中藥湯劑微波真空制粉機系統的設計

趙茹硯，李陽，高太益（通信作者），南龍

吉林東華原醫療設備有限責任公司 （吉林延吉 133000）

中藥湯劑是中藥傳統劑型，其療效已經在中醫發展過程中得到了充分驗證。但是隨著生活節奏的加快，人們開始探索更適合現代生活的中藥劑型，中藥配方顆粒應運而生[1]。中藥配方顆粒因其攜帶方便，且可提高效率等多項優點，目前已得到廣泛使用。但是，研究表明，中藥配方顆粒由于缺少混合煎煮的物理及化學反應過程，使其在某些藥方中無法達到相互促進，相互制約，增強療效，緩和藥性的目的，不能充分發揮中藥方劑中各藥物的配伍作用[2-4]。中藥湯劑的療效已經得到臨床肯定，而中藥飲片顆粒劑的療效認定尚難得出一致意見。

微波既可干燥又可滅菌，能夠較好地保留藥品原有的色香味等熱敏性有效成分，活性成分的損失明顯減少[5-8]。微波加熱時滯極短，加熱與升溫幾乎是同時的，傳質與傳熱是同向的，極大地提高了干燥速率[9]。微波可以直接穿透藥品內部，對內外進行均衡加熱，從而縮短加熱時間[10]。

隨著微波技術和真空技術的發展，我們將微波真空技術應用到中藥湯劑的干燥制粉上，在低溫環境下提取出中藥湯劑的有效成分，經過溫水溶解可以完美還原中藥湯劑，既可以完整保存中藥湯劑的所有成分，又解決了中藥配方顆粒缺少合煎反應及療效低問題，并且保留了中藥配方顆粒易于攜帶及方便服用的優點，為患者提供了更多的中藥劑型選擇。

由于連續微波能量過大，水分子吸收微波后高速振動，瞬間產生摩擦熱，會造成中藥湯劑產生焦糊現象，因此在干燥過程中通常采用微波間歇工作模式[11-13]。本次設計采用了STM32系列單片機作為控制核心實現中藥湯劑干燥制粉的功能，在干燥過程中實時監控并提供智能控制。

1 微波真空制粉機系統基本機械結構

微波真空制粉機系統的基本機械結構由工作主體與真空系統兩部分組成，如圖1。

圖1 微波真空制粉機系統基本機械結構

微波真空制粉機工作過程：將煎煮好的中藥液放入托盤（共有4個托盤）中；關閉箱門，點擊操作屏，啟動機器；真空泵開始抽氣，當真空腔體內的真空度達到設定要求時，開啟并調整進氣口閥門，使真空腔內的真空值保持穩定；微波發生器開始工作，對中藥液內的水分進行加熱蒸發，產生的水蒸氣被真空泵抽走，在監控屏畫面上可以看到真空腔內的實時情景；隨著中藥液內的水分不斷蒸發，當溫度達到設定值時，微波發生器進入間歇工作，直到將中藥液內的水分蒸干，完成制粉，機器停止運行。

2 微波真空制粉機系統硬件結構

2.1 主控單元

設備選用STM32F103RCT6作為主控制芯片，系統設計靈活、成本低廉。該芯片擁有大容量的存儲空間，方便我們存儲數據。外圍搭載8 MHz無源晶振，主時鐘頻率通過內部倍頻到72 MHz，能滿足各個信號的傳遞和響應。系統復位采用按鍵復位和電源監控芯片同時作用，可以主動通過按鍵進行系統復位，電源監控芯片在系統電壓異常時也會自動進行系統復位，避免系統出現異常。主控芯片外圍有豐富的I/O資源，能夠滿足設備多個控制信號的發出以及數據采集的需求，外部I/O頻率均配置成72 MHz，可以更快地做出信號響應。

2.2 硬件結構

微波真空制粉機系統的硬件結構如圖2，由控制單元智能控制各模塊工作。

圖2 微波真空制粉機硬件結構

在整個制粉機系統中由控制單元作為核心，直接調控微波、真空等系統運行、停止，觸摸屏指令以及監控的溫度數據等也直接傳遞給控制單元，使整個系統響應速度更快，實時性更高。

溫度監測儀選用紅外測溫儀，通過測量藥液發射的紅外輻射強度計算出物體的表面溫度，不用直接接觸藥液進行測溫，放置在工作腔體頂部，處在微波環境外面，避免微波發生而對溫度采樣值產生干擾，在整個溫度傳輸線上做了電磁屏蔽，保證溫度傳輸過程不受干擾，溫度準確。測溫模塊將溫度的電流信息傳送到核心處理模塊，先經過處理轉換為電壓信號后送到主控單元，經過軟件算法和濾波轉換成穩定的溫度值。一方面將溫度值傳送到觸摸屏實時顯示當前溫度信息，一方面用此溫度值指定系統的工作運行方案，控制微波系統的工作和停止。如果檢測到的溫度值比設定溫度高15℃以上，核心處理單元會向觸摸屏模塊發送高溫報警，同時運行停止程序，終止設備運行。

由于微波能量很大，在系統運行過程中若不能實時監控，讓系統穩定運行，很容易出現藥品焦糊，甚至打火花情況，造成制粉過程失敗，或者造成設備損壞。因此，增加視頻監測模塊，便于實時觀測系統運行狀態。

真空發生器和微波發生系統是設備的主要工作單元，在生成運行方案后控制單元智能調控系統運行，且微波發生系統配備了高溫切斷開關，避免微波系統發生異常而導致危險。

控制單元復位采用按鍵復位和電源監控芯片同時作用，可以主動通過按鍵進行系統復位，電源監控芯片在系統電壓異常時也會自動進行系統復位，確保核心控制單元不會在異常條件下工作。控制單元對各個模塊的控制開關響應速度快，同時多處設置保險措施，防止電流突然增加而對設備和器件造成損壞。

3 控制系統原理

由于中藥制粉時間較長，為了提高設備自動化，避免人力浪費，除了制粉開始階段需要手動調節進氣閥外，整個制粉過程均由控制單元智能調控各模塊完成，無須其他手動操作。

微波真空制粉機的工作模式由觸摸屏發起，用戶可以根據不同的藥品和藥量直觀地對各項參數進行設置，經過通信模塊處理后用戶設定的信息傳送到控制單元，控制單元根據設定經過內部算法生成制粉方案，在用戶確認開始后，設備按照生成的制粉方案自動工作。

溫度監測和視頻監控會優先啟動，確保整個制粉過程在監控狀態下安全進行；然后真空發生器和冷卻系統啟動，保證產生微波時設備具有一定的真空度，且設備處在冷卻環境中；微波發生系統啟動，在工作初期微波發生系統開啟連續工作模式，快速地蒸發大量水分，當檢測到的溫度值達到臨界值時，微波發生系統切換為間歇工作模式，將微波能量降低，將藥品剩余水分蒸發的同時避免藥品出現瞬間能量過高而導致焦糊。

4 系統軟件設計

下位機軟件開發選擇keil5的開發壞境，用C語言進行程序編寫。

制粉機控制單元模塊在上電后首先進行各模塊的初始化，初始化完成后等待觸摸屏按鍵通過串口向控制模塊發出相應指令，同時通過設置AD采樣的時間和模式采集紅外測溫儀的溫度值，并在AD中斷中進行計算、濾波，實時顯示在觸摸屏上。當接收到串口指令時，程序進行判斷，對接收指令進行解析，分別進入不同的處理程序。

系統運行主要通過主程序輪詢的方式進行，對觸摸屏指令進行處理，通過溫度變化智能控制真空發生器、微波發生系統、冷卻系統的聯合運行，達到藥液制粉的目的。

制粉機的下位機軟件總體流程如圖3。

圖3 微波真空制粉機軟件整體流程

觸摸屏選擇迪文的串口屏，具有相對完善的開發壞境，用DGUS開發人機界面，主要借助PC軟件進行組態設計，將人機交互和控制過程完全分開，只需要寫點通過串口讀寫變量存儲器的代碼。在開發過程中無操作系統，可靠、穩定；借助PC軟件進行組態設計，可以實現豐富功能；簡化了CPU代碼量；用我們自定義的圖形數據庫，界面美觀。設備運行時監控界面如圖4。

圖4 設備運行監控界面

5 實驗與結果

本次設計采用多種藥品進行實驗，其中包括地黃、黃芩、川芎、甘草的單味藥品以及小青龍湯、桃紅四物湯的成方藥品。

在地黃、黃芩、川芎、甘草的單味藥品制粉過程中，我們選取統一的4 L藥液對比不同藥品的干燥效率，發現在藥液量統一的前提下，干燥效率基本一致，進入間歇模式的時間為60～65 min，完成制粉時間為120～125 min，干燥效率如圖5，其中包含地黃2次、黃芩3次、川芎3次、甘草2次的制粉時間。

圖5 單味藥品的制粉效率

在成方制粉實驗中，我們選取桃紅四物湯為例，用不同藥量的成方藥液進行制粉實驗，得出干燥效率基本呈現線性變化，制粉效率與藥液量直接相關，桃紅四物湯制粉效率如圖6。

圖6 桃紅四物湯制粉效率

將所有實驗數據排列，可以基本擬合出一條線性曲線，T=25.651V+19.665，隨著需要制粉的藥液量增加，所需要的運行時間基本呈現線性增加（此實驗結果僅針對我們所實驗過的藥品，其他藥品因為各自的特質可能會有所不同）。

6 結束語

本次設計采用了迪文7寸觸摸屏與STM32系列單片機聯合控制的方式，設計了適用于中藥領域的微波真空制粉機，降低成本的同時保證設備運行的穩定性，生成智能控制運行方案，既可降低能耗又可避免藥品產生焦糊情況，保證藥品的制粉成功率。實驗證明，系統設計合理，藥品制粉效率和制粉效果均可以達到要求，可以為患者提供更多的劑型選擇。