基于STM32的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

游曠吉吉，董自鵬，顧苗苗

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

0 引言

水是生命的源泉，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和社會(huì)文明的進(jìn)步，人類(lèi)對(duì)水資源的重視程度越來(lái)越高。傳統(tǒng)的人工抽樣檢測(cè)水質(zhì)既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無(wú)論是對(duì)保護(hù)水資源還是促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖都具有十分重要的意義[1]。

基于嵌入式的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，市場(chǎng)廣泛、功能擴(kuò)展性好[2]。本文基于STM32設(shè)計(jì)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)被監(jiān)測(cè)水域的水溫和濁度自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并預(yù)警。

1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以正點(diǎn)原子戰(zhàn)艦STM32F1 V3開(kāi)發(fā)板作為控制器[3]，總體設(shè)計(jì)采用STM32F103ZET6作為主控芯片[4]，選用DS18B20溫度模塊和TSW-30濁度模塊作為傳感器[5]，通過(guò)引腳設(shè)定和必要的外部電路連接，分別測(cè)量監(jiān)測(cè)水域的水溫和濁度，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理和A/D轉(zhuǎn)換，將測(cè)量得到的數(shù)值顯示在TFTLCD液晶屏上，當(dāng)測(cè)量值超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，提醒現(xiàn)場(chǎng)工作人員，如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)

2 硬件選擇

2.1 主控芯片

本系統(tǒng)以STM32F103ZET6作為主控芯片，該芯片是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款32位Cortex-M3內(nèi)核的處理器[6]，具有64 kB SRAM，512 kB FLASH、最高72 MHz的工作頻率，共有112個(gè)通用IO口，是一款低功耗、高性能的芯片。該芯片已在工程上被廣泛使用，很適合本系統(tǒng)的嵌入式開(kāi)發(fā)。

2.2 DS18B20傳感器

DS18B20是由DALLAS半導(dǎo)體公司推出的一款“一線總線”接口的溫度傳感器，具有體積小、抗干擾性強(qiáng)、與微處理器接口簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量溫度范圍-55～125 ℃，精度為±0.5 ℃，可在3.3～5.0 V的電壓范圍工作。使用時(shí)將DS18B20的平面部分朝內(nèi)、曲面部分朝外，按照電源線、DQ線、接地線的次序從左到右插入開(kāi)發(fā)板U6的1、2和3腳，測(cè)量結(jié)果即會(huì)以9～12位數(shù)字量方式串行傳送，不需要再外接外圍元件。

2.3 TSW-30濁度傳感器

濁度傳感器通過(guò)測(cè)量水中懸浮固體總量(TSS)的變化來(lái)測(cè)量水中懸浮顆粒物的光透過(guò)率和散射率，利用光來(lái)檢測(cè)懸浮顆粒物。傳感器默認(rèn)采用模擬信號(hào)的輸出模式，濁度越高輸出值越低，根據(jù)參考資料，輸出的電壓值和濁度關(guān)系，如圖2所示。在使用時(shí)電源線接開(kāi)發(fā)板的5 V引腳，接地線接開(kāi)發(fā)板的GND引腳，OUT接開(kāi)發(fā)板的PA1引腳即可讀取到內(nèi)部ADC值，通過(guò)單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換即可得到電壓值，進(jìn)而得到當(dāng)前水的濁度。

圖2 電壓與濁度關(guān)系

3 軟件編程

軟件部分使用C語(yǔ)言庫(kù)函數(shù)編寫(xiě)，用MDK5軟件進(jìn)行編譯，用FlyMcu軟件將編譯好的.hex文件下載到STM32中，查看運(yùn)行效果。主要的函數(shù)模塊有DS18B20溫度模塊、濁度模塊和主函數(shù)模塊，程序控制流程，如圖3所示。

圖3 程序控制流程

3.1 DS18B20溫度模塊

DS18B20的典型溫度讀取過(guò)程為：復(fù)位→發(fā)SKIP ROM命令(0XCC)→發(fā)開(kāi)始轉(zhuǎn)換命令(0X44)→延時(shí)→復(fù)位→發(fā)送SKIP ROM命令(0XCC)→發(fā)讀存儲(chǔ)器命令(0XBE)→連續(xù)讀出兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)(即溫度)→結(jié)束。轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在DS18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，如圖4所示。二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于0，這5位為0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘以0.062 5即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測(cè)得的數(shù)值需要取反加1再乘以0.062 5即可得到實(shí)際溫度。

圖4 DS18B20數(shù)據(jù)位表示

if(TH>7)

{

TH=～TH;

TL=～TL;

temp=0; //溫度為負(fù)

}else temp=1; //溫度為正

tem=TH; //獲得高八位

tem<<=8;

tem+=TL; //獲得低八位

tem=(float)tem*0.625; //轉(zhuǎn)換

if(temp)return tem; //返回溫度值

else return -tem;

代碼實(shí)現(xiàn)如上所示，先判定溫度的正負(fù)，如果為負(fù)，則將高低位的值都取反，反之則數(shù)據(jù)位保持不變動(dòng)，再將測(cè)量得到的數(shù)值乘以0.625，將實(shí)際溫度擴(kuò)大10倍，輸出時(shí)再分別除以10取整以及取余作為整數(shù)部分和小數(shù)部分，小數(shù)點(diǎn)前后的數(shù)據(jù)分開(kāi)輸出，并精確到0.1 ℃。

3.2 TSW-30濁度模塊

在獲取ADC的值時(shí)，因?yàn)槭莻€(gè)實(shí)時(shí)變化的量，可能誤差較大，因此采用一定時(shí)間內(nèi)多次測(cè)量取平均值的方法，獲得adcx的值，提高精確度。代碼實(shí)現(xiàn)如下所示。

u16 Get_Adc_Average(u8 ch,u8 times)

{

u32 temp_val=0;

u8 t;

for(t=0;t

{

temp_val= temp_val +Get_Adc(ch);

delay_ms(5);

}

return temp_val/times;

}

adcx=Get_Adc_Average(ADC_Channel_1,10);//采樣10次

因?yàn)镾TM32的ADC是12位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其值為0～4 095，定義一臨時(shí)變量temp，用于儲(chǔ)存測(cè)量得到的adcx值轉(zhuǎn)換為0～4.5 V的電壓值。當(dāng)temp小于2.64時(shí)，直接輸出NTU的值3 000(表示水極度渾濁)；當(dāng)temp大于4.2時(shí)，直接輸出NTU的值0(表示水比較清澈)；當(dāng)temp介于2.64～4.20之間時(shí)，根據(jù)公式-1 120.4*temp*temp+5 742.3*temp-4 352.9，求得NTU的值。代碼實(shí)現(xiàn)如下所示。

temp=(float)adcx*(4.5/4096);

if(temp<2.64)

NTU=3000;

else if(temp>4.2)

NTU=0;

else

NTU=-1120.4*temp*temp+5742.3*temp-4352.9;

3.3 主函數(shù)模塊

主函數(shù)主要包括定義一定的變量，完成延時(shí)函數(shù)初始化、設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)、串口初始化、LED端口初始化、蜂鳴器初始化、LCD顯示屏初始化、STM32內(nèi)部ADC初始化、DS18B20初始化和中文字庫(kù)初始化等。

if(t%10==0) //每100ms讀取一次

{

temperature=DS18B20_Get_Temp();

if(temperature<0)

{

LCD_ShowChar(30+40,210,'-',16,0); //顯示負(fù)號(hào)

temperature=-temperature; //將負(fù)數(shù)轉(zhuǎn)為正數(shù)

}else

LCD_ShowChar(30+40,210,' ',16,0); //原負(fù)號(hào)的位置不顯示

LCD_ShowNum(30+40+8,210,temperature/10,2,16); //顯示整數(shù)部分

LCD_ShowNum(30+40+32,210,temperature%10,1,16); //顯示小數(shù)部分

}

delay_ms(10);

t++;

if(t==20)

{

t=0;

}

通過(guò)t的計(jì)數(shù)和延時(shí)，每100 ms獲取一次DS18B20測(cè)得的temperature并進(jìn)行判定，如果小于0，就顯示“-”號(hào)并將值取反，否則就顯示空白，然后將temperature分別除以10取整以及取余作為整數(shù)部分和小數(shù)部分輸出在屏幕上。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)通電后，將傳感器放入水中，即可在TFTLCD液晶屏上正常顯示采集到的數(shù)據(jù)。分別選取一定程度的渾濁水和清澈水，模擬測(cè)試圖，如圖5和6所示：渾濁水測(cè)試結(jié)果NTU的值為2 407，水溫為20.1 ℃；清澈水測(cè)試結(jié)果NTU的值為0，水溫為20.5 ℃。系統(tǒng)設(shè)定：當(dāng)水溫值低于10 ℃或高于30 ℃、濁度值高于2 800時(shí)，蜂鳴器報(bào)警。

圖5 渾濁水測(cè)試

圖6 清澈水測(cè)試

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中僅加入了單一的溫度和濁度傳感器，具有投入小、適用范圍廣的優(yōu)勢(shì)。但當(dāng)被監(jiān)測(cè)的水域面積足夠大時(shí)，可能無(wú)法客觀地反映整體水域的水質(zhì)情況，并且不同深度的水質(zhì)情況也會(huì)存在差異，可利用STM32良好的功能擴(kuò)展性，通過(guò)多布局傳感器節(jié)點(diǎn)、統(tǒng)一收集數(shù)據(jù)管理分析的方式，更為全面地反映整體水域的水質(zhì)情況。后期還可添加溶氧、酸堿度、電導(dǎo)率、氨氮、亞硝酸鹽pH等傳感器，多參數(shù)更為科學(xué)地、綜合地評(píng)價(jià)水質(zhì)情況；還可添加LoRa無(wú)線傳輸模塊和GPRS通信模塊，通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)保存，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。