基于机电一体化系统设计理论的渗透压仪研究
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【摘要】渗透压仪在医药、卫生领域应用十分广泛。目前，常用的渗透压仪大多结构复杂、价格昂贵、检测效率和精度低。鉴于此，文章提出了一种基于机电一体化设计理论的新型渗透压测试仪器，重点介绍了该仪器的原理、实现方案及功能特点。该仪器具有体积小、精度高、检测速度快等优点。另外，仪器设有数据传输接口，方便数据的分析与综合利用。
【关键词】渗透压仪;机电一体化;冰点测量;医药卫生
Abstract：Osmotic pressure meter is widely used in medicine，health. At present，the most commonly used osmotic pressure meter have disadvantages of complex structure，high cost，low precision and efficiency. To solve these problems，we propose a novel osmotic pressure test instrument in the paper，which is designed by mechanotronics theory. Meanwhile，the principle，the realization scheme and functional characteristics of the system are introduced in the paper. The instrument has the advantages of small size，high accuracy，fast detection speed etc.. In addition，the apparatus is designed with a data transmission interface，convenient data analysis and comprehensive utilization.
Key words：Osmotic pressure meter;Mechanotronics;Freezing point test;Medicine
引言
渗透压仪在医药、卫生领域应用十分广泛。在制作注射针剂、滴眼液等药物时，必须考虑药剂的渗透压，渗透压过高或过低都会导致人体细胞或细胞壁破裂等严重后果。为了更好的指导医生临床用药，必须在药物标签上注明溶液的渗透压相关参数[1-2]。因此研制开发渗透压测试仪器在药物研发、生产及临床用药等方面具有重大意义。
目前，常用的渗透压测定方法有：冰点下降法、沸点升高法、半透膜法等[3]，本文提出的新型渗透压测量仪采用冰点下降法设计，融合了机电一体化系统设计理论。该仪器克服了传统检测方法的不足，具有体积小、精度高、重复性好、操作简便等优点。
1.渗透压仪工作原理及技术方案
1.1 工作原理
本文提出的渗透压仪基于拉乌尔冰点理论设计。所谓拉乌尔冰点理论就是任何溶液如果其单位体积所溶解的颗粒总数相同，则引起溶液冰点下降的值也相同。根据该理论，我们知道，水溶液的渗透压摩尔浓度与其对应的冰点值有一一对应关系;其渗透压摩尔浓度与冰点温度下降值为线性关系，其关系为;其中表示水溶液的渗透压摩尔浓度;表示水溶液的冰点温度值相对于水的冰点温度值的下降值。可见，通过测量被测水溶液的冰点温度下降值可以算出对应水溶液的渗透压摩尔浓度。
对于任意水溶液，其结冰过程可以用图1所示的结冰曲线来描述。图中AB段为降温阶段;BC段为过冷阶段;CD段为溶液受到扰动后，开始结晶放热，溶液温度回升阶段;DE段为温度稳定阶段，该段温度即为所测溶液的冰点温度。因此，测得这段平稳曲线的温度值，最终就能评价所测溶液的渗透压值。
图1 水溶液结冰曲线图
1.2 技术方案
基于拉乌尔冰点理论的渗透压测量仪总体上可以分为机械结构和控制电路两部分，仪器整体是一个典型的机电一体化装置，整个系统的设计遵循机电一体化系统设计原则。其中，机械结构部分包括一套探针搅拌机构、两套制冷机构、和两套传动及定位机构。控制电路部分包括供电电路、单片机电路、通信电路、传动控制电路、制冷控制电路、高精度温度检测电路、按键及显示电路等，控制电路结构如图2所示。仪器采用AC220V供电，通过内部的供电电路，转换成+5V、±15V，+12V等控制电源供仪器使用;单片机选用STC12C5A芯片，实现键盘读入、LCD显示、高精度温度测量、制冷和传动控制等功能。STC12C5A60S2是一款高效微控制器，内部集成了10位ADC模块，转换速度可达250K/S，具有技术成熟可靠、灵活方便、价格低廉等优点，其软硬件资源可以满足设计要求[4];溶液冰点温度测量采用美国SENSOR公司的负温度系数热敏电阻SP60A实现。该型号的热敏电阻采用玻璃封装形式，能够实现液体温度的高精度测量，误差为±5%;半导体制冷元件采用单级温差电制冷组件TEC1-12706设计，该组件采用+12V供电，配合NTC温度传感器实现对样品和探针的制冷控制;此外，仪器还设计有按键、液晶显示、EEPROM存储等电路，用于完成标定和测量参数显示等功能。
图2 渗透压仪控制电路结构图
图3 机械系统结构示意图
2.仪器机械结构设计
本仪器的机械结构主要包括三部分，下面将分别介绍。
1）探针搅拌机构。由直流电动机、曲柄滑块机构和探针组成，该机构利用电机转动，带动探针做上下直线运动，从而实现对溶液的搅动并触发其立刻结晶。
2）制冷机构。本仪器有两套制冷机构，分别负责对被测溶液和探针的制冷控制。每套制冷机构包括制冷半导体、制冷铜块、温度传感器和绝热填充材料等。
3）传动和定位机构。本仪器有两套传动和定位机构，分别负责对制冷机构的平移控制和探针搅拌机构的升降控制。每套传动和定位机构由直流电动机、齿形带传动机构、光耦开关等组成（见图3）。
3.仪器硬件电路设计
3.1 冰点温度检测电路
仪器中，溶液冰点温度的检测采用NTC温度传感器SP60A来完成。检测电路如图4所示。NTC插入样品，与被测溶液充分接触，当溶液温度发生变化时，NTC的阻值也随之变化，利用图4所示的电路可以测得阻值的变化，从而测得溶液温度。根据结冰曲线，可以分析出溶液的冰点温度。电路分析：IC6A，R97，R98组成一个200mA恒流源电路;利用恒流源将NTC的阻值转换为电压信号;再利用IC7采集并将信号送给单片机;最后单片机再根据温度曲线计算冰点温度。
3.2 传动控制电路
传动控制电路是本设计的重要组成部分，是整个电路系统的一个有机整体。仪器中有两套传动机构，分别由两个12V供电的直流电机控制，实现制冷机构的平移控制和探针机构的升降控制。电机控制由LMD18200完成[5]。LMD18200是美国国家半导体公司推出的专用于直流电机驱动的H桥组件。其连续输出电流达3A，工作电压高达55V，且具有过热和短路保护功能，能够方便的实现对直流电动机的可靠控制。电机控制电路原理如图5所示，LMD18200所接收的转向信号由单片机的P1.1输出，而PWM信号由P1.2模拟输出，实现直流电动机的转速和转向控制，进而实现对传动系统的控制。
图5 电机控制电路原理
3.3 制冷控制电路
渗透压仪在工作过程中，（下转第121页）（上接第119页）探针和被测溶液需要通过半导体制冷来使其达到规定的温度范围。本仪器中半导体制冷元件采用单级温差电制冷组件TEC1-12706设计，该组件采用+12V供电，配合NTC温度传感器实现对样品和探针的制冷控制。电路图如图6所示。当P2.1为低电平时，Q1导通，制冷半导体得电，开始制冷;当温度达到规定值时，P2.1变为高电平，Q1截止，制冷半导体失电，停止制冷。
图6 制冷控制电路原理图
3.4 RS485总线接口电路
本文设计的总线接口电路采用RS485通信方式，接口电路原理如图7所示。利用RS485总线接口，实现渗透压仪的数据传输与分析。
图7 RS485接口电路原理图
4.实验与分析
针对设计的渗透压测量仪，进行了测试实验，实验对象是质量分数为0.9%的NaCl标准溶液。三次测量据如表1所示。实验结果表明，三次测量结果的相对偏差小于1%，测量平均值的相对误差小于1%，本仪器的测量精度和重复性较高，能够满足设计要求。
表1 渗透压仪精度及重复性实验数据表
电压值（V） 冰点温度
（℃） 渗透压摩尔浓度
（mOSmol/kgH2O） 误差
第一次测量 1.837 -0.535 287.9 -0.2%
第二次测量 1.839 -0.538 289.5 0.3%
第三次测量 1.835 -0.532 286.3 -0.7%
平均值 1.837 -0.535 287.9 -0.2%
标准值 288.5
5.结束语
本文提出的新型渗透压测量仪采用冰点下降法设计，融合了机电一体化系统设计理论。该仪器克服了传统检测方法的不足，具有体积小、精度高、重复性好、操作简便等优点。在医药、生物和食品卫生等领域具有广阔的应用前景。
参考文献
[1]董来鑫，李艳宁.基于MSC1210的冰点温度测量系统[J].电子测量技术，2008，8：151-153.
[2]戴稼禾，忻伟钧.冰点渗透压计及其在医学临床上的应用[J].中国医疗器械杂志，1997（3）：65-66.
[3]叶宏宇，沈满，刘锁.渗透压测量方法简析[J].药物分析杂志，2001（21）：94-95.
[4]陈桂友.增强型8051单片机实用开发技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.
[5]赵景.基于ARM的溶液冰点仪研制.硕士学位论文，天津大学，2007.
基金项目：中央高校基本科研业务费资助（项目编号：3142013099）。
作者简介：李学哲（1976―），男，吉林通化人，硕士研究生，讲师，主要从事传感器测控、光机电一体化技术方面的研究工作。