摘 要：随着中医药的发展，中药文化在传统医学体系中扮演着重要的角色，为了解决医药医生抓配中药困难的问题，设计了一款基于STM32的中药抓配系统。设备上位机接收医生开出的药单，通过串口通信下发指令给抓配设备的主控，抓药设备根据接收的指令，控制药柜前的横向与纵向步进电机、称重传感器等设备，实现对中药材的自动抓配。医生通过上位机对中药抓配过程进行远程监控。该系统通过数字化、智能化的手段，提高了中药抓配的精准性和效率，也促进了中医药的传统文化与现代科技的融合。
关键词：自动出药；动态称量；自动抓药系统；STM32；中药
中图分类号：TP23；R282.4 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）14-0172-05
Design of Chinese Medicine Automatic Grasping and Dispensing System
ZHANG Cunyi， LI Lianhua， TANG Kaikang， LYU Longchu， ZENG Ruitao
（School of Electronic Engineering and Automation， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China）
Abstract： With the development of Traditional Chinese Medicine， the culture of TCM plays an important role in the traditional medical system. In order to solve the problem of medical doctors difficulty in graspimOZxlOGj5hFXJTiBqhktzQ==ng and dispensing TCM， this paper designs a TCM grasping and dispensing system based on STM32. The upper computer of the equipment receives the medicine list prescribed by the doctor and sends an instruction to the main control of grasping and dispensing medicine equipment through serial communication. According to the received instruction， the grasping medicine equipment controls the transverse and longitudinal stepping motor， weighing sensors and other equipments in front of the medicine cabinet to realize automatic grasping and dispensing of TCM. Doctors remotely monitor the progress of grasping and dispensing TCM through the upper computer. The system improves the accuracy and efficiency of grasping and dispensing TCM by means of digitalization and intelligence， and also promotes the integration of traditional culture and modern science and technology of TCM.
Keywords： automatic drug delivery; dynamic weighing; automatic grasping system; STM32; Traditional Chinese Medicine
0 引 言
现有的中药抓配处理工作主要依靠人力完成，中药抓配的许多关键步骤，如取材、称量、混合等仍然需要操作员进行手工操作，这不仅效率低下，而且容易出错[1-4]。操作员根据传统的经验和配方要求，手工选取和配比各类草药，需要成熟的经验和技能。然而，由于整个抓配过程缺乏现代化的设备和数字化的信息管理系统，其自动化程度较低，导致了生产效率和质量管理方面存在潜在的瓶颈。为了确保抓配的准确性和一致性，对操作员的培训要求较高，且需要较长的实践经验。为了解决这一问题，本文设计了一种中药自动抓配系统[5-7]。该系统旨在提高中药抓配的精度和效率，通过现代化的设备和数字化信息管理系统，实现自动化和智能化的抓配处理。这将大大减少人工操作的误差，提高生产效率，并确保中药产品的质量和稳定性。该系统的应用将为中药产业的发展提供有力支持，推动其向现代化和智能化方向发展[8-10]。
1 系统设计方案
1.1 硬件组成部分
工作人员通过上位机管理客户端了解抓配机剩余药量与位置等相关参数，就医者通过客户端获取自己的电子药单以及用药相关注意事项，如图1所示，下位机主控STM32F407ZGT6利用称重传感器与舵机机械系统相结合完成中医药材的自动抓配。
1.2 机械装置部分
首先制作中药自动抓配系统，对根块状药品拟定根段大小量化处理后，在储药抽屉底部安装抽屉推杆将量化后的药品推出，再者利用步进电机结合输送带制定快速到达指定药抽屉装置：X方向地面轨道轮子结合横向步进电机移动，Y方向丝杆升降，Z方向螺旋推拉及料斗装置。利用精确压力传感器反馈，实现定量取药。同时通过PID算法以及机械结构与电机的及时关停相配合尽量减小误差，本设计的模型图如图2所示。
（a）模型图
（b）实物图
2 下位机硬件电路
本项目的硬件电路设计包括：称重模块设计，电机控制模块，单片机主控制模块，电源模块设计。
2.1 主控电路
在当前的嵌入式系统设计中，STM32F407系列单片机被广泛采用，它具备高性能、低功耗、丰富的外设以及灵活的应用特性。由于中药材种类繁多，因此系统需要具备高精度的称重传感器来确保抓取的准确性。STM32F407系列单片机的主控模块可以满足这一要求，其高性能、低功耗和丰富的外设接口为系统提供了强大的支持。STM32F407系列单片机的主频率高达144 MHz，能够快速地处理各种任务，其程序存储器容量为1 024 KB，为应用程序提供了充足的空间。其工作温度范围为-40～85 ℃，能够在极端温度条件下正常工作，具有出色的环境适应性。STM32F407系列单片机提供了多种外设接口，包括多个通用定时器、通信接口（如USART、SPI、I2C）、以太网控制器、USB接口等。通过I2C或SPI接口与称重传感器进行数据传输，利用串口与上位机进行通信，实现实时监控和记录系统数据。该单片机的并行总线结构使得数据传输速率大大提高，嵌套中断向量控制单元则能够快速响应中断请求，这对于实时性要求较高的应用尤为重要。通过向电机控制模块发送控制信号，并结合实时反馈计算，STM32F407系列单片机可以对电机模块进行精确控制，确保该系统的稳定运行。
2.2 称重模块
称重模块采用HX711设计，HX711模块采用差分式ADC，通过测量两个输入端之间的电压差来获得输入信号。它具有高精度和低噪声的特点，适用于微小信号的测量，该模块测量范围一般为0～50 g，测量精度为0.001 g，HX711模块和压力传感器可以有效地组成一个电子秤系统，用于测量和获取重量数据。
2.3 电机类型与驱动模块设计
步进电机是一种非常精确的电机类型，它可以被精确地分解成离散的步进角度。这使得步进电机在需要高度精确位置控制的应用中非常受欢迎，如控制移动装置在不同柜子之间的移动。步进电机结构相对简单，寿命较长，且不需要电刷，因此磨损较小。对于中药抓配这种需要极高精度控制的场合，一款高精度的步进电机控制模块是必不可少的。为了实现这一目标，设计了一款基于FOC（磁场定向控制）的步进电机控制模块。通过FOC控制技术，可以对电机的位置和速度进行高精度的控制，从而实现中药抓配过程中的精准定位和稳定运行，该控制模块的电机主控芯片与驱动如图3所示，主要包括主控芯片和步进电机驱动部分。主控芯片负责接收控制信号并处理相关数据，根据控制算法输出相应的控制信号给步进电机驱动部分。步进电机驱动部分则负责将主控芯片输出的控制信号转换为实际的控制电压或电流，驱动步进电机按照指令进行转动。通过这样的设计，能够实现对步进电机的高精度位置和速度控制，确保中药抓配过程中的稳定性和准确性。
3 机械结构设计
3.1 根块状药品的抽屉结构
根块状的药品采用具有倾斜角度的拉伸抽屉结构设计，如图4所示，这种结构的目的是在称量装置到达药柜背后时，通过电磁铁的作用，与每个抽屉相对应。这些电磁铁通过控制系统进行精确的电磁吸引，从而操纵抽屉的打开和关闭。在每个抽屉的小孔位置设置了一个小斜坡，用于在非释放状态下阻挡药品的下落。当称量装置到达背后时，通过控制电磁铁上电，挡板被迅速吸引，拉扯药品，从而使得药品可以逆着倾斜角度顺利地落入下方的容器中，实现药品的精准、有序释放。
（a）模型图 （b）实物图
3.2 粉末状药品的机械结构设计
在药柜中，针对每个相应位置都设计了一种高效的螺旋推杆结构，如图5所示。在这一结构中，嵌入了一个精巧的推杆，其设计旨在使其沿着螺旋导轨轻松移动。这样的设计在整个系统中起到了关键的作用，为粉末药品的有序推送提供了可靠的机制。
为了实现螺旋推杆的运动，系统集成了一个电机或其他适当的驱动装置。该电机与推杆相连接，通过控制推杆的旋转，实现对粉末药品的逐步推送。这个精密的推送机制确保了对每个药品位置的准确定位和控制，从而实现了高精度和可靠性。
4 软件设计
4.1 上位机的软件开发及测试
使用LabVIEW VI作为上位机界面，通过串口通信与主控模块交互，实现了取药信息的传输和中药数据的实时可视化。该设计简洁而直观，包含了按钮、文本框和图表等控件，为用户提供了方便的操作和清晰的信息展示。
串口通信模块被配置以确保与主控模块之间的通信顺畅。用户可以通过按钮触发取药信息的发送操作，而文本框则负责显示实时的中药余量信息。利用LabVIEW的图表控件，系统实现了中药余量变化趋势的实时展示，使用户能够直观地监测中药状态。数据绑定功能被用于将从单片机采集到的中药余量数据与用户界面上的显示元素关联，从而实现信息的实时更新，上位机开药界面如图6所示。
4.2 串口通信数据包设计
上位机通过串口通信与嵌入式主控进行数据交互，将药单数据整理为数据包并下发给嵌入式主控。嵌入式主控接收到数据包后，对其进行解析，提取出所需的数据。同时，嵌入式主控还会实时反馈取药信息，将数据打包并通过串口通信上传给上位机。图7为数据打包格式，其中包含了必要的信息字段，用于确保数据的完整性和准确性。通过这样的数据交互方式，上位机能够实时监测和控制中药自动抓配系统的运行状态。同时，嵌入式主控的解析和反馈机制确保了数据的准确性和可靠性，提高了整个系统的自动化和智能化水平。这种设计使得该系统能够高效、准确地完成中药抓配任务，满足中药生产过程中的高精度要求。
4.3 下位机主控程序设计
主控程序的设计遵循模块化编程原则，通过逐步完成各个功能模块，确保系统的稳健性和可维护性。首先，程序进行功能模块的初始化，确保每个模块在正常运行前处于合适的状态。随后，主控与上位机建立通信连接，通过一系列协议确保双方能够有效地交换信息。主控首先向上位机发送当前抓药系统的状态信息，以确保上位机了解系统的初始状态。程序在等待上位机的指令时进入监听状态。一旦接收到上位机的指令，主控系统便开始执行抓药操作。在此过程中，主控系统实时监测当前药量，并将相关数据实时回传到上位机。这种实时的数据传递机制确保上位机能够及时了解抓药过程中的各项状态，使系统在操作中保持高度的可控性和可调性。抓药操作一旦完成，主控系统将抓药系统切换至待机状态，等待下一次指令的到来。整个流程的模块化设计使得主控程序易于理解、维护和扩展，同时确保了系统在各个阶段的高效协作和运行稳定性，系统主程序设计流程如图8所示。
5 系统测试
5.1 称重系统测试
将HX711称重模块与单片机GPIO口相连，该模块由一个二进制模数转换器（ADC）和一个放大器组成。ADC可以将模拟信号转换为数字信号，而放大器可以扩大信号的幅度，以便更精确地测量，称重测试可精确到1 g。称重测试如图9所示，称重结果分析如表1所示，测试表明，误差可控制在5%以内，该称重系统具有较高的稳定性与精度，符合对本设计的预期期望效果。
5.2 系统取药测试
抽屉出药测试分析结果如表2所示，多次取药测试结果表明，在电磁铁12 V时有最大吸力的前提下，6 V以上的电压可实现较为稳定的拉伸，而失败原因大多是出药口形状设计的缺陷，难以完美适配各类形状的药品。
6 结 论
在硬件、机械结构和软件三个方面的协同设计下，该中药自动抓配系统展现了出色的功能和创新性。
在硬件方面，该系统引入了高精度的重量传感器，实现对中药质量微小变化的实时监测，这不仅确保了抓药的准确性，还使得系统能够及时应对各种情况，满足了高精度抓药的需求；在机械结构方面，该系统巧妙设计了执行机构。这种执行机构能够确保抓药动作的迅速和准确，同时最大限度地减少对草药的损伤，通过精确的机械设计和优化，该系统实现了对草药的高效、精准抓取，同时保护了草药的药效和完整性；在软件方面，该系统构建了一个稳定高效的平台，通过先进的算法和数据处理技术，能够实时监测和调整抓药过程，进一步提高抓药的速度和精度。此外，系统还提供了一个直观友好的上位机用户界面，工作人员可以通过实时监测和数据处理，轻松调整中药的配比，从而保障中药制备的质量。
最后，本系统还存在一些不足之处，例如取药效率较低，取药成功率不够高，系统测试药品种类较少，此外，后续的研究还要关注数据传输的安全性以及用户的隐私保护等相关问题。
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作者简介：张存毅（2003—），男，汉族，山东曲阜人，本科在读，研究方向：自动化。
收稿日期：2024-01-12
基金项目：广西壮族自治区大学生创新创业训练计划项目国家级项目（202310595082）
DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.14.035
