基于 STM32 的农村污水处理控制系统设计与实现

摘要

针对农村污水处理自动化程度低、运维成本高的问题，本文设计了一种基于 STM32 单片机的污水处理控制系统。系统通过多传感器实时监测水质参数，结合 PID 控制算法实现污水处理全流程自动化，并集成远程监控功能，满足农村地区低成本、易维护的需求。

一、硬件系统设计

1. 主控芯片选型

芯片型号：STM32F103RCT6
核心优势：

32 位 Cortex-M3 内核，主频 72MHz，满足实时控制需求；
内置 12 位 ADC（16 通道）、USART、SPI、I2C 等丰富外设；
低成本、低功耗，适合工业级环境应用。

2. 功能模块选型与接线

（1）传感器模块

（2）执行器模块

（3）通信模块

模块型号：ESP8266-01S
功能：实现 WiFi 联网，支持 AT 指令与 STM32 通信
接线：

VCC：3.3V
GND：GND
TX：USART1_RX（PA10）
RX：USART1_TX（PA9）

（4）硬件接线示意图

STM32F103RCT6
├── ADC1_IN0 ── pH传感器（4-20mA转0-3.3V）
├── ADC1_IN1 ── 液位传感器（0-5V转0-3.3V）
├── USART2   ── DO传感器（RS485转TTL）
├── PA4      ── DS18B20（单总线）
├── GPIOB0   ── 污水泵继电器
├── GPIOB1   ── 电磁阀继电器
├── PB5      ── 曝气电机PWM（TIM3_CH2）
├── USART1   ── ESP8266（WiFi模块）
└── GPIOB12/B13 ── 报警模块

二、软件系统设计

1. 软件流程图

2. 关键代码实现（C 语言）

（1）传感器数据采集函数

// 读取pH值（ADC采样）
float get_ph_value() {
  ADC_SoftwareStartConv(ADC1); // 启动ADC转换
  while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET); // 等待转换完成
  uint16_t adc_val = ADC_GetConversionValue(ADC1);
  float voltage = adc_val * 3.3f / 4096; // 转换为电压值
  return (voltage - 0.4) / 0.02; // 根据传感器校准公式转换为pH值（4-20mA对应pH 6-12）
}

// 读取DO值（USART2接收）
float get_do_value() {
  uint8_t rx_buf[10];
  while (USART_GetFlagStatus(USART2, USART_FLAG_RXNE) == RESET); // 等待接收数据
  for (int i=0; i<8; i++) {
    rx_buf[i] = USART_ReceiveData(USART2); // 假设DO模块返回8字节数据
  }
  // 解析十六进制数据为实际浓度值（示例代码需根据模块协议调整）
  return (float)(rx_buf[2] << 8 | rx_buf[3]) / 100; // 假设浓度值存储在第3-4字节
}

（2）PID 控制算法（曝气电机控制）

// 定义PID结构体
typedef struct {
  float SetVal;    // 设定值（DO目标浓度，单位：mg/L）
  float PVal, IVal, DVal; // PID参数
  float LastErr, IntegralErr; // 误差累计
} PID_T;

PID_T do_pid = {8.0, 0.5, 0.1, 0.05, 0, 0}; // DO目标值8mg/L，初始PID参数

// PID计算函数
float pid_calculate(PID_T *pid, float current_val) {
  float err = pid->SetVal - current_val;
  pid->IntegralErr += err * 0.1; // 积分项，采样周期0.1s
  float diff = (err - pid->LastErr) / 0.1;
  float output = pid->PVal*err + pid->IVal*pid->IntegralErr + pid->DVal*diff;
  pid->LastErr = err;
  return (output > 100)? 100 : (output < 0)? 0 : output; // 输出限幅0-100%
}

// 曝气电机控制
void control_aeration(float do_value) {
  float pwm_val = pid_calculate(&do_pid, do_value);
  TIM_SetCompare2(TIM3, (uint16_t)(pwm_val * 7200 / 100)); // 7200为TIM3自动重装载值（72MHz时钟，500Hz PWM）
}

（3）WiFi 数据上传（AT 指令）

void send_data_to_server(float ph, float do_val, float level) {
  char buf[100];
  sprintf(buf, "AT+CIPSTART="TCP","192.168.1.100",8080
"); // 连接服务器
  USART_SendString(USART1, buf);
  delay_ms(1000);
  sprintf(buf, "POST /api/data HTTP/1.1
Content-Type: application/json

{"ph":%.1f,"do":%.1f,"level":%.1f}
", ph, do_val, level);
  USART_SendString(USART1, buf); // 发送JSON数据
  delay_ms(2000);
  USART_SendString(USART1, "AT+CIPCLOSE
"); // 关闭连接
}

三、系统功能与优势

实时监测：同步采集 pH、DO、液位、温度等关键参数，精度满足农村污水处理需求。
自动控制：通过 PID 算法动态调节曝气强度，结合液位逻辑控制水泵启停，实现 “进水 – 处理 – 排放” 全流程自动化。
远程运维：通过 WiFi 将数据上传至云端平台，支持手机 APP 实时监控与参数调整，降低人工巡检成本。
可靠性设计：采用硬件看门狗、电源滤波电路和抗干扰通信协议，适应农村复杂电磁环境。

四、总结

本文设计的农村污水处理控制系统以 STM32 为核心，通过模块化硬件架构和智能化软件算法，实现了低成本、高可靠性的污水处理自动化。该系统可根据农村污水水质特点灵活调整控制策略，为乡村水环境治理提供了可复制的技术方案。

注：本设计如有疑问需要解惑可直接私信本人，看我个人简介