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。

复制代码
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。

复制代码
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。

复制代码
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

复制代码
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

复制代码
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

复制代码
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。

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