基于STM32對(duì)石墨烯修復(fù)有機(jī)污染土壤的實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

黃飛洪 葉衍統(tǒng) 郭松 朱麗 李兵

摘?要：為了能在石墨烯修復(fù)有機(jī)污染土壤的實(shí)驗(yàn)中，有效的控制淋洗液的流量，流速等參數(shù)，以STM32F103ZET6單片機(jī)為核心設(shè)置了一套實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置主要由增壓泵，蠕動(dòng)泵，淋洗柱組成，利用Keil UVision5程序編寫(xiě)。該裝置具有體積小，方便維護(hù)，噪聲小，無(wú)污染，可正反向輸送淋洗液等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)石墨烯的有關(guān)實(shí)驗(yàn)意義重大。

關(guān)鍵詞：STM32F103ZET6單片機(jī);蠕動(dòng)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(qiáng)的吸附性和無(wú)污染性，被廣泛的應(yīng)用到環(huán)境治理中。為確定石墨烯吸附各種PAH的最佳參數(shù)，因此我們?cè)O(shè)計(jì)了一套基于石墨烯修復(fù)有機(jī)污染土壤的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置可控制實(shí)驗(yàn)過(guò)程中淋洗液的流量，流速，環(huán)境溫度等參數(shù)，且效率高，工作噪音小。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

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

2 控制原理

該實(shí)驗(yàn)裝置采用STM32F103ZET6單片機(jī)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(nèi)RAM，512K片內(nèi)flash，高達(dá)72M的頻率[1]。實(shí)驗(yàn)裝置流程框圖如下圖所示。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)給定時(shí)，蠕動(dòng)泵和增壓泵工作，由于壓力損失，液體壓力不能達(dá)到預(yù)期值，測(cè)試壓力傳感器便會(huì)檢測(cè)液壓，將該數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32，此時(shí)單片機(jī)會(huì)把傳感器所檢測(cè)的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的參數(shù)值比較，如果檢測(cè)值與設(shè)定參數(shù)不同，單片機(jī)便會(huì)提高輸出給增壓泵驅(qū)動(dòng)電路的脈沖占空比，來(lái)控制增壓泵增加壓力輸出。

而對(duì)蠕動(dòng)泵的速度檢測(cè)則通過(guò)光電開(kāi)光實(shí)現(xiàn)，光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)蠕動(dòng)泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32，單片機(jī)便會(huì)將該數(shù)據(jù)與設(shè)定參數(shù)值比較，如果與參數(shù)值不同，單片機(jī)便改變對(duì)蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)電路的脈沖占空比，從而控制蠕動(dòng)泵的流量輸出。

蠕動(dòng)泵和增壓泵采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而對(duì)直流電機(jī)的速度控制一般采用PWM調(diào)速和改變電壓電平的方法，本實(shí)驗(yàn)裝置采用L298N芯片控制，L298N芯片驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，且抗干擾能力強(qiáng)，在小型直流電機(jī)的控制上應(yīng)用廣泛[2]。在電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)上則采用紅外光電傳感器，利用STM32自帶的計(jì)時(shí)模塊獲得轉(zhuǎn)速信息，并通過(guò)流量公式獲得實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)。

本實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)的功能如下：

（1）對(duì)淋洗液可以實(shí)現(xiàn)正反向輸送;

（2）有定速，定量的擋位以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同參數(shù)的需求;

（3）可實(shí)時(shí)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(shù)數(shù)據(jù);

（5）可以隨時(shí)停止該裝置的運(yùn)行。

3 實(shí)驗(yàn)裝置硬件模塊設(shè)計(jì)

3.1 蠕動(dòng)泵的選擇

蠕動(dòng)泵采用NKP-DA-S10B Kamore微型蠕動(dòng)泵，其具有體積小巧，功耗低，噪音低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用，其流速范圍為5.2～90ml/min，環(huán)境噪聲值小于40dB。

3.2 L298N驅(qū)動(dòng)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(jī)蠕動(dòng)泵，增壓泵的正極與負(fù)極用于控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA為使能端，也接入高電平，而+VSSS接入+5V電壓。

3.3 測(cè)壓模塊

測(cè)壓模塊采用水壓壓力傳感器，該模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)淋洗液的液壓變化，并形成一系列電信號(hào)，將該電信號(hào)傳遞給STM32單片機(jī)，而STM32將會(huì)與系統(tǒng)設(shè)置的壓力參數(shù)比較，改變對(duì)增壓泵輸出的脈寬，從而改變轉(zhuǎn)速。

3.4 測(cè)速模塊

測(cè)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(dāng)電機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于葉片遮擋，光電傳感器高低電平發(fā)生改變，通過(guò)單片機(jī)E3引腳采集，而單片機(jī)將該數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)設(shè)定參數(shù)比較，若結(jié)果與設(shè)定參數(shù)不同則改變對(duì)L298N輸出的脈寬，使之改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)語(yǔ)

本文描述的實(shí)驗(yàn)裝置基于STM32芯片為核心進(jìn)行研發(fā)，該裝置可以綜合性的控制石墨烯修復(fù)土壤實(shí)驗(yàn)中淋洗液流速，流量等參數(shù)，并且通過(guò)單片機(jī)的控制調(diào)節(jié)可以有效解決：（1）蠕動(dòng)泵因使用軟性管壓力受限。（2）泵在運(yùn)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生脈沖流。（3）淋洗液流量隨時(shí)間變化、衰減[3]等問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]周金芝，楊明，仝海燕.基于STM32和指紋識(shí)別的儲(chǔ)物柜控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].西昌學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，33（1）：80-83.

[2]孫緒才.L298N在直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].濰坊學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，9（4）：19-21.

[3]趙凱，舒明雷，劉照陽(yáng)，高天雷，金中一.蠕動(dòng)泵控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2018，39（10）：38-45.

*通訊作者：李兵（1979-），河南民權(quán)人，博士，副教授，主要從事機(jī)器人設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)控制，振動(dòng)應(yīng)用及減振。