摘 要：本文提出了以单片机为核心的自动控制系统，具有全程数控调整、全状态伺服处理、数据统计、微机联网、语言报警等功能，可满足制药行业对大剂量粉针精密分装的需要。
关键词：单片机 粉针 药品 分装机
1 引言
粉针药品分装机是在制药行业粉剂生产线上大量使用的关键设备。目前国产粉针分装机基本属于传统的中小规模集成电路数控装置，装量小(0～1.4g)，准确度低(±5%)，售价较高，难以满足对目前国际市场畅销的3g大剂量药品进行分装的要求。
智能化粉针药品自动分装系统是以单片机为核心，采用全新设计思想研制的智能化测控管理系统。该系统配以4头螺杆式分装机构，可同时对4路0～3g(或0～5g)的装置进行全程数控调整、全状态伺服处理(包括药瓶计数、空瓶检出、料位检测、自动注粉等)，具有自动统计班产、日产和月产量、掉电保护、微机联网、现场调度及打印、语音自动报警等功能。本机由VMOS功率模块来驱动三相六拍步进电机，采用脉冲调制式斩波驱动电路，使驱动电源效率和步进电机上限工作频率得到显著提高。4个注粉头可同时工作，装量准确度达±2%。
2 系统构成
系统总体框图如图1所示。主要包括8031单片机主控系统、键盘、LED显示器、状态检测电路、语言自动报警电路、掉电保护电路、串行通信接口、步进电机驱动电路、入料电机驱动电路、多路稳压电源、486型微机、机械传动及分装机构。
3 硬件设计
3.1 单片机主控制系统
以8031为核心的单片机主控制系统其主要功能是对运行状态进行检测、显示、参数设定、步进电机和交流电机(包括主电机、入料电机、搅拌电机)的自动控制、数据统计、随机或自动打印、与上位机的通信。由MC14618组成标准时间发生器。采集系统接收到的状态信号共12路，包括4路注粉头到位信号、瓶到位信号，碰壳信号、记数信号、空瓶信号各一路，4路料位检测信号。上述状态信号分别由4N35光电耦合器隔离，再经CD40106整形后，接至同相三态收发器74LS245，最后由CPU读取74LS245中的状态信息。CPU接收到计数信号、空瓶信号后，分别统计实瓶数、空瓶数、并控制语音报警电路适时发出“空瓶”报警声，提示操作人员拣出空瓶。瓶到位信号就作为分装机构的启动信号。当某路药仓缺料时，CPU接收检测出料位信号便启动相应入料电机对药仓注粉，注粉时间可设定。所有报警信号由8155接口电路的ＰＣ口输出，直接控制语音报警电路。8155的PB口作为键盘输入。采用16键薄膜开关式键盘，其中0～9为数字键，A、B、C、D、E、F依次为校准时间键、参考设定键、显示班产量键、显示总产量键、复位键、运行键。显示器采用8只阴极LED数码管，驱动电路由两片8Ｄ锁存器74LS374和7路达林顿驱动器MC1413组成，以段、位锁定方式进行动态扫描显示。掉电保护由3.6Ｖ锂电池及外围电路构成，断电后时钟电路照常工作，所设定参数不会丢失。4只搅拌机分别受8031的P１．４～Ｐ１．７控制。这4个口线上的信号先经过74LS04反相，再经MC1413驱动固态继电器SP2210(SSR１～ＳＳＲ４），控制交流异步电机。从输入导轨传送来的空瓶，依次置于大齿盘的每个齿中，由主电机带动大齿盘作步进转动。当空盘恰好转到注粉头下方时，系统发出瓶到位信号，启动步进电机带动丝杠，将料仓里的药粉通过注粉头注入药瓶中。成品瓶再沿输出导轨送至压盖机。单片机按设守程序启动步进电机并使之迅速达到额定转速。只要精确控制转动步数，即可保证装量准确。利用8031提供4路能自动提升频率且上、下可调的步进脉冲，同时还对4路步进脉冲的个数加以统计，实现自动控制。
3.2 步进电机驱动电路
步进机电驱动电路主要包括4路脉冲分配器、调制器和功率放大模块。图2为其中一路步进电机驱动电路的原理框图。8031和8155经过控制门输出脉冲信号，再通过光电耦合器隔离和电平转换，加至CH250脉冲分配器的时钟端。CH250是产生步进电机驱动信号的专用芯片。为配合75BF003型步进电极，CH250按三相六拍、正转方式工作。按传统统计，CH250需经复合晶体管构成的驱动电路来驱动步进电机，不仅体积大、而且功耗高、效率低。该系统采用脉冲调制式斩波驱动电路，用几十千赫的高频来调制三相六拍脉冲。利用高频下电机绕组的感抗明显增大的特性，来提高绕组上的压降及有效功率。该方案的优点是能提高驱动电源的效率，同时由于调制频率远高于脉冲频率，并不影响步进电机正常工作。功率模块由大功率VMOS管构成。VMOS管具有输入阻抗高、驱动电流小、高频特性好、开关速度快、工作电流大、耐压高等优点，属于新型功率器件。使用VMOS功率模块能进一步提高驱动电源效率，并减小体积，增加可靠性。
3.3 通信接口
通信接口包括主CPU控制板的串行通信接口和连接486微机RS232接口。现采用光电耦合器整形与隔离、电流环式输出，使远距离通信效果良好，数据传输可靠。直接组网数量可达50台粉针分装机。486微机经过RS232接口可随时访问任何一台，提取有关数据加以统计，打印生产报表。
4 红外光电检测电路
利用红外光电检测电路可对产量进行自动、定时、准确地统计，包括成品药瓶的班产、日产及总产量，还能自动扣除漏装粉的空药瓶。红外发射电路如图3所示，由NE555产生的40Hz、占空比可调的已调制信号，经红外发射管SE303A发射出去。红外接收及放大电路如图4所示。由红外接收管接收调制信号，经放大、解调和整形，再经过晶体管作功率放大，获得计数脉冲送至主CPU控制板完成实时统计工作。由于采用红外线调制发射，接收后再解调并放大输出的光电隔离式转换方式，因此可大大提高外界光线干扰的能力。
5 软件设计
6 采取的措施
在检测空瓶时要根据瓶内有无药粉来判定，但玻璃的折射易使探头接收到杂散光线，加之正在导轨上传送的瓶体晃动等因素，均可造成误判。为此采取以下措施：(1)给发射、接收探头增设导光槽，槽内壁及导轨内侧均涂以不反光的涂料，减少了杂散光线。(2)采用两套红外发射、接收对管，一个正对瓶塞位置，另外一个对准药瓶下部，仅当同时检测到信号，才确认是成品药瓶并输出一个瓶计数信号，由此可扣除空瓶和未扣瓶塞的药瓶。(3)在检测点增加过渡传输带以减小瓶体晃动。(4)在软件设计上采用双重判误方法。首次检测到瓶盖挡光信号后延迟10ms，第二次检测到此信号再延迟10ms，若连续3次检测出，才认定是瓶计数信号。这样能消除药瓶抖动或倾斜引起的误检。然后再延迟10ms，检测有无空瓶信号，若有，则瓶计数信号无效并计下空瓶数。
7 结束语
由单片机构成的粉针药品自动分装系统，具有全程数控调整、全状态伺服处理、数据统计、微机联网、语言报警等功能，可满足制药行业对大剂量粉针精密分装的需要。
