基于STM32的水質監測系統研究

游曠吉吉，董自鵬，顧苗苗

(蘇州市職業大學 計算機工程學院，江蘇 蘇州 215104)

0 引言

水是生命的源泉，隨著經濟社會的快速發展和社會文明的進步，人類對水資源的重視程度越來越高。傳統的人工抽樣檢測水質既費時又費力，實現對水質的實時監測，無論是對保護水資源還是促進水產養殖都具有十分重要的意義[1]。

基于嵌入式的產品開發，市場廣泛、功能擴展性好[2]。本文基于STM32設計的水質監測系統，可實現對被監測水域的水溫和濁度自動實時監測并預警。

1 總體設計

本系統以正點原子戰艦STM32F1 V3開發板作為控制器[3]，總體設計采用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]，通過引腳設定和必要的外部電路連接，分別測量監測水域的水溫和濁度，經過信號處理和A/D轉換，將測量得到的數值顯示在TFTLCD液晶屏上，當測量值超過設定的閾值時，蜂鳴器報警，提醒現場工作人員，如圖1所示。

圖1 總體設計

2 硬件選擇

2.1 主控芯片

本系統以STM32F103ZET6作為主控芯片，該芯片是意法半導體公司生產的一款32位Cortex-M3內核的處理器[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，很適合本系統的嵌入式開發。

2.2 DS18B20傳感器

DS18B20是由DALLAS半導體公司推出的一款“一線總線”接口的溫度傳感器，具有體積小、抗干擾性強、與微處理器接口簡單的優點，測量溫度范圍-55～125 ℃，精度為±0.5 ℃，可在3.3～5.0 V的電壓范圍工作。使用時將DS18B20的平面部分朝內、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發板U6的1、2和3腳，測量結果即會以9～12位數字量方式串行傳送，不需要再外接外圍元件。

2.3 TSW-30濁度傳感器

濁度傳感器通過測量水中懸浮固體總量(TSS)的變化來測量水中懸浮顆粒物的光透過率和散射率，利用光來檢測懸浮顆粒物。傳感器默認采用模擬信號的輸出模式，濁度越高輸出值越低，根據參考資料，輸出的電壓值和濁度關系，如圖2所示。在使用時電源線接開發板的5 V引腳，接地線接開發板的GND引腳，OUT接開發板的PA1引腳即可讀取到內部ADC值，通過單片機的A/D轉換即可得到電壓值，進而得到當前水的濁度。

圖2 電壓與濁度關系

3 軟件編程

軟件部分使用C語言庫函數編寫，用MDK5軟件進行編譯，用FlyMcu軟件將編譯好的.hex文件下載到STM32中，查看運行效果。主要的函數模塊有DS18B20溫度模塊、濁度模塊和主函數模塊，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的典型溫度讀取過程為：復位→發SKIP ROM命令(0XCC)→發開始轉換命令(0X44)→延時→復位→發送SKIP ROM命令(0XCC)→發讀存儲器命令(0XBE)→連續讀出兩個字節數據(即溫度)→結束。轉化后得到的12位數據存儲在DS18B20的兩個8比特的RAM中，如圖4所示。二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數值乘以0.062 5即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測得的數值需要取反加1再乘以0.062 5即可得到實際溫度。

圖4 DS18B20數據位表示

if(TH>7)

{

TH=～TH;

TL=～TL;

temp=0; //溫度為負

}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; //轉換

if(temp)return tem; //返回溫度值

else return -tem;

代碼實現如上所示，先判定溫度的正負，如果為負，則將高低位的值都取反，反之則數據位保持不變動，再將測量得到的數值乘以0.625，將實際溫度擴大10倍，輸出時再分別除以10取整以及取余作為整數部分和小數部分，小數點前后的數據分開輸出，并精確到0.1 ℃。

3.2 TSW-30濁度模塊

在獲取ADC的值時，因為是個實時變化的量，可能誤差較大，因此采用一定時間內多次測量取平均值的方法，獲得adcx的值，提高精確度。代碼實現如下所示。

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

因為STM32的ADC是12位逐次逼近型的模擬數字轉換器，其值為0～4 095，定義一臨時變量temp，用于儲存測量得到的adcx值轉換為0～4.5 V的電壓值。當temp小于2.64時，直接輸出NTU的值3 000(表示水極度渾濁)；當temp大于4.2時，直接輸出NTU的值0(表示水比較清澈)；當temp介于2.64～4.20之間時，根據公式-1 120.4*temp*temp+5 742.3*temp-4 352.9，求得NTU的值。代碼實現如下所示。

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 主函數模塊

主函數主要包括定義一定的變量，完成延時函數初始化、設置中斷優先級、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內部ADC初始化、DS18B20初始化和中文字庫初始化等。

if(t%10==0) //每100ms讀取一次

{

temperature=DS18B20_Get_Temp();

if(temperature<0)

{

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

temperature=-temperature; //將負數轉為正數

}else

LCD_ShowChar(30+40,210,' ',16,0); //原負號的位置不顯示

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

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

}

delay_ms(10);

t++;

if(t==20)

{

t=0;

}

通過t的計數和延時，每100 ms獲取一次DS18B20測得的temperature并進行判定，如果小于0，就顯示“-”號并將值取反，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部分和小數部分輸出在屏幕上。

4 系統測試

系統通電后，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據。分別選取一定程度的渾濁水和清澈水，模擬測試圖，如圖5和6所示：渾濁水測試結果NTU的值為2 407，水溫為20.1 ℃；清澈水測試結果NTU的值為0，水溫為20.5 ℃。系統設定：當水溫值低于10 ℃或高于30 ℃、濁度值高于2 800時，蜂鳴器報警。

圖5 渾濁水測試

圖6 清澈水測試

5 結語

本系統在設計和實現的過程中僅加入了單一的溫度和濁度傳感器，具有投入小、適用范圍廣的優勢。但當被監測的水域面積足夠大時，可能無法客觀地反映整體水域的水質情況，并且不同深度的水質情況也會存在差異，可利用STM32良好的功能擴展性，通過多布局傳感器節點、統一收集數據管理分析的方式，更為全面地反映整體水域的水質情況。后期還可添加溶氧、酸堿度、電導率、氨氮、亞硝酸鹽pH等傳感器，多參數更為科學地、綜合地評價水質情況；還可添加LoRa無線傳輸模塊和GPRS通信模塊，通過無線傳輸的方式將數據傳送至遠端計算機保存，實現遠程實時監測。