中藥自動抓配系統的設計

摘 要：隨著中醫藥的發展，中藥文化在傳統醫學體系中扮演著重要的角色，為了解決醫藥醫生抓配中藥困難的問題，設計了一款基于STM32的中藥抓配系統。設備上位機接收醫生開出的藥單，通過串口通信下發指令給抓配設備的主控，抓藥設備根據接收的指令，控制藥柜前的橫向與縱向步進電機、稱重傳感器等設備，實現對中藥材的自動抓配。醫生通過上位機對中藥抓配過程進行遠程監控。該系統通過數字化、智能化的手段，提高了中藥抓配的精準性和效率，也促進了中醫藥的傳統文化與現代科技的融合。

關鍵詞：自動出藥；動態稱量；自動抓藥系統；STM32；中藥

中圖分類號：TP23；R282.4 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）14-0172-05

Design of Chinese Medicine Automatic Grasping and Dispensing System

ZHANG Cunyi， LI Lianhua， TANG Kaikang， LYU Longchu， ZENG Ruitao

（School of Electronic Engineering and Automation， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China）

Abstract： With the development of Traditional Chinese Medicine， the culture of TCM plays an important role in the traditional medical system. In order to solve the problem of medical doctors' difficulty in graspimOZxlOGj5hFXJTiBqhktzQ==ng and dispensing TCM， this paper designs a TCM grasping and dispensing system based on STM32. The upper computer of the equipment receives the medicine list prescribed by the doctor and sends an instruction to the main control of grasping and dispensing medicine equipment through serial communication. According to the received instruction， the grasping medicine equipment controls the transverse and longitudinal stepping motor， weighing sensors and other equipments in front of the medicine cabinet to realize automatic grasping and dispensing of TCM. Doctors remotely monitor the progress of grasping and dispensing TCM through the upper computer. The system improves the accuracy and efficiency of grasping and dispensing TCM by means of digitalization and intelligence， and also promotes the integration of traditional culture and modern science and technology of TCM.

Keywords： automatic drug delivery; dynamic weighing; automatic grasping system; STM32; Traditional Chinese Medicine

0 引 言

現有的中藥抓配處理工作主要依靠人力完成，中藥抓配的許多關鍵步驟，如取材、稱量、混合等仍然需要操作員進行手工操作，這不僅效率低下，而且容易出錯[1-4]。操作員根據傳統的經驗和配方要求，手工選取和配比各類草藥，需要成熟的經驗和技能。然而，由于整個抓配過程缺乏現代化的設備和數字化的信息管理系統，其自動化程度較低，導致了生產效率和質量管理方面存在潛在的瓶頸。為了確保抓配的準確性和一致性，對操作員的培訓要求較高，且需要較長的實踐經驗。為了解決這一問題，本文設計了一種中藥自動抓配系統[5-7]。該系統旨在提高中藥抓配的精度和效率，通過現代化的設備和數字化信息管理系統，實現自動化和智能化的抓配處理。這將大大減少人工操作的誤差，提高生產效率，并確保中藥產品的質量和穩定性。該系統的應用將為中藥產業的發展提供有力支持，推動其向現代化和智能化方向發展[8-10]。

1 系統設計方案

1.1 硬件組成部分

工作人員通過上位機管理客戶端了解抓配機剩余藥量與位置等相關參數，就醫者通過客戶端獲取自己的電子藥單以及用藥相關注意事項，如圖1所示，下位機主控STM32F407ZGT6利用稱重傳感器與舵機機械系統相結合完成中醫藥材的自動抓配。

1.2 機械裝置部分

首先制作中藥自動抓配系統，對根塊狀藥品擬定根段大小量化處理后，在儲藥抽屜底部安裝抽屜推桿將量化后的藥品推出，再者利用步進電機結合輸送帶制定快速到達指定藥抽屜裝置：X方向地面軌道輪子結合橫向步進電機移動，Y方向絲桿升降，Z方向螺旋推拉及料斗裝置。利用精確壓力傳感器反饋，實現定量取藥。同時通過PID算法以及機械結構與電機的及時關停相配合盡量減小誤差，本設計的模型圖如圖2所示。

（a）模型圖

（b）實物圖

2 下位機硬件電路

本項目的硬件電路設計包括：稱重模塊設計，電機控制模塊，單片機主控制模塊，電源模塊設計。

2.1 主控電路

在當前的嵌入式系統設計中，STM32F407系列單片機被廣泛采用，它具備高性能、低功耗、豐富的外設以及靈活的應用特性。由于中藥材種類繁多，因此系統需要具備高精度的稱重傳感器來確保抓取的準確性。STM32F407系列單片機的主控模塊可以滿足這一要求，其高性能、低功耗和豐富的外設接口為系統提供了強大的支持。STM32F407系列單片機的主頻率高達144 MHz，能夠快速地處理各種任務，其程序存儲器容量為1 024 KB，為應用程序提供了充足的空間。其工作溫度范圍為-40～85 ℃，能夠在極端溫度條件下正常工作，具有出色的環境適應性。STM32F407系列單片機提供了多種外設接口，包括多個通用定時器、通信接口（如USART、SPI、I2C）、以太網控制器、USB接口等。通過I2C或SPI接口與稱重傳感器進行數據傳輸，利用串口與上位機進行通信，實現實時監控和記錄系統數據。該單片機的并行總線結構使得數據傳輸速率大大提高，嵌套中斷向量控制單元則能夠快速響應中斷請求，這對于實時性要求較高的應用尤為重要。通過向電機控制模塊發送控制信號，并結合實時反饋計算，STM32F407系列單片機可以對電機模塊進行精確控制，確保該系統的穩定運行。

2.2 稱重模塊

稱重模塊采用HX711設計，HX711模塊采用差分式ADC，通過測量兩個輸入端之間的電壓差來獲得輸入信號。它具有高精度和低噪聲的特點，適用于微小信號的測量，該模塊測量范圍一般為0～50 g，測量精度為0.001 g，HX711模塊和壓力傳感器可以有效地組成一個電子秤系統，用于測量和獲取重量數據。

2.3 電機類型與驅動模塊設計

步進電機是一種非常精確的電機類型，它可以被精確地分解成離散的步進角度。這使得步進電機在需要高度精確位置控制的應用中非常受歡迎，如控制移動裝置在不同柜子之間的移動。步進電機結構相對簡單，壽命較長，且不需要電刷，因此磨損較小。對于中藥抓配這種需要極高精度控制的場合，一款高精度的步進電機控制模塊是必不可少的。為了實現這一目標，設計了一款基于FOC（磁場定向控制）的步進電機控制模塊。通過FOC控制技術，可以對電機的位置和速度進行高精度的控制，從而實現中藥抓配過程中的精準定位和穩定運行，該控制模塊的電機主控芯片與驅動如圖3所示，主要包括主控芯片和步進電機驅動部分。主控芯片負責接收控制信號并處理相關數據，根據控制算法輸出相應的控制信號給步進電機驅動部分。步進電機驅動部分則負責將主控芯片輸出的控制信號轉換為實際的控制電壓或電流，驅動步進電機按照指令進行轉動。通過這樣的設計，能夠實現對步進電機的高精度位置和速度控制，確保中藥抓配過程中的穩定性和準確性。

3 機械結構設計

3.1 根塊狀藥品的抽屜結構

根塊狀的藥品采用具有傾斜角度的拉伸抽屜結構設計，如圖4所示，這種結構的目的是在稱量裝置到達藥柜背后時，通過電磁鐵的作用，與每個抽屜相對應。這些電磁鐵通過控制系統進行精確的電磁吸引，從而操縱抽屜的打開和關閉。在每個抽屜的小孔位置設置了一個小斜坡，用于在非釋放狀態下阻擋藥品的下落。當稱量裝置到達背后時，通過控制電磁鐵上電，擋板被迅速吸引，拉扯藥品，從而使得藥品可以逆著傾斜角度順利地落入下方的容器中，實現藥品的精準、有序釋放。

（a）模型圖 （b）實物圖

3.2 粉末狀藥品的機械結構設計

在藥柜中，針對每個相應位置都設計了一種高效的螺旋推桿結構，如圖5所示。在這一結構中，嵌入了一個精巧的推桿，其設計旨在使其沿著螺旋導軌輕松移動。這樣的設計在整個系統中起到了關鍵的作用，為粉末藥品的有序推送提供了可靠的機制。

為了實現螺旋推桿的運動，系統集成了一個電機或其他適當的驅動裝置。該電機與推桿相連接，通過控制推桿的旋轉，實現對粉末藥品的逐步推送。這個精密的推送機制確保了對每個藥品位置的準確定位和控制，從而實現了高精度和可靠性。

4 軟件設計

4.1 上位機的軟件開發及測試

使用LabVIEW VI作為上位機界面，通過串口通信與主控模塊交互，實現了取藥信息的傳輸和中藥數據的實時可視化。該設計簡潔而直觀，包含了按鈕、文本框和圖表等控件，為用戶提供了方便的操作和清晰的信息展示。

串口通信模塊被配置以確保與主控模塊之間的通信順暢。用戶可以通過按鈕觸發取藥信息的發送操作，而文本框則負責顯示實時的中藥余量信息。利用LabVIEW的圖表控件，系統實現了中藥余量變化趨勢的實時展示，使用戶能夠直觀地監測中藥狀態。數據綁定功能被用于將從單片機采集到的中藥余量數據與用戶界面上的顯示元素關聯，從而實現信息的實時更新，上位機開藥界面如圖6所示。

4.2 串口通信數據包設計

上位機通過串口通信與嵌入式主控進行數據交互，將藥單數據整理為數據包并下發給嵌入式主控。嵌入式主控接收到數據包后，對其進行解析，提取出所需的數據。同時，嵌入式主控還會實時反饋取藥信息，將數據打包并通過串口通信上傳給上位機。圖7為數據打包格式，其中包含了必要的信息字段，用于確保數據的完整性和準確性。通過這樣的數據交互方式，上位機能夠實時監測和控制中藥自動抓配系統的運行狀態。同時，嵌入式主控的解析和反饋機制確保了數據的準確性和可靠性，提高了整個系統的自動化和智能化水平。這種設計使得該系統能夠高效、準確地完成中藥抓配任務，滿足中藥生產過程中的高精度要求。

4.3 下位機主控程序設計

主控程序的設計遵循模塊化編程原則，通過逐步完成各個功能模塊，確保系統的穩健性和可維護性。首先，程序進行功能模塊的初始化，確保每個模塊在正常運行前處于合適的狀態。隨后，主控與上位機建立通信連接，通過一系列協議確保雙方能夠有效地交換信息。主控首先向上位機發送當前抓藥系統的狀態信息，以確保上位機了解系統的初始狀態。程序在等待上位機的指令時進入監聽狀態。一旦接收到上位機的指令，主控系統便開始執行抓藥操作。在此過程中，主控系統實時監測當前藥量，并將相關數據實時回傳到上位機。這種實時的數據傳遞機制確保上位機能夠及時了解抓藥過程中的各項狀態，使系統在操作中保持高度的可控性和可調性。抓藥操作一旦完成，主控系統將抓藥系統切換至待機狀態，等待下一次指令的到來。整個流程的模塊化設計使得主控程序易于理解、維護和擴展，同時確保了系統在各個階段的高效協作和運行穩定性，系統主程序設計流程如圖8所示。

5 系統測試

5.1 稱重系統測試

將HX711稱重模塊與單片機GPIO口相連，該模塊由一個二進制模數轉換器（ADC）和一個放大器組成。ADC可以將模擬信號轉換為數字信號，而放大器可以擴大信號的幅度，以便更精確地測量，稱重測試可精確到1 g。稱重測試如圖9所示，稱重結果分析如表1所示，測試表明，誤差可控制在5%以內，該稱重系統具有較高的穩定性與精度，符合對本設計的預期期望效果。

5.2 系統取藥測試

抽屜出藥測試分析結果如表2所示，多次取藥測試結果表明，在電磁鐵12 V時有最大吸力的前提下，6 V以上的電壓可實現較為穩定的拉伸，而失敗原因大多是出藥口形狀設計的缺陷，難以完美適配各類形狀的藥品。

6 結 論

在硬件、機械結構和軟件三個方面的協同設計下，該中藥自動抓配系統展現了出色的功能和創新性。

在硬件方面，該系統引入了高精度的重量傳感器，實現對中藥質量微小變化的實時監測，這不僅確保了抓藥的準確性，還使得系統能夠及時應對各種情況，滿足了高精度抓藥的需求；在機械結構方面，該系統巧妙設計了執行機構。這種執行機構能夠確保抓藥動作的迅速和準確，同時最大限度地減少對草藥的損傷，通過精確的機械設計和優化，該系統實現了對草藥的高效、精準抓取，同時保護了草藥的藥效和完整性；在軟件方面，該系統構建了一個穩定高效的平臺，通過先進的算法和數據處理技術，能夠實時監測和調整抓藥過程，進一步提高抓藥的速度和精度。此外，系統還提供了一個直觀友好的上位機用戶界面，工作人員可以通過實時監測和數據處理，輕松調整中藥的配比，從而保障中藥制備的質量。

最后，本系統還存在一些不足之處，例如取藥效率較低，取藥成功率不夠高，系統測試藥品種類較少，此外，后續的研究還要關注數據傳輸的安全性以及用戶的隱私保護等相關問題。

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作者簡介：張存毅（2003—），男，漢族，山東曲阜人，本科在讀，研究方向：自動化。

收稿日期：2024-01-12

基金項目：廣西壯族自治區大學生創新創業訓練計劃項目國家級項目（202310595082）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.14.035