|
1． 目的及意义（含国内外的研究现状分析）：
在医化领域方面，滴定分析是一种在实验室中很常见的定量分析方法，而传统的滴定操作通常由人工手动控制，通过目视来判断是否到达滴定点位，在这个过程中需要耗费大量的人工，同时滴定分析的成果也受操作人员经验与失误影响，故而在面对大量样品需要滴定分析时，滴定操作的智能化与自动化便成为了一种迫切的需求。
从国内外在此方面的发展现状来看，由于国外起步较早，国内很多产品仍在高精度控制与智能算法方面比之不足。在机构设计方面，动机构是影响滴定精度的核心。目前常见的传动方式包括滚珠丝杠、滑动丝杠、同步带传动等。滚珠丝杠具有传动效率高、定位精度好、寿命长的优点，但成本较高；滑动丝杠结构简单、成本低，但摩擦大、易磨损；同步带传动适用于长行程、速度较快的场合，但精度相对较低。针对微量滴定场景，还需考虑活塞与缸体的密封性、材料耐腐蚀性以及结构刚性等因素。国外比如瑞士万通公司的titrando系列自动电位滴定仪、梅特勒托利多公司的g20s自动电位滴定仪通常采用了滚珠丝杠和直线导轨组成的传动机构，此类机构传动效率高、运动平稳，足以实现对微量液体的高精度推送[1]；国内自动滴定装置的研究与应用虽然起步较晚，但近年来发展迅速，已在多个领域实现产品化和应用。国产仪器如上海仪电科学仪器、北京先驱威锋等公司推出的自动滴定仪，大多采用步进电机配合普通丝杠或同步带传动，成本较低，适用于常规滴定分析，但在高精度、长期稳定性和智能控制方面仍与国外高端产品存在差距[3]，特别是在微量滴定、长时间连续运行以及复杂样品分析中，机械磨损、热变形及控制算法简单等问题仍较突出[4]。在控制系统方面，国外的先进滴定仪器通常使用嵌入式操作系统或是工业pc平台，采用闭环控制，结合高分辨率编码器实现位置闭环反馈[5]，这些系统通常还配备了触屏人机交互界面，支持编程、数据存储、联网通讯以及远程监控等功能，其控制系统在智能化方面成果显著；而国内的相关产品在控制系统方面多是基于单片机控制。单片机体积小、成本低、控制灵活等特点，在中小型自动化设备中得到广泛应用。其作为经典微控制器，具备较强的可编程能力和丰富的外设接口，适用于步进电机的开环或简单闭环控制[6]。但比之嵌入式操作系统或是工业pc平台来说，其控制的算法相对简单，在智能控制、判断、反馈等方面仍有不足。尽管目前国内在自动滴定装置的自主研发方面已取得一定进展，但在高精度传动机构设计、智能控制算法、系统长期稳定性等核心环节仍依赖进口或处于跟随阶段。仍需在机构优化、材料选用、控制策略与系统集成等多个层面进行深入研究与技术创新。
因此，本人以“自动滴定装置及其驱动单元设计”为课题，在机构与控制系统两个方面展开设计；在机构方面，重点设计一套基于步进电机与精密丝杠的传动系统，实现滴定速度在0.1–2mm/s范围内可调、定位精度优于0.05mm的技术指标；在控制方面，以51单片机为核心，开发具备速度规划、位置闭环与状态监控功能的驱动单元，为实现低成本、高精度、易操作的自动滴定系统提供一种可行的方案。
参考文献：
[1] Metrohm AG. Technical Overview of Automated Titration Systems[J]. Analytical Chemistry Insights, 2019.
[2] 张明,李伟. 国产自动滴定仪传动机构精度分析与改进[J]. 仪器仪表学报, 2020.
[3] 王立军, 刘颖. 自动滴定技术在国内化工分析中的应用进展[J]. 化学分析计量, 2021.
[4] 赵海波, 孙晓峰. 高精度微量滴定泵的设计与实验研究[J]. 机械设计与制造, 2019
[5] 杜增辉. 图解步进电机和伺服电机的应用与维修[M]. 北京: 化学工业出版社, 2019.
[6] 李征. 单片机应用[M]. 大连: 大连理工大学出版社, 2019.
2．基本内容和技术方案：
2.1 基本内容
2.1.1 机械单元设计：设计一套具备双回路抽滴功能的机械结构，部件大致包括滴定架、储液容器、传动机构以及安装支架等，实现滴定速度在0.1-2mm/s ,定位精度优于0.05mm。
2.1.2 驱动单元设计：将基于51单片机和步进电机设计驱动控制电路和程序，以实现电机的精确定位，并完成其与机械单元的匹配调试。
2.2 技术方案
2.2.1 机械单元方案
传动机构设计：采用步进电机配合滚珠丝杠的直线传动方式，将电机的旋转运动转化为注射器活塞的直线位移，通过计算丝杠导程与电机步距角的关系，实现滴定速度的精确控制。
机械结构设计：使用SolidWorks等三维建模软件进行结构建模与装配，设计滴定台架与安装支架，确保系统刚性与稳定性，并对关键受力部件进行强度校核。
双回路设计：设计两套独立的驱动与执行单元，实现抽液与滴液的双向控制，提高装置的工作效率与适用范围。
2.2.2 驱动单元方案
控制系统硬件设计：以STC89C51单片机为核心控制器，设计电机驱动电路、电源模块、按键与显示接口电路，并预留传感器信号输入接口.
控制系统软件设计：使用C语言在Keil开发环境中编写控制程序，实现电机启停、速度调节、方向控制、位置闭环反馈等功能，并通过液晶显示屏实现人机交互。
系统集成与测试：完成机械与控制部分的组装与调试，进行空载与带载性能测试，验证基本功能、滴定速度、定位精度、稳定性等指标是否满足设计要求。
3．进度安排：
第1－2周：自动装置的总体方案设计。
第3－6周：设计装置的传动机构、机械本体、安装部件，对关键部件进行三维构型、尺寸和强度计算，绘制系统及主要零部件图纸。
第7－9周：基于51单片机和步进电机，设计装置的驱动单元，绘制电路原理图、编制基本程序。
第9-10周：撰写设计说明书，准备论文答辩。
4．指导老师意见：
指导教师签名： 年 月 日
|
