趙茹硯，李陽，高太益（通信作者），南龍

吉林東華原醫(yī)療設(shè)備有限責(zé)任公司 （吉林延吉 133000）

中藥湯劑是中藥傳統(tǒng)劑型，其療效已經(jīng)在中醫(yī)發(fā)展過程中得到了充分驗(yàn)證。但是隨著生活節(jié)奏的加快，人們開始探索更適合現(xiàn)代生活的中藥劑型，中藥配方顆粒應(yīng)運(yùn)而生[1]。中藥配方顆粒因其攜帶方便，且可提高效率等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，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(xué)反應(yīng)過程，使其在某些藥方中無法達(dá)到相互促進(jìn)，相互制約，增強(qiáng)療效，緩和藥性的目的，不能充分發(fā)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(jīng)得到臨床肯定，而中藥飲片顆粒劑的療效認(rèn)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(shí)滯極短，加熱與升溫幾乎是同時(shí)的，傳質(zhì)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(nèi)部，對內(nèi)外進(jìn)行均衡加熱，從而縮短加熱時(shí)間[10]。

隨著微波技術(shù)和真空技術(shù)的發(fā)展，我們將微波真空技術(shù)應(yīng)用到中藥湯劑的干燥制粉上，在低溫環(huán)境下提取出中藥湯劑的有效成分，經(jīng)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(yīng)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(yōu)點(diǎn)，為患者提供了更多的中藥劑型選擇。

由于連續(xù)微波能量過大，水分子吸收微波后高速振動(dòng)，瞬間產(chǎn)生摩擦熱，會(huì)造成中藥湯劑產(chǎn)生焦糊現(xiàn)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(shè)計(jì)采用了STM32系列單片機(jī)作為控制核心實(shí)現(xiàn)中藥湯劑干燥制粉的功能，在干燥過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控并提供智能控制。

1 微波真空制粉機(jī)系統(tǒng)基本機(jī)械結(jié)構(gòu)

微波真空制粉機(jī)系統(tǒng)的基本機(jī)械結(jié)構(gòu)由工作主體與真空系統(tǒng)兩部分組成，如圖1。

圖1 微波真空制粉機(jī)系統(tǒng)基本機(jī)械結(jié)構(gòu)

微波真空制粉機(jī)工作過程：將煎煮好的中藥液放入托盤（共有4個(gè)托盤）中；關(guān)閉箱門，點(diǎn)擊操作屏，啟動(dòng)機(jī)器；真空泵開始抽氣，當(dāng)真空腔體內(nèi)的真空度達(dá)到設(shè)定要求時(shí)，開啟并調(diào)整進(jìn)氣口閥門，使真空腔內(nèi)的真空值保持穩(wěn)定；微波發(fā)生器開始工作，對中藥液內(nèi)的水分進(jìn)行加熱蒸發(fā)，產(chǎn)生的水蒸氣被真空泵抽走，在監(jiān)控屏畫面上可以看到真空腔內(nèi)的實(shí)時(shí)情景；隨著中藥液內(nèi)的水分不斷蒸發(fā)，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，微波發(fā)生器進(jìn)入間歇工作，直到將中藥液內(nèi)的水分蒸干，完成制粉，機(jī)器停止運(yùn)行。

2 微波真空制粉機(jī)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 主控單元

設(shè)備選用STM32F103RCT6作為主控制芯片，系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、成本低廉。該芯片擁有大容量的存儲(chǔ)空間，方便我們存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。外圍搭載8 MHz無源晶振，主時(shí)鐘頻率通過內(nèi)部倍頻到72 MHz，能滿足各個(gè)信號的傳遞和響應(yīng)。系統(tǒng)復(fù)位采用按鍵復(fù)位和電源監(jiān)控芯片同時(shí)作用，可以主動(dòng)通過按鍵進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位，電源監(jiān)控芯片在系統(tǒng)電壓異常時(shí)也會(huì)自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位，避免系統(tǒng)出現(xiàn)異常。主控芯片外圍有豐富的I/O資源，能夠滿足設(shè)備多個(gè)控制信號的發(fā)出以及數(shù)據(jù)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(yīng)。

2.2 硬件結(jié)構(gòu)

微波真空制粉機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)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(jī)硬件結(jié)構(gòu)

在整個(gè)制粉機(jī)系統(tǒng)中由控制單元作為核心，直接調(diào)控微波、真空等系統(tǒng)運(yùn)行、停止，觸摸屏指令以及監(jiān)控的溫度數(shù)據(jù)等也直接傳遞給控制單元，使整個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)速度更快，實(shí)時(shí)性更高。

溫度監(jiān)測儀選用紅外測溫儀，通過測量藥液發(fā)射的紅外輻射強(qiáng)度計(jì)算出物體的表面溫度，不用直接接觸藥液進(jìn)行測溫，放置在工作腔體頂部，處在微波環(huán)境外面，避免微波發(fā)生而對溫度采樣值產(chǎn)生干擾，在整個(gè)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(zhǔn)確。測溫模塊將溫度的電流信息傳送到核心處理模塊，先經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換為電壓信號后送到主控單元，經(jīng)過軟件算法和濾波轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的溫度值。一方面將溫度值傳送到觸摸屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度信息，一方面用此溫度值指定系統(tǒng)的工作運(yùn)行方案，控制微波系統(tǒng)的工作和停止。如果檢測到的溫度值比設(shè)定溫度高15℃以上，核心處理單元會(huì)向觸摸屏模塊發(fā)送高溫報(bào)警，同時(shí)運(yùn)行停止程序，終止設(shè)備運(yùn)行。

由于微波能量很大，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中若不能實(shí)時(shí)監(jiān)控，讓系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，很容易出現(xiàn)藥品焦糊，甚至打火花情況，造成制粉過程失敗，或者造成設(shè)備損壞。因此，增加視頻監(jiān)測模塊，便于實(shí)時(shí)觀測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

真空發(fā)生器和微波發(fā)生系統(tǒng)是設(shè)備的主要工作單元，在生成運(yùn)行方案后控制單元智能調(diào)控系統(tǒng)運(yùn)行，且微波發(fā)生系統(tǒng)配備了高溫切斷開關(guān)，避免微波系統(tǒng)發(fā)生異常而導(dǎo)致危險(xiǎn)。

控制單元復(fù)位采用按鍵復(fù)位和電源監(jiān)控芯片同時(shí)作用，可以主動(dòng)通過按鍵進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位，電源監(jiān)控芯片在系統(tǒng)電壓異常時(shí)也會(huì)自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位，確保核心控制單元不會(huì)在異常條件下工作?？刂茊卧獙Ω鱾€(gè)模塊的控制開關(guān)響應(yīng)速度快，同時(shí)多處設(shè)置保險(xiǎn)措施，防止電流突然增加而對設(shè)備和器件造成損壞。

3 控制系統(tǒng)原理

由于中藥制粉時(shí)間較長，為了提高設(shè)備自動(dòng)化，避免人力浪費(fèi)，除了制粉開始階段需要手動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥外，整個(gè)制粉過程均由控制單元智能調(diào)控各模塊完成，無須其他手動(dòng)操作。

微波真空制粉機(jī)的工作模式由觸摸屏發(fā)起，用戶可以根據(jù)不同的藥品和藥量直觀地對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，經(jīng)過通信模塊處理后用戶設(shè)定的信息傳送到控制單元，控制單元根據(jù)設(shè)定經(jīng)過內(nèi)部算法生成制粉方案，在用戶確認(rèn)開始后，設(shè)備按照生成的制粉方案自動(dòng)工作。

溫度監(jiān)測和視頻監(jiān)控會(huì)優(yōu)先啟動(dòng)，確保整個(gè)制粉過程在監(jiān)控狀態(tài)下安全進(jìn)行；然后真空發(fā)生器和冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)，保證產(chǎn)生微波時(shí)設(shè)備具有一定的真空度，且設(shè)備處在冷卻環(huán)境中；微波發(fā)生系統(tǒng)啟動(dòng)，在工作初期微波發(fā)生系統(tǒng)開啟連續(xù)工作模式，快速地蒸發(fā)大量水分，當(dāng)檢測到的溫度值達(dá)到臨界值時(shí)，微波發(fā)生系統(tǒng)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(fā)的同時(shí)避免藥品出現(xiàn)瞬間能量過高而導(dǎo)致焦糊。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件開發(fā)選擇keil5的開發(fā)壞境，用C語言進(jìn)行程序編寫。

制粉機(jī)控制單元模塊在上電后首先進(jìn)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(fā)出相應(yīng)指令，同時(shí)通過設(shè)置AD采樣的時(shí)間和模式采集紅外測溫儀的溫度值，并在AD中斷中進(jìn)行計(jì)算、濾波，實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏上。當(dāng)接收到串口指令時(shí)，程序進(jìn)行判斷，對接收指令進(jìn)行解析，分別進(jìn)入不同的處理程序。

系統(tǒng)運(yùn)行主要通過主程序輪詢的方式進(jìn)行，對觸摸屏指令進(jìn)行處理，通過溫度變化智能控制真空發(fā)生器、微波發(fā)生系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)的聯(lián)合運(yùn)行，達(dá)到藥液制粉的目的。

制粉機(jī)的下位機(jī)軟件總體流程如圖3。

圖3 微波真空制粉機(jī)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(fā)壞境，用DGUS開發(fā)人機(jī)界面，主要借助PC軟件進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)，將人機(jī)交互和控制過程完全分開，只需要寫點(diǎn)通過串口讀寫變量存儲(chǔ)器的代碼。在開發(fā)過程中無操作系統(tǒng)，可靠、穩(wěn)定；借助PC軟件進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)豐富功能；簡化了CPU代碼量；用我們自定義的圖形數(shù)據(jù)庫，界面美觀。設(shè)備運(yùn)行時(shí)監(jiān)控界面如圖4。

圖4 設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控界面

5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

本次設(shè)計(jì)采用多種藥品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(tǒng)一的4 L藥液對比不同藥品的干燥效率，發(fā)現(xiàn)在藥液量統(tǒng)一的前提下，干燥效率基本一致，進(jìn)入間歇模式的時(shí)間為60～65 min，完成制粉時(shí)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(shí)間。

圖5 單味藥品的制粉效率

在成方制粉實(shí)驗(yàn)中，我們選取桃紅四物湯為例，用不同藥量的成方藥液進(jìn)行制粉實(shí)驗(yàn)，得出干燥效率基本呈現(xiàn)線性變化，制粉效率與藥液量直接相關(guān)，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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(yùn)行時(shí)間基本呈現(xiàn)線性增加（此實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅針對我們所實(shí)驗(yàn)過的藥品，其他藥品因?yàn)楦髯缘奶刭|(zhì)可能會(huì)有所不同）。

6 結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)采用了迪文7寸觸摸屏與STM32系列單片機(jī)聯(lián)合控制的方式，設(shè)計(jì)了適用于中藥領(lǐng)域的微波真空制粉機(jī)，降低成本的同時(shí)保證設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，生成智能控制運(yùn)行方案，既可降低能耗又可避免藥品產(chǎn)生焦糊情況，保證藥品的制粉成功率。實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，藥品制粉效率和制粉效果均可以達(dá)到要求，可以為患者提供更多的劑型選擇。