STM32之水质浑浊度传感器模块

目录

一、模块概述

二、模块简介

2.1 模块特点

2.2 电气特性

2.3 模块接口说明

2.4 结构与工作原理

2.5 实际应用注意事项

三、硬件设计

3.1 硬件组成

3.2 硬件连接

四、软件设计

4.1 开发环境配置

4.2 关键代码实现

五、功能实现与优化

六、常见问题解决

七、总结

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一、模块概述

        浑浊度是衡量水体清澈程度的重要指标，广泛应用于水质监测、污水处理、饮用水生产等领域。浑浊度传感器是一种基于光学传感原理的模拟输出传感器，通过测量水中悬浮物对光的散射程度来间接反映水的浑浊度。本指南详细介绍了如何利用性价比较高的STM32F103C8T6最小系统板及其标准外设库，实现对浑浊度传感器数据的准确采集与处理。

二、模块简介

模块实物图：

2.1 模块特点

- 工作原理： 采用光学感应，内置红外LED光源和光电晶体管。
- 输出信号： 模拟电压信号输出，浑浊度越高，输出电压越高。
- 测量范围： 通常可测量0~1000 NTU ( Nephelometric Turbidity Unit ) 或更宽范围（具体需参考产品手册）。
- 易于集成： 接口简单，只需供电和读取模拟电压即可。
- 需注意点： 测量结果易受环境光、液体颜色、气泡等因素干扰。

2.2 电气特性

- 工作电压： 通常为5V DC（务必确认模块规格书，部分型号可能为3.3V-5V宽电压）。
- 输出信号： 0 ~ 4.5V 模拟电压（在5V供电下）。
- 工作电流： 约40mA。

2.3 模块接口说明

浑浊度传感器模块通常引出3个引脚（有的模块多一个DO数字信号输出引脚）：

编号	名称	功能
1	GND	供电电压负极
2	VCC	供电电压正极
3	AO	模拟信号输出引脚

2.4 结构与工作原理

        浑浊度传感器通过测量水中悬浮固体总量（TSS）的变化，来测量水中悬浮颗粒物的光透过率和散射率，利用光来检测悬浮颗粒物。随着 TTS 增加，液体浊度水平增加。
        传感器头部包含一个红外LED和一个光电晶体管。LED向水中发射光线，水中的悬浮颗粒会导致光线发生散射。散射光的角度和强度与颗粒物的数量（浑浊度）相关。光电晶体管用于检测与入射光呈90°方向的散射光强度，并将其转换为电流信号，内部电路再将电流信号处理并放大为一个线性的电压信号输出。

        传感器输出电压值大小受温度影响，输出电压与温度曲线关系如下图所示。进行浊度测量时需进行温度补偿以保证测量精度。

温度校正公式：∆U=- 0.0192×（T-25）

上式中∆ U 为温度变化引起的电压差； T 为当前测量温度值。

2.5 实际应用注意事项

1.  校准： 输出电压与浑浊度并非简单的线性关系，通常需要根据传感器手册提供的曲线或通过实验数据进行校准（例如使用标准浊度液），建立电压值与NTU值的对应公式。
2.  环境光屏蔽： 传感器头部应做好遮光处理，防止环境光进入干扰测量结果。
3.  气泡干扰： 水中的气泡会强烈散射光线，导致读数异常偏高，测量时应避免气泡。
4.  污染： 长期使用后，传感器光学窗口可能会被污染，需要定期清洁以保证精度。
5.  电源去耦： 在VCC附近并联一个100nF的电容到GND，以抑制电源噪声，提高ADC采样稳定性。

三、硬件设计

3.1 硬件组成

- 主控单元： STM32F103C8T6最小系统板
- 传感单元： 浑浊度传感器模块
- 供电电源： 5V USB电源（同时为开发板和传感器供电）
- 连接线： 杜邦线若干

3.2 硬件连接

STM32F103C8T6引脚	浑浊度传感器引脚	功能说明
5V	VCC	为传感器供电
GND	GND	共同地
PA1 (或其他ADCx)	AOUT	模拟信号输入

四、软件设计

4.1 开发环境配置

1.  IDE： Keil uVision5 MDK
2.  固件库： 使用STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0标准外设库。

4.2 关键代码实现

#include "stm32f10x.h"
#include "stdio.h" // 如果使用printf重定向// 简单的延时函数
void Delay_ms(uint32_t nCount) {for(; nCount != 0; nCount--) {for(uint32_t i = 0; i < 8000; i++);}
}// ADC初始化函数
void ADC1_Init(void) {GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;// 1. 开启时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);// 2. 配置PA1为模拟输入模式GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; // 模拟输入GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);// 3. 复位并配置ADC1参数ADC_DeInit(ADC1);ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; // 独立模式ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;      // 单通道，非扫描模式ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;// 单次转换模式ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; // 软件触发ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; // 数据右对齐ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;            // 要转换的通道数量为1ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);// 4. 配置ADC通道规则组// 参数：ADCx, 通道号（PA1对应ADC1的通道1），采样顺序1，采样时间55.5个周期ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);// 5. 使能ADCADC_Cmd(ADC1, ENABLE);// 6. ADC校准（提高精度）ADC_ResetCalibration(ADC1); // 重置校准寄存器while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); // 等待重置完成ADC_StartCalibration(ADC1); // 开始校准while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); // 等待校准完成
}// 读取指定ADC通道的转换值
uint16_t Get_ADC_Value(uint8_t ch) {// 1. 配置规则组通道（这里固定为通道1，可根据参数ch修改使其更通用）// ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ch, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);// 2. 启动软件转换ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);// 3. 等待转换结束while(ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);// 4. 清除EOC标志位并返回转换结果ADC_ClearFlag(ADC1, ADC_FLAG_EOC);return ADC_GetConversionValue(ADC1);
}int main(void) {uint16_t adc_value = 0;float voltage = 0.0f;// float turbidity_ntu = 0.0f; // 用于存储计算后的NTU值// 初始化系统时钟等（默认使用内部8MHz RC振荡器，HCLK=72MHz）// 此处省略SystemInit()，因为最小系统板通常已配置好时钟ADC1_Init(); // 初始化ADCwhile(1) {// 1. 读取ADC原始值（12位精度，0-4095）adc_value = Get_ADC_Value(ADC_Channel_1);// 2. 将ADC值转换为电压值（单位：伏特）//    假设Vref+ = 3.3V (STM32F103C8T6的VDDA通常接3.3V)voltage = (float)adc_value * 3.3f / 4095.0f;// 3. (可选) 将电压值转换为浑浊度值(NTU)//    这一步需要根据传感器的校准曲线或公式进行。//    例如：turbidity_ntu = voltage * k + b; (k和b为校准系数)//    示例公式，请根据实际传感器校准修改！//    turbidity_ntu = -1120.4 * voltage * voltage + 5742.3 * voltage - 4352.9;// 4. 打印结果（需实现printf重定向至串口，此处省略实现）// printf("ADC: %d, Voltage: %.2f V\r\n", adc_value, voltage);// 或者通过其他方式显示，如OLED// 5. 延时一段时间后进行下一次采集Delay_ms(1000); // 每秒采样一次}
}

1.  初始化 (ADC1_Init): 
    - 首先开启GPIOA和ADC1的时钟。
    - 配置PA1引脚为模拟输入模式(GPIO_Mode_AIN)，这是ADC输入的正确模式。
    - 使用ADC_Init函数设置ADC的工作模式为独立、单次转换、软件触发、数据右对齐。
    - 使用ADC_RegularChannelConfig指定要转换的通道（通道1）及其采样时间（55.5周期，提供足够的采样时间保证精度）。
    - 使能ADC并进行校准，这是一个重要步骤，可以减少内部电容带来的误差。

2.  读取转换值 (Get_ADC_Value):
    - 该函数启动一次软件转换，并等待转换结束标志(EOC)置位。
    - 读取ADC1->DR寄存器中的转换结果并返回。由于是单通道，结果直接存放在这个寄存器中。

3.  主循环 (main):
    - 循环调用Get_ADC_Value获取原始ADC值。
    - 根据ADC的参考电压（假设为3.3V）将原始值（0-4095）转换为实际的电压值。
    - 关键步骤： 根据校准数据将电压值转换为有物理意义的浑浊度值（NTU）。
    - 最后延时1秒，控制采样频率。

五、功能实现与优化

1.  基本功能实现： 上述代码成功实现了对TSW-30传感器输出电压的周期性采样和电压值计算。
2.  软件滤波： 为了抑制随机噪声，可以在软件中实现滤波算法。例如：
    - 多次采样求平均： 连续采样N次（如10次），然后取算术平均值作为最终结果。
    - 中值滤波： 采样N次，排序后取中值，能有效滤除脉冲干扰。

六、常见问题解决

- Q1: 读取的ADC值始终为0或4095。
  - A1: 检查硬件连接是否正确可靠，特别是GND是否共地。检查传感器供电电压是否正常。确认STM32的ADC引脚配置是否正确（必须为模拟输入`GPIO_Mode_AIN`）。

- Q2: 读数波动非常大，不稳定。
  - A2: 
    1.  检查电源质量，在传感器VCC和GND之间并联一个100nF和一个10uF的电容。
    2.  实施软件滤波（如平均值滤波）。
    3.  确保传感器光学窗口清洁且无气泡，并处于遮光环境中。
    4.  尝试增加ADC的采样时间（ADC_SampleTime），让采样电容充分充电。

- Q3: 转换得到的电压值/浑浊度值不准。
  - A3: 
    1.  确认STM32的ADC参考电压是否准确。如果板载LDO质量差或负载重，3.3V可能不准，可以使用外部精密基准电压源。
    2.  必须进行传感器校准。未经校准的读数只有相对参考意义，无法反映绝对物理值。

- Q4: 传感器对光线变化没反应。
  - A4: 检查传感器供电。用万用表测量AOUT引脚对地电压，并尝试遮挡传感器探头，观察电压是否有变化。若无变化，可能是传感器已损坏或接线错误。

七、总结

        本文详细阐述了如何使用STM32F103C8T6最小系统板和标准库驱动浑浊度传感器。核心在于正确配置ADC外设以读取传感器的模拟电压输出，并通过校准将电压值转换为有意义的浑浊度数值。硬件上需要注意电源质量和抗干扰，软件上则强调滤波和校准的重要性。

        通过本项目，开发者可以掌握STM32 ADC的基本应用、传感器数据采集的基本流程以及数据处理的基本方法。此方案为基础框架，开发者可根据具体应用需求，进一步添加显示、通信、报警等功能，构建完整的水质监测系统。