基于微控制器的水质监测系统设计

马银鑫， 郭来功， 朱明智， 聂胜军

(安徽理工大学 电气与信息工程学院， 安徽 淮南 232000)

近年来,水污染给环境带来了很大的影响，阻碍了社会经济的发展。水体环境监测可以检测和确定水体中污染物的类型以及各种污染物的浓度和变化趋势[1]。水体的溶解氧含量、浑浊度、pH值、温度等特性参数可以反映出水体的水质状况，对水体的特性参数进行测量可以有效地监测水质，具有重要的实际意义[2]。本文设计了一种基于STM32F103ZET6微控制器，可以检测水体溶解氧含量、酸碱值以及温度3项特性参数的水质监测系统。系统装载液晶显示屏和SD卡可以使监管人员查看水体的实时和历史监测结果。当测量值不符合要求时，系统中的蜂鸣器将报警，同时系统装载的调节装置将对水体进行降污处理。

1 系统结构

水质监测系统采用星型拓扑结构，由带有RS485接口的主机、RS485集线器以及从机组成,如图1所示。主机通过Modbus总线向从机发送命令，从机接受命令并把测得的数据返回给主机。

图1 系统整体结构示意图

2 系统硬件设计

采用的主控芯片为高性能、低成本、功耗小的STM32F103ZET6微控制器。系统的硬件结构框图如图2所示,主要由SD卡存储模块、LCD显示模块、电源模块、传感器模块以及调节装置模块组成。STM32微控制器通过RS485接口控制传感器模块对水体的溶解氧含量、温度和酸碱度进行测量，依次保存在SD卡中并显示在LCD屏上，同时将测量值与标准值对比，如果不在标准范围内将驱动调节装置模块对水体进行处理。

图2 系统硬件结构框图

2.1 传感器模块

使用荧光法溶解氧传感器、pH传感器和温度传感器，对水体的溶解氧含量、酸碱度以及温度进行测量。荧光法溶解氧传感器利用物理学中特定物质对激发荧光的猝灭原理，通过检测不同荧光的相位差与内部校准值进行比较，计算出氧分子的浓度。pH传感器采用复合玻璃电极和参比电极，通过检测电极间的电位差来确定氢离子浓度，从而得到水体的pH值[3]。PT1000温度传感器，采用阻值随温度变化而变化的原理，通过检测阻值的大小来确定温度值。

2.2 电源模块

传感器模块和调节装置模块均采用直流12 V外部供电。由于单片机的供电电压需求为5 V，采用TPS5405降压稳压器将12 V转换成5 V，电路图如图3所示。电源的整流及反向隔离作用由肖特基二极管实现，滤波由电容、电阻及电感实现。系统采用定时唤醒功能，传感器及调节装置不工作时不需要电源供电，系统进入待机状态，进一步降低功耗。

图3 电源降压电路图

2.3 SD卡存储模块

SD卡体积小、功耗低、存储量大，被广泛应用于嵌入式设备的数据存储中[4]。SD卡的通讯方式有2种：SPI和SDIO。由于实时监测数据，采用传输速度快的SDIO接口[4-5]。微控制器与SD卡连接图如图4所示。SD卡存储与FatFS文件系统结合使得数据的保存和读取更加方便、有条理。在系统中增加SD卡模块，便于监管人员对历史数据的备份及读取。

图4 SD卡与单片机接线图

2.4 液晶显示模块

装载一块3.2寸的TFT液晶显示屏来显示水体的溶解氧、温度、酸碱度以及电源电量。液晶屏采用的控制芯片为ILI9341，单片机通过8080接口把需要显示的数据发送到液晶控制器，同时把数据存储到内部的显存中，然后通过不断刷新显存内容，将数据显示到液晶面板上。

2.5 调节装置模块

调节装置模块主要由蜂鸣器、增氧机、排水阀、进水阀、pH调节仪等组成。当水体特性参数不符合规定范围时，蜂鸣器产生报警，同时驱动各类设备对水体进行调节使其达到标准要求。

3 RS485和Modbus概述

Modbus协议是由Modicon公司在1979年开发的一种被广泛应用于工业现场的通信协议，现已成为通用的工业标准[6]。Modbus协议采用主机问询、从机应答的工作模式，可以实现一主一从、一主多从的通讯方式。本系统采用一主多从的数据采集模式，单片机作主机，传感器作从机，不同传感器通过轮询的方式依次将测量值返还给单片机。

Modbus协议的传输方式有ASCII和RTU两种[6]。本系统采用传输速率及通信效率都较佳的RTU传输模式。主机向从机发送地址，从机应答，判断地址是否相同，相同则根据功能码获取相应数据包并进行CRC校验，校验成功则将数据包返回给主机，校验错误则返回错误数据包，从而增强数据传输的可靠性和效率[7-8]。RTU传输模式的数据帧格式如表1所示。其中功能码为传输的第2字节，根据实际需要采用不同的功能码。

表1 Modbus数据帧格式

将RS485和Modbus协议结合，可以实现远距离多点通信。RS485接口电路采用MAX3485芯片，STM32F103ZET6的USART2_TX、USART2_RX引脚分别与MAX3485芯片上的RO、DI相连以实现数据的收发。

4 软件设计

软件代码采用Keil平台C语言编写，程序采用功能模块化设计，主程序包括按键唤醒、LCD显示、数据采集与处理、SD卡存储等模块。主程序流程图如图5所示，采用睡眠-唤醒-睡眠的工作流程，定时采集溶解氧和pH数据，采集间隔1 h。系统唤醒采用机械按键唤醒和定时唤醒：机械按键唤醒用于现场调试，会开启设备液晶显示屏，显示当前水体溶解氧含量、温度和酸碱度信息；定时唤醒用于野外长期无人看管设备的自运行。子程序流程图如图6所示。系统以单片机为主机，传感器为从机。通讯方式采用Modbus协议，实现一主多从的通信方式，给不同传感器分配各自的地址。主机通过轮询方式向从机发送指令，不同从机根据各自地址按功能码向主机返回各项采集数据[8]。对于非法指令及错误校验则返回错误帧。传送结束进入待机模式，等待下一次传输。

图5 主程序流程图 图6 子程序流程图

5 系统测试

在完成系统硬件和软件设计后，对系统进行数据采集测试。通过LCD屏，可以实时了解水体的特性参数及电源电量，如图7所示。为了验证系统的精确性，分别在不同时间段采集4份不同地点水体进行测试，用高精度的Fluke温度仪、PHS-3E酸碱度测量仪以及AZ8403溶解氧测定仪进行测量，结果如表2所示,结果符合预期。

图7 系统测试结果

表2 特性参数测试数据

6 结 语

本文设计并实现了基于单片机和Modbus总线的水质监测系统，能够稳定准确地采集水体的温度、pH值以及溶解氧含量，具有一定的应用价值。