家用自来水水质监测装置设计及实现基于单片机技术

一、前言

本文介绍基于单片机设计的家用自来水水质监测装置。利用STM32F103ZET6作为主控芯片，结合水质传感器和ADC模块，实现对自来水水质的检测和监测功能。通过0.96寸OLED显示屏，将采集到的水质数据以直观的方式展示给用户。

随着人们对健康意识的提高和环境保护的重视，水质安全已经成为人们生活中一个重要的议题。自来水作为我们日常生活中最主要的饮用水来源之一，其水质的安全与否直接关系到我们的健康。

本设计采用了先进的STM32F103ZET6主控芯片，具备强大的处理能力和丰富的外设接口。通过水质传感器，可以实时采集与水质相关的模拟信号。然后，通过ADC模块将模拟数据转换为数字信号，再经过算法处理得到相应的水质参数。最后，将结果通过0.96寸OLED显示屏进行展示，用户可以清晰地了解自来水的水质状况。

该装置特点：易于携带、操作简单、实时性好、精度高。用户只需将传感器浸入自来水中，即可获取到水质参数，并通过显示屏直观地了解水质状况，为家庭提供了一个简单方便的水质监测解决方案。

二、硬件选型

【1】主控芯片：STM32F103ZET6，这是一款基于ARM Cortex-M3内核的高性能微控制器。具有丰富的外设接口和较大的存储容量，适合用于处理水质传感器的数据采集和处理。

【2】水质传感器：自来水水质监测的传感器。

【3】显示屏：选择0.96寸OLED显示屏，可以在小尺寸的装置上显示采集到的水质数据。OLED显示屏具有高对比度、低功耗和快速刷新的特点，适合嵌入式应用。

三、常见的水质传感器

以下是一些常见的水质传感器类型，可用于家用自来水水质监测装置：

【1】pH传感器：用于测量水的酸碱度，即pH值。pH传感器通常基于玻璃电极原理，可以提供准确的pH值。

【2】溶解氧传感器：用于测量水中的溶解氧含量。溶解氧传感器可以采用膜式传感器或电极式传感器，根据测量原理的不同，提供溶解氧浓度的准确值。

【3】浊度传感器：用于测量水中的悬浮颗粒物的浓度或水的浊度。浊度传感器可以采用光散射原理或光吸收原理进行测量。

【4】电导率传感器：用于测量水中的电导率，即水的导电性。电导率传感器可以提供水中的总溶解固体（TDS）值或盐度值。

四、家用自来水的水质标准

以下是常见水质指标和标准参考：

【1】pH值：pH值表示水的酸碱度，一般应在6.5-8.5之间。

【2】浑浊度：浑浊度表示水中悬浮颗粒物的浓度，常用浊度单位为NTU（涡轮比色法浊度单位）。根据国际标准，家用自来水的浑浊度应小于1 NTU。

【4】溶解氧：溶解氧表示水中溶解的氧气含量，通常以毫克/升（mg/L）为单位。对于家用自来水，溶解氧的标准范围可以在5-8 mg/L之间。

【5】铁和锰：铁和锰是常见的金属元素，高浓度的铁和锰会给水带来颜色和异味。根据标准，家用自来水中的铁含量应小于0.3 mg/L，锰含量应小于0.1 mg/L。

【6】氟化物：氟化物是一种有益的微量元素，但高浓度的氟化物对人体有害。一般而言，家用自来水中的氟化物含量应小于1.5 mg/L。

【7】各种有害物质：家用自来水应符合国家或地区的相关法规和标准，以确保其不含有害物质，如重金属、有机污染物、农药残留等。

五、硬件代码

5.1 采集数据显示

#include "stm32f10x.h"
#include "oled.h"

// 定义ADC采集通道和引脚
#define ADC_CHANNEL   0   // 假设使用ADC1的通道0
#define ADC_PIN       GPIO_Pin_0
#define ADC_PORT      GPIOA

// 定义OLED屏幕相关参数
#define OLED_WIDTH    128
#define OLED_HEIGHT   64

// 全局变量
uint16_t adc_value = 0;   // ADC采集到的数值

// 函数声明
void ADC_Configuration(void);
void OLED_Init(void);

int main(void)
{
    // 初始化ADC和OLED
    ADC_Configuration();
    OLED_Init();

    while (1)
    {
        // 启动ADC转换
        ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);

        // 等待ADC转换完成
        while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);

        // 读取ADC转换结果
        adc_value = ADC_GetConversionValue(ADC1);

        // 在OLED上显示ADC采集的数值
        char str[10];
        sprintf(str, "%4d", adc_value);
        OLED_ShowString(0, 0, str);  // 在坐标(0, 0)位置显示字符串

        // 延时一段时间
        for (uint32_t i = 0; i < 100000; i++);
    }
}

// ADC配置函数
void ADC_Configuration(void)
{
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
    // 使能ADC1和GPIOA的时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    // 配置ADC引脚为模拟输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = ADC_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
    GPIO_Init(ADC_PORT, &GPIO_InitStructure);
    
    // ADC配置
    ADC_DeInit(ADC1);
    ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
    ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
    ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);

    // 配置ADC通道
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_CHANNEL, 1, ADC_SampleTime_13Cycles5);

    // 使能ADC
    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);

    // 开启ADC校准
    ADC_ResetCalibration(ADC1);
    while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1))
        ;
    ADC_StartCalibration(ADC1);
    while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1))
        ;

    // 设置ADC转换序列
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_CHANNEL, 1, ADC_SampleTime_13Cycles5);
}

// OLED屏幕初始化函数
void OLED_Init(void)
{
    // 初始化OLED屏幕
    OLED_Init();
    OLED_Clear();
}

5.2 oled.h

#ifndef __OLED_H__
#define __OLED_H__

#include "stm32f10x.h"

#define OLED_WIDTH      128
#define OLED_HEIGHT     64

void OLED_Init(void);
void OLED_Clear(void);
void OLED_WriteByte(uint8_t data, uint8_t cmd);
void OLED_SetPos(uint8_t x, uint8_t y);
void OLED_ShowChar(uint8_t x, uint8_t y, char ch);
void OLED_ShowString(uint8_t x, uint8_t y, const char* str);

#endif /* __OLED_H__ */

5.3 oled.c

#include "OLED.h"

const uint8_t OLED_GRAM[128][8] = {0};  // OLED显示缓存

void OLED_Init(void)
{
    // ... 初始化OLED屏幕的相关操作 ...
}

void OLED_Clear(void)
{
    // 清空OLED显示缓存（全黑）
    memset((void*)OLED_GRAM, 0x00, sizeof(OLED_GRAM));

    // 更新OLED屏幕显示
    OLED_SetPos(0, 0);
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++)
    {
        OLED_WriteByte(0xb0 + i, 0x00);  // 设置页地址（0-7）
        OLED_WriteByte(0x00, 0x00);  // 设置列地址低4位（0-3）
        OLED_WriteByte(0x10, 0x00);  // 设置列地址高4位（4-7）

        for (uint8_t j = 0; j < 128; j++)
        {
            OLED_WriteByte(0x00, 0x40);  // 写入数据，全黑
        }
    }
}

void OLED_WriteByte(uint8_t data, uint8_t cmd)
{
    // ... 将数据写入OLED屏幕的具体操作 ...
}

void OLED_SetPos(uint8_t x, uint8_t y)
{
    // ... 设置OLED屏幕显示位置的具体操作 ...
}

void OLED_ShowChar(uint8_t x, uint8_t y, char ch)
{
    uint8_t c = ch - ' ';  // 获取字库中的字模

    if (x >= OLED_WIDTH || y >= OLED_HEIGHT) return;

    for (uint8_t i = 0; i < 6; i++)
    {
        uint8_t line = cFont6x8[c][i];

        for (uint8_t j = 0; j < 8; j++)
        {
            if (line & 0x01)
            {
                OLED_GRAM[y + j][x + i] = 1;
            }
            else
            {
                OLED_GRAM[y + j][x + i] = 0;
            }

            line >>= 1;
        }
    }

    // 更新OLED屏幕显示
    OLED_SetPos(x, y / 8);
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++)
    {
        OLED_WriteByte(0xb0 + (y / 8) + i, 0x00);  // 设置页地址
        OLED_WriteByte((x & 0x0f), 0x00);  // 设置列地址低4位
        OLED_WriteByte((x >> 4) | 0x10, 0x00);  // 设置列地址高4位

        for (uint8_t j = 0; j < 128; j++)
        {
            OLED_WriteByte(OLED_GRAM[y + i][j], 0x40);  // 写入数据
        }
    }
}

void OLED_ShowString(uint8_t x, uint8_t y, const char* str)
{
    while (*str != '\0')
    {
        OLED_ShowChar(x, y, *str++);
        x += 6;

        if (x >= OLED_WIDTH)
        {
            x = 0;
            y += 8;
        }
    }
}