基于STM32的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設計*

王 剛，趙嘉威，周 軍

南京理工大學泰州科技學院，江蘇 泰州 225300

隨著當今社會工業(yè)的發(fā)展，水資源污染越來越受到關注。基于STM32的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)旨在滿足采集點分散的水域水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測的要求，主控制器采用意法半導體公司STM32F103系列單片機，其外圍有可擴展外部存儲、全球移動通信系統(tǒng)模塊、Ether通信模塊、液晶屏屏幕顯示、按鍵輸入等外圍設備。測量的參數(shù)包括酸堿度、濁度和氧化還原反應。同時，在監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路上設計了巴特沃斯濾波電路，濾除高頻尖波信號，提高了測量的精度。

1 監(jiān)測系統(tǒng)整體方案設計

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水中的濁度值、pH值和氧化還原程度，并將檢測結(jié)果發(fā)送到上位機的接收界面，可以實時觀察監(jiān)測傳感器數(shù)值，并保存至數(shù)據(jù)庫。

2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件方案設計

2.1 濁度傳感器

濁度傳感器通過溶液中懸浮顆粒的透光和散射測量濁度情況并轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過單片機進行AD轉(zhuǎn)換，得到當前水的污濁度。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系圖

傳感器輸出電壓值與濁度值的關系如下：

式中：TV為濁度值；V為當前溫度條件下傳感器輸出的電壓值；M為標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行溫度補償，以提高測量精度。溫度與電壓值關系如圖3所示。

圖3 溫度值與電壓關系曲線

溫度校正公式如下：

式中：V為溫度變化引起的電壓差；T為當前測量溫度值。

2.2 pH傳感器

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

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程度，單位為mV。該傳感器使用時將傳感器的VCC引腳接入5V電壓，GND引腳接地，AO口為模擬信號輸出。

3 監(jiān)測系統(tǒng)設計

監(jiān)測系統(tǒng)設計主要包含以STM32單片機為核心的下位機部分：傳感器AD采集、控制方式選擇、控制參數(shù)設置。軟件控制流程如圖4、圖5所示。PC上位機監(jiān)控部分實現(xiàn)與單片機的數(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

人機交互界面設計：通過C#編程設計實時監(jiān)控界面，如圖6所示，利用RS485總線與單片機進行通信。該上位機界面有4個區(qū)域框：（1）串口配置區(qū)域；（2）手動選擇保存數(shù)據(jù)路徑；（3）pH值、氧化還原值、濁度值的設置上限，一旦超過上限，則會彈出提示框，發(fā)出報警信號；（4）數(shù)值顯示區(qū)域，放置3個TextBox控件，以顯示下位機上傳的濁度值、pH值、氧化還原值。在TextBox控件的下方放置3個User Cruve控件，以顯示數(shù)值的曲線變化。

圖6 水質(zhì)監(jiān)測界面

4 結(jié)束語

該設計為水質(zhì)監(jiān)測的研制提出了一種有效的解決方案。多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)以STM32芯片和3個水質(zhì)監(jiān)測傳感器為核心，采用上位機人機交互界面進行通信數(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。