基于STM32的智能水质监测系统设计

最新推荐文章于 2025-10-16 10:23:10 发布

原创最新推荐文章于 2025-10-16 10:23:10 发布 · 2.7k 阅读

43 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#stm32 #嵌入式硬件 #单片机

引言
系统设计
1. 硬件设计
2. 软件设计
系统功能模块
1. 水质检测模块
2. 数据采集与处理模块
3. 显示与报警模块
4. 数据存储与远程监控模块
系统实现
1. 硬件实现
2. 软件实现
系统调试与优化
结论与展望

1. 引言

水质监测是水资源保护和环境保护中的一项重要工作。随着水污染问题的加剧，传统的水质检测方法难以满足实时监控的需求。本文设计了一款基于STM32单片机的智能水质监测系统，通过集成PH值、溶解氧、浑浊度等多项水质传感器，实现对水质的实时监控，并将数据通过LCD显示模块和无线通信模块展示及传输至云平台进行远程监控。

2. 系统设计

2.1 硬件设计

STM32F103单片机：系统核心，负责传感器数据的采集与处理，控制LCD显示和无线通信模块。
PH传感器：用于测量水的酸碱度（PH值），适用于水质检测。
溶解氧传感器：测量水中溶解氧的浓度，判断水质是否适宜生物生长。
浑浊度传感器：测量水中悬浮颗粒物的浓度，判断水质是否清洁。
LCD显示屏：实时显示PH值、溶解氧和浑浊度等水质数据。
无线模块：如Wi-Fi模块（ESP8266）将数据上传到云端，实现远程监控。

2.2 软件设计

系统的软件主要包括以下几个模块：

传感器数据采集模块：从各个传感器读取数据。
数据处理模块：对采集到的原始数据进行滤波、校准等处理。
数据显示与控制模块：在LCD显示屏上显示水质数据，并提供报警功能。
远程监控模块：通过Wi-Fi模块将数据上传至云端或手机APP。

3. 系统功能模块

3.1 水质检测模块

通过不同的传感器实时检测水质，获取PH值、溶解氧和浑浊度等数据。

3.2 数据采集与处理模块

采集传感器的原始数据，对数据进行处理后用于显示和报警。

3.3 显示与报警模块

通过LCD显示屏显示水质信息，同时根据设定的阈值触发报警，提醒用户水质异常。

3.4 数据存储与远程监控模块

通过无线通信模块（如ESP8266），将数据发送到云平台或智能手机，实现远程监控。

4. 系统实现

4.1 硬件实现

硬件部分设计了STM32F103主控单元，连接PH传感器、溶解氧传感器、浑浊度传感器，及LCD显示模块，并使用ESP8266模块实现数据的无线传输。

4.2 软件实现

下面是基于STM32的智能水质监测系统的部分代码示例，使用STM32的HAL库进行开发。

1. PH传感器读取（假设为模拟输入）

#include "stm32f1xx_hal.h"

#define PH_SENSOR_PIN   GPIO_PIN_0
#define PH_SENSOR_PORT  GPIOA

ADC_HandleTypeDef hadc1;

// 初始化ADC
void ADC_Init(void) {
    __HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE();
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    GPIO_InitStruct.Pin = PH_SENSOR_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
    HAL_GPIO_Init(PH_SENSOR_PORT, &GPIO_InitStruct);

    hadc1.Instance = ADC1;
    hadc1.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE;
    hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_EXTERNALTRIGCONV_T1_CC1;
    hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
    hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
    HAL_ADC_Init(&hadc1);
}

// 读取PH传感器数据
float Read_PH() {
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10) == HAL_OK) {
        uint32_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
        // 转换为PH值（此处假设ADC值与PH值之间是线性关系）
        float ph_value = (float)adc_value * 3.3 / 4095;  // 假设电压转换到PH值
        return ph_value;
    }
    return 0;
}

2. 溶解氧传感器读取（假设为模拟输入）

#define DO_SENSOR_PIN   GPIO_PIN_1
#define DO_SENSOR_PORT  GPIOA

// 读取溶解氧传感器数据
float Read_DO() {
    // 假设通过ADC获取溶解氧的浓度值
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10) == HAL_OK) {
        uint32_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
        // 转换为溶解氧浓度值
        float do_value = (float)adc_value * 5.0 / 4095;  // 假设电压转换到溶解氧浓度
        return do_value;
    }
    return 0;
}

3. 浑浊度传感器读取（假设为模拟输入）

#define TURBIDITY_SENSOR_PIN   GPIO_PIN_2
#define TURBIDITY_SENSOR_PORT  GPIOA

// 读取浑浊度传感器数据
float Read_Turbidity() {
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10) == HAL_OK) {
        uint32_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
        // 转换为浑浊度值
        float turbidity_value = (float)adc_value * 100.0 / 4095;  // 假设电压转换到浑浊度值
        return turbidity_value;
    }
    return 0;
}

4. LCD显示

#include "lcd.h"

// 初始化LCD
void LCD_Init() {
    LCD_Clear();
    LCD_SetCursor(0, 0);
    LCD_Print("Water Quality Monitoring");
}

// 显示水质数据
void Display_Data(float ph, float do_value, float turbidity) {
    LCD_SetCursor(1, 0);
    LCD_Print("PH: ");
    LCD_PrintFloat(ph);
    LCD_SetCursor(2, 0);
    LCD_Print("DO: ");
    LCD_PrintFloat(do_value);
    LCD_SetCursor(3, 0);
    LCD_Print("Turbidity: ");
    LCD_PrintFloat(turbidity);
}

5. 远程监控（使用ESP8266上传数据）

#include "esp8266.h"

// 初始化Wi-Fi模块
void WiFi_Init() {
    ESP8266_Init();
    ESP8266_ConnectWiFi("SSID", "PASSWORD");
}

// 上传数据到云平台
void Upload_Data(float ph, float do_value, float turbidity) {
    char data[256];
    snprintf(data, sizeof(data), "ph=%.2f&do=%.2f&turbidity=%.2f", ph, do_value, turbidity);
    ESP8266_SendDataToServer("http://your-server-url.com/upload", data);
}