崩解儀電子控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究

摘 要：崩解儀是用于檢測固體制劑崩解時間及相關(guān)檢測參數(shù)的智能化檢測儀器，它也是藥廠常用的設(shè)備，本文作者介紹了一種崩解儀電子控制系統(tǒng)，其設(shè)計參數(shù)全面，測量精密度高，具備一定的自動化水平，具有一定的實(shí)際推廣價值。

關(guān)鍵詞：崩解儀；控制系統(tǒng)；設(shè)計

1 概述

崩解是指藥物制劑在吸收前的物理溶解過程，作為在制藥企業(yè)中常用的崩解儀其主要功能是提供一個與人體胃器官相類似的試驗(yàn)環(huán)境，以準(zhǔn)確地測定出制劑的崩解時限。在使用過程中，涉及時間、溫度、頻率和運(yùn)動的測量。對于崩解儀計量性能的評價要能保證儀器滿足使用需要，但又要避免不務(wù)實(shí)的計量準(zhǔn)確度要求，崩解儀電子控制系統(tǒng)的設(shè)計要求也越來越高。

2 崩解儀電子控制系統(tǒng)的設(shè)計

圖1為崩解儀電子控制系統(tǒng)，其主要由測溫模塊、電機(jī)控制模塊、運(yùn)動臂位置檢測模塊、單片機(jī)控制器、鍵盤顯示器、報警模塊組成，測溫模塊、電機(jī)控制模塊、運(yùn)動臂位置檢測模塊、鍵盤顯示器、報警模塊分別與單片機(jī)控制器連接，具體工作原理為：單片機(jī)控制器根據(jù)用戶的要求設(shè)定的測溫模塊，控制加熱器產(chǎn)生恒溫環(huán)境，當(dāng)用戶通過鍵盤啟動崩解測試時，電機(jī)控制模塊啟動，帶動運(yùn)動臂在豎直方向上做往返運(yùn)動，用于模擬人體胃部的蠕動，對制劑進(jìn)行分解，當(dāng)測試進(jìn)行到用戶設(shè)定的崩解時限時，運(yùn)動臂位置檢測模塊檢測運(yùn)動臂的位置，當(dāng)達(dá)到設(shè)定位置后，停止步進(jìn)電機(jī)，蜂鳴器報警，指示崩解過程完成.對制劑的溶解度進(jìn)行測定。

3 單片機(jī)控制器

本文研究設(shè)計的控制系統(tǒng)是基于AVR單片機(jī)的崩解儀電子控制系統(tǒng)，是以型號為ATmega128的AVR單片機(jī)為核心部件所開發(fā)的嵌入式控制系統(tǒng)。AVR單片機(jī)是由美國ATMEL公司推出的增強(qiáng)型內(nèi)置Flash的RISC高速8位單片機(jī)，數(shù)據(jù)存儲器為8位，但是指令長度單元為16位（即數(shù)據(jù)存儲器寬度16位），采用了大型快速存取寄存器組、快速單周期指令系統(tǒng)以及單級流水線等先進(jìn)技術(shù)，使得具有高達(dá)1MIPS/MHz高速運(yùn)行處理能力。其含有兩個具有獨(dú)立的預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時器/ 計數(shù)器和兩個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器/ 計數(shù)器。AVR單片機(jī)目前己被廣泛應(yīng)用于儀表儀器設(shè)各、計算機(jī)外圍設(shè)備、移動通信設(shè)備、工業(yè)控制和家用電器等眾多領(lǐng)域。

4 測溫模塊

測溫模塊由圖2所示，其主要由恒流源51、精密參考電阻52、儀表放大器53、A/D轉(zhuǎn)換器54、單片機(jī)控制器2組成；其中：恒流源51輸出端一方面與儀表放大器53的同相輸入端電連接，恒流源51輸出端另一方面與NTC熱敏電阻1輸入端電連接，NTC熱敏電阻1輸出端與儀表放大器53的反相輸入端電連接，NTC熱敏電阻1輸出端通過精密參考電阻52與地連接，NTC熱敏電阻1輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器54的基準(zhǔn)電壓輸入端電連接，儀表放大器53的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器54的輸入端電連接，A/D轉(zhuǎn)換器54的輸出端與單片機(jī)控制器2的輸入端電連接。

NTC熱敏電阻為RT，精密參考電阻為R，恒流源產(chǎn)生的電流為I，儀表放大器的放大倍數(shù)為AV，測溫模塊5的電路計算過程為：

NTC熱敏電阻的輸出電壓ΔV為：ΔV=I*RT

經(jīng)儀表放大器放大輸出V0為：V0=I*RT*AV

取樣電阻輸出電壓VREF為：VREF=I*R

A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量Code公式為：

Code= 2N×RT×AV / R

可見A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量Code僅與NTC熱敏電阻、精密參考電阻、儀表放大器的放大倍數(shù)有關(guān)。采用了恒流源51和精密參考電阻52為A/D轉(zhuǎn)換器54提供參考電壓VREF，與所測NTC熱敏電阻1電壓構(gòu)成的測溫模塊5，消除了由于恒流源51漂移給系統(tǒng)帶來的誤差，同時該模塊選用了精密參考電阻52作為精密參考電阻，使整個系統(tǒng)的測量精度主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器54的分辨率，由于該系統(tǒng)采用了高精度24位 A/D 轉(zhuǎn)換器，使整個系統(tǒng)達(dá)到了高精度測溫的要求。

NTC熱敏電阻1為美國福祿克公司生產(chǎn)的1521系列熱敏電阻，1521系列熱敏電阻的測量精度為±0.001℃，年穩(wěn)定性優(yōu)于0.001℃。儀表放大器53采用了AD公司生產(chǎn)的集成儀表放大器AD 623作為該系統(tǒng)的放大器，它具有優(yōu)良的共模抑制比，并且具有低功耗、寬電源范圍，它可取代分立器件構(gòu)成的儀表放大器，具有線性度優(yōu)良、溫度穩(wěn)定性高和體積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。NTC熱敏電阻1和儀表放大器53為溫度校準(zhǔn)裝置的測量精度提供了可靠的保證。

5 電機(jī)控制模塊

電機(jī)控制模塊的基本原理為：高速光耦TCPL-4504 的隔離送入后續(xù)驅(qū)動電路；選用L298芯片構(gòu)成的雙H橋式電路驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的兩相繞組，實(shí)現(xiàn)細(xì)分控制；選用某型號步進(jìn)電機(jī)，其位移分辨率為0.0127mm/步，步距角為1.8°，為進(jìn)一步確保精確定位的要求。

6 運(yùn)動臂位置檢測模塊

運(yùn)動臂位置檢測模塊是保證運(yùn)動臂停止在確切位置的關(guān)鍵，運(yùn)動臂位置的檢測是保證運(yùn)動臂停止在確切位置的關(guān)鍵。常用的運(yùn)動臂位置檢測方法有：使用接近開關(guān)或光電開關(guān)等方法，由于崩解儀在測試過程中，運(yùn)動臂會在豎直方向上做往返運(yùn)動，使用接近開關(guān)會快速損耗其工作壽命，因此系統(tǒng)采用光電開關(guān)對運(yùn)動臂進(jìn)行檢測。

運(yùn)動臂未經(jīng)過光電開關(guān)時，電路輸出低電平信號，當(dāng)運(yùn)動臂正好經(jīng)過光電開關(guān)時輸出高電平，使用單片機(jī)的外部中斷可有效記錄運(yùn)動臂的經(jīng)過.因此將光電開關(guān)放置在希望運(yùn)動臂停留的位置附近。

7 展望

本文介紹的崩解儀電子控制系統(tǒng)的設(shè)計只介紹了硬件電路的設(shè)計思路，由于篇幅有限，未介紹軟件設(shè)計部分，在軟件設(shè)計中應(yīng)考慮多個方面的問題，以便于崩解儀的電子控制系統(tǒng)更加完備，生產(chǎn)出的產(chǎn)品更加穩(wěn)定可靠，為醫(yī)藥企業(yè)提供重要的技術(shù)保障。

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作者簡介：

吳瑩，男，1981年8月生，高級技師/工程師，浙江華義檢測有限公司，主要從事計量檢測、管理，電氣自動化控制的研究。