【《基于STM32单片机的水质检测系统设计》14000字】

页1绪论1.1课题背景和意义物联网行业涉及范围非常广阔，囊括我们身边的万事万物，无论是在家居，公共场所，或者是工厂，你所能见到的东西都可能被联系到物联网上。就像我们常常听说的那样：“万物皆可互联”。这样庞大的一个工程就像一座大厦，而本文将要介绍的，则是物联网大厦中微不足道的一块砖，水质检测系统。水，是天下万物之源；水资源，是我们人类最重要的天然资源，更是我们人类和动植物等所有各类生活者赖以生存、健康发展的根本条件。水资源本身就是一种能够不断进行再生的资源，它的可再生性主要取决于整个地球的供给与水循环，其具有可持续使用的特征，是对社会、经济的可持续发展提供了极为重要的保障。但在随着我国经济社会和城市以及工业等发展与增长，水资源被大量排放和污染，因此，随着我国水资源受到污染的状况越来越严重，在进行水污染防治与控制中做好了基础性措施和工作，它的现实意义与功能也就变得越来越重要。自动定位监视器检测技术广泛应用于我国水体质量检测，在其发展历史上，已经积累有丰富的实际应用研究经验、成功应用案例，由我国政府开始自行研制逐渐出现的多品种参数自动定位水质质量测定仪，主要技术是根据其所监测到的水温、PH、溶剂需氧量、化学物质需氧量、总有机氯化碳等各种主要水质测量指标而进行设计的。丹麦水产品研究所自主研发的丹麦水产品钓鱼养殖场的水质环保监督质量管理检测装置，目前已经在全球乃至海外养殖市场上都享有很高的国际声望，比如德国的史德科马迪可的繁殖养鱼厂家所采用的方式是一种封闭式的全自动化养殖水质环保质量监测的管理方式，并充分运用了多项先进的高科技管理技术手段的管理方法，也已经是目前世界其他发达国家争相研究效仿的战略目标。我国远远还要晚于国外先进发达国家约十年左右在如何推动我国工厂化养殖水产业和养殖业的快速发展上，并且在整个乃至全国的区域范围内，发展的低水平资源分布极其不均衡。生产水质管理发展过程中是否缺少好的病害性污染预警管理机制与病害防治措施策略、水质实时管控监视与病害报警比较落后等环境问题等都是当前影响我国特色水产业和养殖业普遍存在的严峻环境问题，这都与当前构成我国生产水质实时监视与病害报警管理系统中所面临存在的巨大技术差异问题具有重要的密切关系。环境监测中作为重点工作之一的水质监测，能够准确、及时、全面地客观反映水质的现状和发展趋势，更是作为水环境管理、污染源防治和控制、环境计划等工作提供了科学依据的主要资料，对于整个水环境的维持、水污染防治和控制以及维持水环境健康有着极其重要的意义。蔓延到整个全国城市范围内的新型禽流感疾病疫情也再一次提醒使得中国人们更更加重视对当地水资源的严重环境污染和安全监测。生态环境保护部今年联合国家印发的《应对新型冠状病毒感染的肺炎疫情应急监测方案》，进一步充分明确了在疫情应急防控期间重点开展常规水质加密监测的功能重要性，除了切实做好全国饮用水水源环境生态质量自动站的监测以及系统运维质量管理技术保障服务工作，充分发挥全国饮用水环境自动站生态监测数据资料的生态应急监测预警管理功能，还尤其应当重点加强了对饮用水主要水源地的常规水质监测预警和生态监测，疫情应急防控期间，在不向饮用水主要水源地公布常规水质监测检查结果的基础上，还进一步重点增加了对水中余氯和急性微生物中毒等流行性疾病疫情应急防控期间重点监测指标的主动监测，发现存在有害性水质异常情况后再及时进行水质加密自动监测，并及时主动采取措施、查清感染原因、控制感染风险、消除不良影响，切实有效保证广大地区人民干部群众的健康饮水安全。水资源管理是一件关乎国计民生的巨大事，水质安全监控也是对它重要性的保证。水与环境健康和社会人体健康息息相关，因而对于水质的监测也不容忽视，无论是普通常规的五项(包括温度、PH、溶氧、电导、浑浊)，还是行业中某些领域的环境所特增加的其它监测参数，水的监测都将对于水环境卫生具有重要意义。1.2本课题研究的主要内容本研究课题选择ST公司自行生产的STM32F103C8T6微控制器作为其主控单元和芯片，借助超声波测距模块、PH传感器、电导率传感器实时监控水质情况，并且添加了WIFI模块，用以实现远程数据显示。水质监测可以为我国的水环境管理、污染源控制、环境计划等工作提供科学的依据，对于预防和治理各类水污染具有重要的指导性作用，对于水环境的保护、水环境健康等各个方面也具有重要的指导意义。能够准确、及时、全面地客观反映水质的现状和发展趋势，为水环境管理、污染源控制、环境计划等指标建设提供了科学的依据，就是实施水质监测。水质监控对于水污染物的控制具有非常重要的影响，在保护水环境、维持水生态系统、保护水环境卫生安全方面具有非常重要的意义。本课题所研究的内容主要有这些几个方面：系统整体方案设计—系统主要功能—系统可行性分析—主控芯片的选型与方案论证—传感器的选型与方案论证—通讯模块的选型与方案论证—液晶显示模块的选型与方案论证—电源模块的选型与方案论证—其他外围电路的器件选型与方案论证(2)系统硬件电路设计—主控芯片电路设计—传感器模块电路设计—超声波测距模块电路设计—通讯模块电路设计—液晶显示模块电路设计—电源模块电路设计—其他外围电路设计(3)系统软件程序设计—主控芯片程序设计—传感器模块程序设计—超声波测距模块程序设计—通讯模块程序设计—液晶显示模块程序设计(4)系统调试0—硬件单机调试—硬件上电调试—模块功能调试—系统整体的软硬件调试2系统整体设计2.1系统功能(1)接通5V移动电源，按下电源开关，启动装置，各模块电源指示灯点亮。(2)PH检测模块电源指示灯正常点亮，PH传感器能正常工作。(3)LCD液晶显示器正常点亮，超声波测距模块和电导率传感器能正常工作，LCD液晶屏字符显示正常。(4)本设计要求能够实现数据实时传输，通信模块就起到了重要作用。2.2系统分析根据对系统功能进行分析与归纳，本次设计必须要有以下几部分内容：水样各项数据信息采集，远程通信，数据处理与控制，输出与输入。(1)为了实现对数据的输入输出与控制，保证整个系统的正常工作，此次设计必须要有一个对主控芯片进行驱动的电路。主控芯片驱动电路有虽然外部晶振，但是为了保证系统时间更加准确，就需要加入一个独立的时钟电路。(2)为了能够对待测水样进行数据采集，本设计需要应用传感器技术，借电导率度传感器、PH传感器和水位传感器来检测水样的导电率和PH。(3)为了方便用户的操作，我们分别需要一个简单的按键模块和液晶显示模块，面向用户的交互功能就由以上俩个模块实现。(4)为了能保持整个系统的正常运行，还需要一个电源模块，直流稳压模块是一个不错的选择对系统功能进行分析后，整理出了系统运行的思路，并且将其，块化。为了方便大家更好的理解，将此系统框图进行简单描述。此次设计的系统方案设计框图如图2-1所示。主控芯片主控芯片液晶显示电源模块通信模块超声波测距模块电导率模块PH模块图2-1系统方案设计框图2.3主控芯片的分析与选型主控芯片有很多种选择，目前比较主流的单片机分别有STM32单片机、51单片机和MSP430单片机。⑴51单片机是一款结构简单经典的八位单片机。这个系列单片机有着完善的寄存器管理以及面向控制的指令系统。并且它价格十分低廉，这款单片机可以用来处理数据，而不是简单的一个字节。它可以控制一些简单的寄存器，还能够按位进行逻辑计算。但是这一款单片机也是有一些缺点。这系列单片机没有集成数模转换芯片，并且没有EEPROM，对稳定性大打折扣，部分引脚无法在高电平的时候输出，并且它的运行速度与其他俩种选择相对较慢。⑵STM32系列单片机是如今在物联网应用中最广泛使用的32位处理器。为了充分满足当前高性能和质量低成本的用于嵌入式应用程序设计的各种技术发展要求，这系列设计芯片都必须是全部采用基于ARMCORTEX-MX的内核，可以实现很多另外两款单片机无法实现的强大功能,并且还拥有许多的外设功能：双12位的模数转换模块，传输速率更快的UART串口和SPI串口。这款芯片也有着最大的存储器，Flash存储器最高可达到512KB，SRAM存储器最高可达到64KB。这一系列还有着最高112个I/O口。同时为了满足用户更多的拓展需求，还开放了众多的通信接口，可以满足现在绝大部分物联网装置的需求。⑶MSP430单片机，有非常高的工作效率，并且功耗超级低，是16位阵列微处理器，指令在操作系统中直接运行起来速度更快、功耗也更低。但是此设计要有许多的外围拓展，显然它不是此设计的最佳选择。由意法半导体ST公司开发与研制的STM32系列的处理器是一种采用ARM7架构的32位、支持实时仿真与跟踪的嵌入式微控制器。因为本次系统的设计不仅仅是为了追求其成本的最低或更少功耗，而是要求其能够在充分利用本次设计中所具有的功能前提下，为其设计的实验系统各个实验项目必须具备更丰富的接口和功能，所以选择这款控制芯片主。此款控制型芯片可用于完成对单片机相关课程的学习后操作比较简单容易，具有良好的学习、实践研究价值。2.4传感器模块的分析与选型传感器模块是整个系统设计的重要部分，所以传感器的选择也尤为重要，假设传感器不够灵敏，稳定性不高，那么所测得的数据就对于我们而言意义就没有那么大。电导率传感器和PH传感器都是精度比较高得传感器，使用和使用结束之后必须妥善处理，以免传感器测量准确度下降。(1)水位传感器的选择对于自动水位测量传感器，此次自动测试的系统设计基本技术指标要求：自动测量水位精度高、反应启动速率快、稳定性好、对环境影响小、安全可靠、使用寿命较长。常见的水位传感器主要有：浮球式传感器：工作原理和测量方法都很落后，可靠性差，测量精度低。而且由于浮球式结构，在水中很容易沾染污渍，生出水藻，难以清理。电极式传感器：借助液体的导电性能测量水位高度，结构简单，价格便宜。但是电极式传感器长期在水中放电，影响水体，还会产生电解，污染水体环境。超声波传感器：测量精度高，不需要接触水体，并且超声波传感器不会受水体的状况而影响精度，抗干扰性强。这个测量系统的硬件设计主要就是选用A-HC-SR04超声波测量模块，这个声波模块的测量性能很稳定，测度的直线距离也很准确。它通常可以为每个使用者同时提供20-400cm的非接触型测量距离。该传感器具有检测距离功能，测量时的距离准确率通常能够同时高达大3mm，并且经常能与国外国产SRF05等新型超声波距离测距仪器模块互相竞争。模块的测距精度高，盲区(2cm)测距超近，稳定的测距精度进行测距，是这一模块系列产品最终是否能够成功地顺利走向市场的有力理论基础。水位超声波测距模块借助于超声波反射性好的特点，基本设计和工作原理：主控芯片向超声波模块发送信号，模块接收数据后，超声波发射端发送超声波，当超声波遇到障碍物后返回，接收端接收到信号后，向主控芯片发送信号，主控芯片通过A/D转换，然后将花费的脉冲周期返回给单片机，然后通过计算，测出距离。超声波测距原理框图如图2-2所示。定时器定时器传输超声波接收计时控制增益放大震荡计算调制超声波发射障碍物图2-2超声波测距原理框图(2)电导率传感器的选择电导率信号传感器按照其信号测量的工作原理和测量计算用的方法不同，大致来说可以将各种传感器信号分为各种电极式电导率信号传感器、电感式电导率信号传感器、和各种超声波电导率信号传感器。电极型电导率电阻传感器主要原理是根据固体电解质中导电的化学原理，采用直接电阻式的测量方法，对电导率测量进行直接实现式的测量，这一个电导率所测量的主要电极在电阻测量的整个过程中被直接表现出来成为一个复杂的量子电化学测量体系。电感式电导率传感器可以依据电磁传感器的感应工作原理来实现测量和检验液体的电导率。超声波电导率测量传感器系统可以根据不同超声波物体流动时的不同而通过变化速度来准确测量电导率。总溶解性固体，我们通常把它称为各种溶解性固体的总量，测量单位为毫克/升(mg/L)，要表达的就是1升水中至少要溶有多少毫克的溶解性固体。TDS数值越高，就说明水中所含的溶质特别多。总溶解固体说的就是水中所有溶质的总和，无机物与有机物通常就是其中主要的溶质。一般的可用这个电导率的取值来大概地了解一个溶液中的盐分，在一般的情况下，电导率取值越高，盐分就会变得更高,TDS也会变得更高。在这些无机物中，有的可能被溶解为离子态的成分，的其他很多以分子状态存呈现。由于自然水中所含的各种有机物和其他呈现分子态的无机物不考虑，所以一般也就把水中的含盐度称为总溶解性的固体。本次水质检测采用的传感器模块，能够实时地检测各类水质的TDS数值，就是说它能够实现检测水中的化学物和液体的电导性参数。注意，传感器只可以将探针放入水中，可将整个探头进入水中。(3)PH传感器的选择PH测量简单来说就是一个原电池测量体系,是将所有的敏感化学性电能都可以转换成作为其他电能的一种测量方法，用在电池端的测量输出输入电压我们通常可以称之为利用电极测量输出的参比电位；测量参比输出电位由两个半导体电池组合而成，个可以叫做电极测量输出电极，可以叫做测量参比电极；PH测量电极薄膜是一支在电池端部分别被风吹成白色气体或者飞沫泡状的于PH敏感化学物质上的一层玻璃导电薄膜。在一个管子里均匀地直接充填一种带有一定饱和分量AGC1的3mol/lKCL水的缓冲溶液，PH1的值固定为7。在对被测水样中所含氢离子量的浓度数值进行其PH数值检测时，主要检测目的就是为了准确检测水样液体中所含氢离子量的浓度，检测水样中液体温度的不断提高，离子电位差的数值将来也会随之有所提高。对于每1℃的恒定温度就会发生电位变大，来就会直接导致一个电位大约为0.2mv/PERPH的温度变化。用第一PH的数值计算公式得出来计数代替第一PH的数值,则每1℃第1PH的值改为0.0033PH的数值。这也已经是充分说明了:在20~30℃之间和7PH左右的两个时间段内对测量来讲,没有必要对其中的内部温度不断变化持续情况同时进行适当的温度补偿；在内部气温分别>30℃或<20℃和7PH温度值分别>8PH或6PH的工业应用检测场所则必须同时做好对其内部温度的持续变化情况做出适当补偿。可以很方便的检测液体的PH值选用这一个PH值检测传感器模块，它由PH电极和PH值转换器两个部分组成。PH电极检测水样重的氢离子浓度，将测得的数据通过PH值转换器转换成特定的电压信号，之后就按照标准的曲线把输出来的电压信号改变成了待检测溶液中的PH。2.5通信模块的分析与选型通信模块也是此系统设计上的重点，常见的物联网通信方法主要有蓝牙，ZigBee，蜂窝通信以及WIFI。蓝牙数据传输慢，覆盖范围小，没有办法实现远程控制。ZigBee是一项低功耗的局域网技术。如果广泛推广，家中设备全都进行组网的话，成本会很低，但是现在ZigBee技术还没有广泛的走进家庭，适用性太低，无法选用。蜂窝无线通讯终端的高速移动性是其主要优点，并且它还拥有了越区切换及跨本地网络自动漫游的功能。由互联网基站子系统和移动互联网交换子系统等设施所组成的蜂窝移动通信网络所提供的话音、数据、视频影像等服务被称为蜂窝移动通信业务，不适合此设计。WIFI如今已经是称为一般家庭中不可缺少的设备，WIFI技术发展之快也是前所未有的，现已成为互联网领域的一支重要力量。WIFI信号覆盖范围比较广，半径可达100米左右。但是Vivato公司推出了一款新型交换机，改变了这一现状，通过了解这款产品能够把WIFI无线网络100米的通信距离扩大到了约6.5公里。这样WIFI传输就更能起到大作用，虽然由WIFI技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性能比蓝牙差一些，传输质量也有待改进，但传输速度非常快，符合个人和社会信息化的需求并且在未来高速的数据传输背景下，此设计选用WIFI通信是最有意义的。2.6电源模块的分析与选型本设计的控制电路要求是满足其它模块的功耗要求,选用了直流式稳压源。直流稳压电源从其特性上大致可以划分为两种：线性稳压电源和高压开关稳压电压源。由于本产品的设计主要是面向室外应用，移动电源要求的优先级很高，开关式稳压电源虽然其能量的转化效率很高、电路稳定可靠。但是它的电路很复杂，并且电路波纹与噪声大，并不适合本设计的时序控制电路。最终选择的线性稳压电源结构简单、电源波纹和噪声低、成本也低。2.7其他电路的分析与选型LCD的显示设备可以分为文字段的显示设备和文本信号字符式的显示设备。字符的显示就是按照所需的时间来显示一个基本的字符。此设计采用的是字符型显示。选用LCD1602作为这个设计的显示设备。与现在市面上普通化和传统化的LED系列显示器硬件相比,液晶文字显示在硬件设计上具有硬件体积小、功耗低、显示视频内容丰富等特性，而且不需要再根据额外安装硬件驱动控制电路。液晶文字显示控制模块已发展成为了目前各种单片式主机硬件应用程序软件设计中最常见的一种文字显示控制元件，LCD1602可以分别同时显示2行16个字的英文和多种汉字，可以满足此设计的需求。电路中，为了快速获得一个好的交流谐振信号，可以直接通过一个RC、LC谐振集成电路转换来进行获取，但这些交流谐振转换电路的信号振荡率和频率都不稳定。在这些要求能够获得一个高度的稳定性和频率的谐振电路中，必须充分考虑到基于石英晶体振荡器的电路。由于这种石英谐振晶体本身同样具有较高的驱动精度和品质因数，振荡电路在继续采用晶振恒温、稳压等先进工艺工作方式以后，振荡电路频率更加稳定，晶振驱动性能给越使单片机正常工作运行时能提供稳定性的时钟指示信号，被广泛地大量应用于无线通讯、时钟、手表、计算机等各种各样需要高稳定时钟信号的电子应用设备场合。

3硬件电路设计3.1主控芯片模块系统设计中主控单片机封装引脚如图3-1所示。本单片机具有48个引脚，其中有32位并行输入/输出接口。其中的大多数I/O口都有不少于俩个的数据传输功能，其中就包括了中断请求、定时/计数器的输入、外部数据存储器的读写。电源接口和接地口也是不可缺少的，此外还有外部晶振的输入/输出引脚，复位引脚。还有一些接口在这个设计中没有用到，所以就不再进行介绍。STM32F103C8T6的PDIP封装引脚如图3-1所示。图3-1STM32F103C8T6的PDIP封装引脚图该模块主要由单片机，时钟源电路、程序下载电路、按键复位电路、电源指示电路及I/O口负载电路组成。单片机主控芯片模块如图3-2所示。图3-2单片机主控芯片模块原理图单片机主控电路实物如图3-3所示。图3-3单片机主控电路实物图3.2超声波测距模块模块主要的接线方式：VCC接5V电源;trig（控制端）和echo（接收端）接单片机I/O；GND接地线。注意事项(1)trip引脚为内部上拉10k的外部脉冲整流电阻,单片上电机的I/O为内部下拉高trip引脚，然后再给一个10us以上的外部脉冲电阻信号。(2)将有源模块导线插好后将其放到有源电路板上再重新进行一次通电,避免出现漏电产生一个个的高电平误动作,如果情况发生了，重新通电进行一次通电后该处理方法就可以及时得到有效解决。该控制模块主要由一台超声波射频发射机、超声波接受器及其相关控制电路模块组成。模块包括超声波发射器、超声波接收器和控制电路。超声波传感器原理图如图3-4所示。图3-4超声波传感器原理图超声波模块原理图如图3-5所示。图3-5超声波模块原理图选用超声波测距模块作为此设计的水位传感器，其型号为HC-SR04。该模块实物如图3-6所示。图3-6超声波模块实物电导率检测模块TDS传感器模块接口说明：VCC接5V正极；RXD串口是接收端；TXD串口是输出端；GND接地。TDS传感器模块接口说明如图3-7所示。图3-7TDS传感器模块接口说明TDS传感器模块数据传输说明:TDS各种传感器控制模块读写是一种采用特殊接口协议对每个传感器控制模块的所有数据信号进行实时读写，它们同样可以通过直接串口连到不同的专业研究型软件开发者的主板和应用串口。亦可直接把它作为一个单片机的一个串口。单片机连续的向模块发送FD；然后检测模块返回数据，其格式如表3-1所示。表3-1数据返回格式头字节数据低字节数据高字节结束字节1结束字节2FD0000FCFDTDS传感器模块原理图如图3-8所示。图3-8TDS传感器原理图电导率传感器实物如图3-9所示。图3-9电导率传感器实物图3.4PH检测模块PH值检测传感器模块接口说明：VCC引脚是接5V电源，而且一般只能用5V,不允许使用3.3V；GND接地；P0：PH模拟测量输出口(一般为0-5V)蓝色的电位仪可以自动调节PA2口的电压和输出值。T1是温度输出，插入热敏温度传感器后就可以实现温度检测,这一个模块上的的白色端子就是传感器接口,温度补偿的功能主要是通过软件补偿实现，计算方式为能斯特方程。除非是在非常特殊得情况下，不然是不需要温度补偿的。片内校准是主要利用对于各种数字和其他模拟信号的校准进行处理，即是利用电路中自动经过校准的处理运算来使放大器正常工作，在上的放电时间就是为了使信号输入的电路失调电压自动经过校准处理变为零。一旦两个校准电路工作安全完成，大部分的两个校准运放电路也就会因为完全脱离了输出信号源和接收器的两个通道而被自动关断,校准运放电路对于输出信号源和接收器的两个通道几乎完全没有任何大的影响，这也就可以使得在整个校准工作周期或者校准结束后，它们就已经可以完全不再像其他的精密数字计算机和放大器那么一样可以正常使用，校准电路工作的主要过程是其中的两个运放校准电路两个输出信号端的输入输出端互相对地而言会产生一个短路，输出输入端相互接地对外而言会进入一种比较高阻抗的状态，对内的就是为两个校准运放电路同时提供信号供应源的运放校准电路的两个输出电压信号。对该输入信号先对其进行高频A/D信号转换、低频高通滤波、整形，然后再发送输入信号到逐次渐近的信号寄存器。校准电流失调系统采用了一种基于电流满度控制方式的新型数模电流转换器(DAC)，其满度的输入电流控制是由它提供给一个输入校准失调的直流电压器来做大约等于±5mv的电流调节之用。校准器在工作进行完毕时,逐次渐渐靠近电路寄存器的一个RCO端向一个R-OS端输出一个校准信号,然后通过一个rs端的触发器再次开启或者再次关闭一个RCO端振荡器,以有效降低校准电源和电路驱动器的输出电流和其他电路噪声。PH传感器原理图如图3-10所示。图3-10PH值检测传感器原理PH传感器模块原理图如3-11所示。图3-11PH传感器模块原理图PH传感器模块实物图如图3-12所示。图3-12PH传感器模块实物3.5液晶显示模块LCD1602采用标准的14脚，接口的引脚说明如下：VSS引脚接地，VDD引脚接5V的正电源，液晶显示器的对比度调整端是引脚A0。RS引脚接PB5引脚，这个引脚由寄存器选择得功能，当高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。RW接PB6引脚，这个引脚能够读写信号，高电平时进行读操作,低电平时进行写操作。RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,RS为低电平RW为高电平时可以读取信号,当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。E引脚接PB7，功能命令终端，用户使用时就需要这个引脚得功能，E端由于向高电平不断跳转而转变成为低稳压电平时,液晶模块就一定会自动执行这个使能命令。D0~D7是8位双向数据线，这个设计分别接PB8~PB15。A和K俩个引脚悬空。系统中采用LCD1602作为一个显示元件进行输出的信息，其具体的电路结构框图如图3-13所示。图3-13LCD1602原理图LCD1602实物如图3-14所示。图3-14LCD1602实物图3.6通信模块WIFI(wirelessfidelity,无线保真网络技术)的最大主要特征之一是那就是它的数据传输速度相对比较高，而且它还可以能够自动控制调节网络带宽，可以有效率的保证无线网络的安全稳定和保证网络的可靠。WIFI模块原理图如图3-15所示。图3-15WIFI模块电路原理图WIFI模块实物如图3-16所示。图3-16WIFI模块实物图3.7直流稳压电源模块此次设计选用LM7805直流稳压模块。LM7805是三端式稳压电路，三端分别指的输入端，输出端和接地端，LM7805的稳压电源外围需要的元器件可以说是非常的少，在电路使用过程中过热，过流，调整管都有起到保护电路的作用，使用起来方便，可靠，且价格还便宜。稳压电源线路旁边的光灯是一个发光电源二极管，当电源稳压器接通电源后，此时如果发光二极管就能被电路正常点亮，就说明稳压电路起到了作用，能够正常工作。稳压源电路原理图如图3-17所示。图3-17稳压源电路原理图最终硬件电路设计完成，工作元件清单如表3-2所示。

表3-2元器件清单序号元器件型号标志数量1LCD1602液晶LCD1602LCD112蓝白电位器103PR113电阻10KR1,R224STM32核心板STM32_COREU115PH值传感器模块PH值传感器模块U216TDS电导率传感器电导率传感器U317超声波模块超声波MODEU418WIFI模块ESP8226U519万用板//110普通USB线//111导线//112焊锡//14软件设计作为一个完整的系统设计应用，软件部分设计定然是不可以缺少的。一个好的软件设计不仅要求可靠性高，而且要便于用户修改，使程序简洁且容易理解，程序编写就必须有注释。在开此次的开发设计中尽可能的优化程序，力求能够做到更好。本章节的主要内容是介绍各个模块相关程序设计的大体思路。尽可能清晰的用文字和程序流程图的方式讲解各个部分与整体的软件设计流程。在讲解的过程中会附上程序部分内容作为参考。4.1主程序设计当整个系统都上电后，就是开始运行一个初始化过程。初始化主要包括以下几个内容。(1)设定变量为初值(2)设置相应时钟频率(3)设定中断源和优先级(4)设置串口工作模式以及波特率(5)设定其他预设的数据变量及命令字只有当程序初始化之后，才能保证程序的稳定性，避免由于程序不从入口出处运行而导致BUG出现。主函数初始化设置流程如图4-1所示。结束结束外部中断设置定时钟设置变量设置开始其它预设函数变量设置串口设置图4-1主函数初始化设置流程图4.2超声波测距模块程序设计超声波测距模块：主控芯片向超声波模块发送信号，模块接收数据后，超声波发射端发送超声波，当超声波遇到障碍物后返回，接收端接收到信号后，向主控芯片发送信号，主控芯片通过A/D转换和计算，得出水位高度。(1)进行端口定义(2)设置定时器(3)设置中断源优先级(4)设置串口工作模式以及波特率(5)超声波测距模块具体工作方法超声波测距流程如图4-2所示。发射超声波脉发射超声波脉冲，开始计时延时定时计数器初始化系统初始化开始发送数据停止计数计算距离检测到回波NY图4-2超声波测距流程图程序如下：4.3传感器模块程序设计传感器的模块分别由PH传感器与电导率传感器俩个部分构成。PH传感器模块：PH传感器模块属于独立模块，其最小模块上有独立的按键开关，按下按键系统初始化，开始检测数据，检测到的数据传输至主控芯片，再显示于液晶。(1)进行端口定义(2)设置定时器(3)设置中断源优先级(4)设置串口工作模式和波特率(5)传感器工作模式PH检测流程如图4-3所示。结束结束液晶显示数据检测数据系统初始化开始图4-3PH检测程序流程图程序如下：电导率传感器模块：电导率传感器模块直接与单片机最小控制系统相连接，该模块与最小系统同时工作。主控芯片初始化，向传感器发出指令，传感器开始工作，将检测到的数据显示于液晶屏。程序如下：4.4液晶显示模块程序设计液晶显示模块需要其他模块的数据，水位高度、PH值、电导率等，待测水样的各项数据都能在液晶显示。(1)进行端口定义(2)设置定时器(3)设置中断源优先级(4)设置串口工作模式和波特率(5)LCD显示具体工作方法LCD显示流程如图4-4所示。开始开始初始化清LCD送字符显示地址送显示写字符返回YNLCD显示忙？图4-4LCD显示流程图程序如下：4.5通信模块程序设计WIFI实现手机平台实时显示检测水样的各项数据。(1)进行端口定义(2)设置定时器(3)设置中断源优先级(4)设置串口工作模式以及波特率(5)设定通信模块具体工作方式模块功能开启，系统初始化，模块向移动端发送数据初始值，到各传感器将检测数据传输到芯片，继而数据实时显示。WIFI模块工作流程如图4-5所示。开始开始将数据传输到主控芯片系统初始化等待接收数据接收数据结束NY图4-5WIFI模块工作流程图5系统调试5.1系统调试流程各个模块安装结束之后，并是要进行软件调试，这也是这个设计的最后一个环节。安装与调试环节需要我们有极大的耐心，要有明确的调试思路。这一个设计中模块比较多，我们应该逐个模块检测其是否能正常工作，先对硬件进行检测再看软件设计，先进行模块单机检测，再上电检测，先看各个模块的功能是否能实现，再进行整体调试。这样做不仅可以方便各个模块的检修，而且也不会因为单模块的短路问题而影响整个电路的功能。首先应当对单片机的最小系统进行检测。使用万用表检查电路中是否有短路，焊接过程中是否出现虚焊等问题。紧接着并是接通电源检测，接通电源以后看电源指示灯是否正常点亮，输出电压是否是正常。电源指示灯正常，输出电源正常后，下载程序测试，看能否正常下载程序。单片机最小系统调试完成后，进行逐模块安装并检测。液晶显示的检测，接通电源，看液晶显示器能否被点亮，点亮后下载液晶显示程序，是否能够正常显示字符。传感器模块的检测，电导率传感器模块和PH传感器模块，需要借助对比来确定测量精度是否有问题，并要将电极放在水中，验证电极的防水性与稳定性。超声波测距模块，需要先确定传感器到待测物之间的的距离，然后加入水，并用其他手段比对测试判断是否正常工作。验证传感器模块和超声波测距模块是否正常，接下来直接进行整体测试。WIFI通信模块检测，主控芯片，传感器检测正常后，检测水样，数据能否通过串口助手显示与外部设备。在安装与调试期间，要同时做好相应记录，将调试中观察到的现象，遇到的问题记录好，之后进行思考或者查阅相关资料进行解决。5.2系统功能测试经过测试，超声波测距模块能够正常工作，可以正常的测试水位，如图5-1所示。图5-1超声波测距工作经过测试，PH传感器模块能够正常工作，能够检测水样的PH值，如图5-2所示。图5-2PH检测模块工作经过测试，电导率模块初始化正常，可以正常在显示水样导电率数据，如图5-3所示。图5-3导电率模块工作最终，所有模块都可以正常工作，系统功能要求全部实现，基本满足课题预期目的。5.3系统调试中的问题与解决方案(1)PH传感器在检测水样过程中，发现灵敏度下降，响应变得缓慢，还有噪声信号影响传感器工作。通过清洗PH传感器的探头，灵敏度有所改善。噪声信号影响灵敏度，可能是设备的其他线路的影响，这时，可以将PH探头导线从其他电线处移开从而减少噪声干扰。(2单片机开始能过烧录程序，烧录程序之后就不能再次烧录程序。通过查阅相关的资料，可以让MUC进入升级模式，就是拉高boot0,然后复位MUC，然后再进行烧录，发现程序能够正常烧录，问题得以解决。

结束语这个课题从选题到安装调试，再到完成论文，前后消耗了很长很长的时间，花费了很多很多的脑子。最终基本大概是实现设计功能要求，但是其实并没有完全达