智能循跡小車在制藥生產(chǎn)中的傳送

李汝山 孫彥萍 孟 濤

（山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東淄博255049）

0 引言

眾所周知，制藥業(yè)是全球十大高盈利行業(yè)之一，與人們的生活息息相關(guān)，也是我國(guó)的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。中國(guó)制藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主要由13億多人口的疾病治療、保健康復(fù)、生育等必需的醫(yī)藥消費(fèi)所帶動(dòng)。自改革開放以來(lái)，中國(guó)醫(yī)藥業(yè)的產(chǎn)值年均增長(zhǎng)率在16.6%左右，“八五”期間發(fā)展速度最快，年平均增長(zhǎng)率為22%，“九五”期間仍保持年平均增長(zhǎng)率17%的發(fā)展速度。醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)規(guī)模在2001年總值為2770億元人民幣，占大陸GDP的2.9%；2002年醫(yī)藥工業(yè)總值為3300億元人民幣，占GDP的3.2%左右，增幅達(dá)18.8%，高于全球醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)年平均增長(zhǎng)率13%。目前，我國(guó)啟動(dòng)了新醫(yī)改，國(guó)際市場(chǎng)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移也帶來(lái)更多的機(jī)會(huì)，使制藥業(yè)更加快速地發(fā)展。制藥產(chǎn)業(yè)是典型的流水線作業(yè)，藥物傳送是流水線中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。因此，提高傳送效率對(duì)提高整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的高效性有很大的作用，同樣也會(huì)使制作空間能夠得到更大的利用。

1 系統(tǒng)模塊的介紹

1.1 STC89C52單片機(jī)

單片機(jī)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，也被稱為微控制器（M icro controller）。它最早被應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。目前國(guó)內(nèi)外用的較多的是以51內(nèi)核擴(kuò)展出的單片機(jī)，即通常所說(shuō)的51單片機(jī)。STC89C52單片機(jī)是51單片機(jī)系列中的一種帶8K字節(jié)閃爍、可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS8的微處理器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MSC-51指令集和輸出管腳相兼容。

1.2 紅外循跡模塊

在智能循跡小車的設(shè)計(jì)中使用的是一體反射式紅外對(duì)管，所謂一體就是發(fā)射管和接收管固定在一起，反射式紅外對(duì)管的工作原理就是接收管收到的信號(hào)是發(fā)射管發(fā)出的紅外光經(jīng)過(guò)反射物的反射后得到的。紅外檢測(cè)輸出如圖1所示。使用紅外對(duì)管進(jìn)行循跡時(shí)必須是白色軌道加黑色引導(dǎo)條。

電路由1組紅外對(duì)管、電位器、運(yùn)算放大器和電阻組成，電阻R1起到限流的作用，用來(lái)控制發(fā)光管發(fā)出紅外信號(hào)的強(qiáng)弱。接收管實(shí)際上是一個(gè)光敏三極管基極的光電流經(jīng)過(guò)放大后流經(jīng)電阻R2產(chǎn)生電壓與電位器調(diào)節(jié)后得到的電壓進(jìn)行比較。A1與電阻組成1個(gè)比較器。在有紅外信號(hào)返回時(shí)OUT端輸出高電平，反之輸出低電平。

紅外探測(cè)檢測(cè)到黑線輸出低電平0 V，檢測(cè)到白線輸出高電平3.75～5 V。

1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的主要功能是驅(qū)動(dòng)小車輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，使小車行進(jìn)。由于從控制模塊輸出的信號(hào)功率很弱，即使在沒(méi)有其他外在負(fù)載的情況下也無(wú)法帶動(dòng)電機(jī)。所以在實(shí)際的電路中需要加入電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片提高輸入電機(jī)信號(hào)的功率，從而能夠根據(jù)需要控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)芯片比較常見(jiàn)的是15腳封裝的L298N，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，可以方便驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)，或1個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。

L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，采用15腳封裝，如圖2所示。

該芯片的主要特點(diǎn)：

（1）工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46 V；

（2）輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3 A，持續(xù)工作電流為2 A；

（3）額定功率25W，內(nèi)含2個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；

（4）采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；

（5）具有2個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作，有1個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；

（6）可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。

使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)1臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)2臺(tái)直流電機(jī)。

圖3為L(zhǎng)298N內(nèi)部原理圖。OUT1、OUT2與小車的一個(gè)電機(jī)的正負(fù)極相連，OUT3、OUT4與另一個(gè)電機(jī)的正負(fù)極相連，單片機(jī)通過(guò)控制IN1與IN2、IN3與IN4分別控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。ENA與ENB分別控制2個(gè)電機(jī)的使能。

2 智能循跡小車工作原理介紹

2.1 智能循跡小車的運(yùn)動(dòng)控制

采用STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制中心，用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制2個(gè)直流電機(jī)進(jìn)而控制左右輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，通過(guò)輸入PWM脈寬調(diào)制信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，運(yùn)用2個(gè)紅外線傳感器檢測(cè)跑道，控制電機(jī)的停止與轉(zhuǎn)動(dòng)。在制藥車間中，設(shè)計(jì)一些傳輸軌道，主要是圓周型的，當(dāng)然直線型也適用，在軌道上按需要用黑色引導(dǎo)條設(shè)計(jì)出黑色軌跡（小車的運(yùn)行軌跡）。在傳送過(guò)程中小車將按照設(shè)定的路線智能自動(dòng)地運(yùn)行。小車啟動(dòng)后，車身前方的2個(gè)傳感器開始工作，當(dāng)檢測(cè)到黑色引導(dǎo)條時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)將根據(jù)接收到的信號(hào)調(diào)用對(duì)應(yīng)程序控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而控制小車的運(yùn)行方向。同時(shí)，利用測(cè)速模塊和單片機(jī)編程控制小車在特定路程中的速度。例如：在工作人員取放藥物的時(shí)候速度應(yīng)該減慢，而在傳送過(guò)程中應(yīng)盡可能地提高速度，以便提高整個(gè)傳輸過(guò)程的傳送效率。

2.2 電路控制原理

電路控制原理圖如圖4所示。

2.3 流水線作業(yè)模擬

制藥傳輸中一般采用傳送帶傳送的方式，傳送帶的部分運(yùn)送軌道一般為直線型。這種傳送方式占用空間較大，而且對(duì)于工作人員的工作區(qū)間分配也存在限制（工作人員只能在傳送帶兩旁工作）。而利用智能循跡小車傳送，可以按照要求設(shè)計(jì)成各種弧形軌道。比如可以設(shè)計(jì)圓周型軌道，采用多輛小車同時(shí)工作的模式，使傳送效率得以提高。同時(shí)，工作人員可沿圓周分配，工作過(guò)程中，圓周的一部分工作人員將要傳送的藥品放在運(yùn)行的小車上，當(dāng)運(yùn)行到圓周的另一部分時(shí)，由接收的工作人員取下藥物，完成藥物的一次傳輸。之后，小車?yán)^續(xù)運(yùn)動(dòng)，循環(huán)傳送與接收藥物。在整個(gè)過(guò)程中，小車的運(yùn)動(dòng)完全在單片機(jī)的控制下自行進(jìn)行，不需要額外工作人員的掌控，這樣就更加節(jié)省了人員的分配。圖5為實(shí)際流水線工作中小車運(yùn)行模式的模擬。

3 結(jié)語(yǔ)

藥物傳送在制藥產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用廣泛，智能循跡小車為藥物傳送提供了一種新方式，其不僅應(yīng)用世界領(lǐng)先的新技術(shù)使工業(yè)發(fā)展更加智能化，而且更加有效地分配了人力資源。多個(gè)學(xué)科的相互滲透使技術(shù)的應(yīng)用更加合理化，這將會(huì)更加有效地提高制藥工業(yè)的生產(chǎn)效率。

［1］郭天祥.51單片機(jī)C語(yǔ)言教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011