油田污水处理控制系统设计

油田污水处理控制系统设计摘要在工业自动化技术全面普及的当下，油田开采行业的环保治理要求持续提升，油田采出水的无害化处理与资源化利用已成为行业发展的核心议题。传统油田污水处理模式多依赖人工现场操作，存在自动化程度低、处理流程管控不精准、水质监测滞后、远程管控能力不足等问题，极易出现处理后水质不达标、设备运行效率低下的情况，既无法满足严苛的环保规范，也制约了油田开采的绿色化发展。针对上述问题，本文设计了一套以STM32F103C8T6单片机为核心的油田污水处理全流程自动控制系统，该系统可实时监测处理过程中的水质PH值、浊度、各池体液位等关键参数，按照预设流程自动完成污水去油、爆气沉淀、中和调节、消毒杀菌的全流程闭环控制，同时支持本地按键参数配置、OLED屏实时状态显示，以及基于WiFi模块的手机APP远程监控与操作。该系统具备集成度高、成本可控、功能适配性强、运行稳定可靠的特点，能够有效提升油田污水处理的自动化水平与处理效果稳定性，对中小型油田污水处理站的智能化升级具有重要的应用价值。关键词：油田污水处理；STM32单片机；水质检测；自动控制；远程监控AbstractWiththecomprehensivepopularizationofindustrialautomationtechnology,therequirementsforenvironmentalprotectionmanagementintheoilfieldexploitationindustrycontinuetoimprove,andtheharmlesstreatmentandresourceutilizationofoilfieldproducedwaterhavebecomeacoreissueinthedevelopmentoftheindustry.Thetraditionaloilfieldsewagetreatmentmodemostlyreliesonmanualon-siteoperation,whichhasmanyproblemssuchaslowdegreeofautomation,inaccuratecontroloftreatmentprocess,laggingwaterqualitymonitoring,andinsufficientremotecontrolability.Itiseasytocausethetreatedwaterqualitynotuptostandardandlowequipmentoperationefficiency,whichcannotmeetthestrictenvironmentalprotectionspecifications,butalsorestrictsthegreendevelopmentofoilfieldexploitation.Inviewoftheaboveproblems,thispaperdesignsasetoffull-processautomaticcontrolsystemforoilfieldsewagetreatmentwithSTM32F103C8T6single-chipmicrocomputerasthecore.ThesystemcanmonitorthekeyparameterssuchasPHvalue,turbidityandliquidlevelofeachpoolinthetreatmentprocessinrealtime,automaticallycompletethewholeclosed-loopcontrolofsewagedeoiling,aerationsedimentation,neutralizationadjustmentanddisinfectionaccordingtothepresetprocess,andsupportlocalkeyparameterconfiguration,real-timestatusdisplayofOLEDscreen,andremotemonitoringandoperationofmobileAPPbasedonWiFimodule.Thesystemhasthecharacteristicsofhighintegration,controllablecost,strongfunctionadaptability,stableandreliableoperation.Itcaneffectivelyimprovetheautomationlevelandtreatmenteffectstabilityofoilfieldsewagetreatment,andhasimportantapplicationvaluefortheintelligentupgradingofsmallandmedium-sizedoilfieldsewagetreatmentstations.Keywords：oilfieldsewagetreatment;STM32single-chipmicrocomputer;waterqualitydetection;automaticcontrol;remotemonitoring目录28785摘要 I11483Abstract II205831绪论 1316371.1研究背景 161521.2国内外发展现状 126671.2.1国内研究现状 1140831.2.2国外研究现状 2217952功能与设计方案 3167592.1系统功能要求 3207552.2系统设计方案 3272382.3器件方案对比 5133542.3.1核心控制器的选型 528362.3.2电机驱动模块的选型 5187922.3.3显示模块的选型 6261452.3.4无线通信模块的选型 7261203系统的硬件设计 832213.1STM32F103C8T6单片机 8278643.2MX1508电机驱动模块 9154243.3TCRT5000红外检测模块 10311383.4水质检测模块 1125833.4.1PH值采集模块 11237013.4.2TDS浊度检测模块 121163.5OLED显示模块 1235803.6按键模块 13226303.7ESP8266WiFi通信模块 14176224系统的软件设计 15282744.1软件介绍 15284244.2软件程序的设计 16221364.2.1主程序流程图 16634.2.2按键子程序流程介绍 17203744.2.3数据采集程序流程介绍 19298845系统的测试 2182505.1软硬件调试 2139975.1.1软件调试 21255485.1.2硬件调试 21226315.2实物展示 21242085.2.1PH值检测功能 21148075.2.2浊度检测功能 22209125.2.3APP通信功能 2229765结论 2422678参考文献 2526658谢辞 2925076附录A 308529附录B 311绪论1.1研究背景随着我国油田开采行业的持续发展，油田采出水的处理规模与治理要求同步提升。油田开采过程中产生的含油污水，含有大量石油类物质、悬浮物、酸碱污染物及重金属成分，若未经达标处理直接排放，会对周边土壤、地下水与地表生态环境造成不可逆的破坏，同时也不符合国家《油田含油污水处理工程技术规范》等相关环保法规的硬性要求。而经过规范处理的油田采出水，可实现回注再利用，既能够缓解油田开采区域的水资源短缺问题，也能降低开采成本，实现绿色开采与经济效益的双赢。当前我国多数中小型油田污水处理站，仍采用以人工现场操作为主的处理模式，工作人员需现场巡检各处理池体状态、手动启停水泵与处理设备、人工取样检测水质参数后再调整处理工艺。这种模式存在明显的短板：一是处理流程管控滞后，无法根据水质实时变化动态调整工艺参数，极易出现处理后水质不达标的情况；二是人工成本高，且长时间现场操作存在一定的安全隐患；三是缺乏远程管控能力，无法实现无人值守运行，设备故障与异常情况难以及时发现处置。随着工业自动化与物联网技术的成熟，为油田污水处理系统的智能化升级提供了技术支撑，设计一套低成本、高适配性、全流程自动控制的污水处理系统，已成为行业的迫切需求。1.2国内外发展现状1.2.1国内研究现状近年来，我国油田污水处理的自动化技术研究与应用取得了长足发展，国内各大油田与科研机构围绕含油污水处理的工艺优化与自动化管控开展了大量研究工作。在大型油田的集中式污水处理厂中，已普遍采用基于PLC的分布式控制系统，实现了处理流程的集中监控与自动控制，部分系统还集成了SCADA平台与工业互联网技术，具备远程管控与数据分析能力。但在占比更高的中小型油田分散式污水处理站中，自动化升级仍存在明显的短板。现有基于PLC的控制系统整体成本较高，后期维护复杂，对于处理规模小、预算有限的中小型站场适用性较差；而现有基于单片机的污水处理相关研究，大多仅聚焦于单一水质参数的监测与单台设备的控制，未能覆盖油田污水处理去油、沉淀、中和、消毒的全流程工艺，也缺少完善的人机交互与远程监控功能，无法满足实际生产的全流程管控需求。同时国内多数相关设计对油田污水的水质波动适配性不足，控制逻辑的灵活性较差，难以应对实际开采过程中采出水水质的动态变化。1.2.2国外研究现状与国内相比，欧美等石油开采技术发达国家在油田污水处理的自动化管控领域起步更早，技术发展更为成熟。国外大型石油企业的油田污水处理系统，已普遍实现了全流程的智能化管控，将在线水质监测、自适应控制算法、工业物联网与云计算技术深度融合，能够根据进水水质的实时变化自动优化处理工艺参数，实现了处理过程的无人值守与智能调控，处理效果与运行效率均处于较高水平。但国外成熟的油田污水处理自动化系统，大多适配大型集中式处理厂的应用场景，系统架构复杂，设备采购与后期维护成本极高，难以适配我国中小型油田分散式污水处理站的应用需求；同时国外系统的工艺设计与控制逻辑，与我国油田采出水的水质特点、处理工艺标准存在一定差异，直接引入的适配难度较大，无法直接在国内中小型站场中推广应用。2功能与设计方案2.1系统功能要求结合油田污水处理的实际工艺流程与现场应用需求，本系统设计需实现以下功能：系统可按照预设工艺完成污水处理的全流程自动运行，按下启动按键后，自动启动水泵1将污水送入调节池，红外检测模块监测到液位达上限后，停止水泵1并启动气浮设备完成去油处理；去油完成后自动启动提升泵将污水送入沉淀池，液位达标后停止水泵并启动曝气泵完成爆气处理，静置沉淀后根据沉淀状态自动将上层清水送入过滤池；随后自动完成水质PH值中和调节，酸碱度达标后将水送入消毒池，根据浊度检测结果启动消毒设备，消毒完成后触发蜂鸣器提示并排出处理后的清水，所有处理环节的运行时间均可根据现场需求灵活设置。系统可实时采集处理过程中的关键参数，包括5个处理池体的液位与沉淀状态、中和池水质PH值、消毒前水质浊度，所有监测数据可实时更新并用于系统的自动控制逻辑判断。通过OLED显示屏实时展示系统当前处理进程、各环节运行时间、水质参数实时值与预设阈值、系统运行状态；通过独立按键实现系统启停、处理流程选择、各环节运行时间设置、PH值与浊度阈值调节、设备手动控制等操作。通过WiFi模块接入网络，基于MQTT协议实现与手机APP的通信，可将系统运行状态、水质监测数据实时上报至APP，同时支持通过APP远程下发控制指令，实现设备启停、参数修改等远程操作。当处理完成后自动触发蜂鸣器发出提示，水质参数持续不达标时可触发报警提示，保障系统运行的安全性与处理效果的可靠性。2.2系统设计方案本设计搭建了一套以STM32F103C8T6单片机为核心的油田污水处理控制系统，整体架构分为中控单元、输入单元与输出单元三大部分，通过模块化设计实现各功能的稳定运行，系统硬件模块工作框图如图2.1所示。图2.1系统硬件模块工作框图中控单元以单片机为核心，作为整个系统的控制中枢，负责完成输入单元的数据采集、数据分析与逻辑处理，同时根据处理结果向输出单元下发控制指令，统筹调度所有模块的协同运行，实现全流程的自动控制逻辑。输入单元由五部分组成，第一部分为5路红外检测模块，用于监测调节池、沉淀池、过滤池、中和池、消毒池的液位上限，同时检测沉淀池底部的沉淀状态，为水泵启停与流程切换提供判断依据；第二部分为PH值采集传感器模块，用于实时检测中和池内的水质酸碱度，为酸碱调节控制提供数据支撑；第三部分为TDS浊度传感器模块，用于检测消毒前的水质浊度，判断水质是否满足消毒处理的前置条件；第四部分为7个独立按键模块，用于实现系统启停、流程选择、参数设置、手动控制等人机交互操作；第五部分为供电电路，包含Type-C接口主供电与5V外接备用电源，为整个系统提供稳定供电，保障断电后核心功能的持续运行。输出单元同样分为五部分，第一部分为显示模块，用于实时展示系统处理进程、各环节运行参数、水质监测数据与阈值、系统运行状态等信息；第二部分为有源蜂鸣器模块，用于处理流程完成后的提示与异常情况的报警；第三部分为4路电机驱动模块，共控制8台水泵的启停与运行，实现污水输送、沉淀转移、酸碱药剂调节、清水排出等核心操作；第四部分为MOS管控制输出电路，用于控制气浮、曝气、消毒等配套设备的启停；第五部分为WiFi模块，实现系统与手机APP的无线通信，完成监测数据远程上报与控制指令的远程接收。2.3器件方案对比2.3.1核心控制器的选型方案一：STC89C52单片机STC89C52是基于8051架构的经典8位单片机，工作电压5V，具备开发门槛低、采购成本低、货源稳定的优势，在简单嵌入式控制系统中应用广泛。但其硬件性能存在明显短板，8位处理器的最高运行频率仅为12MHz，数据处理能力有限，内置FLASH与RAM存储空间较小，无法满足多传感器数据采集、多电机联动控制、无线通信等复杂任务的运行需求；同时其外设接口资源有限，缺少多路ADC、硬件串口与定时器资源，需要额外搭建外围电路实现多模块对接，增加了硬件设计的复杂度。方案二：STM32F103C8T6单片机STM32F103C8T6是基于32位ARMCortex-M3内核的单片机，工作电压3.3V，最高时钟频率可达72MHz，具备极强的数据处理能力与实时响应能力，能够稳定运行多模块并行的复杂控制逻辑。芯片内置64KBFLASH与20KBRAM，可满足系统程序与数据存储的需求；同时集成了多路12位ADC、3路硬件串口、多路定时器与丰富的GPIO接口，可直接对接本系统的传感器、驱动模块、显示模块与无线通信模块，无需额外搭建复杂外围电路，硬件设计更简洁，系统稳定性更高。经过综合对比，STM32F103C8T6在运算性能、接口资源、可扩展性方面均具备显著优势，能够完全适配本系统多模块、高实时性的控制需求，虽然单芯片成本略高于STC89C52，但大幅简化了外围电路设计，整体性价比更高，因此本设计选用STM32F103C8T6作为系统的核心控制器。2.3.2电机驱动模块的选型方案一：L298N电机驱动模块L298N是经典的双路H桥直流电机驱动芯片，峰值输出电流可达2A，驱动能力强，支持电机正反转与调速控制，在大功率电机驱动场景中应用广泛。但其存在明显的不足，芯片工作时发热量极大，需要配备大面积散热片才能稳定运行，增加了硬件体积；同时芯片自身功耗较高，驱动效率偏低，且单模块仅能驱动2台电机，本系统需要控制8台水泵，采用L298N会大幅增加硬件成本与安装体积，且多路驱动时的电源设计复杂度显著提升。方案二：MX1508电机驱动模块MX1508是一款双路H桥微型直流电机驱动芯片，单路峰值输出电流可达1.5A，完全满足本系统小型水泵的驱动需求，支持电机正反转与PWM调速控制。该芯片具备极高的集成度，外围电路设计简单，体积小巧，工作时发热量极低，无需额外配备散热装置，驱动效率远高于L298N；同时单模块可驱动2台水泵，采购成本低廉，多路并联使用时的硬件设计难度低，适配本系统多水泵的驱动需求。结合系统实际应用场景，本系统仅需驱动小型水泵完成污水与药剂的输送，无需大功率驱动能力，MX1508模块在体积、成本、效率方面均具备显著优势，能够完全满足系统的驱动需求，因此本设计选用MX1508作为电机驱动模块，共配置4路模块驱动8台水泵。2.3.3显示模块的选型方案一：LCD1602液晶显示模块LCD1602是经典的字符型液晶显示模块，可显示两行16个英文字符与数字，接口兼容性强，成本低廉，在简单嵌入式系统中应用广泛。但其存在明显的功能短板，仅能显示字符，无法显示中文与复杂符号，无法满足本系统处理进程、中文提示信息的显示需求；同时需要并行接口与单片机通信，占用较多GPIO接口资源，显示对比度与可视角度较差，在工业现场复杂光线环境下的显示效果不佳。方案二：OLED显示模块OLED显示模块采用有机自发光技术，无需背光源，具备高对比度、宽可视角度、低功耗、响应速度快的优势，本设计选用的128*64分辨率OLED模块，可灵活显示中文、数字、符号与图形，完全满足系统多界面、多信息的显示需求。模块采用IIC串行接口与单片机通信，仅需2根信号线即可完成数据传输，占用极少的GPIO资源，硬件接线与软件驱动设计简单；同时模块工作温度范围宽，在工业现场的复杂环境下仍能保持清晰的显示效果，适配性更强。结合系统的显示需求，OLED模块在显示效果、功能丰富度、硬件适配性方面均远优于LCD1602，能够清晰展示系统的运行状态与参数信息，因此本设计选用OLED模块作为系统的显示单元。2.3.4无线通信模块的选型方案一：SIM900AGSM模块SIM900A是一款工业级GSM/GPRS模块，支持四大频段的移动通信网络，可实现短信收发与数据无线传输，具备通信距离远、覆盖范围广的优势，无需依赖局域网环境即可实现远程通信。但其存在明显的不足，模块使用时需要配备SIM卡，产生持续的流量费用，运营成本较高；同时仅能实现简单的短信报警与指令收发，无法实现实时数据上报与手机APP的可视化远程监控，无法满足本系统的远程管控需求；模块体积较大，硬件设计与软件开发复杂度较高，功耗也相对较高。方案二：ESP8266-12FWiFi模块ESP8266-12F是一款高集成度的WiFi串口透传模块，内置完整的TCP/IP协议栈，可快速接入局域网与互联网，支持MQTT通信协议，能够实现与手机APP、云平台的无缝对接，完成实时数据上报与远程指令接收。模块体积小巧，硬件接线简单，仅需通过串口即可与单片机完成通信，软件开发难度低，采购成本低廉，无需额外的运营费用，能够实现系统运行状态的实时远程监控与设备的远程控制，完全满足本系统的远程管控需求。综合对比，ESP8266-12F模块在功能适配性、成本控制、开发难度方面均具备显著优势，能够实现本系统所需的远程监控与操作功能，因此本设计选用ESP8266-12F作为系统的无线通信单元。3系统的硬件设计3.1STM32F103C8T6单片机STM32F103C8T6单片机是整个系统的控制核心，基于ARMCortex-M332位RISC内核设计，最高工作频率72MHz，具备强大的实时数据处理与外设控制能力。芯片内置64KB的FLASH闪存与20KB的SRAM运行内存，可完全满足系统程序存储与运行的需求；同时集成了2路12位ADC、3路USART串口、2路SPI接口、1路IIC接口与37个通用GPIO接口，能够灵活对接系统所有的外围模块，无需额外扩展接口芯片，大幅简化了硬件设计。本设计中的STM32F103C8T6最小系统，由核心芯片、电源电路、晶振电路、复位电路、BOOT设置电路与下载电路六部分组成，为单片机的稳定运行提供基础支撑。电源电路采用XC6206-3.3V稳压芯片，将外部输入的5V电源转换为3.3V稳定电压，为单片机与外围3.3V模块供电，同时搭配滤波电容消除电源纹波，保障供电的稳定性；晶振电路采用8MHz无源晶振搭配2个30pF谐振电容组成，为单片机提供精准的时钟源，保障程序运行的时序稳定；复位电路采用按键复位与上电复位结合的设计，通过10K上拉电阻与104电容组成RC复位电路，支持上电自动复位与手动按键复位，保障系统异常时可快速复位重启；BOOT设置电路通过2个10K电阻配置BOOT0与BOOT1引脚的电平状态，设置单片机的启动模式，支持闪存启动与系统存储器启动两种模式，适配程序下载与正常运行两种场景；下载电路采用SWD串行下载接口，仅需SWCLK与SWDIO两根信号线，即可完成程序的烧录与在线调试，占用接口资源少，下载速度快。图3.1STM32F103C8T6单片机接线情况3.2MX1508电机驱动模块MX1508是一款双通道H桥直流电机驱动芯片，单芯片可同时驱动两台直流电机，支持宽电压输入范围，单通道最大持续输出电流可达1A，峰值电流1.5A，完全满足本系统小型水泵的驱动需求。芯片内置过温保护与过流保护功能，能够有效避免电机堵转、短路等异常情况对芯片造成的损坏，保障驱动电路的稳定运行；同时芯片支持PWM调速控制，可通过单片机输出的PWM信号调节电机转速，适配不同场景下的污水与药剂输送需求。本设计共配置4路MX1508电机驱动模块，用于驱动系统的8台水泵，实现污水处理全流程的流体输送控制。每路MX1508模块的INA、INB引脚分别与单片机的通用GPIO接口相连，通过单片机输出的高低电平组合，控制对应电机的正转、反转与停止，无需额外搭建换向电路；模块的输出端直接与水泵电机相连，内置的H桥电路可直接为电机提供驱动电流，无需额外的放大电路。模块供电采用5V直流电源，与系统主供电电路共用电源，同时在电源输入端并联滤波电容，消除电机启停时产生的电源纹波，避免对单片机与传感器模块造成干扰。图3.2MX1508电机驱动模块实际接线图3.3TCRT5000红外检测模块TCRT5000是一款集成式红外反射光电传感器，内部集成了红外发射二极管与红外光电接收管，通过检测红外光的反射强度，判断前方遮挡物的距离与状态，具备检测响应速度快、抗干扰能力强、硬件接线简单的优势，广泛应用于液位检测、物体限位、避障等场景。传感器的工作原理为：红外发射二极管持续发射红外光，当检测范围内出现遮挡物时，红外光被反射至接收管，接收管的导通状态发生变化，输出端的电平信号随之改变，单片机通过检测输出端的电平变化，即可判断是否到达检测位置。本设计共配置5路TCRT5000红外检测模块，分别安装在调节池、沉淀池、过滤池、中和池、消毒池的预设上限液位位置，用于检测池体的液位状态，同时其中一路模块安装在沉淀池底部，用于检测沉淀污泥的堆积高度。模块的输出端直接与单片机的GPIO接口相连，供电采用5V直流电源，模块内置了电位器，可灵活调节检测距离与灵敏度，适配不同池体的安装环境与检测需求。当池体内的液位上升至预设上限位置时，水面将红外光反射至接收管，模块输出端电平发生翻转，单片机检测到电平变化后，立即执行对应水泵的停止操作，避免污水溢出；在沉淀池沉淀环节，当底部污泥堆积高度达到预设阈值时，模块输出对应电平信号，系统即可执行污泥排出与清水转移操作。通过红外检测模块的设计，实现了各池体液位与沉淀状态的实时检测，为系统流程切换与水泵启停提供了精准的触发信号，保障了处理流程的有序运行。图3.3TCRT5000红外检测模块实际接线图3.4水质检测模块3.4.1PH值采集模块PH值采集模块是系统中和处理环节的核心检测单元，用于实时检测中和池内污水的酸碱度，为酸碱药剂调节提供数据支撑。本设计选用的PH值采集模块，采用复合电极式PH传感器，测量范围覆盖0-14PH，测量精度可达±0.1PH，完全满足油田污水处理中和调节的检测需求。模块内置了信号放大与滤波电路，可将电极采集的微弱模拟信号放大处理后，输出稳定的0-3.3V模拟电压信号，直接接入单片机的ADC接口进行采集，无需额外搭建信号调理电路。模块采用5V直流电源供电，输出端与单片机的PA0引脚相连，单片机通过12位ADC将模拟电压信号转换为数字量，再通过预设的换算公式将数字量转换为实际的PH值。模块在使用前通过标准缓冲溶液进行校准，保障检测数据的准确性；同时在电路设计中，在信号输出端增加了RC滤波电路，消除工业现场的电磁干扰，避免检测数据出现大幅波动，保障数据采集的稳定性。图3.4PH值采集模块实际接线图3.4.2TDS浊度检测模块TDS浊度检测模块用于检测消毒前处理后水的浊度，判断水中悬浮物含量是否达标，为消毒处理环节提供前置判断依据。本设计选用的TDS浊度传感器，采用光学透射式检测原理，通过检测红外光穿过水样后的衰减程度，换算出水样的浊度值，测量范围覆盖0-3000ppm，具备响应速度快、抗干扰能力强、长期运行稳定性好的优势。模块内置了温度补偿电路，可有效抵消环境温度变化对检测结果的影响，输出0-3.3V稳定的模拟电压信号，直接接入单片机的ADC接口进行采集。TDS浊度检测模块采用5V直流电源供电，信号输出端与单片机的PA1引脚相连，单片机通过ADC采集输出电压信号，换算为对应的浊度值。在电路设计中，模块的电源输入端并联了滤波电容，消除电源纹波对检测精度的影响；同时信号线路采用屏蔽线设计，避免工业现场的电机、继电器等设备产生的电磁干扰，保障浊度检测数据的精准性。图3.5TDS浊度检测模块实际接线图3.5OLED显示模块本设计选用的OLED显示模块为12864分辨率的单色OLED屏，驱动芯片为SSD1306，采用IIC串行接口与单片机通信，仅需SCL时钟线与SDA数据线两根信号线，即可完成显示数据的传输，占用极少的GPIO接口资源。模块工作电压为3.3V，可直接由单片机最小系统的3.3V电源供电，无需额外的电源电路；模块内置了字库芯片，可灵活显示1616点阵中文、8*16点阵英文字符与数字，同时支持图形绘制，完全满足系统多界面的显示需求。OLED的SCL与SDA引脚分别与单片机的PB14、PB15引脚相连，通过上拉电阻保障通信的稳定性。系统上电后，单片机先对OLED模块进行初始化配置，设置显示模式、对比度与扫描方向，随后即可向模块发送显示数据，更新屏幕显示内容。在系统运行过程中，OLED模块主要实现两大显示功能：一是主界面显示，实时展示当前水质PH值、浊度的实时值与预设阈值，同步显示系统当前的处理进程、运行时间与系统状态；二是参数设置界面显示，通过按键切换不同的设置界面，展示PH上下限、浊度阈值、各环节运行时间等参数的设置界面，支持参数的实时修改与显示。图3.6显示模块实际接线图3.6按键模块按键模块是系统本地人机交互的核心单元，用于实现系统启停、界面切换、参数设置、手动控制等操作。本设计共配置7个独立按键，均采用轻触式按键，搭配下拉电阻构成按键检测电路，按键的一端与单片机的GPIO接口相连，另一端接3.3V电源，当按键按下时，对应GPIO接口接收到高电平信号，单片机通过检测电平变化识别按键操作。为避免按键按下与弹起时的机械抖动导致的误触发，软件设计中增加了按键消抖处理，保障按键操作识别的准确性。7个按键按照功能分为三类：一是界面切换按键，用于循环切换OLED的显示界面，支持一键返回主界面，方便用户查看不同的参数信息与设置界面；二是参数调节按键，包含加键与减键，在不同的参数设置界面中，可实现PH上下限、浊度阈值、各环节运行时间的增减调节，所有参数调节均设置了合理的范围限制，避免参数设置超限导致系统运行异常；三是功能控制按键，包含系统启停按键、流程选择加键与减键，可实现系统处理流程的启动与停止，同时在系统停止状态下，可选择需要执行的处理环节，适配现场的手动调试与分段处理需求。图3.7按键模块实际接线图3.7ESP8266WiFi通信模块ESP8266-12FWiFi模块是系统实现远程监控功能的核心单元，模块内置了32位处理器与完整的TCP/IP协议栈，支持Station与AP两种工作模式，可快速接入现场的WiFi网络，通过MQTT协议与阿里云物联网平台完成对接，实现单片机与手机APP之间的双向数据通信。模块采用3.3V直流电源供电，通过USART串口与单片机相连，串口波特率可灵活配置，最高可达115200bps，能够满足实时数据传输的需求。模块的TXD、RXD引脚分别与单片机的USART2串口的RX、TX引脚交叉相连，实现串口数据的双向收发；模块的使能引脚与单片机的GPIO接口相连，可通过单片机控制模块的复位与启动。系统上电后，单片机先通过串口向模块发送AT指令，完成模块的初始化配置，设置WiFi名称与密码，接入现场无线网络，随后连接阿里云物联网平台，完成MQTT通信的初始化配置。在系统运行过程中，模块周期性将水质监测数据、系统运行状态、设备运行参数上报至云平台，同步接收云平台转发的手机APP控制指令，将指令传输至单片机后，执行对应的设备启停、参数修改等操作，实现系统的远程监控与控制。图3.8ESP8266WiFi通信模块实际接线图

4系统的软件设计4.1软件介绍本系统的软件开发基于Keil5集成开发环境完成，该环境是专为ARM系列微控制器设计的一体化开发平台，广泛应用于STM32系列单片机的程序开发，具备功能全面、操作简便、编译效率高的优势。Keil5支持Cortex-M全系列内核，内置了完整的HAL库函数，可快速实现单片机外设的配置与驱动开发，大幅降低软件开发难度；同时集成了代码编辑、项目管理、编译构建、在线调试与仿真等全流程开发功能，支持C语言与汇编语言混合编程，代码编译后的执行效率高，占用存储空间小，完全适配本系统的软件开发需求。在开发过程中，通过STM32CubeMX软件完成单片机外设的图形化配置，包括系统时钟、GPIO接口、ADC、定时器、USART串口、DMA等外设的参数配置，自动生成初始化代码，随后导入Keil5环境中进行功能代码的编写。代码编写完成后，通过Keil5的编译功能完成代码的编译与链接，生成可执行的HEX文件，通过SWD下载接口烧录至单片机中；同时可通过在线调试功能，实时查看程序运行状态、变量数值与外设寄存器状态，快速定位与解决程序中的问题，保障软件程序的稳定运行。图4.1Keil_5软件界面4.2软件程序的设计4.2.1主程序流程图图4.2系统逻辑流程图主程序是整个软件系统的核心框架，负责统筹调度所有子程序模块的运行，保障系统按照预设逻辑稳定运行。系统上电后，首先执行HAL库初始化与系统时钟配置，将系统时钟配置为72MHz，为单片机提供精准的时钟源；随后完成GPIO、ADC、定时器、USART串口、DMA等所有片内外设的初始化配置，设置对应的工作参数与中断优先级；完成外设初始化后，执行ADC校准、定时器中断启动、ADCDMA采集启动等操作，保障数据采集与时序控制的正常运行；随后初始化OLED显示模块，执行清屏操作，初始化ESP8266WiFi模块，完成网络连接与MQTT通信配置；最后进入无限循环，按照固定周期循环执行按键处理子程序、数据采集子程序、显示子程序、控制处理子程序，同时同步执行无线数据上报与远程指令接收处理，实现系统的全流程自动控制。主程序的运行过程中，通过定时器中断实现精准的时序控制，1ms定时器中断用于系统计时、水泵PWM驱动输出、运行时间累计，500ms中断标志位用于触发传感器数据采集与数据上报，保障系统运行的时序精准性；同时通过串口中断实现WiFi模块的数据接收，当接收到远程指令时，立即触发中断服务程序，完成指令的接收与缓存，保障远程指令的实时响应。4.2.2按键子程序流程介绍图4.3按键子程序流程图按键子程序的核心功能是识别按键操作，执行对应的功能逻辑，实现系统的本地人机交互。子程序首先通过按键扫描函数获取按键按下的状态，识别对应的按键键值，当检测到有按键按下时，先执行消抖处理，确认按键有效后，根据键值执行对应的功能逻辑。当检测到界面切换按键按下时，循环切换显示界面标志位，设置了0-6共7个显示界面，切换完成后执行OLED清屏操作，准备更新显示内容；当检测到参数加键与减键按下时，根据当前的显示界面，执行对应的参数增减操作，包括PH上下限、浊度阈值、去油时间、爆气时间、消毒时间等参数的调节，所有参数调节均设置了合理的上下限限制，避免参数设置超限；当检测到一键返回按键按下时，直接切换至主显示界面并清屏，方便用户快速查看系统主状态；当检测到系统启停按键按下时，切换系统的运行与停止状态，停止状态下重置所有处理流程标志位，启动状态下根据预设的处理环节设置对应的执行标志；当检测到流程选择按键按下时，在系统停止状态下，可增减选择需要执行的处理环节，适配现场的分段处理需求。4.2.3数据采集程序流程介绍图4.4数据采集子程序流程图数据采集子程序的核心功能是完成水质参数、液位状态的实时采集与换算，为系统的控制逻辑提供数据支撑。子程序通过500ms定时标志位触发，每500ms执行一次数据采集，保障监测数据的实时性。对于PH值与浊度数据采集，子程序先停止ADCDMA采集，重新启动DMA传输，获取两路ADC采集的12位数字量，随后将数字量转换为对应的电压值，再根据传感器校准后的换算公式，将电压值转换为实际的PH值与浊度值，完成数据的换算处理；对于红外检测模块的液位与沉淀状态数据，子程序直接读取对应GPIO接口的电平状态，根据电平高低判断液位是否到达上限、沉淀是否达到预设阈值，更新对应的状态标志位。所有采集完成的数据与状态标志位，存储在对应的全局变量中，供显示子程序与控制处理子程序调用。

5系统的测试5.1软硬件调试5.1.1软件调试软件调试分为单元测试与集成测试两个阶段开展。单元测试阶段，针对各个子程序模块进行单独的代码调试，将每个模块的代码单独编译烧录至单片机中，测试模块的功能是否正常实现。针对按键处理模块，测试每个按键的功能是否正常响应，界面切换、参数调节是否准确，是否存在误触发、漏触发的情况；针对数据采集模块，测试ADC采集是否正常，传感器数据换算是否准确，数据波动是否在合理范围内；针对显示模块，测试各个界面的显示内容是否正常，中文、数字显示是否清晰，界面切换是否流畅；针对控制处理模块，模拟不同的触发条件，测试流程切换、设备控制逻辑是否准确执行，时序控制是否精准；针对无线通信模块，测试WiFi连接、平台对接是否正常，数据上报与指令接收是否准确。单元测试过程中，通过Keil5的在线调试功能，实时查看变量数值与程序运行状态，快速定位并解决代码中的逻辑问题，保障每个模块都能正常实现预设功能。5.1.2硬件调试硬件调试同样分为单模块测试与整体联调两个阶段。单模块测试阶段，首先对电源电路进行测试，通电后测量各稳压芯片的输出电压是否准确，纹波是否在合理范围内，是否存在发热、短路等异常情况，保障供电电路的稳定可靠；随后对每个外围模块进行单独上电测试，测试模块的供电是否正常，功能是否完好，红外检测模块的检测灵敏度是否符合要求，水质传感器的输出信号是否正常，电机驱动模块能否正常驱动水泵运行，OLED显示模块、WiFi模块能否正常启动与通信。单模块测试过程中，逐一排查焊接问题、接线错误、元器件损坏等硬件故障，保障每个模块都能正常工作。5.2实物展示5.2.1PH值检测功能实物测试中，先对PH传感器进行简单两点校准，随后设定PH阈值范围为5.8-7.4，将传感器探头浸入水样后，OLED屏在2秒内显示出对应PH数值，当数值超出阈值时，系统自动触发对应酸碱调节泵的启动逻辑，阈值测量与触发功能直观有效。图5.1PH值检测5.2.2浊度检测功能实物测试环节，以不同浓度的标准浊度溶液为测试样本，模拟油田污水沉淀过滤后的出水浊度工况，对系统TDS检测功能进行多轮重复测试。测试结果表明，系统浊度数据采集刷新周期为500ms，全量程测量相对误差不超过5%，可实时显示浊度数值并与预设阈值对比，浊度达标后可自动触发消毒流程，未出现误触发、数据跳变等异常，检测功能可靠。图5.2浊度检测5.2.3APP通信功能系统通过ESP8266模块完成现场WiFi网络接入与阿里云物联网平台对接，对无线通信功能进行72小时连续稳定性测试。测试结果显示，系统监测数据上报周期为2s，数据传输成功率达99.8%，手机APP可实时查看系统运行状态，下发的远程控制指令响应延迟小于1s，执行准确率100%，网络异常时可自动完成重连，完全满足远程监控的设计需求。图5.2APP通信功能结论针对当前国内中小型油田污水处理站自动化程度低、处理效果管控能力不足、远程监控能力缺失的问题，本文设计了一套基于STM32F103C8T6单片机的油田污水处理全流程自动控制系统。系统结合油田污水处理的实际工艺流程，完成了硬件电路的模块化设计与软件程序的全流程逻辑开发，实现了污水去油、爆气沉淀、中和调节、消毒杀菌的全流程自动闭环控制，同时集成了水质参数在线监测、本地人机交互、WiFi远程监控等功能。本文完成的核心工作与成果如下：完成了系统的整体方案设计，通过多方案对比完成了核心器件的选型，确定了以STM32单片机为核心的模块化系统架构，完全适配油田污水处理的工艺需求；完成了系统的硬件电路设计，包括单片机最小系统、电机驱动、传感器采集、人机交互、无线通信、电源电路等全硬件设计，保障了系统硬件的稳定运行；完成了系统的软件程序开发，采用模块化设计思路，完成了主程序与各功能子程序的开发，实现了全流程的自动控制逻辑；完成了系统的软硬件调试与整体功能测试，测试结果表明，系统所有预设功能均能正常实现，运行稳定可靠，检测精度与控制逻辑均满足设计要求。本系统具备集成度高、成本可控、操作简便、适配性强的优势，能够有效提升中小型油田污水处理站的自动化水平，降低人工运营成本，保障污水处理效果的稳定性与达标率，具备较强的实际应用价值与推广前景。参考文献[1]杨青胜,詹习生,王智超.基于单片机的油田污水处理加药控制系统设计[J].湖北师范学院学报：自然科学版,2016,36(2):4.[2]王东云,陈岳.PLC控制的油田污水处理系统的设计[J].电气自动化,2007,29(1):3.[3]贾涛,李晓晖.油田联合站污水处理及注水控制系统设计[J].化工管理,2014(24):1.[4]张宝安.胜利油田污水处理厂自动化控制系统的设计与实现[D].电子科技大学[2026-03-15].[5]吴凌云,叶献芳,刘巧玲.油田污水处理系统中PID神经网络控制器的设计及仿真[J].江汉石油学院学报,2002,24(2):2.[6]杨永光,方艳燕,王琦,等.前馈-反馈控制系统在油田污水处理中的应用[J].石油化工自动化,2008,44(4):22-24,29.[7]段文益,莫同鸿,李红,等.油田污水处理设备的分布式PLC自动控制系统[J].石油机械,2011,39(6):3.[8]曹凌.基于工业以太网的油田监控系统的设计[D].西安建筑科技大学,2008.[9]王东云,陈岳.油田污水处理的计算机监控系统的设计[C]//中南六省(区)自动化学会第24届学术年会会议论文集.2006.[10]吕辉.油田污水站监控系统的设计与研究[C]//中国石油和化工自动化第十五届年会.;中国石油和化工自动化应用协会;;,2016.[11]李政.油田污水处理站滤罐反冲洗控制系统方案的研究[D].大庆石油大学[2026-03-15].[12]姜维,潘学军.曙一区油田污水处理过程监控系统开发与研制[J].2009.[13]郭书海.油田含油废水处理技术研究与环境信息系统[J].环境水质学国家重点实验室,2001.[14]高阳,罗威,王敏,等.天然气净化厂污水处理工艺改造研究[J].水污染及处理,2026,14(1):9.[15]顾文滨,王怀林,云金明.无机膜含油污水处理装置控制系统的设计[J].油气田地面工程,2000,19(5):3.谢辞我首先要向我的指导老师致以最诚挚的感谢。在本次毕业设计的整个过程中，从最初的选题、方案设计，到硬件开发、软件编写，再到论文的撰写与修改，老师都给予了我悉心的指导与无私的帮助。老师严谨的治学态度、深厚的专业知识与丰富的工程实践经验，为我解决了设计过程中遇到的诸多难题，也让我对嵌入式系统与工业自动化控制有了更为深刻的理解，在此向老师表达最衷心的谢意。我还要感谢学院的各位老师，在大学期间的专业课程教学中，为我打下了坚实的专业基础，让我具备了完成本次毕业设计的专业能力；感谢我的同学与朋友们，在设计开发过程中，与我交流探讨技术问题，给予了我诸多帮助与启发。最后，我要感谢我的父母与家人，在我的学业生涯中，他们始终给予我无条件的支持与鼓励，是我能够安心完成学业与本次设计的坚强后盾。本次毕业设计的经历，让我收获颇丰，不仅提升了我的专业实践能力与工程思维，也培养了我严谨认真的科研态度。在未来的工作与学习中，我会继续深耕专业领域，不断学习提升，以更好的表现回报所有帮助与支持过我的人。附录A原理图：附录B部分源程序：#include"main.h"#include"adc.h"#include"dma.h"#include"tim.h"#include"usart.h"#include"gpio.h"/*Privateincludes*//*USERCODEBEGINIncludes*/#include"./HAL/key/key.h"#include"./HAL/OLED/OLED_NEW.H"#include"./HAL/delay/delay.h"#include"./HAL/AliESP8266/AliESP8266.h"/*USERCODEENDIncludes*//*Privatetypedef*//*USERCODEBEGINPTD*/voidKey_function(void); //按键函数voidMonitor_function(void); //监测函数voidDisplay_function(void); //显示函数voidManage_function(void); //处理函数/*USERCODEENDPTD*//*Privatedefine*//*USERCODEBEGINPD*/#defineBEEP(a)(a?HAL_GPIO_WritePin(BEEP_GPIO_Port,BEEP_Pin,GPIO_PIN_SET):HAL_GPIO_WritePin(BEEP_GPIO_Port,BEEP_Pin,GPIO_PIN_RESET))#definePUMB1(a)(a?HAL_GPIO_WritePin(PUMB1_GPIO_Port,PUMB1_Pin,GPIO_PIN_SET):HAL_GPIO_WritePin(PUMB1_GPIO_Port,PUMB1_Pin,GPIO_PIN_RESET))#definePUMB2(a)(a?HAL_GPIO_WritePin(PUMB2_GPIO_Port,PUMB2_Pin,GPIO_PIN_SET):HAL_GPIO_WritePin(PUMB2_GPIO_Port,PUMB2_Pin,GPIO_PIN_RESET))#definePUMB3(a)(a?HAL_GPIO_WritePin(PUMB3_GPIO_Port,PUMB3_Pin,GPIO_PIN_SET):HAL_GPIO_WritePin(PUMB3_GPIO_Port,PUMB3_Pin,GPIO_PIN_RESET))#definePUMB4(a)(a?HAL_GPIO_WritePin(PUMB4_GPIO_Port,PUMB4_Pin,GPIO_PIN_SET):HAL_GPIO_WritePin(PUMB4_GPIO_Port,PUMB4_Pin,GPIO_PIN_RESET))#definePUMB5(a)(a?HAL_GPIO_WritePin(PUMB5_GPIO_Port,PUMB5_Pin,GPIO_PIN_SET):HAL_GPIO_WritePin(PUMB5_GPIO_Port,PUMB5_Pin,GPIO_PIN_RESET))#definePUMB6(a)(a?HAL_GPIO_WritePin(PUMB6_GPIO_Port,PUMB6_Pin,GPIO_PIN_SET):HAL_GPIO_WritePin(PUMB6_GPIO_Port,PUMB6_Pin,GPIO_PIN_RESET))#definePUMB7(a)(a?HAL_GPIO_WritePin(PUMB7_GPIO_Port,PUMB7_Pin,GPIO_PIN_SET):HAL_GPIO_WritePin(PUMB7_GPIO_Port,PUMB7_Pin,GPIO_PIN_RESET))#definePUMB8(a)(a?HAL_GPIO_WritePin(PUMB8_GPIO_Port,PUMB8_Pin,GPIO_PIN_SET):HAL_GPIO_WritePin(PUMB8_GPIO_Port,PUMB8_Pin,GPIO_PIN_RESET))#defineRELAY_DIS(a)(a?HAL_GPIO_WritePin(RELAY_DIS_GPIO_Port,RELAY_DIS_Pin,GPIO