（机械电子工程专业论文）基于dsp的电子数粒机控制系统设计.pdf

：t 1 ；0 ：ji - 1 、rll】 _ _ f 愀煳必 、 ad i s s e i t a t i o ni nm e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ，严 f ， d e s i g n i n g o fe l e c t r i c a lp i l la n d1 a b l e t sc o u n t e r c o n t r o u i n gs y s t e mb a s e d o nds p b yz h a n gk e w e i s u p e i s o r ：p r o f e s s o rs o n gw b i g a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 、一。i 、 h 毳 f j 。 【， - 本人声明， 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 = l 思。 学位论文作者签名：群酉传 日期： 加帮每l j j l1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： i - 1 l 东北大学硕士学位论文摘要 基于d s p 的电子数粒机控制系统设计 摘要 药片自动化包装线中的关键设备自动装瓶数粒机，国内同国外知名品牌中依然 存在着很大的差距，国内仍然缺乏高性能的数粒机械。主要表现在记数的速度、精度、 稳定性和废粒废片废瓶的检测和剔除方面，数粒机的发展方向必然是碎片剔除率更高， 速度，精度经济性共存。另外，考虑到为了满足我国中药药机包装市场的需要，也有必 要自主研发适合我国国情的大装量中药药粒数粒机。 为了解决所存在的这些问题，数粒机记数算法和控制系统的设计成为其中的关键所 在。不同于以往的数粒机记数识别原理，论文所设计的系统改变了单束光检测的原理， 采用红外线动态扫描的方法通过多束光线准确识别药片的形状和数目。论文着重运用曲 线识别方面的知识研究了数粒机设备中药粒下落过程中不同姿态药粒数目的识别方法、 两粒药片叠加时的药粒数目识别的方法、缺损药粒下落过程中的检测和剔除废瓶的功能 实现。 硬件方面论文采用了近年来发展迅速的d s p 芯片作为核心控制部分，d s p 作为上 位机和每一通道上的单片机构成的下位机相配合协调动作实现记数、动作和相应的控制 功能。主要设计了计数系统电路和红外线光眼信号处理电路。药粒下落过程中的姿态可 以通过改变d s p 控制的变频器的参数来改变，从而实现使药片尽可能单粒顺序落下， 在整机正常运转的情况下记数系统可以识别单粒药片和缺损药片，检测到缺损药片时还 可以实现报警功能。当电振机速度达不到使药片单粒下落这一要求时，系统容许两粒药 片部分重叠下落，记数系统可以使累加器加2 。另外d s p 系统还连接了人机界面，汽缸 电磁阀等执行机构，实现药片各种参数的输入挡板的开闭，药片的剔废等辅助功能。 ；， 关键词：药片数粒机； 图像识别算法；d s p 嵌入式控制系统 j i 一 r p - a u t o m a t e dp a c k a 舀n gl i i l et a b l e t so ft h ek e ye q u i p m e n t - af e wt a b l e t sa u t o m a t i cb o t t l i n g m a c h i n e ，w e l l - k n 0 、加d o m e s t i ca n df o r e i 印b r 柚d ss t i ut h e r ei s ac o n s i d e r a b l eg a p ，t h e c o u n t r ) rs t i l ll a c l 【saf 嘶t 蜀i b l e t so fh i g l l p e r f b 皿柚c em a c h i n e 彤h u t c h i s o ni sm 趾i f e s t e di n t h en um _ b e r0 fs p e e d ，删孔y s t a b i l i t y ，柚dp e l l e t s 自0 mw a s t e - w 弱t et e s t i l l g 柚dr e 啪v et h e b o t t l e ，af e wt a b l e t so ft h ed m 斌i o n0 fd e v e l o p m e n t 舢s tb cr e n l 0 v e dd e b r i sh i g h e rr a t e ， s p e e d 粗da c c l l r a c yo fe c 0 m i c 甑i s t e n c e i i la d d i t i o n ，n s i d e rt h a t ，i no r d e rt os a t i s 句t h e c o u n t r y sa l i n e s e m e d i c i n ep a c k a 舀n gn e e d so ft h em 盯k e t ，i ti sn e c c s s a r yf o ri n d e p e n d e n l r c s e a r c h 姐d d e v e l o p m e n tw i t hc h i n a s n a t i o n a lc o n d i t i o n s o fl 盯g c 伊a i n st a b l e t so f t r a d i t i o n a lc h i n e s em e d i c i n e 1 n0 r d e r t oa d d r e s st h ee x i s t e n c eo ft h e s ei s 鲫e s ，v e r a l t a b l e t s0 fc o u n t i n ga 1 9 0 r i t h 玎帱 柚dt h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e m sb e c o m et h e 伽x u n l 像et h ep r c v i o u sf c wt a b l e t sm a c h i l l e i d e n t i f i c a t i o nn u m b e ri nm i n dp 血c i p l e ，t h ep a p e rc h a n g e dt h ed e s i 萨0 fs i n 酉e - b e 锄s y s t e m t h ep r i l l c i p l eo fu s i n gd y n 枷ci n 仃孤e ds c 柚n i n gb e 锄o fl i g l l tt h r o u 曲av a r i e t yo fm e t h o d s c l l r a t e l yi d e n t i f yt h es h a p e 觚dn u l b e ro fp i l l s i d e n t i f i c a t i o np a p e 瑙t h eu o ft h e k l l o w l e d g e0 naf 押t a b l e t s0 ft h ew h e r e a b o u t so fe q u i p m e n tm e d i c i i l et a b l e t si nd i 虢f e n t 伊a i n s p u r p o s eg e s t l l r er e c o 印i t i o nm e t h o d ，t w ot a b l e t s0 ft h ed n l gt a b l c t s a tt h es t a c ko f i d e n t i f i c a t i o nm e t h o d s ，d m gt a b l e t sw h e r e a b o u t sd e f e c ti nt h ep r o c e s so ft e s t i n g 蛆d e l i m j n a t i n gw a s t eb o t t l e sf e a t u r e s h a r d w 缸ep a p e 娼b yt h er e c e n tr a p i dd e v e l o p m e n t0 fd s pc h i p s 弱p a n0 ft h ec 0 坨 c o n t r o l ，弱t h ep c 觚dd s pp c rc h a n n e lo nt h em c um a t c ht h en e x tc r e wt 0a c h i e v e c o o r d i l l a t e d拟i o ni nm i l i daf 细m o v e m e n t s ， a l l dt h e c o r r e s p o n d i n g c o n 们1 t h e w h e r e a b o u t so fd n l gt a b l e t si nt h ep f o c e s so fd s pp o s t u r ec a nb ec o n t r o l l e db yc h 卸百n gt h e p a r 锄e t e 硌o fi n v e n e rt oc h a n g ei l lo r d e r t oa c h i e v e 弱m u c h 弱p o s s i b l e t h a ts i n 酉et a b l e t s 0 r d e rs e t s ，蛆dc o m p l e t em a c h i n ei nt h e 皿a 1o p e r a t i o n0 ft h ec i r c u 脚t a n c e si n 面n daf 细 s y s t e m sc a nb ei d e n t i 丘e dm o n o m e r t a b l e t s 觚dp i l l sd e f e c t ，t h et a b l e ta l s od e t e c t e dd e f e c t 啪 b ea c h i e v e da l 锄f h n c t i o n s w h e nt h ev i b r a t i o ns p e e d ，n o tt h ew h e r e a b o u t s0 ft h et a b l e t m o n o m e rt h i sr e q u e s t ，t h es y s t e m “l o w s 锕0o v e r l a p p i n gt a b l e t so ft h ew h e r e a b o u t so faf e w s y s t e i 璐c a nb ec f e d j t e dt oa o 跚m u l a t o fp l u s2 a n o t h e rd s ps y s t e m a l s oc o n n e c t sm e m 褫m a c h i n ei n t e f f a c e ，s u c h 弱s o l e n o i dv a l v ec y l i l l d e ri m p l e m e n t i n ga g c n c i e st 0a c h i e v et h e p a r a m e t e 硌o ft h et a b l e ti n p u to ft h e 叩e n i n g 柚dc l o s i n gb a f f l e ，t h et i c k 讪l e t sf h n c t i o n 弱 1 1 1 0 l ，0y， 】 i 东北大学硕士学位论文目录 目录 声明“i 摘要i i r f k a b s t r a c t i i i a第1 章绪论。1 1 1 医药用药粒数粒机的发展应用背景1 1 2 国内外研究现状”2 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内发展应用情况3 1 3 课题研究的理论意义和实际应用价值5 1 3 1 提高记数的速度精度和稳定性“5 1 3 2 满足我国制药企业后g m p 时代的市场需求”6 1 4 本论文的主要内容7 第2 章数粒机系统工作分析9 2 1 电控系统总体设计思路1 0 2 1 1 控制系统结构“1 0 2 1 2 主程序工作流程分析”1 1 2 1 3 主从机串行通信子程序1 3 2 2 系统所要解决的问题和任务1 5 譬2 2 1 系统所要解决的问题1 5 峨 2 2 2 系统所适用的参数1 5 2 3 嵌入式系统设计中需要注意的问题”1 5 2 3 1 嵌入式系统的基本概念1 5 2 3 2 嵌入式系统具备的特性1 6 2 3 3 嵌入式系统的特点“1 7 2 4d s p 芯片的发展概况和特点及在本系统中实现的功能1 8 v 东北大学硕士学位论文目录 2 4 1d s p 系统的发展概况”1 9 。 2 4 2d s p 系统构成及其特点”2 0 2 4 3d s p 芯片的应用”2 1 2 4 4d s p 的发展前景与应用领域”2 2 2 4 5 数粒机段控系统d s p 系统的设计2 4 第3 章药片数目识别和缺损检测算法研究2 6 ， 3 1 数粒机算法识别原理2 6 3 2 图形识别过程分析2 7 - 3 3 图像处理技术及图形识别理论2 9 第4 章数粒机控制系统硬件电路的设计分析3 0 4 1 硬件部分总体结构3 0 4 2 硬件部分用到的芯片3 0 4 2 1 硬件的作用概述3 0 4 2 2h d 6 1 2 0 2 液晶显示控制器3 3 4 3 硬件电路电器元件的选择_ 4 0 第5 章数粒机检测系统软件的设计编程。4 4 。 5 1 c c s 集成开发环境简介4 4 5 2 软件部分设计思路”4 4 5 2 1 变量的定义4 4 5 2 2 键盘的设计4 5 5 2 3l c d 显示器设计4 5 5 2 4 剔废功能4 6 5 2 5 倒瓶报警4 6 5 3 软件部分文件的构成4 6 5 3 1 建立中断向量表4 7 5 3 2 主程序4 8 5 3 3 串行通信初始化程序“4 9 r 5 3 4 中断程序5 0 v i 六气 l ， ，j - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 医药用药粒数粒机的发展应用背景 自动数粒机是自动数粒包装线的主要设备，它广泛用于制药、化工、食品等行业。 随着工业和技术的发展，对自动数粒机的要求将进一步提高。药品全自动包装生产线设 备依次包括自动理瓶机、自动数粒机、自动贴标机、自动塞纸机和自动旋盖机。这些设 备中处理速度相对较慢的是数粒机，因此作为整条生产线的关键设备数粒机的技术 水平在很大程度上影响了整条生产线的生产效率。国内制药厂家运用的数粒机中，国产 设备占了很大的市场份额。 但国内数粒机技术水平上主要存在两个瓶颈：一是计数误差较大，不能有效处理不 合格药品检测问题；二是装瓶速度较低，跟不上流水线上其它设备的速度，从而在很大 程度上限制了国产设备的发展，导致整体工作效率较低。自动数粒机的高精度和稳定性 是自动数粒机发展到当代，为提高其性能并取得技术与经济上的最佳效益而迫切需要解 决的问题，这是扩大自动数粒机适用范围的重要方面。所以一些医药机械厂力求在技术 上改进电子数粒机的性能。为了提高数粒机的处理速度和效率，除了通过改变机械结构 来改进数粒机的处理性能外，主要还应该通过改变控制系统反应速度和处理速度来提高 数粒机的工作性能。 目前，国内各大药机厂家生产的固体药粒生产线中应用的数粒机一部分仍采用变频 筛动式结构的机械数粒机，其处理速度慢，操作不方便，药粒磨损大的缺点远不能与光 电数粒机相媲美。现已应用的主要的光电式电子数粒机多数采用p l c 或单片机配合单 束的红外线扫描光头来识别药粒数目，这种计数方法大大提高了药粒包装线中数粒机的 工作效率，操作方便卫生，更换不同型号的固体药粒，无需改变机械模板，只需从人机 界面中设置相应的装瓶量及装瓶速度等参数即可。但是，但是这种改进的光电数粒机仍 有其不足之处：一方面医药厂家要求在药粒装瓶检测过程中，数粒机能自动检测病剔除 压片机输出的缺损药片，这是单束红外线检测所不能做到的；另一方面，现有的数粒机 采用p l c 或单片机作为核心控制器件，其处理速度慢成为限制数粒机提高工作效率的 瓶颈。所以，将近年来应用广泛的高端芯片应用于药机产业势在必行。基于此本论文将 采用基于d s p 芯片作为核心控制部分的药粒数目识别及图像检测剔废功能。 本课题来源于某制药机械厂顺应市场需求开发新一代数粒机的方案。该制药机械 厂，把科技作为自身生存和发展的根本，在设计开发出先进的电振式数粒机机械结构同 1 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 在国外，自动数粒机早已在医药、食品、化工等行业中推广使用。荷兰c r e m e r 公司拥有5 0 多年的计数机器制造经验；从1 9 4 8 年首先开发出电子式计数系统开始，即 在世界上独占熬头；1 9 8 1 年更是第一家将计数机用在药品片剂、胶囊的数粒上，开创了 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 药用数粒机的新风潮。从一开始，c r e m e r 数粒机以高准确性闻名于世；在今日高度 讲究商誉的市场上，高准确度、稳定度是每一家g m p 厂不断追求的目标；c r e m e r 新 推出c f 一1 2 2 0 型，遥遥领先其它厂牌。法国、德国、美国等国家都很重视自动数粒包 装线的理论研究和实验。法国、德国已设计生产出多种型号的计数机械，运行正常，经 济效益良好。目前，国外大的数粒机品牌中，较有影响力的企业有的c r e m e r ， s w h p a c k ，r o m a c o 。 在进口设备相中，数粒机品牌中较有影响力的企业如d t 、s w n h p a c k 和荷兰的 克尔玛，其整机性能高，记数速度快，但是进口数粒机设备价格昂贵，从8 万美元到2 0 几万美元不等，难以满足我国几千家中小制药企业的要求。同时为了创立我国自主品牌 的包装设备，研究开发具有我国自主知识产权的数粒机很有必要。 1 2 2 国内发展应用情况 虽然我国对计数机械研究的较早，并在2 0 世纪7 0 年代就出现了数粒机，但由于理 论研究工作没有跟上，应用发展并不快。其主要原因是企业对这种数粒机的认识不够， 而且目前国内尚没有准确度高、稳定性好的数粒机。因此应用可靠的设计参数和计算方 法对数粒机进行深入的研究，不仅具有理论意义，而且具有实际应用价值，将推动计数 机械制造业的发展。目前国内数粒机做的较有影响力的厂家主要是北京翰林精工，上海 恒益和广州珐玛珈。 在国内，由于数粒机最早是从国外引进来的，厂家生产的数粒机大多是在对国外数 粒机进行一定的改进和创新。如何在模仿的过程中进行应用创新或集成创新，是国内医 药机械厂所追求的目标。例如，s w i f 眦k 的数粒机性能很稳定，速度和精度很高， 但是应用到中药包装上却有些“水土不服 。西药一般每瓶装1 0 0 粒一2 0 0 粒，中药包装 往往远超过这个数量，如何既保证速度又保证精度，就是一个需要重点考虑的问题。另 外，对于更小数量的包装，比如1 0 粒或8 粒药品的包装，使用国际上标准的1 2 轨和2 4 轨的数粒机，已经无法满足要求。遇到以上情况，就不能只对国外先进的产品进行简单 模仿，要对设备进行创新研发，以适应中国的市场。虽然中国的医疗机械企业如珐玛珈 等最初也是从参考、借鉴国外的先进设备起步，但设计技术人员在吃透了数粒机的工作 原理并掌握了关键技术后，针对市场及客户反馈的进口设备在使用中的不足，有针对性 地对设备进行应用创新，解决了大装量和小装量生产时的速度和精度问题，填补了国外 产品留下的市场空白，帮助客户解决了生产中的实际问题。从一个细分的市场入手，站 稳了脚跟，进而横向拓展，向整个数粒机市场进军。目前，专注于数粒机技术的研究开 - 3 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 发，已成为这个领域的国内领跑者，也给国外供应商带来一定的压力。但目前国内的主 要数粒机产品都采用p l c 或者单片机控制，国内数粒机的研发机构较少，相关的论文 和科研题目也较少。一些制药机械厂都开始采用d s p 控制器来实现数粒机的控制，采 用d s p 控制系统后可以使记数1 0 0 准确。但是，目前并没有形成一定的规模，还处在 试验调试阶段，所以选用这一课题在理论上有一定的前沿性，属于较有应用前景的科研 题目。 作为中华民族的文化瑰宝中药，历史上曾经为我国人民的健康安全做出了巨大的贡 。 献。进入2 1 世纪后，从中央到地方，很多地方都将中药产业化作为经济发展的重点之 一。随着对中药研究开发的深入和政策的扶持，中药产业也蓄势待发，其中蕴藏无尽的 商机。如果说化学制药、生物制药还有国外先进设备可资借鉴，那么，中药产业化所需 的包装设备，就更多地依赖企业自主的创新开发能力，结合中药生产的特殊工艺过程， 开发出具有自主知识产权的中药包装设备。制药业的快速发展，带动了制药装备业的快 速发展。根据相关行业协会的统计，我国制药厂机械企业从9 0 年代的2 0 0 家，到2 0 0 4 年第2 7 届全国制药机械博览会时已达到1 0 0 0 余家，平均每年增加企业数目1 5 、制药 装备销售年增长2 0 ，制药企业的g m p 认证，在促进、整合制药企业。 药品灌装生产流水线包括理瓶、灌装、塞纸、锡箔封口、旋盖、贴标等工序。其中 - 医药用数粒机是其中的关键设备，其处理速度和精度直接影响了整个流水线的生产效 率。现同行业所采用的数粒机分为机械摸板式和光电检测式，其中，机械摸板式在工作 过程中更换不同尺寸的药品需更换不同的下料摸板，计数速度慢，药粒易磨损；而光电 检测式数粒机通过光电感应识别药粒、丸剂和胶囊，并采用软件计数对整个过程实现检 测控制，所以提高了工作效率、减少了药品磨损。因此，开发光电检测计数数粒机十分 必要。 目前全国药厂约有6 0 0 0 余家左右，分布很广，大部分药厂集中在东北、山东、上 海、江浙、广东、深圳、贵州、四川等地区，南方沿海地区多于内地。就技术力量、企 业管理资金等因素，也是南方沿海地区药厂大于内地药厂。现在是全国药厂g m p 改造 叠 的高峰，有技术、有资金的企业，早在1 0 年前就g m p 改造完毕。现在留下来的大多数 药厂约9 0 左右，不是在技术上有问题，就是在资金上有困难。总而一言之，现在不管 、 每个企业有什么问题与困难，国家已明文规定在限定时间里达标g m p ，否则自动退台， 药厂关门。目前全国药厂达gm p 标准还不到1 0 ，也就是讲还有9 0 的药厂要在近几 年内一定要创造条件符合g m p 标准。这正是选择开发医药机械电子数粒机电控系统的 意义所在。 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 在国外，尤其在欧美等发达的工业国家中，他们的制药生产监控的自动化程度相对 较高，基本上以机器替代了大量的人工劳动。随着我国市场经济体制的建立，再加上我 国加入世界贸易组织，各行各业都面临着世界市场的竞争，面临着巨大的机遇和挑战， 优胜劣汰，适者生存。企业最终是以质量取胜的，这就要求各个企业重新面对、重新审 视产品质量问题，这是企业生死攸关的大事。在制药行业，人力手工方式的药品包装流 水线已经不能满足严酷的市场竞争的要求，必须以机器检测替代手工检测，以现代的企 业管理制度替代传统的管理模式。许多的传统手段、方法都在快速地发生改变。 包装行业“十一五 发展规划纲要中指出，医药工业2 0 0 4 年完成工业增加值1 3 8 8 3 9 亿元，同比增长1 6 9 2 。随着我国经济的快速发展，人民生活水平提高和人口老龄化 引起的医疗费用增加，新药品开发力度加大，医疗保障体系改革的步伐加快和城镇居民 医疗保险的扩大，医药工业将会继续保持快速增长的势头。为加强对直接接触药品包装 材料和容器的监管，国家食品药品监督管理局在近两年相继颁布了3 4 项国家药品包装 材料和容器标准、2 5 项药品包装材料检验方法标准，并下发了关于加强中药饮片包装 监督管理的通知。另外我国医药包材质量及包装品种都明显低于国际水平。在发达国 家，医药包装占医药产品价值的3 0 ，而我国只有1 0 。目前，我国医药包装行业的年 产值在1 5 0 亿元左右，仅能满足国内制药企业8 0 左右的需要，这就促使医药包装产业 在近年快速发展。专家预测，今后将是我国医药包装产业的快速发展时期。 1 3 课题研究的理论意义和实际应用价值 1 3 1 提高记数的速度精度和稳定性 光电式自动药瓶装瓶数粒机是粒状药品装灌装生产线的一个关键设备，药粒灌装的 准确性，将直接影响生产线的质量，所以高速准确的计数是光电式自动药瓶数粒机的关 键技术。目前，在粒状药品灌装生产线上，广泛采用的是模板式的计数系统，当改变每 一瓶的灌装量的时候，需要更换不同的下料模板，并且该种系统的灌装效率越来越不能 满足使用厂家的要求，希望有一种高效的灌装计数方法。 处理速度 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 慢，红外线检测范围小，生产出的数粒机速度慢、精确度不高、难以适应大小不同药片， 缺少剔除废瓶功能。光电计数系统通过对药片的形状进行扫描，采集曲线形状数据送入 采样保持电路，再通过a d 转换器，最后将数字量信号送入d s p 控制器中，这样即使几 颗药粒重叠在一起，d s p 也可以根据不同的形状进行图像或轮廓曲线的处理判断药粒的 数量所以，采用d s p 数字处理器和红外线扫描技术相结合来开发新一代药用数粒机， 可高速的完成红外线扫描图像的处理与识别。解决了可编程控制器p l c 处理速度慢， 和无法识别图象数据处理的弱点。提高了数粒机的处理速度和准确性。可以适用于国家 规定的片剂，胶囊，丸剂的自动计数，且计数准确，适应瓶子范围广，拆卸方便。 i 1 3 2 满足我国制药企业后g m p 时代的市场需求 我国从8 2 年开始实施g m p 规范，以后国家医药总局、卫生部于8 5 年、8 8 年、9 2 年先后5 次以书面形式，即g m p 单行本发行，要求全国药厂在规定的时间里，实施技 术改造，达到g m p 标准。可以讲g m p 规范是药厂遵循的一个原则。g m p 的核心是保 证药品生产全过程在质控之下，把药品生产质量事故几率降到最低点0 位。这就是我国 制药机械行业采取的标准和我国强制执行的卫生标准。 同变频筛动式机械数粒机相比，由于电子数粒机一次下料的数量可以很大，所以整 个下料结构可以采用密封装置进行密封，电子数粒机在密封的情况下更能达到和符合 g m p 卫生标准。因此，进一步开发和研制新型数粒机可以提高g m p 水平，有助于完善 和改进我国的医药机械行业的生产水平，提高药品生产包装流程的生产率，使数粒机能 够满足g m p 卫生标准，推动医药数粒机技术的发展进步。 目前，大量的制药厂家尤其是那些规模不大的制药厂基本上是靠人力手工的传统方 式对整个生产过程进行检测包装。例如，在一条药片包装流水线上，就必须安排好几个 工人用肉眼监视整个包装过程中出现的次品并把它们挑选出来，而国内的制药企业大部 分还是没有大到规模化智能化的程度。 一些在制药行业内处于领先地位的企业，现在一条机械式药品包装生产线上，仍然 通过人工的办法进行检查有缺陷的或缺粒的药片和药瓶。像这种传统的人工劳动，导致 效率很低，并且不可避免的会或多或少地出现漏检，同时违反了我国政府规定的药品生 产过程g m p ( g 0 0 dm 柚u 胁u r i n gp r a c t i c e 药品制造及质量管理标准) 标准。我国政府明确 规定，到2 0 0 4 年7 月为止凡未达到g m p 认证的药厂一律关闭。 在我国，也有少数一些较大规模的制药厂商开始加速生产与检测监控的自动化进 程，对整个生产线的生产控制和检测尽可能的采用自动化的仪器设备。 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 成本和效率是企业的生命，制药流水线中的低效的人工包装计数不但违反了g m p ( g 0 0 dm 锄u f a c t u r i n gp r a c t i c e 药品制造及质量管理标准) 标准，而且有害于企业长远发展。 由于上述原因，必然要求开发一套药品质量检测系统来替代人工检测，既提高生产率又 提高产品的质量保证水平。 目前国内大、中型医药生产企业的生产规模迅速扩大，有的公司还瞄准了国际市场， 他们都急需一流现代先进的生产技术及自动化生产和包装设备，力求改变手工操作的传 统加工方式，使制药生产过程满足g m p 标准。现今，己经在新工艺加工等自动化生产 和包装设备方面形成一个几十亿元的市场容量。市场竞争的焦点是提升产品的技术含量 和质量水准、采用现代化工成熟技术及自动化生产和包装设备，以增强产品竞争能力。 我国政府已经明确规定，凡未达到g m p 认证的药厂一律关闭。因此中国一千多个 药厂都急需一大批全自动生产线。 装瓶机部分是全生产线中的核心设备，它直接影响到整套设备的总体生产效率与精 度，因此装瓶机自动生产线的设计和改进就显得尤为重要。瓶装生产线上的质量控制的 重要一点就是药品的装瓶数量控制。因此自动化的药品瓶装流水线中药品缺粒的检测就 比较重要。 产品的质量就是企业的生命，制药流水线中的低效的人工检测不但违反了 g m p ( g o o dm 柚u 触u r i n gp r a c t i c e ) 药品制造及质量管理标准) 标准，而且有害于公司长远 发展。由于上述原因，医药包装行业要求开发一套药品质量检测系统来替代人工检测， 既提高生产率又提高产品的质量保证水平。 ， 1 4 本论文的主要内容 数粒机电器控制系统软硬件的设计主要分为以下五个部分： ( 1 ) 红外线扫描控制逻辑电路的设计。 ( 2 ) 人机接口输入输出部分的设计和选用。 ( 3 ) 控制电振机的变频器的选用和设计。 ( 4 ) 执行机构电磁阀和汽缸的选择。 ( 5 ) 检测药粒用的多束红外线光头及检测瓶到位的单束红外线光头的选用。 由于整个系统是个很庞大的工程设计，而且相应的设备国内已经有非常成熟的产 品，所以本论文仅就最主要的部分即涉及数粒机革新换代的关键技术之处加以重点的研 究和讨论，其他部分参考市场已有的成型产品即可满足系统的要求。本论文的关键之处 即为： 7 8 东北大学硕士学位论文第2 章数粒机系统工作分析 第2 章数粒机系统工作分析 电子数粒机机械结构包括下料通道、振动输送部分、光电计数部分、药瓶输送部分。 机械部分结构较为简单，除与计数部分相关的一些尺寸设计需满足电气控制的要求外， 其它机械部分设计可以通过常规的机械加工手段获得。整机的美观性可以通过工业设计 和工业造型来完成。本论文主要研究计数控制部分的设计。 图2 1 数粒机整机示意图 ( 1 ) 机座( 2 ) 振动输送机装置( 3 ) 检测装置( 4 ) 供料斗( 5 ) 振动输送槽( 6 ) 控制 装置 f 谵2 1p i u 姐dt a b l c t sc o u n t e rm a c h i n e 破e t c h 电子数片机广泛采用先进的微机工控技术、集数字技术、现代传感技术、网络技术 于一体，实现人机对话界面，操作方便可靠，自动完成理瓶、计数、灌装、输送等工序， 广泛应用于医药化工食品等行业的药片、丸粒、软硬胶囊及物品的灌装。本设计所采用 的振动输送式电子数粒机主要有机座、振动输送装置，检测装置、供料斗、下料装置、 控制装置、输送装置组成。药粒通过供料斗集中下料，然后通过振动输送系统将药粒输 送分离进入检测计数装置，检测计数装置利用具有光电效应原理的光电传感器将药粒遮 通过外设接口传递给d s p 控制器，d s p 定值时，向下位机发送指令，关闭送药通道插板，当药粒记满时关闭所有通道，并由上 位机打开档板放瓶，当上位机检测下一瓶到位后，关闭挡板向下位机发送指令打开各通 道插板继续装药。 上位机的功能主要是从累加器读取数据药片数，判断是否计满，向执行机构或下位 机发出指令，基础信息是通过键盘输入的，主要数据有每瓶药粒数及形状、挡板、插板延 时时间、电振机速度，并通过串行通讯实现与下位机的数据信息传输。控制系统部分硬件 1 0 f 东北大学硕士学位论文 第2 章数粒机系统工作分析 结构如图2 2 所示。 图2 3 控制系统结构图 盹2 3n c 咖c t l i 陀0 fc o n 仃o n 吨s y s t c m 2 1 2 主程序工作流程分析 主程序流程图如框图2 3 的所示。主从机串行通讯程序部分以子程序的方法给出， 要与从机通讯时，可直接调用该子程序。主机在接收或发送完一个数据块后可返回主程 序，以便完成其它任务。 - 1 1 图2 4 主程序流程图 f i 9 2 4 n e m a i n p r 0 伊煳c 1 2 f 东 图2 5 主从机串行通信原理图 f i 22 5t h e m m u n i c a t i o nb c 细e 姐m a i n n 仃o m n 2 电控系统以t i 公司的t m s 3 2 0 u 眩4 0 7 d s p 为控制部分的核心，外围器件实物图如 图2 5 ，包括红外线检测光头，人机界面h m i ，计数系统电路以及控制振动输送装置的 变频器。其中人机界面采用基本的键盘输入系统，显示界面监视器采用液晶显示屏。变 频器采用外购的方式采用沈阳金安科技的j a 2 0 0 型调压变频器。红外线动态扫描光头为 定做，其硬件电路和计数系统控制部分为本设计的重点之处在后面的章节中加以重点的 说明。 - 1 3 图2 1 0 激振器实物图 f i 昏2 1 0v i b r a t i o nc x c i t e r 1 4 ， 东北大学硕士学位论文 第2 章数粒机系统工作分析 2 2 系统所要解决的问题和任务 2 2 1 系统所要解决的问题 系统所要解决的问题包括以下三个方面： ( 1 ) 通过曲线轮廓识别达到药粒数目的识别的目的 ( 2 ) 剔废功能设计 ( 3 ) 倒瓶报警设计 2 2 2 系统所适用的参数 拟设计的数粒机主要适应的产品参数为药丸、糖衣片、素片、软( 硬) 胶囊及其它 形状的药粒。其主要的适用规格为f 3 f 2 5 衄的丸、片剂及各种型号的软、硬胶囊。 拟设计的药瓶规格为直径f 2 0 f1 0 0 舢，高度为3 0 1 2 0 衄。整机的电源为交流三相 3 8 0 v ，电机功率lk 1 w 。 表2 1 药片尺寸参数表 t a b l e 2 1n cd i 嫩n s i o np 盯锄e t e ro ft a b k t s 产品 尺寸脚n 粒瓶瓶口直径彻 瓶输送速度( 瓶皿曲) 胶囊峭弗：等嚣嚣篓等 口7 4 4 7l 2 8 4 0 药锭 僦囊三 ；：篓篓” 0 1 9 o 5 22 02 83 2 药片邸5 口2 0 m m 1 0 0 2 85 0 2 3 嵌入式系统设计中需要注意的问题 2 3 1 嵌入式系统的基本概念 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) ，i e e e 对于嵌入式系统的定义是：a me i n b e d d e d s y s t e mi st h ed e v i c c su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r ，0 r 勰s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，嫩c h i n e r y o rp l 柚t s 嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置 。 在中国嵌入式系统领域，比较认同的嵌入式系统概念是：嵌入式系统是以应用为中 心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、 体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、 嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监 1 5 - 东北大学硕士学位论文 第2 章数粒机系统工作分析 视或管理等功能。 嵌入式系统是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像数据传 输技术，甚至传感器等先进技术和具体应用对象相结合后的更新换代产品。因此往往是 技术密集、投资强度大、高度分散、不断创新的知识密集型系统。反映当代最新技术的 先进水平。嵌入式系统不仅和一般的p c 机上的应用系统不同，就是针对不同的具体应 用而设计的嵌入式系统之间差别也很大。嵌入式系统一般功能单一、简单，且在兼容性 方面要求不高，但是在大小，成本方面限制较多。嵌入式计算机基本上不能算是嵌入 式系统。它仍然是计算机一类，不过是工作条件有所不同而已，因为它还保留了计算机 的基本。嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。简单的说就 是系统的应用软件与系统的硬件一体化，类似与b 1 0 s 的工作方式。具有软件代码小， 高度自动化，响应速度快等特点。特别适合于要求实时的和多任务的体系。 嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微处 理器、存储器及外设器件和i 0 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件( 0 s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。 应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作 用。 2 3 2 嵌入式系统具备的特性 嵌入式具备的特征如下： ( 1 ) 通常只执行特定功能，这一点与一般桌上型办公设备或数据库系统有很大区别。 ( 2 ) 以微电脑与周边器件构成核心，其规模可在大范围内变化，如从8 0 5 1 芯片到 8 0 x 8 6 芯片。 ( 3 ) 严格的时序和稳定性要求，这是因为在机器控制的大型系统中，程序运行稍有差 错则可能使得整个系统失去控制，甚至酿成灾害。 ( 4 ) 全自动操作循环。 嵌入式系统是电脑软件与硬件的综合体，它是以应用为中心，以计算机技术为基础， 软硬件可裁剪，从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要 求的专用计算机系统。嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机。一台通 用计算机的外部设备中就包含了5 1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、 显示卡、显示器、m o d e m 、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数码相机、u s b