渗透压仪研制及其在机电一体化教学中的作用

李学哲 罗建国 齐彦玮 吴文峰

华北科技学院机电应用技术研究所 北京 101601

渗透压仪研制及其在机电一体化教学中的作用

李学哲 罗建国 齐彦玮 吴文峰

华北科技学院机电应用技术研究所 北京 101601

渗透压仪在医药研究、食品安全等领域应用十分广泛。针对传统的渗透压检测方法存在测量精度低、可靠性差、结构复杂、系统成本高等缺点，提出了一种基于拉乌尔冰点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，阐述了仪器自主研制对机电一体化教学的作用及意义。

渗透压；测试仪器；机电一体化；教育教学

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，渗透压过高或过低将会导致人体细胞干死或细胞壁破裂等严重后果。为了更好地指导医生临床用药，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。

此外，渗透压测量仪是一个典型的机电一体化系统，主要涉及精密机械、自动控制、检测传感、信息处理、伺服传动等多个领域的知识[3]。渗透压仪的研制有助于解决机电一体化教学中机电分离的问题，有助于学生深入地理解机电一体化系统的整体运行过程和相关原理，有助于增强学生的学习兴趣。

1 渗透压仪技术方案

基于拉乌尔冰点理论的渗透压测量仪可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1所示。仪器采用AC220 V供电，通过内部的供电电路，转换成+5 V，±15 V，+12 V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250 K/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+12 V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1 渗透压仪控制电路结构框图

2 渗透压仪的设计及实现

根据技术方案，我们成立3个研发小组，分别负责系统结构设计、电路硬件设计和软件设计。结构小组负责系统的机械结构和组件布局设计；硬件小组负责硬件电路原理的设计、PCB板的绘制、元器件的采购、电路板焊接调试等；软件小组负责底层单片机程序设计，包括主程序模块、按键输入模块、液晶显示模块、温度采集模块、制冷控制和传动控制模块等。3个小组相互配合，理论联系实际，极大地增强了学生的学习热情，加深了对机电一体理论的理解与认识。

2.1 仪器机械结构设计

本仪器的机械结构主要包括3部分(如图2所示)。

图2 机械系统结构示意图

2.1.1 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。

2.1.2 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。

2.1.3 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。

2.2 仪器关键电路设计

2.2.1 冰点温度检测电路

溶液冰点温度的检测由NTC温度传感器SP60A完成。检测电路如图3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3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。

图3 冰点温度检测电路原理

2.2.2 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2套传动机构，分别由2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]。电机控制电路原理如图4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4 电机控制电路原理

2.2.3 制冷控制电路

渗透压仪在工作过程中，探针和被测溶液需要通过半导体制冷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+12 V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5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5 制冷控制电路原理图

2.3 实验结论

针对设计的渗透压测量仪，组织学生进行测试实验。实验结果表明，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。

3 渗透压仪研制对机电一体化教学的作用

机电一体化类课程是一门综合性和实践性极强的课程。为了提高教学效果和教学质量，必须把实验教学与理论教学两个方面紧密结合起来，二者并重，达到学以致用的目的。随着社会、经济对人才需求的发展，机电实验教学工作日益显示其重要地位。组织学生开展渗透压仪的研制，丰富了机电一体化实验教学的手段和形式，对机电一体化教学产生了多方面的促进作用，主要表现如下：

(1)渗透压仪是一个典型的机电一体化系统，组织学生开展渗透压仪的研究，可以加深学生对基本知识和理论的理解，扩展知识面，培养学生的科学思维、创新精神、实践能力、启发学生初步掌握科学研究的基本思路和基本方法等有着重要的作用。对于实现21世纪新型机电技术人才培养目标具有十分重要的意义。

(2)渗透压仪的研制培养了学生的动手能力和创新精神，有利于学生综合素质的提高。在科学研究过程中，学生会遇到许多新问题、新困难，这些问题和困难往往很难在书本上找到答案。这就需要学生善于总结、探索和创新。在仪器自主研发的实践过程中，学生通过动手焊接、调试、分析和解决问题，培养了其自身的动手能力和创新精神，为他们今后走向工作岗位，尽快适应工作环境提供了条件。

(3)组织学生开展渗透压仪的研究有利于激发学生的学习兴趣，变被动学习为主动学习。传统机电一体化实验仪器陈旧，功能简单、故障率高等，在很大程度上影响着学生的学习兴趣与积极性。运用新技术、新概念开发新的机电一体化仪器设备，一方面，给学生以耳目一新的感觉，从而提高了他们的实验学习兴趣和动力。另一方面，学生通过参与实验教学仪器的研发活动，可以接触和了解许多新知识和新技能，这些知识与技能直接与学生的就业与工作息息相关，因而可以极大地增强学生的学习兴趣与热情，从而获得最佳的学习效果。例如，传统的电子电路教学，理论与实践结合得不紧密，学生很难理解电路的功能和应用技巧。在渗透压仪的研发过程中，学生直接接触到各种典型的信号处理、分析电路，直观地感受各种电路的逻辑功能和设计方法，极大地增强了学生的他们主动性和热情。

4 结束语

新型渗透压测量仪弥补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。渗透压仪的研制丰富了机电一体化实验教学的模式，开阔了学生的思维，增强了学生的学习兴趣，使学生综合素质得到了提高，为学生日后的工作打下了坚实的基础。

[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] 宓方伟，陈功福.机电一体化实验装置设计[J].制造技术与机床，2004(6)：30-32.

[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[D].天津大学，2007.

[6] 李学哲，黄成玉，张全柱，邓永红.信号发生器数字化改造及其在教育教学中的作用[J].创新与创业教育，2012(4)：80-82.

The Research of Osmotic Pressure Instrument and its Role in Mechanotronics Teaching

Li Xuezhe， Luo Jianguo， Qi Yanwei， Wu Wenfeng
North China Institute of Science and Technology， Beijing， 101601， China

Osmotic pressure meter is widely used in medical research， food security and other fields. The traditional osmotic pressure detection methods have disadvantages of low precision， poor reliability， complex structure， and high cost. In the paper， a novel osmotic pressure test instrument based on Raoul theory is proposed. The principle， the realization scheme and functional characteristics of the system are also introduced in the paper. Finally， we discuss the effect and significance of instrument developed on electromechanical integration teaching.

osmotic pressure； measuring instruments； mechanotronics； education and teaching

2014-07-29

李学哲，硕士，讲师。

中央高校基本科研业务费资助(编号：3142013099)。