基于STM32對石墨烯修復有機污染土壤的實驗裝置的設計

黃飛洪 葉衍統 郭松 朱麗 李兵

摘?要：為了能在石墨烯修復有機污染土壤的實驗中，有效的控制淋洗液的流量，流速等參數，以STM32F103ZET6單片機為核心設置了一套實驗裝置，該裝置主要由增壓泵，蠕動泵，淋洗柱組成，利用Keil UVision5程序編寫。該裝置具有體積小，方便維護，噪聲小，無污染，可正反向輸送淋洗液等優點。對石墨烯的有關實驗意義重大。

關鍵詞：STM32F103ZET6單片機;蠕動泵;流量控制;紅外光電傳感器

石墨烯作為一種新型材料，因其具有很強的吸附性和無污染性，被廣泛的應用到環境治理中。為確定石墨烯吸附各種PAH的最佳參數，因此我們設計了一套基于石墨烯修復有機污染土壤的實驗裝置，該裝置可控制實驗過程中淋洗液的流量，流速，環境溫度等參數，且效率高，工作噪音小。

1 結構設計與工作原理

該裝置主要由增壓泵，淋洗瓶，蠕動泵，淋洗柱和底座等幾部分組成，其中淋洗柱由多個單極淋洗柱組成，且各個單極淋洗柱互相獨立，可實現快速連接或拆卸，從而可方便快速的調整被淋洗土壤的深度。每個淋洗柱底座均有淋洗液補充輸入口和淋洗液檢測輸出口，補充輸入口可以增加淋洗液的流量，檢測輸出口可以隨時提取各個淋洗柱淋洗后的淋洗液，從而可檢測其有機物的成分和含量。每個淋洗柱采用夾層設計，夾層內流通熱水，從而可測量在不同環境溫度下石墨烯的吸附特性。使用一套增壓泵，其與蠕動泵配合可調整淋洗液的流量和流速。淋洗柱內底部和頂部分別裝有一套過濾網，防止較大顆粒固體隨液體流動，上下兩層過濾網中放置有機污染土壤，淋洗液從第一級淋洗柱一直流到最后一級淋洗柱，在流動過程中，土壤中的有機物被吸附到淋洗液內的石墨烯上，石墨烯隨液體向下流動，從而去除土壤中的有機物。

2 控制原理

該實驗裝置采用STM32F103ZET6單片機作為主控芯片，該芯片是基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器，64K片內RAM，512K片內flash，高達72M的頻率[1]。實驗裝置流程框圖如下圖所示。

當實驗參數給定時，蠕動泵和增壓泵工作，由于壓力損失，液體壓力不能達到預期值，測試壓力傳感器便會檢測液壓，將該數據發送給STM32，此時單片機會把傳感器所檢測的數據與實驗所設定的參數值比較，如果檢測值與設定參數不同，單片機便會提高輸出給增壓泵驅動電路的脈沖占空比，來控制增壓泵增加壓力輸出。

而對蠕動泵的速度檢測則通過光電開光實現，光電開關檢測蠕動泵電機的轉速，并將數據發送給STM32，單片機便會將該數據與設定參數值比較，如果與參數值不同，單片機便改變對蠕動泵驅動電路的脈沖占空比，從而控制蠕動泵的流量輸出。

蠕動泵和增壓泵采用直流電機驅動，而對直流電機的速度控制一般采用PWM調速和改變電壓電平的方法，本實驗裝置采用L298N芯片控制，L298N芯片驅動能力強，且抗干擾能力強，在小型直流電機的控制上應用廣泛[2]。在電機轉速檢測上則采用紅外光電傳感器，利用STM32自帶的計時模塊獲得轉速信息，并通過流量公式獲得實時流量數據。

本實驗裝置實現的功能如下：

（1）對淋洗液可以實現正反向輸送;

（2）有定速，定量的擋位以實現對不同參數的需求;

（3）可實時控制淋洗液的流量和流速大小;

（4）可以顯示淋洗液流量，流速等參數數據;

（5）可以隨時停止該裝置的運行。

3 實驗裝置硬件模塊設計

3.1 蠕動泵的選擇

蠕動泵采用NKP-DA-S10B Kamore微型蠕動泵，其具有體積小巧，功耗低，噪音低等優點，被廣泛使用，其流速范圍為5.2～90ml/min，環境噪聲值小于40dB。

3.2 L298N驅動電路

L298N芯片的1，15，8接地，OUT1，OUT2，OUT3，OUT4分別將高低電平給電機蠕動泵，增壓泵的正極與負極用于控制電機的正反轉，ENA為使能端，也接入高電平，而+VSSS接入+5V電壓。

3.3 測壓模塊

測壓模塊采用水壓壓力傳感器，該模塊實時檢測淋洗液的液壓變化，并形成一系列電信號，將該電信號傳遞給STM32單片機，而STM32將會與系統設置的壓力參數比較，改變對增壓泵輸出的脈寬，從而改變轉速。

3.4 測速模塊

測速模塊采用E18-D80NK紅外光電傳感器，光電傳感器放置在葉片兩端，當電機葉片轉動時，由于葉片遮擋，光電傳感器高低電平發生改變，通過單片機E3引腳采集，而單片機將該數據與實驗設定參數比較，若結果與設定參數不同則改變對L298N輸出的脈寬，使之改變電機轉速。

4 結語

本文描述的實驗裝置基于STM32芯片為核心進行研發，該裝置可以綜合性的控制石墨烯修復土壤實驗中淋洗液流速，流量等參數，并且通過單片機的控制調節可以有效解決：（1）蠕動泵因使用軟性管壓力受限。（2）泵在運作時會產生脈沖流。（3）淋洗液流量隨時間變化、衰減[3]等問題。

參考文獻：

[1]周金芝，楊明，仝海燕.基于STM32和指紋識別的儲物柜控制系統的設計[J].西昌學院學報，2019，33（1）：80-83.

[2]孫緒才.L298N在直流電機PWM調速系統中的應用[J].濰坊學院學報，2009，9（4）：19-21.

[3]趙凱，舒明雷，劉照陽，高天雷，金中一.蠕動泵控制系統的研究和設計[J].自動化儀表，2018，39（10）：38-45.

*通訊作者：李兵（1979-），河南民權人，博士，副教授，主要從事機器人設計及運動控制，振動應用及減振。