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石墨烯论文范文

《基于STM32对石墨烯修复有机污染土壤的实验装置的设计》

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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