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基于微控制器的零售药品计数器
摘要
与市面上的药品计数器不同，本项目中设计的产品是基于PIC16F877A微控制器作为主控制器开发的。它可以克服市面上当前计数器的一些缺点，如价格昂贵，体积庞大并且过于沉重。这个项目涉及到硬件与软件两个方面，项目使用MPLAB编写汇编语言，特殊的振动平台被设计用于自动输送药片进入独立的光电检测模块。视觉显示器把计数结果显示到一个7段计数器上。操作者可以很简单的停止、开启以及重置计数服务。对于从8mm-18mm的大多数形状的药品，计数的准确性高大100%。除此之外，这个项目还减少了客制化服务的费用，快速控制外部组件，计数最大值达999。
索引词—汇编语言，制药学，药品计数器，PIC微控制器，光检测器
1. 简介
目前的药品计数器存在的价格昂贵，体积庞大，过于笨重的缺点激发了本项目的开发，该项目建立了一个绝大多数药房能够支付得起的精确小型化药品计数器。在这个项目中包含了硬件、软件两个方面，硬件机械结构方面包括了振动平台，尺寸控制孔，翻板，漏斗和主体部分。电子软件部分由电力供应，PIC16F877A及其相关电路，光电耦合器，按键，七段译码器显示，振动直流电机，双向直流电机和蜂鸣器。EAGLE软件用于绘制电路图和提供印刷电路板布局。
本项目用MPLAB 和 ICprog软件编写汇编语言，同时展示了一些测试系统运行状况的实验。
2. 文献综述
这个部分讨论了关于现存药品数粒机（手动与自动）的工作对象药品大小的调查，并且做了着重关于光感应器的灵敏度的综述。之后，该部分还大致描述了微控制器的选择以及与本项目相关的PIC16F877A的特点。
A. 人工操作装置
人工药品数粒装置有很多种类，目前能够得到的基本数粒机是三角托盘和数粒盘。
数粒盘在自从操作员需要用手拿铲子将药片分离到特定的区间里去后变得没有什么用处了，这种操作方法非常浪费时间而且需要100%的注意力。
药房里最常使用的工具是三角盘。因为打包小额数量（小于30粒）的情况下，药剂师们最常用的就是三角盘。
这种方法相比于使用数粒盘简单很多，药品放在托盘里面，托盘把药品慢慢的一列列抖动到格子中，填充满的一列药品代表了托盘里面放置的数量，如表1所示：
表1 每一列装满后所代表的数量
然而，这种数粒机只适合圆形药片的计数使用，其他外形如椭圆形，三角形，方形和胶囊都无法使用这种机器来进行计数。相反，药剂师通过使用铲子或者瓶帽来分别打包它们来计数。
B. 现存的药品数粒机
市面上拥有大量的电子数粒机，这些机器要么是红外传感器的，要么是称重的方式来工作。其中一些的计数速度极其高（高达1500粒/分钟），也有一些的速度慢一点（500粒/分钟），它们对于零售药房来说购买一台的价格相当昂贵。实际上，大多数的数粒机都非常庞大，不好操作，适用于大规模包装。
表2显示几种比较受欢迎的电子数粒机，MiniCount 和 Dispensa这两种机器是设计用来大规模包装，其外形尺寸非常大；KL15df用来给药品计数但是却不能根据使用者的要求来分发；KL25更适合来药房的使用但是费用却太昂贵；Sartorius使用的是称重法，它必须需要操作者不断给料或者移除直到达到想要的数量[2]。
我们对一些药剂师做了采访，根据调查结果，药房零售商们急需一款抵挡廉价的数粒机。
表2 几款受欢迎的数粒机的比较
C. 药片和胶囊的尺寸
根据一些瑞典、国际药品监管总局（马来西亚卫生部）和美国食品药品监管局（US FDA）的药品经理和管理者所说，药片和胶囊的尺寸没有特定的标准。
为了确定可以吞咽及手持的药品的大小我们做了一个调查，结果显示，药片正常的大小在直径7mm到13mm范围内。
更大或更小的尺寸通常会用锡箔纸或者小瓶包装起来，Upha处方药鉴别中心表示药片的外形有各种形状比如圆形，长方形，椭圆形，D形，正方形或者胶囊状。
D. 微控制器的选择
一个8位的PIC，微芯科技有限公司的产品，相比于其他的微控制器至少拥有两大优点，第一。PIC的程序存储器在芯片内部是完整的，它不需要像其他的电脑微控制器那样需要额外的存储器[2]，其结果就是这些控制器的运行速度比PIC的慢。
PIC的第二个优点是在于它的尺寸很小，这也是得益于它的板上存储器。这个装置很容易去编程，再使用并且不贵。PIC的接口技术和其他类型的微控制器相比也很简单[5]。所有的这些特点都达到我们选择PIC的标准，本项目使用的是PIC16F877A微控制器。
E. 光检测装置
光检测装置作用起来在接收光线时就像一个开关，这个装置的种类很多，例如光电倍增管，二极管，光电晶体管，光敏电阻器，集成电路。考虑到这些检测装置的最低成本和最小尺寸，本项目中可使用的有三种检测器。表3给出了选用的检测器的工作波段以及最适合它们的光源。
表3 各种光检测器的波长特点和适用光源
就光响应范围来说，光电二极管在可见光（500-700nm）范围内不能正常工作，但是却只有它能在红外光源下工作[5]。相反，输入可见光时光电晶体管可以基本检测出来，光敏电阻很轻易就可以检测到。
在价格方面，光敏电阻最便宜，再就是光电晶体管，红外光电二极管最昂贵。
其他的考虑因素有传输距离、使用周期、抗振性，时间响应，光学功率，信噪比，辐射方向，频带宽度，电子互换性以及封装组合的限制。
考虑到所有光检测器的低成本，小尺寸，光敏电阻满足所有标准，一个普通光敏电阻使用的是硫酸铬（CdS）半导体材料，这就是所说的CdS电眼，这个材料放在涂抹着铅的陶瓷上，安装到有一个小开口的案子上。
当光线照射到电阻上，电子空穴载流子被释放，电子向正极移动、空穴向负极移动。当光的照度增大，电流增加，因此电阻的阻力减小[6]，该阻力的减小量与光照的强度成正比。
尽管CdS光敏电阻的光谱响应带很宽，但是它的光致发光谱在波长545-554nm之间达到峰值[4]，这个峰值可以和从LED灯发出的0.6micro;m的可见光相匹配。除此之外，它外界温度工作范围很大，因此它可以在任何情况下使用。
为了在项目中使用这个元件，就必须给这个电阻加上一个分压电路。
- 方法
一般而言，该项目分为两个主要部分：硬件和软件。硬件和软件被进一步分解成若干个独立的子系统。这个硬件部分还包括机械和电子系统。每个子系统进行了测试，单独实施并整合在一起，构建最终项目。
- 机械结构
机械结构设计为双意向，一个是给电路板，包括键盘和显示；另一种是提供一种平板流控制系统。
该系统由包括一个振动板，光圈，皮瓣，漏斗和喷射器的机械装置组成，保证一次出一颗药丸。
- 电子硬件设计
基本上，硬件已被分成几部分分别连接到PIC16F877A。PIC16F877A单片机作为整个系统的主控制器。以PIC16F877A单片机的电子硬件的概念连接在框图的形式提供，如图1所示。
图1. 电子系统的方框图
系统电源：PIC16F877A和其他子系统在 5V直流电源下操作。在正常工作时，电源是从适配器通过DC插座提供（输入范围从9V至12V足够），9V电池用于携带或停电。转换为 5V输出是由稳压器LM7805实现。散热片连接到LM7805作为冷却装置。1A桥式整流器和一些电容保证 5V的无纹波输出。
PIC16F877A单片机复位电路：PIC16F877A有内部电路复位功能。在正常操作中，MCLR探头是直接接在 5 V电源通过一个10 KOmega;电阻保持。以防需要重置微控制器的情况发生，增加了一个普通打开开关。
外部振荡器连接：一个4 MHz的晶体振荡器连接OSC1和OSC2，为PIC16F877A提供适度的时钟速率（1mu;S）。双22pF电容器被使用，因为高电容增加了振荡器的稳定性，也增加了启动时间[ 1 ]。当使用程序时，XP模式被选为谐振器。
PIC16F877A单片机的I/O探头连接：基本的想法是使用PIC16F877A单片机作为整个系统的主控制器。该项目利用PIC16F877A的25 格I / O探头。表四总结了在设备中的输入/输出探头的外设功能。
表4. PIC16F877A输入输出外设引脚的使用
- 程序设计
该程序是基于MPLAB IDE用汇编语言写成并在PIC16F877A中实现。图2显示程序的总流程图。
图2. 主程序程序流程图
- 结果与分析
重要的是要验证方法，以预测其有效性。对测试结果进行了分析和讨论。
- 片剂检测与信号波形
图3显示了3个Cloxcecilin药片下落时挡住或不挡住RC1探头时的响应。RC1探头测量与CdS电眼串联的可变电阻的电压。脉冲并不是一个方形脉冲，因为CdS电眼没有立即响应的光的涌入。
在没有药片的情况下，电眼一直被照亮。RC1探头测定可变电阻的恒定电压4.32V为高电压。之所以出现这种现象是因为由于电眼的电阻太弱，电流通过可变电阻器流通。
当电眼被药片阻塞时会产生一个负脉冲。参照图3的波形，RC1探头检测到低电压1.28V。这导致RC1探头检测到“低”状态。
图3. RC1引脚测得的波形
- 计数速度
这张图处理药片计数的时间已由MPLAB SIM秒表估计，模拟时间为3.151ms。之后，准备感知另一药片。
用Piriton药片测速的实验已经完成，捕获到的最快的波形显示计数器可以感知两个药片的时间是19.67ms，包括药片坠落的时间和程序延迟的时间。
以下是计算计数器速度的公式：
(1)
因此，计数器的预测速度为3050片/分钟。用20兆赫振荡器可以提高速度，然而，设备记录的速度足够在药店使用。此外，所设计的机械硬件所产生的流量比编程的速度慢。
- 传感器灵敏度
对Ponstan药片，Panadol药片，Piriton药片，Bucospoan药片和Cloxcecilin胶囊进行了测试，每种药片和胶囊的形状和直径或长度都不一样（见表五）。图4和图5分别记录了振幅和负脉冲宽度的最大值和最小值。
表5. 药片的大小
这些不一致是由在感知时，药片的速度和位置影响的。药片下落的速度越快，阻塞的时间越短，这将在RC1探头产生较短的负脉冲宽度。同时，药片越接近光电耦合器轴，探测器或LED，阻塞越多，这将在RC1探头产生更高的振幅。
图4. RC1引脚对于药片大小的振幅
图5. RC1引脚对于药片大小的负脉冲宽度
7毫米大小的药片有时无法检测到，这是因为RC1探头不能在振幅低于1.84 V和负脉冲宽度短于5.9毫秒的情况下响应。
实线中的“*”代表记录的最大值，虚线中的“*”代表记录的负脉冲宽度。底部绘制的实线是有效检测的最小值，最小振幅1.84v和最小负脉冲宽度为5.9ms。
从图4和图5可看出幅度和负脉冲宽度随药粒大小的增加而相应增加。
除了大小，片剂的形状也影响检测器的响应。基于图4和图5，RC1探头对尺寸从8mm到18mm的药片的振幅呈线性响应。这是因为所有的测试药片的尺寸为8毫米和12毫米（Cloxcecilin，Panadol和Piritonare）是平面圆形片，18毫米的大小实际上是一个胶囊。也就是说，对于具有相同厚度（最大阻塞面积）的药片，由于其在检测光束经过时，其障碍物随厚度的增加呈线性增加。然而，对于7毫米和19毫米的药片，振幅和负脉冲宽度很短。这是因为它们的形状（厚度不均匀），产生较少的阻塞面积。尺寸7毫米的药片（Bucospan）是凸曲面圆润的形状，尺寸19毫米的药片（甲灭酸）是凸面椭圆形。
在文献中，电眼随着照明水平呈线性变化[6]。因此，药片的阻塞基本上会降低电眼的光照和电阻。
- 计数精度
当片流系统每次放出多于一粒药片而PIC只检测到一粒药片时，计数器便不能准确对药片计数。通过改进片流系统，使其能逐一安排分发药片，就可以解决这个问题了。
每次手动匀速（大约0.5秒到1秒）倒入试验药。这种方法的目的是为了避免两药同时存在造成的不准确性。本次测试测试了不同大小和不同形状的药丸，包括Ponstan, Panadol, Piriton ,Bucospoan 药片和Cloxcecilin 胶囊。测试开始通过选择所需的值（15，30，60或100）。这些值是基于对药店普通包装量的研究文献。当数量达到并且从漏斗口收集的药片都被计数时，计数器便停止。平均值是基于四次试验，每次测试数量都被计算。结果发现，计数器能准确计数各种药片样品（除了Bucospan片）。
至于先前对传感器林敏度的讨论，对7mm大小的药片检测不一致。这是因为这种药片无法阻碍介于LED和CdS电眼之间的波束宽度。
- 七段显示
七段显示器能够显示所有的三位数，提供非常明亮、清晰的显示效果。这个三位计数器实际上是由编程实现的多路复用。
程序中关于显示的子程序模拟了MPLAB SIM秒表工具。结果表明，每位数字
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