李大琳,梁家鵬,張嘉俊,鄧嘉杰,謝翠峰,許志榮（吉林大學(xué)珠海學(xué)院,廣東 珠海 519041）

基于色敏傳感器的自動(dòng)滴定儀設(shè)計(jì)

李大琳,梁家鵬,張嘉俊,鄧嘉杰,謝翠峰,許志榮
（吉林大學(xué)珠海學(xué)院,廣東 珠海 519041）

滴定實(shí)驗(yàn)是在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中最常用的實(shí)驗(yàn)之一，目前主要采用手動(dòng)操作。其難點(diǎn)主要在確定試劑比例的最后半滴操作精度難以控制。本論文來源于廣東省省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，經(jīng)費(fèi)代碼4041426112。方案的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于通過色敏傳感器作為信息反饋，以準(zhǔn)確確認(rèn)試劑比例，通過以步進(jìn)電機(jī)為基礎(chǔ)的動(dòng)力傳動(dòng)部件作為試劑滴定執(zhí)行機(jī)構(gòu)，準(zhǔn)確控制試劑滴入量。該設(shè)備目前可以完成幾種典型基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，效果良好。

色敏傳感器，滴定實(shí)驗(yàn)，步進(jìn)電機(jī)

0 正文

滴定實(shí)驗(yàn)是化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中最常用的實(shí)驗(yàn)之一。其主要用于配制試劑。當(dāng)某種試劑的制成需要兩種或兩種以上試劑混合反應(yīng)得到時(shí)，通常采用滴定實(shí)驗(yàn)，根據(jù)指示劑的顏色變化指示滴定終點(diǎn)，然后目測標(biāo)準(zhǔn)溶液消耗體積，計(jì)算分析結(jié)果。實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是操作上簡單重復(fù)，但是難點(diǎn)在于精確控制試劑比例的最后半滴操作。目前實(shí)驗(yàn)室通常采用手動(dòng)操作，需要操作人員投入大量時(shí)間、耐性才能達(dá)到一定的熟練程度。

國際上現(xiàn)有的幾種自動(dòng)滴定設(shè)備都是采用電極式，即將一個(gè)電極放入被測液體內(nèi)，當(dāng)被測液體成分達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求時(shí)，電極輸出對應(yīng)導(dǎo)電電流作為反饋。設(shè)備原理復(fù)雜，難以大規(guī)模推廣。

項(xiàng)目組在設(shè)計(jì)方案時(shí)根據(jù)平時(shí)教學(xué)所獲得知識，決定采用色敏傳感器直接觀察試劑顏色變化的方案來實(shí)現(xiàn)。雖然該方法也有一定的局限性，但在原理上具有突破意義。

1 系統(tǒng)方案

下圖為自動(dòng)滴定儀3D仿真方案。原有試劑量杯的擺動(dòng)操作由動(dòng)力區(qū)的步進(jìn)電機(jī)總成提供；反應(yīng)區(qū)量杯的下部安裝色敏傳感器，目前項(xiàng)目采用的是德國進(jìn)口的色標(biāo)傳感器，能夠完成從無色到紅色或者無色到綠色的識別；試劑滴入量的控制則是通過途中左側(cè)步進(jìn)電機(jī)來控制，以實(shí)現(xiàn)半滴滴入。為了實(shí)現(xiàn)試劑的正確滴入，系統(tǒng)還在試劑滴管口上增加了氣泵，將試劑口液體吹落。

下圖為系統(tǒng)組成原理框圖：系統(tǒng)采用STC89S52單片機(jī)為控制核心。當(dāng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)改變時(shí)，可以用PC上的客戶端通過232接口實(shí)現(xiàn)參數(shù)修改，包括：色敏傳感器輸入?yún)?shù)、試劑量杯擺動(dòng)幅度、單次試劑滴入量等參數(shù)。

2 控制算法

下圖為程序控制邏輯：

由于色標(biāo)傳感器需要反應(yīng)時(shí)間和特定角度才能夠正確輸出液體顏色，所以程序在每次加液后會使試劑量杯旋轉(zhuǎn)后定在固定位置，并且等待2s讓色標(biāo)傳感器作出正確反映。

量杯中試劑的量，由操作人員預(yù)先在程序中寫入，程序由此計(jì)算出試劑滴入量，在快達(dá)到上限時(shí)，由整滴滴入轉(zhuǎn)為半滴滴入。

氣泵只有在半滴滴入階段才啟動(dòng)，以保證半滴液體完整落入試劑量杯。

3 實(shí)驗(yàn)效果

目前，本設(shè)計(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 NaOH+HCL+酚酞-＞液體變紅 實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。效果良好，試劑配比準(zhǔn)確。

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)是大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目作品，從機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制算法、傳感器原理方面都得到了驗(yàn)證。由于時(shí)間和色標(biāo)傳感器問題，該設(shè)計(jì)仍然有許多需要完善之處，會在后續(xù)設(shè)計(jì)中繼續(xù)提高。

[1]彭偉. 單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)100例——基于8051+Proteus仿真（第二版）[M]. 電子工業(yè)出版社.2012.

[2]胡建. 單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

李大琳，軟件工程師,從事機(jī)械電子方向教學(xué)。