基于STM32的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王 剛，趙嘉威，周 軍

南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院，江蘇 泰州 225300

隨著當(dāng)今社會(huì)工業(yè)的發(fā)展，水資源污染越來(lái)越受到關(guān)注。基于STM32的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)旨在滿足采集點(diǎn)分散的水域水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)的要求，主控制器采用意法半導(dǎo)體公司STM32F103系列單片機(jī)，其外圍有可擴(kuò)展外部存儲(chǔ)、全球移動(dòng)通信系統(tǒng)模塊、Ether通信模塊、液晶屏屏幕顯示、按鍵輸入等外圍設(shè)備。測(cè)量的參數(shù)包括酸堿度、濁度和氧化還原反應(yīng)。同時(shí)，在監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路上設(shè)計(jì)了巴特沃斯濾波電路，濾除高頻尖波信號(hào)，提高了測(cè)量的精度。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以STM32微處理器為核心，使用冠拓電子公司的TSW-30濁度傳感器、pH傳感器模塊及氧化還原傳感器檢測(cè)水中的濁度值、pH值和氧化還原程度，并將檢測(cè)結(jié)果發(fā)送到上位機(jī)的接收界面，可以實(shí)時(shí)觀察監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)值，并保存至數(shù)據(jù)庫(kù)。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

2.1 濁度傳感器

濁度傳感器通過(guò)溶液中懸浮顆粒的透光和散射測(cè)量濁度情況并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，得到當(dāng)前水的污濁度。濁度傳感器采集電路框圖如圖1所示。濁度傳感器采集的電壓值與渾濁度值的關(guān)系如圖2所示。

圖1 濁度傳感器采集電路框圖

圖2 采集的電壓值與渾濁度值關(guān)系圖

傳感器輸出電壓值與濁度值的關(guān)系如下：

式中：TV為濁度值；V為當(dāng)前溫度條件下傳感器輸出的電壓值；M為標(biāo)定方法得到的截距值。

傳感器容易受溫度的影響，因此輸出電壓的值需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以提高測(cè)量精度。溫度與電壓值關(guān)系如圖3所示。

圖3 溫度值與電壓關(guān)系曲線

溫度校正公式如下：

式中：V為溫度變化引起的電壓差；T為當(dāng)前測(cè)量溫度值。

2.2 pH傳感器

pH值是溶液的一個(gè)重要特性。pH傳感器模塊輸出0～5V模擬電壓信號(hào)。該傳感器可配套上海雷磁E-201-C型pH復(fù)合電極使用。

2.3 氧化還原傳感器

氧化還原傳感器獲取表征氧化性或還原性的相對(duì)程度，單位為mV。該傳感器使用時(shí)將傳感器的VCC引腳接入5V電壓，GND引腳接地，AO口為模擬信號(hào)輸出。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含以STM32單片機(jī)為核心的下位機(jī)部分：傳感器AD采集、控制方式選擇、控制參數(shù)設(shè)置。軟件控制流程如圖4、圖5所示。PC上位機(jī)監(jiān)控部分實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信和顯示。

圖4 主函數(shù)控制模塊

圖5 數(shù)據(jù)處理子模塊

人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)：通過(guò)C#編程設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，如圖6所示，利用RS485總線與單片機(jī)進(jìn)行通信。該上位機(jī)界面有4個(gè)區(qū)域框：（1）串口配置區(qū)域；（2）手動(dòng)選擇保存數(shù)據(jù)路徑；（3）pH值、氧化還原值、濁度值的設(shè)置上限，一旦超過(guò)上限，則會(huì)彈出提示框，發(fā)出報(bào)警信號(hào)；（4）數(shù)值顯示區(qū)域，放置3個(gè)TextBox控件，以顯示下位機(jī)上傳的濁度值、pH值、氧化還原值。在TextBox控件的下方放置3個(gè)User Cruve控件，以顯示數(shù)值的曲線變化。

圖6 水質(zhì)監(jiān)測(cè)界面

4 結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)為水質(zhì)監(jiān)測(cè)的研制提出了一種有效的解決方案。多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以STM32芯片和3個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器為核心，采用上位機(jī)人機(jī)交互界面進(jìn)行通信數(shù)據(jù)管理，不僅保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，還優(yōu)化了系統(tǒng)的操作。