基于 STM32 的智能工业水质监测与净化系统

1. 引言

在工业生产过程中，水质的优劣对生产效率、产品质量以及环境安全都有着至关重要的影响。智能工业水质监测与净化系统能够实时、精准地监测水质参数，并依据监测结果自动调控净化设备，从而保障工业用水的质量，降低生产风险和对环境的污染。本文设计了一款基于 STM32 的智能工业水质监测与净化系统，整合了水质监测、净化控制和远程数据管理等功能。

2. 系统设计

2.1 硬件设计

• 主控芯片：STM32H7 系列，拥有强大的运算和处理能力，可高效处理大量的水质数据和复杂的控制逻辑。
• 传感器模块：
  • pH 传感器：精确测量水体的酸碱度。
  • 溶解氧（DO）传感器：监测水中溶解氧的含量。
  • 电导率传感器：检测水体的导电能力，反映水中离子浓度。
  • 浊度传感器：测量水体的浑浊程度。
• 净化设备模块：
  • 过滤器：去除水中的悬浮颗粒和杂质。
  • 加药装置：根据水质情况添加化学药剂，调节水质。
  • 曝气装置：增加水中的溶解氧含量。
• 显示模块：彩色触摸屏，用于直观显示水质参数和系统运行状态，同时支持用户交互操作。
• 通信模块：以太网模块，实现与工厂局域网的连接，便于远程数据传输和监控。

2.2 软件设计

• 水质监测模块：周期性采集 pH、溶解氧、电导率和浊度等水质参数，并进行数据处理和分析。
• 净化控制模块：根据水质监测结果，自动调整过滤器、加药装置和曝气装置的运行状态。
• 数据交互模块：在触摸屏上显示实时水质信息，接收用户的设置和操作指令。
• 远程管理模块：通过以太网将水质数据上传至服务器，支持远程监控和参数设置。

3. 系统功能模块

3.1 水质监测模块

利用各类传感器实时获取水质参数，并将数据传输至主控芯片进行处理。

3.2 净化控制模块

依据水质监测数据与预设的水质标准进行对比，自动控制净化设备的运行，使水质达到要求。

3.3 数据显示与用户交互模块

彩色触摸屏实时显示水质参数、设备状态和历史数据，用户可通过触摸屏设置净化参数和查看系统日志。

3.4 远程监控与数据上传模块

通过以太网将水质数据和设备状态上传至工厂服务器，管理人员可通过网络远程查看和控制该系统。

4. 控制算法

4.1 水质评估算法

根据传感器数据评估水质等级。

int evaluate_water_quality(float ph, float do, float conductivity, float turbidity) {
    if (ph < 6 || ph > 9 || do < 2 || conductivity > 1000 || turbidity > 50) return 3; // 差
    else if (ph < 6.5 || ph > 8.5 || do < 4 || conductivity > 800 || turbidity > 30) return 2; // 中
    else return 1; // 良
}

4.2 净化设备控制算法

根据水质评估结果控制净化设备的运行。

void control_purification_devices(int level) {
    if (level == 3) {
        turn_on_all_devices(); // 开启所有净化设备
    } else if (level == 2) {
        turn_on_some_devices(); // 开启部分净化设备
    } else {
        turn_off_all_devices(); // 关闭所有净化设备
    }
}

4.3 数据上传算法

将水质数据打包并上传至服务器。

void upload_water_quality_data(float ph, float do, float conductivity, float turbidity) {
    char data_packet[128];
    sprintf(data_packet, "PH: %.2f, DO: %.2f, Conductivity: %.2f, Turbidity: %.2f", ph, do, conductivity, turbidity);
    send_to_server(data_packet);
}

5. 代码实现

5.1 水质监测与显示代码

void monitor_water_quality() {
    float ph = pH_Sensor_Read();
    float do_value = DO_Sensor_Read();
    float conductivity = Conductivity_Sensor_Read();
    float turbidity = Turbidity_Sensor_Read();
    Touchscreen_Display("PH: %.2f, DO: %.2f, Conductivity: %.2f, Turbidity: %.2f", ph, do_value, conductivity, turbidity);
}

5.2 净化设备自动控制代码

void auto_control_purification() {
    int level = evaluate_water_quality(ph, do_value, conductivity, turbidity);
    control_purification_devices(level);
}

5.3 远程数据上传代码

void upload_data() {
    upload_water_quality_data(ph, do_value, conductivity, turbidity);
}

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6. 系统调试与优化

• 传感器校准：定期对 pH、溶解氧、电导率和浊度传感器进行校准，确保测量数据的准确性。
• 净化设备优化：调整过滤器的过滤精度、加药装置的加药量和曝气装置的曝气强度，提高净化效率。
• 通信优化：优化以太网通信协议，确保数据传输的稳定性和实时性。
• 用户体验优化：改进触摸屏的操作界面，使其更加简洁直观，增加操作提示和报警功能。

7. 结论与展望

本文所设计的基于 STM32 的智能工业水质监测与净化系统，实现了水质的实时监测、自动净化控制和远程数据管理，为工业生产中的水质保障提供了有效的解决方案。未来可进一步拓展系统功能，如引入机器学习算法优化净化策略，与工厂的其他自动化系统进行深度集成，实现更高效的工业生产管理。