基于蠕動泵的液體容積稀釋儀研究

權建軍 丁世勇

摘要：自動稀釋儀項目的研發是基于化學實驗過程需要頻繁進行稀釋試樣背景下建立的，其目的旨在將實驗過程中所用到的各類液體試樣的稀釋過程自動化，用戶只需在相應位置放入待稀釋原液，RO純水和空容器，選擇稀釋倍數和目標液容積，儀器會自動進行比例換算及抽取，最終完成稀釋過程的自動化。

關鍵詞：STM32;觸摸屏;蠕動泵;容積稀釋儀

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）07-0148-02

0 引言

稀釋指在溶液中加入溶劑，使濃度降低的一種實驗室常用操作，為達到稀釋的準確性，一般采用相應量程的移液管、容量瓶來進行，操作較為繁瑣;有些稀釋對象是強酸強堿性，人為操作過程中，存在強酸強堿液體濺出導致皮膚灼傷、衣物損壞等安全隱患;化工現場操作人員一般施行倒班制，不同人員操作手法、習慣上的不同，會影響稀釋的客觀性，準確性。市場亟需一款自動稀釋的實驗室儀器來解決上述問題[1]。

1 系統結構

本文以模塊化的思想結合溶液稀釋系統的功能需求，通過觸摸屏，進行良好的人機交互，只需要選擇稀釋液體的容積、稀釋比和制備容積，即可自動完成溶液的自動稀釋。其結構如圖1所示。

本方案中，原液和RO純水的取液擁有各自獨立的進樣器，避免管道內殘余液體影響稀釋精度。

人機界面，采用了觸摸屏，摒棄了傳統的按鍵和LCD液晶顯示器方案。微控制器模塊采用了功能強大的32位STM32F103C單片機。通過程序控制，只需在觸摸屏選擇稀釋倍率和稀釋液容積，就可以實現液體稀釋的自動化操作。

2 硬件設計

2.1 進樣模塊

蠕動泵具有獨特的無密封結構、光滑的軟管管腔以及能夠隨時正反轉等特點，管道不容易發生沉積和污堵，很容易實現密封和清洗，并且更換管件也比較方便，在工作中具有很好的適應性[2]。因此樣液和蒸餾水進樣模塊均采用了蠕動泵，通過步進電機驅動實現。

2.2 進樣模塊驅動電路

為了滿足實驗室小批量、高精度的稀釋要求，原液取液模塊和RO純水取液模塊都選用100-2B+TH10蠕動泵專用步進電機控制板及蠕動泵[3]。流量范圍：0.006-41ml/min，適合微小流量高精度液體輸送，泵頭選有8滾輪。步進電機驅動分體結構，15檔BCD撥碼開關調速，或外控信號調速，開關量控制啟停，開關量控制正反轉，流量精度可達±1%，直流24V供電。

2.3 觸摸屏人機交互模塊

人機交互采用廣州大彩公司串口觸摸屏，可在PC機進行畫面組態，并進行程序下載。觸摸屏模塊與微控制器模塊通過串口通訊，實現按鍵和顯示功能良好的人機交互。

2.4 微控制器模塊[4-5]

微控制器采用型號為ARM系列嵌入式處理器STM32 F103C，工作主頻高達72MHz，能夠滿足實時響應的需要;集成有串行接口，方便與外界主機通信;擁有多個IO口和定時器，方便對多個步進電機進行控制;擁有128KB的Flash和高達20KB的SRAM。該控制器外設接口豐富，可擴展性強;成本較低，使用便捷。

3 程序設計

程序分為觸摸屏程序和STM32微控制器程序。

3.1 觸摸屏程序設計

大彩觸摸屏提供了豐富的串口屏指令集，可進行按鈕操作、文本輸入、菜單選擇、圖形、進度條、動畫等功能實現，實現良好的人機交互。大彩公司提供了VisualTFT開發軟件，通過“虛擬串口屏”可方便程序調試。可通過Keil開發環境與“虛擬串口屏”進行綁定Debug調試，從而大大節省開發時間。工程下載到屏內后，一旦按下畫面某個按鈕，用戶MCU串口就會收到屏幕上傳的按鈕ID信息或坐標值。通過解析，用戶即可獲取當前按鈕的畫面位置和功能屬性，這樣就可以控制相關外圍設備動作或畫面更新顯示。

3.2 STM32微控制器程序

STM32微控制器有強大的運算能力，可實時監測樣液進樣容積和蒸餾水的進樣容積，通過觸摸屏和STM32微控制器的串口通訊，可以獲取按鍵和輸入數據、菜單選擇信息，也可以發送提示信息，實現液體容積稀釋自動化。

微控制器程序流程圖[6]如圖2所示。

4 結語

根據化學實驗需求，采用STM32F103C單片機、觸摸屏和蠕動泵，實現了液體容積稀釋儀。滿足了實驗室液體稀釋的基本需求。

參考文獻

[1] 黃楷倫.高精度自動化溶液制備系統的設計與實現[D].長春：東北師范大學，2017.

[2] 王道臣.蠕動泵流量的理論計算與試驗驗證[J].化工自動化及儀表，2015（2）：186-187.

[3] 李長有.基于STM32F4的智能配液機設計與實現[J].中國醫療設備，2019（1）：30-33.

[4] 牛宗超.基于STM32的步進電機控制器設計[J].電子世界，2016（12）：141.

[5] 許金.ARM處理器的蠕動泵步進電機細分驅動系統[J].單片機與嵌入式應用，2015（9）：38-41.

[6] 陳安斌.蠕動泵控制軟件的設計及應用[J].實驗科學與技術，2010（06）：44-46.