中药汤剂微波真空制粉机系统的设计

赵茹砚，李阳，高太益（通信作者），南龙

吉林东华原医疗设备有限责任公司 （吉林延吉 133000）

中药汤剂是中药传统剂型，其疗效已经在中医发展过程中得到了充分验证。但是随着生活节奏的加快，人们开始探索更适合现代生活的中药剂型，中药配方颗粒应运而生[1]。中药配方颗粒因其携带方便，且可提高效率等多项优点，目前已得到广泛使用。但是，研究表明，中药配方颗粒由于缺少混合煎煮的物理及化学反应过程，使其在某些药方中无法达到相互促进，相互制约，增强疗效，缓和药性的目的，不能充分发挥中药方剂中各药物的配伍作用[2-4]。中药汤剂的疗效已经得到临床肯定，而中药饮片颗粒剂的疗效认定尚难得出一致意见。

微波既可干燥又可灭菌，能够较好地保留药品原有的色香味等热敏性有效成分，活性成分的损失明显减少[5-8]。微波加热时滞极短，加热与升温几乎是同时的，传质与传热是同向的，极大地提高了干燥速率[9]。微波可以直接穿透药品内部，对内外进行均衡加热，从而缩短加热时间[10]。

随着微波技术和真空技术的发展，我们将微波真空技术应用到中药汤剂的干燥制粉上，在低温环境下提取出中药汤剂的有效成分，经过温水溶解可以完美还原中药汤剂，既可以完整保存中药汤剂的所有成分，又解决了中药配方颗粒缺少合煎反应及疗效低问题，并且保留了中药配方颗粒易于携带及方便服用的优点，为患者提供了更多的中药剂型选择。

由于连续微波能量过大，水分子吸收微波后高速振动，瞬间产生摩擦热，会造成中药汤剂产生焦糊现象，因此在干燥过程中通常采用微波间歇工作模式[11-13]。本次设计采用了STM32系列单片机作为控制核心实现中药汤剂干燥制粉的功能，在干燥过程中实时监控并提供智能控制。

1 微波真空制粉机系统基本机械结构

微波真空制粉机系统的基本机械结构由工作主体与真空系统两部分组成，如图1。

图1 微波真空制粉机系统基本机械结构

微波真空制粉机工作过程：将煎煮好的中药液放入托盘（共有4个托盘）中；关闭箱门，点击操作屏，启动机器；真空泵开始抽气，当真空腔体内的真空度达到设定要求时，开启并调整进气口阀门，使真空腔内的真空值保持稳定；微波发生器开始工作，对中药液内的水分进行加热蒸发，产生的水蒸气被真空泵抽走，在监控屏画面上可以看到真空腔内的实时情景；随着中药液内的水分不断蒸发，当温度达到设定值时，微波发生器进入间歇工作，直到将中药液内的水分蒸干，完成制粉，机器停止运行。

2 微波真空制粉机系统硬件结构

2.1 主控单元

设备选用STM32F103RCT6作为主控制芯片，系统设计灵活、成本低廉。该芯片拥有大容量的存储空间，方便我们存储数据。外围搭载8 MHz无源晶振，主时钟频率通过内部倍频到72 MHz，能满足各个信号的传递和响应。系统复位采用按键复位和电源监控芯片同时作用，可以主动通过按键进行系统复位，电源监控芯片在系统电压异常时也会自动进行系统复位，避免系统出现异常。主控芯片外围有丰富的I/O资源，能够满足设备多个控制信号的发出以及数据采集的需求，外部I/O频率均配置成72 MHz，可以更快地做出信号响应。

2.2 硬件结构

微波真空制粉机系统的硬件结构如图2，由控制单元智能控制各模块工作。

图2 微波真空制粉机硬件结构

在整个制粉机系统中由控制单元作为核心，直接调控微波、真空等系统运行、停止，触摸屏指令以及监控的温度数据等也直接传递给控制单元，使整个系统响应速度更快，实时性更高。

温度监测仪选用红外测温仪，通过测量药液发射的红外辐射强度计算出物体的表面温度，不用直接接触药液进行测温，放置在工作腔体顶部，处在微波环境外面，避免微波发生而对温度采样值产生干扰，在整个温度传输线上做了电磁屏蔽，保证温度传输过程不受干扰，温度准确。测温模块将温度的电流信息传送到核心处理模块，先经过处理转换为电压信号后送到主控单元，经过软件算法和滤波转换成稳定的温度值。一方面将温度值传送到触摸屏实时显示当前温度信息，一方面用此温度值指定系统的工作运行方案，控制微波系统的工作和停止。如果检测到的温度值比设定温度高15℃以上，核心处理单元会向触摸屏模块发送高温报警，同时运行停止程序，终止设备运行。

由于微波能量很大，在系统运行过程中若不能实时监控，让系统稳定运行，很容易出现药品焦糊，甚至打火花情况，造成制粉过程失败，或者造成设备损坏。因此，增加视频监测模块，便于实时观测系统运行状态。

真空发生器和微波发生系统是设备的主要工作单元，在生成运行方案后控制单元智能调控系统运行，且微波发生系统配备了高温切断开关，避免微波系统发生异常而导致危险。

控制单元复位采用按键复位和电源监控芯片同时作用，可以主动通过按键进行系统复位，电源监控芯片在系统电压异常时也会自动进行系统复位，确保核心控制单元不会在异常条件下工作。控制单元对各个模块的控制开关响应速度快，同时多处设置保险措施，防止电流突然增加而对设备和器件造成损坏。

3 控制系统原理

由于中药制粉时间较长，为了提高设备自动化，避免人力浪费，除了制粉开始阶段需要手动调节进气阀外，整个制粉过程均由控制单元智能调控各模块完成，无须其他手动操作。

微波真空制粉机的工作模式由触摸屏发起，用户可以根据不同的药品和药量直观地对各项参数进行设置，经过通信模块处理后用户设定的信息传送到控制单元，控制单元根据设定经过内部算法生成制粉方案，在用户确认开始后，设备按照生成的制粉方案自动工作。

温度监测和视频监控会优先启动，确保整个制粉过程在监控状态下安全进行；然后真空发生器和冷却系统启动，保证产生微波时设备具有一定的真空度，且设备处在冷却环境中；微波发生系统启动，在工作初期微波发生系统开启连续工作模式，快速地蒸发大量水分，当检测到的温度值达到临界值时，微波发生系统切换为间歇工作模式，将微波能量降低，将药品剩余水分蒸发的同时避免药品出现瞬间能量过高而导致焦糊。

4 系统软件设计

下位机软件开发选择keil5的开发坏境，用C语言进行程序编写。

制粉机控制单元模块在上电后首先进行各模块的初始化，初始化完成后等待触摸屏按键通过串口向控制模块发出相应指令，同时通过设置AD采样的时间和模式采集红外测温仪的温度值，并在AD中断中进行计算、滤波，实时显示在触摸屏上。当接收到串口指令时，程序进行判断，对接收指令进行解析，分别进入不同的处理程序。

系统运行主要通过主程序轮询的方式进行，对触摸屏指令进行处理，通过温度变化智能控制真空发生器、微波发生系统、冷却系统的联合运行，达到药液制粉的目的。

制粉机的下位机软件总体流程如图3。

图3 微波真空制粉机软件整体流程

触摸屏选择迪文的串口屏，具有相对完善的开发坏境，用DGUS开发人机界面，主要借助PC软件进行组态设计，将人机交互和控制过程完全分开，只需要写点通过串口读写变量存储器的代码。在开发过程中无操作系统，可靠、稳定；借助PC软件进行组态设计，可以实现丰富功能；简化了CPU代码量；用我们自定义的图形数据库，界面美观。设备运行时监控界面如图4。

图4 设备运行监控界面

5 实验与结果

本次设计采用多种药品进行实验，其中包括地黄、黄芩、川芎、甘草的单味药品以及小青龙汤、桃红四物汤的成方药品。

在地黄、黄芩、川芎、甘草的单味药品制粉过程中，我们选取统一的4 L药液对比不同药品的干燥效率，发现在药液量统一的前提下，干燥效率基本一致，进入间歇模式的时间为60～65 min，完成制粉时间为120～125 min，干燥效率如图5，其中包含地黄2次、黄芩3次、川芎3次、甘草2次的制粉时间。

图5 单味药品的制粉效率

在成方制粉实验中，我们选取桃红四物汤为例，用不同药量的成方药液进行制粉实验，得出干燥效率基本呈现线性变化，制粉效率与药液量直接相关，桃红四物汤制粉效率如图6。

图6 桃红四物汤制粉效率

将所有实验数据排列，可以基本拟合出一条线性曲线，T=25.651V+19.665，随着需要制粉的药液量增加，所需要的运行时间基本呈现线性增加（此实验结果仅针对我们所实验过的药品，其他药品因为各自的特质可能会有所不同）。

6 结束语

本次设计采用了迪文7寸触摸屏与STM32系列单片机联合控制的方式，设计了适用于中药领域的微波真空制粉机，降低成本的同时保证设备运行的稳定性，生成智能控制运行方案，既可降低能耗又可避免药品产生焦糊情况，保证药品的制粉成功率。实验证明，系统设计合理，药品制粉效率和制粉效果均可以达到要求，可以为患者提供更多的剂型选择。