基于STM32对石墨烯修复有机污染土壤的实验装置的设计

黄飞洪 叶衍统 郭松 朱丽 李兵

摘 要：为了能在石墨烯修复有机污染土壤的实验中，有效的控制淋洗液的流量，流速等参数，以STM32F103ZET6单片机为核心设置了一套实验装置，该装置主要由增压泵，蠕动泵，淋洗柱组成，利用Keil UVision5程序编写。该装置具有体积小，方便维护，噪声小，无污染，可正反向输送淋洗液等优点。对石墨烯的有关实验意义重大。

关键词：STM32F103ZET6单片机;蠕动泵;流量控制;红外光电传感器

石墨烯作为一种新型材料，因其具有很强的吸附性和无污染性，被广泛的应用到环境治理中。为确定石墨烯吸附各种PAH的最佳参数，因此我们设计了一套基于石墨烯修复有机污染土壤的实验装置，该装置可控制实验过程中淋洗液的流量，流速，环境温度等参数，且效率高，工作噪音小。

1 结构设计与工作原理

该装置主要由增压泵，淋洗瓶，蠕动泵，淋洗柱和底座等几部分组成，其中淋洗柱由多个单极淋洗柱组成，且各个单极淋洗柱互相独立，可实现快速连接或拆卸，从而可方便快速的调整被淋洗土壤的深度。每个淋洗柱底座均有淋洗液补充输入口和淋洗液检测输出口，补充输入口可以增加淋洗液的流量，检测输出口可以随时提取各个淋洗柱淋洗后的淋洗液，从而可检测其有机物的成分和含量。每个淋洗柱采用夹层设计，夹层内流通热水，从而可测量在不同环境温度下石墨烯的吸附特性。使用一套增压泵，其与蠕动泵配合可调整淋洗液的流量和流速。淋洗柱内底部和顶部分别装有一套过滤网，防止较大颗粒固体随液体流动，上下两层过滤网中放置有机污染土壤，淋洗液从第一级淋洗柱一直流到最后一级淋洗柱，在流动过程中，土壤中的有机物被吸附到淋洗液内的石墨烯上，石墨烯随液体向下流动，从而去除土壤中的有机物。

2 控制原理

该实验装置采用STM32F103ZET6单片机作为主控芯片，该芯片是基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器，64K片内RAM，512K片内flash，高达72M的频率[1]。实验装置流程框图如下图所示。

当实验参数给定时，蠕动泵和增压泵工作，由于压力损失，液体压力不能达到预期值，测试压力传感器便会检测液压，将该数据发送给STM32，此时单片机会把传感器所检测的数据与实验所设定的参数值比较，如果检测值与设定参数不同，单片机便会提高输出给增压泵驱动电路的脉冲占空比，来控制增压泵增加压力输出。

而对蠕动泵的速度检测则通过光电开光实现，光电开关检测蠕动泵电机的转速，并将数据发送给STM32，单片机便会将该数据与设定参数值比较，如果与参数值不同，单片机便改变对蠕动泵驱动电路的脉冲占空比，从而控制蠕动泵的流量输出。

蠕动泵和增压泵采用直流电机驱动，而对直流电机的速度控制一般采用PWM调速和改变电压电平的方法，本实验装置采用L298N芯片控制，L298N芯片驱动能力强，且抗干扰能力强，在小型直流电机的控制上应用广泛[2]。在电机转速检测上则采用红外光电传感器，利用STM32自带的计时模塊获得转速信息，并通过流量公式获得实时流量数据。

本实验装置实现的功能如下：

（1）对淋洗液可以实现正反向输送;

（2）有定速，定量的挡位以实现对不同参数的需求;

（3）可实时控制淋洗液的流量和流速大小;

（4）可以显示淋洗液流量，流速等参数数据;

（5）可以随时停止该装置的运行。

3 实验装置硬件模块设计

3.1 蠕动泵的选择

蠕动泵采用NKP-DA-S10B Kamore微型蠕动泵，其具有体积小巧，功耗低，噪音低等优点，被广泛使用，其流速范围为5.2～90ml/min，环境噪声值小于40dB。

3.2 L298N驱动电路

L298N芯片的1，15，8接地，OUT1，OUT2，OUT3，OUT4分别将高低电平给电机蠕动泵，增压泵的正极与负极用于控制电机的正反转，ENA为使能端，也接入高电平，而+VSSS接入+5V电压。

3.3 测压模块

测压模块采用水压压力传感器，该模块实时检测淋洗液的液压变化，并形成一系列电信号，将该电信号传递给STM32单片机，而STM32将会与系统设置的压力参数比较，改变对增压泵输出的脉宽，从而改变转速。

3.4 测速模块

测速模块采用E18-D80NK红外光电传感器，光电传感器放置在叶片两端，当电机叶片转动时，由于叶片遮挡，光电传感器高低电平发生改变，通过单片机E3引脚采集，而单片机将该数据与实验设定参数比较，若结果与设定参数不同则改变对L298N输出的脉宽，使之改变电机转速。

4 结语

本文描述的实验装置基于STM32芯片为核心进行研发，该装置可以综合性的控制石墨烯修复土壤实验中淋洗液流速，流量等参数，并且通过单片机的控制调节可以有效解决：（1）蠕动泵因使用软性管压力受限。（2）泵在运作时会产生脉冲流。（3）淋洗液流量随时间变化、衰减[3]等问题。

参考文献：

[1]周金芝，杨明，仝海燕.基于STM32和指纹识别的储物柜控制系统的设计[J].西昌学院学报，2019，33（1）：80-83.

[2]孙绪才.L298N在直流电机PWM调速系统中的应用[J].潍坊学院学报，2009，9（4）：19-21.

[3]赵凯，舒明雷，刘照阳，高天雷，金中一.蠕动泵控制系统的研究和设计[J].自动化仪表，2018，39（10）：38-45.

*通讯作者：李兵（1979-），河南民权人，博士，副教授，主要从事机器人设计及运动控制，振动应用及减振。