基于单片机的新型崩解仪系统设计与实现

王 磊，刘 杰，李红卫，郭宝强

（1.廊坊职业技术学院 电气工程系，河北 廊坊，065000；2.河北工业大学 信息工程学院，天津 300104；3.中国人民解放军第161医院药械科，湖北 武汉 430010；4.河北工业大学 电气工程学院，天津 300130）

0 引言

崩解仪是根据《中华人民共和国药典》（2000版）有关片剂，丸剂等崩解时限检测的规定而研制的机电一体药检仪器.其中崩解时限检查法[1]是对用来检测西药的片剂、胶囊和中药的片剂、胶囊、丸剂质量的一项常规检测方法.崩解是指口服固体制剂在检查时限内全部崩解溶散，并通过筛网（不溶性包衣材料或破碎的胶囊壳除外）.本法系用于检查固体制剂在规定条件下的崩解情况.

温度控制系统是崩解仪的关键组成部分，是实现药品崩解时限检测的重要保证条件[2].本文采用铂电阻作为温度检测元件，铂电阻是常用的测温元件之一，具有测温范围广、准确度高、可靠性好等特点[3-4].但将铂电阻应用于高精度测温系统中，在硬件电路方面会存在一些问题：电路必须能对调零、偏置等电路以及电路元件因为温度漂移所产生的误差进行精确补偿[5-6].本文在硬件电路设计方面很好地解决了温度漂移的问题，并通过建立误差修正表实现了高精度的测温系统.

1 系统结构

系统以STC12C5A60S2单片机为核心，通过行列式键盘接受用户设定的参数，如崩解时限、崩解时的恒温温度等，并实时显示在液晶屏幕上.系统的结构如图1所示.

图1 系统结构图Fig.1 System architecture diagram

系统根据用户设定的温度（当用户未进行设定时使用默认值，人体体温37℃），控制加热器产生恒温环境.当用户通过键盘启动崩解测试时，电机启动，带动运动臂在竖直方向上做往返运动，用于模拟人体胃部的蠕动，对制剂进行分解.当测试进行到用户设定的崩解时限时，光电开关检测运动臂的位置，当达到设定位置后，停止电机，蜂鸣器报警，指示崩解过程完成.对制剂的溶解度进行测定.

2 温度测量和控制

2.1 基于PT100铂电阻的硬件电路

硬件电路设计如图2所示.

图2 电路设计图Fig.2 Circuitdesign diagram

采用PT100三线制接法，电桥电路，并使用仪器放大器AD620，放大倍数可以很大且可调，记为G、共模抑制比高.结果使用10位AD转换.电桥采用恒压源供电，记为ref，AD620的输出叠加一个2.5V电压信号，以供后续AD使用，记为VRef2.5v，此外输出结果使用肖特基二极管1N5817，将输出结果钳制在 0.3V以上，以避免损坏单片机.

进一步转化为

通过式 ( 3)及 P T100的分度表，可以得到ADcal和温度之间的关系，如图3所示.

图3 cal与温度关系Fig.3 Relationship between cal and temperature

由图3可知在0℃～60℃范围内，cal值和温度基本呈线性关系，因此单片机在计算出cal值，再通过查表的方法查出对应的温度整数值，小数部分按照线性方法计算得出.该方法占用很少的单片机资源，可以快速得到高精度的温度测量值，可以有效避免电源电压变化对温度测量的影响.

2.2 测量偏差修正

上述方法中标准PT100的分度表作为基础，测量存在系统误差，因此系统采用EEPROM记录偏差值，以便修正温度测量结果，该偏差值可通过用户的按键操作进行输入.如图4所示.

温度测量系统测量出某温度后，通过高精度温度测量设备得出测量误差，将结果输入单片机系统，记录在EEPROM中，此后系统认为该温度测量误差线性分布在测量温度上，再次进行温度测量时，线性叠加上误差值，在小温度范围内可有效提高温度的测量精度.如崩解仪通常使用37℃水温.

图4 EEPROM电路Fig.4 EEPROM circuit

2.3 温度控制

温度控制采用负反馈PWM控制方式[6].将测量温度与目标温度之差作为负反馈返回到输入端，构成闭环回路，温度差越大，返回到输入端的值越大，反之越小，使得测量温度与目标温度的误差快速减小，系统趋于稳定.结合PWM控制对脉冲的宽度进行调制，通过调整PWM的占空比而控制加热器输入电流，从而改变加热功率.当温度远小于预控温度时，加热器全速工作，当温度到达某一临界温度时采用50%的占空比加热，降低加热速度，当温度进一步接近预控温度时，使用10%的占空比加热.临界值与占空比的设定可通过多次试验获得.与单纯通断加热器的传统方式相比，采用负反馈PWM控制方式可明显缩短到达目标温度所用的时间，保证了系统有良好的动态响应能力和稳定性.

3 运动臂位置检测

运动臂位置的检测是保证运动臂停止在确切位置的关键.常用的运动臂位置检测方法有：使用接近开关或光电开关等方法[7].由于崩解仪在测试过程中，运动臂会在竖直方向上做往返运动，使用接近开关会快速损耗其工作寿命，因此系统采用光电开关对运动臂进行检测.

如图5所示，运动臂未经过光电开关时，电路输出低电平信号，当运动臂正好经过光电开关时输出高电平，使用单片机的外部中断可有效记录运动臂的经过.因此将光电开关放置在希望运动臂停留的位置附近上，当检测到运动臂后立即停止运动臂的电机，利用电机的惯性，运动臂将停留在预定位置上.

4 实验结果

崩解仪在完成后，设定崩解恒温环境温度为37℃，对水温进行标定，并将误差值存入EEPROM中.

标定完成后，对水温的控制效果进行了多次实验.实验结果如表1所示.

表1中，目标温度是用户设定的温度.实际水温由热电偶测温仪和崩解仪同时测定，崩解仪的测量结果在液晶屏幕上实时显示.由表1可知，崩解仪测量的温度最大误差0.2℃，最大偏差0.50%，造成该误差主要有两个因素，一是崩解仪的水槽暴露于空气中，时刻与外界进行能量交换，二是崩解仪水槽水温不均匀，PT100测量点的温度与热电偶测温仪的测量点温度存在差异.而崩解仪的目标温度和水温实际控制结果（体温计的测量值），在常用目标温度下，最大误差为0.2℃，最大偏差0.67%，优于市面上误差0.5℃，偏差1.67%的控温效果.

实验中将光电开关置于运动臂竖直方向运动的最高点处，崩解时限完成后运动臂停止于最高位置，便于取出制剂崩解后的溶剂.实现了设计构想.

图5 运动臂检测电路Fig.5 Moving-arm detective circuit

表1 恒温控制效果/℃Tab.1 Constant temperature control results

5 结论

本文根据崩解时限检查法，在原有崩解仪的基础上，设计了一个基于PT100铂电阻与51单片机相结合的高精度温度测量控制系统.通过分析和设计硬件电路，采用本文的算法可以通过占用较少的单片机资源，快速得到高精度测量值，同时有效地避免了电源电压变化对温度测量的影响，并经过标定建立误差补偿表，通过EEPROM实现对测量温度的实时补偿，从而实现高精度测量.其中采用光电开关作为运动臂位置检测装置，使用类PWM方式控制加热器.通过多次实验证明，在常用目标温度下，测量温度与标准温度的最大偏差为±0.2℃，优于市面上±0.5℃的控温效果.

[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型智能崩解仪的设计 [J].药物分析杂志，1994（2）：61-62.

[3]刘华.铂热电阻在线检测方法的研究 [D].西安：西安理工大学，2005.

[4]李龙.铂电阻智能测温电路设计及非线性校正方法 [J].大众科技，2011（10）：278-282.

[5]易先军，文小玲，刘翠梅.基于铂电阻的温度高精度测量研究 [J].传感器与微系统，2009，28（1）：49-51.

[6]马英卓.基于单片机的实用型温度控制仪设计 [J].传感器世界，2012（7）：14-17.

[7]陈锁发.浅议接近开关的分类及应用 [J].装备制造技术，2012（11）：54-56.