基于臂的自动电位滴定系统

文摘

准确的测量和分析是非常重要的任务,对于许多应用程序从工业操作,分析实验室生物过程。在现代分析化学、自动滴定仪比手动更有声望的解释。各种仪器开发并提出在过去进行电位滴定。在国际市场上也有供应商自动滴定系统。但是他们是昂贵的附加功能。现在的描述具有成本效益的设计和开发工作,可靠和简单的自动电位滴定系统。滴定剂的添加对分析物进行使用步进电机驱动蠕动泵在实验室设计和开发,将ARM微控制器,即整个系统是建立在一个先进的32位,低功耗的RISC处理器架构ARM7TDMI (LPC2148)。在实验室的硬件和软件开发使用现成的组件。基尔μVision4嵌入式C中所开发的软件是使用软件。设计的目的是进行自动电位滴定终点的确定酸碱滴定。 The developed system is inexpensive, simple and works reliably.

关键字

电位滴定,ARM7TDMI LPC2148 MCT2E光电隔离器、蠕动泵

介绍

科学发现每天都在改变我们生活的世界。从物理医学生物学,这包含了一些疯狂的创新。进一步计算技术的进步帮助在很多方面分析化学实验室的效率。第一个是自动化和简化分析和合成的任务,其中包括计算机控制技术的使用和测量系统提高准确性、重复性和增加设备的利用率。计算技术和低成本的最新增强功能的计算趋势导致了新一代的自动化分析仪器。进一步的巨大发展微电子和嵌入式自动化系统改变我们的工作方式,也使我们从单调乏味的任务是免费的。

自动化允许我们进行不同类型的实验如需要采集的数据和控制参数。之前的引入微处理器自动系统不灵活1]。在目前的情况下,大部分的自动系统是由微处理器控制的。他们为我们提供许多功能强大且灵活的实现全实验室自动化的方法。今天自动化主要是通过个人电脑的使用,越来越强大,紧凑的和便宜的。他们也可以同科学仪器和各种设备使用标准接口,可以使用高级语言编程(2,3]。电位滴定法是一种分析技术,可以自动的基于微处理器的系统。

多年来,电位滴定被广泛应用来确定离子的浓度,分析物在照片处理解决方案,等当点或解决方案的pH值等。在现代分析化学、自动电位滴定仪终点测定通常用于酸碱滴定和其他类型的滴定。电位滴定的其他应用程序包括确定盐比pKa,药物化合物的电离状态,这是药物选择和开发的重要属性。许多作者(4,5,6,7)已经成功地实现了电位滴定等不同的应用程序(api)原料药的结晶过程,酸碱滴定,pH值的解决方案。滴定法也被用来测量金属阳离子和小的药物分子之间的结合常数(8,9,10]。与传统的电位滴定仪设置大量的样品需要一个精确的定量化学分析。其他技术,如核磁共振往往是耗时的,不能提供所有的实验室。在国际市场上也有供应商自动滴定系统。但是他们是昂贵的附加功能。由于这个原因,小实验室不能获得这样的昂贵的仪器。这种情况下要求低成本、自动滴定仪操作简单、高性能和提高准确性。

自动滴定仪由不同作者和商用的综述(11,12,13]。从文献综述,发现基于单片机自动滴定仪是非常罕见的。进一步低成本、内部开发的步进电机驱动蠕动泵基础自动化是很少在文献[14,15,16,17]。因此拟设计和开发一个简单的、低成本的自动电位滴定系统终点的决心。目前的工作描述了设计、开发和制造的一种新颖的自动电位滴定仪,使用低功耗ARM单片机LPC2148 32位RISC处理器架构。本文组织如下。第二节给出了基于ARM7TDMI的控制器LPC2148简介。第三部分描述了硬件和软件的细节基于步进电机的蠕动泵自动电位滴定系统紧随其后的是流量的校准液体酸碱滴定前。结论和未来的工作范围将在第四部分讨论。

基于ARM7TDMI的单片机LPC2148的体系结构概述

手臂代表先进RISC机器手臂有限公司开发的最广泛应用于嵌入式系统的数量。今天胳膊家庭占大约75%的嵌入式cpu使其成为世界上领先的建筑。以前的设计使用8位/ 16位设备,但设计师正在寻找高度集成的高性能ARM基于32位微控制器。设计的核心是手臂32位RISC处理器,因此简要描述了对其规范如下。

LPC2148董事会由ARM7TDMI为核心,由精工设计中所示图1,这是帮助学生设计嵌入式应用程序。这个工具包是有利于学生在这种方式,单片机的所有可能的特征很容易使用。ARM7TDMI家庭能耗的情况下具有很好的检测性能是至关重要的设计目标。LPC2148 ARM7TDMI作为其核心就是CPU核心。模块内部连接CPU的高性能总线称为推进高性能总线(AHB)和外围设备连接由超大规模集成外围总线(VPB) [18,19]。

LPC 2148有2个类型的内存。

✓闪存512 kb

✓静态RAM 40 kb

硬件和软件自动电位滴定系统的细节

这部分描述了硬件开发的步进电机驱动蠕动泵。软件详细信息发达的校准流量的液体也在这里讨论。整个电位滴定系统的框图所示图3。

实验室的硬件设计和开发完整的设置分为三部分。一个部分:

•机械安排所需的蠕动泵的结构及其工作原理

•电子电路,步进电机驱动蠕动泵

B部分:硬件校准所需的pH玻璃电极

C:一部分emf使用LPC1768控制器单元测量和分析系统

但介绍建设蠕动泵使用LPC2148和步进电机,并校准液体的流量使用步进电机驱动蠕动泵设计在实验室即A部分解释上面的部分描述如下。

:机械安排所需的蠕动泵的结构及其工作原理

蠕动泵装置用于将不同类型的液体。它有许多应用,如在医疗领域、研发实验室、制药、食品、化工、泵和泵与平衡流等。现在一个蠕动泵是专为各种应用程序要求可靠性和体积的液体泵。例如在MEMS技术等嵌入式系统嵌入式蠕动泵是一个医学药物输送系统的一部分(20.]。的建设、蠕动泵的工作原理和流量特性被许多作者(21- - - - - -23]。蠕动泵系统设计的照片所示图4。建设所需的部分蠕动泵转子、管、鞋、泵用软管冲洗和底座。在目前的工作是垂直设计的泵。它利用滚筒的轴承。对角的轴上的轴承都是固定的。酒吧的轴承是固定安装的轴步进电机。当步进电机旋转时,辊经过挤压的管施加压力管的液体吸入(水库)。

ARM7TDMI处理器运行最大12 MHz到60 MHz时钟频率和工作电压为3.3 v。ARM7处理器有一个程序员的模型。它有16个32位通用寄存器,2专用寄存器,当前程序状态寄存器(CPSR)和保存程序状态寄存器(SPSR)。它还提供了一个广泛的外设像两个14频道的10位adc, USB 2.0调制解调器接口,两个I2c,两个SPI串行接口,两个32位计时器、WDT PWM单元,RTC可选电池备份和45通用I / O管脚。ARM7TDMI的框图所示图2。

连续油管是挤压辊推动液体在转子旋转的方向。它提供了液体的另一端管。

根据理论,流量取决于以下参数:

•内部直径的管(高流量较大的内径)

•RPM的泵头

理论流量(毫升/分钟)= V * L * N * RPM

在那里,

V =堵塞油管的体积;L =油管长度会堵塞泵辊;在转子N =数量的滚筒;RPM = RPM的泵头

某些优势滴定剂的蠕动泵的自动化:

•控制流量很简单

•操作的简单性和适用性

•方便滴定剂的交换

电子电路的步进电机驱动蠕动泵

步进电机驱动蠕动泵的框图所示图5所示,其电路原理图6。目前开发的电子驱动电路工作提供了必要数量的电流步进电机的绕组。这是通过使用功率晶体管小费142 (T1-T4)提供所需的电流激活线圈。下面列出了组件用于接口。

组件列表:步进电机

ICs (1 - 4): MCT2E-Opto隔离器(23]

T1-T4: TIP142达灵顿功率晶体管(24]

n4004-diodes D1 D4: 1

电阻:R1-R4: 220Ω;R5-R8: 1 kΩ

步进电机具有高转矩和能够处理大量负载与精确的运动。目前使用的步进电机是一种单极。其重要的特点是:每一步一步角是1.8°,额定电压12 v,它吸引的典型电流1.6 A。

的输出针P1.16-P1.19 LPC2148连接到光隔离器(MCT2E)通过1 kΩ电阻。MCT2E由LED-Phototransistor组合集成在硅和密封气。当领导激活的高信号控制器,光从LED芯片上的晶体管的基础上,这使得它的行为。这种安排将保护opto-isolation高电流驱动电路的单片机。芯片上的晶体管的发射极被连接到功率晶体管的基础通过1 kΩ电阻,通过的电流控制晶体管的基础:TIP142。晶体管的收藏家:MCTE TIP142绑在一起,连接到步进电机绕组。二极管(D1、D2、D3、D4)连接在绕组抑制EMF和因此是随心所欲的二极管。M1, M2, M3, M4代表了步进电机的绕组。高逻辑在任何针使芯片LED反过来激发相应的线圈。低逻辑芯片上禁用了导致de-energization相应的线圈。 Thus the four windings are energized in a sequential manner to rotate the shaft of the stepper motor. Photograph of the developed system is shown in图7。

软件详细信息

目前系统实现通过开发合适的嵌入式C程序使用凯尔μVision4软件。这是一个集成开发环境(IDE),对ARM嵌入式C / c++编译器支持仿真和调试接口。软件开发是编译并上传到闪存使用flash工具(飞利浦)。软件开发与不同角度旋转步进电机速度不同挤压液体从水库或烧杯给出流程图所示图6。

校准使用蠕动泵流量的液体

整体的准确度和精密度滴定剂的体积由自动步进电机驱动蠕动泵是重要的参数。整除的水由不同量的蠕动泵在不同的步进角在收集的时间长度。图显示的照片蠕动泵的实验设置校准。液体的体积为不同的步进角度计算和收集用于计算确定等价。

实验检查交付的再现性液体。在良好的协议与以前的读数的时间长度。获得的值所示表我和线性拟合图。图示所示图7。完整的蠕动泵设置在实验室使用LPC148和步进电机设计挤压液体从水库的一端到另一端所示图8。

结论

乐器是一个便宜的蠕动泵使用步进电机和LPC2148单片机自动电位滴定。所需的机械装置的建设和设计提出了蠕动泵。进行了进一步的实验来检查交付的再现性液体。这是在良好的协议与以前的读数。的硬件和软件设计开发在当前工作需要测试不同组合的酸碱电位滴定的滴定是未来研究的一个组成部分。

引用

1. MulugetaDesta。电位滴定的自动化与个人电脑使用IBM兼容的接口系统。牛ChemSoc阿比西尼亚人。2001;15 (2):87 - 96。
2. Cerda先生V。拉米斯g .介绍实验室自动化、约翰·威利,纽约,1990,第256页
3. Tolpy m PC仪器和控制为基础,粘土有限公司:英国,1995年,6、7
4. V Dumitrescu。2004年电位滴定,测定硫化物
5. Y刘。电位微量滴定早期化学的发展。2012年
6. J Lutzenkirchen et al .电位滴定的工具表面电荷的决心。克罗地亚ChemActa, 2012; 85 (4): 391 - 417。
7. PrinyaMasawat等。设计和制造的Micro-volume autotitrator与电位测定终点检测的一些果汁的酸度。乔丹Int J Sci技术。2008;2:374 - 382。
8. 马克莱恩和C Orvig。化学1992;38:562 - 565。
9. AAvdeef和我来者。定量构效关系摩尔趋势。上一次。1993;92:386 - 387。
10. C Demicheli TL de Figueiredo卡瓦略,RD Sinesterra, JC洛佩斯和F Frezard。Biometals。1999; 12:63 - 66。
11. 沃尔夫冈•霍夫曼。计算机控制与活塞滴定管滴定或蠕动泵——一个比较。费森尤斯公司J肛门化学1996;356 (3 - 4):303 - 305。
12. 约翰·d·斯通。计算机控制电位/分光光度滴定仪。J自动化学。1988;10 (2):95 - 100。
13. Misal CS pH值等。设计一个使用廉价的单片机数据采集和记录装置。东南案子,诉讼IEEE, 217 - 220年,2007页。
14. AJ加西亚和里斯的男朋友。仪表和自动光度滴定过程中总酸度测定红葡萄酒采用multicommuted流系统。J自动化冰毒等化学2006;02:83247。
15. 美Patel萨米尔·帕特尔,et al .小说电位滴定法定量测定盐酸阿霉素的溴化内容。Int J医药Res启2013;2 (9):10 - 15。
16. Sivanildo博尔赫斯et al。全自动设备抽样小解卷光度滴定过程中基于multicommuted流系统。J自动化冰毒等化学2007:46219。
17. NXP半导体- UM10139 LPC2148的用户手册
18. http://www.nskelectronics.com
19. ThananchaiLeephakpreeda。蠕动泵的流动特性实验研究。ThammasatInt J Sci技术。2008;13 (4)。
20. 亚斯R Dhumal, SS Kadam。扶轮蠕动泵的设计和开发。Int J SciAdv抛光工艺。2012;2 (4)。
21. MohdFirdaus本Mansor。设计和原型蠕动泵。14 Noveber, 2008。
22. 迈克尔·史密斯工程师有限公司“蠕动泵是如何工作的”
23. MCT2E Optocouplers-Texas工具www.ti.com/cn/lit/gpn/mct2
24. TIP142数据表,www.bucek.name / pdf / tip140 - 2. - pdf,小费142 NPN型外延硅达林顿晶体管。