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一、设计背景与核心需求

在水资源监测、水产养殖、污水处理等场景中，水质PH值、电导率、TDS（总溶解固体）与水位液位是评估水质状态与水体安全的关键参数。传统检测方式需多设备分别测量，存在操作繁琐、数据不同步的问题。基于STM32的水质多参数检测系统，借助STM32的多接口扩展与数据融合能力，可实现四参数同步采集、分析与预警，契合毕设课设中“多传感器协同+参数换算+综合监测”的教学目标。

本系统以STM32F103C8T6为核心，核心需求明确：采用PH电极传感器（0-14PH，精度±0.1PH）、电导率传感器（0-20mS/cm，精度±2%）、TDS传感器（0-10000ppm，精度±5%）、超声波传感器（HC-SR04，0-5m水位，精度±0.5cm）；支持四参数1秒/次同步采集，自动完成电导率与TDS换算（TDS=0.5×电导率）；通过LCD12864实时显示各参数值、检测时间（模拟）与参数是否正常（预设阈值判断）；参数超限时触发蜂鸣器+LED声光报警，支持阈值自定义；具备30组历史数据存储功能，适配Proteus仿真环境，硬件抗干扰设计，程序逻辑稳定，满足毕设课设对功能性与可靠性的考核。

二、系统总体架构设计

系统采用“采集-控制-换算-显示-报警-存储”六层模块化架构，以STM32F103C8T6为核心，各模块通过ADC、I2C、GPIO等接口协同形成功能闭环。

采集层包含四类传感器：PH电极（通过ADC1接PA0，需信号放大模块）、电导率传感器（ADC2接PA1）、TDS传感器（ADC3接PA2）、HC-SR04超声波传感器（Trig接PB0，Echo接PB1），分别采集水质参数与水位数据；控制层是核心，负责驱动传感器、接收原始数据、执行参数校准，通过定时器TIM2（1秒定时）控制采集频率；换算层通过预设公式（TDS=0.5×电导率）实现电导率与TDS数据关联，消除冗余采集；显示层为LCD12864（I2C接口接PB10-PB11），实时展示四参数值与状态；报警层由蜂鸣器（接PC13）、三色LED（红/黄/绿，接PC14-PC15）组成，超限时对应LED亮+蜂鸣器响；存储层采用STM32内部Flash，按“时间-四参数”格式存储数据；交互层设3个按键（“历史查询”“阈值设置”“报警复位”接PD0-PD2），实现数据查看与参数调整。

三、核心模块设计与实现

（一）多参数采集与数据换算模块

多参数采集逻辑：PH电极输出0-3.3V模拟电压（对应0-14PH），STM32通过ADC1将模拟信号转换为12位数字量（0-4095），经公式“PH=14×(ADC值/4095)”计算实际PH值；电导率与TDS传感器同理，通过ADC2-ADC3采集电压信号，结合传感器量程换算为实际值；HC-SR04通过GPIO口发送10μs触发信号，接收回声信号，经公式“水位=（回声时间×340m/s）/2”计算水位高度。为提升精度，每参数连续采集3次取平均值，消除水体波动与环境干扰。

数据换算模块：系统自动读取电导率数据，代入“TDS=0.5×电导率”（默认换算系数，可通过按键微调）计算TDS值，若TDS传感器故障，可通过电导率数据保障TDS参数输出，提升系统容错性；同时校验四参数数据合理性（如PH超出0-14范围判定为传感器异常），异常时LCD提示“Sensor Error”。

（二）阈值判断与交互存储模块

阈值判断与报警逻辑：预设各参数正常阈值（PH：6.5-8.5、电导率：0.5-5mS/cm、TDS：250-2500ppm、水位：0.5-3m），STM32实时对比采集值与阈值：正常时绿灯亮，超限时对应颜色LED亮（PH/TDS异常红灯，电导率/水位异常黄灯），蜂鸣器按1秒间隔发声；按下“报警复位”键或参数回归正常，报警解除。支持阈值自定义，按下“阈值设置”键后，通过复用PD3-PD4（增减键）调整各参数阈值，设置后保存在Flash中，断电不丢失。

交互与存储模块：按下“历史查询”键，LCD按时间倒序显示最近10组历史数据（如“09:00 PH:7.2 EC:2.1mS/cm TDS:1050ppm Water:1.2m”），每3秒切换一页；采集数据自动存储，存储满30组时覆盖最早数据。LCD采用分区域显示：上半屏显示PH、电导率，下半屏显示TDS、水位，右侧标注参数状态（“Normal/Abnormal”），确保信息直观易读。

四、系统调试与验证

系统仿真基于Proteus 8.15搭建，构建STM32最小系统，接入四类传感器、信号放大模块、LCD12864、报警器件与按键，检查接线无误后调试。

功能测试中，模拟PH从7.0降至5.0（超下限），系统红灯亮+蜂鸣器报警，LCD显示“PH:5.0 Abnormal”；电导率升至6.0mS/cm（超上限），TDS同步计算为3000ppm，黄灯亮+蜂鸣器报警；超声波检测水位从1.5m升至4.0m（超上限），黄灯亮；调整PH阈值至6.0-9.0，参数判定同步更新。稳定性测试连续运行8小时，频繁模拟参数波动，系统无采集错误、换算偏差问题，历史数据存储完整，报警响应延迟≤0.5秒。仿真结果表明，系统功能完整、检测精准，符合毕设课设考核标准。

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