫度測量控制系統.通過分析和設計硬件電路，采用本文的算法可以通過占用較少的單片機資源，快速得到高精度測量值，同時有效地避免了電源電壓變化對溫度測量的影響，并經過標定建立誤差補償表，通過EEPROM實現對測量溫度的實時補償，從而實現高精度測量.其中采用光電開關作為運動臂位置檢測裝置，使用類PWM方式控制加熱器.通過多次實驗證明，在常用目標溫度下，測量溫度與標準溫度的最大偏差為±0.2℃，優于市面上±0.5℃的控溫效果.

[1]CHEN Lin，ZHU Zhao-jing.Study on the disintegration test method fororaldisintegrated tablets[J].Chinese Journal of Hospital Pharmacy，2008，28（7）：540-543.

[2]高玉成，田大琴.ZB-1型智能崩解儀的設計 [J].藥物分析雜志，1994（2）：61-62.

[3]劉華.鉑熱電阻在線檢測方法的研究 [D].西安：西安理工大學，2005.

[4]李龍.鉑電阻智能測溫電路設計及非線性校正方法 [J].大眾科技，2011（10）：278-282.

[5]易先軍，文小玲，劉翠梅.基于鉑電阻的溫度高精度測量研究 [J].傳感器與微系統，2009，28（1）：49-51.

[6]馬英卓.基于單片機的實用型溫度控制儀設計 [J].傳感器世界，2012（7）：14-17.

[7]陳鎖發.淺議接近開關的分類及應用 [J].裝備制造技術，2012（11）：54-56.