內(nèi)河船舶溢油監(jiān)測新型智能浮島設(shè)計(jì)

第1章緒論1.1研究目的及意義本設(shè)計(jì)針對內(nèi)河水質(zhì)環(huán)保溢油監(jiān)測浮島為參照，為提升內(nèi)河船舶溢油監(jiān)測能力為目的，通過傳統(tǒng)浮島結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為藍(lán)本，加以各種不同類型和作用原理的傳感器設(shè)計(jì)一種新型內(nèi)河船舶溢油監(jiān)測浮島概念。內(nèi)河船舶在行駛中通常會(huì)溢出少部分油類物如：（高溫機(jī)油，防腐油，等等）。內(nèi)河水質(zhì)環(huán)境尤其是人工運(yùn)河，其自然降解能力以及水體環(huán)境承載能力遠(yuǎn)不如海洋環(huán)境。排除極端運(yùn)輸事故，隨著內(nèi)河船舶流量增加應(yīng)實(shí)時(shí)掌握內(nèi)河水環(huán)境各項(xiàng)參數(shù)的數(shù)據(jù)以確保水域安全。相較于傳統(tǒng)海上監(jiān)測浮島以及人工取樣檢測，本設(shè)計(jì)可針對小規(guī)模環(huán)境提供實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和全面性。通過軟件可指定采樣方案和監(jiān)測計(jì)劃以提高內(nèi)河水體監(jiān)測能效，可大幅促進(jìn)相關(guān)部件技術(shù)創(chuàng)新和內(nèi)河水環(huán)境維護(hù)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀我國國內(nèi)內(nèi)河浮島暫時(shí)未試裝和應(yīng)用普及。目前國內(nèi)主流采用的是海洋浮島（近海浮島），用來監(jiān)測近海海況以及海洋水環(huán)境。內(nèi)河包括人工運(yùn)河以及港口均采用分體獨(dú)立采集方式監(jiān)測內(nèi)河水環(huán)境（即單個(gè)功能類型傳感器采集數(shù)據(jù)后，多個(gè)部分導(dǎo)出數(shù)據(jù)并由人工收集分析）。一些落后難以覆蓋區(qū)域依然采用人工采集抽檢的方法。我國自宣布海洋公約后大力推進(jìn)領(lǐng)海控制能力和航運(yùn)保障能力。尤其在海洋環(huán)境監(jiān)測方面進(jìn)步巨大，建成了以北斗定位和哨兵通訊為一體的沿海全控網(wǎng)絡(luò)。對海上鉆井平臺溢油事故以及海洋潮汐水質(zhì)變化保護(hù)做出巨大貢獻(xiàn)。山上個(gè)世紀(jì)初（二十世紀(jì)）以美國為首的眾多外國開展了對戰(zhàn)后海洋環(huán)境的監(jiān)測計(jì)劃。其中早在海灣戰(zhàn)爭以及伊拉克戰(zhàn)爭中。通過對航道布下大量一次性水體監(jiān)測器。通過反饋數(shù)據(jù)成功封鎖重要海域達(dá)成戰(zhàn)略目標(biāo)。其中，一種類圓盤可浮在海面的監(jiān)視器應(yīng)用最為成功，成為海上浮標(biāo)（浮島）。當(dāng)下為滿足眾多運(yùn)河，港口，內(nèi)河的水環(huán)境監(jiān)測需求。多采用浮船式水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。其系統(tǒng)體積極大，另配備太陽能供電和國際水質(zhì)檢測標(biāo)準(zhǔn)功能，長配備與大型港口和重要航運(yùn)樞紐?？稍跇O端天氣情況下依然維持正常工作狀態(tài)，具有穩(wěn)定性強(qiáng)，可靠性高的優(yōu)勢。與常見的傳統(tǒng)監(jiān)測浮筒以及河邊檢測器相互配合，為內(nèi)河船舶航運(yùn)提供充分保障。圖1-1河上浮島1.3研究內(nèi)容隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，船舶數(shù)量不斷的增加，使通航環(huán)境更加復(fù)雜，這大大增加了水上溢油的風(fēng)險(xiǎn)。本次內(nèi)河船舶溢油監(jiān)測新型智能浮島設(shè)計(jì)，主要目的是設(shè)計(jì)一款可以檢測內(nèi)河船舶是否溢油的新型智能浮島系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用STM32單片機(jī)作為主控，外接GSM短信模塊可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊，系統(tǒng)還帶有溫濕度檢測傳感器、PH傳感器及渾濁度傳感器、溢油檢測傳感器可以檢測河流的水質(zhì)及是否溢油。在了解內(nèi)河船舶溢油監(jiān)測新型智能浮島系統(tǒng)的發(fā)展概況及在工業(yè)上的應(yīng)用和要求的基礎(chǔ)上，熟悉內(nèi)河船舶溢油監(jiān)測新型智能浮島系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理，確定內(nèi)河船舶溢油監(jiān)測新型智能浮島系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案：首先使用keil5編寫系統(tǒng)程序并燒錄后調(diào)試，其次使用AD繪圖工具繪制系統(tǒng)PCB電路板，最后親自動(dòng)手將實(shí)物焊接成功并進(jìn)行實(shí)物調(diào)試。通過網(wǎng)絡(luò)索引與內(nèi)河船舶溢油監(jiān)測浮島相關(guān)的信息。充分收集分析并學(xué)習(xí)相關(guān)的技術(shù)知識，將其精煉并應(yīng)用在畢業(yè)設(shè)計(jì)中并了解內(nèi)河船舶溢油監(jiān)測新型智能浮島系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)方法。第2章系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)需求STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，打包，傳送；溢油傳感器監(jiān)測水質(zhì)是否有油料吸附，監(jiān)測是否溢油；濁度控制器收集水體的濁度；溫濕度傳感器采集溫濕度信息；數(shù)據(jù)通信采用GSM；檢測水體PH值；2.2硬件選型2.2.1單片機(jī)選型方案一：用AT89C51芯片作為本設(shè)計(jì)的核心器件，C51單片機(jī)在我們平時(shí)學(xué)習(xí)中比較常接觸，優(yōu)點(diǎn)在于指令比較簡單，對于初學(xué)者來說易懂，能夠在短時(shí)間內(nèi)上手掌握，它可以在3V的低壓環(huán)境下面繼續(xù)工作運(yùn)行，可以很好地兼容各類MCS-51系列單片機(jī)，但是該單片機(jī)也存在不實(shí)用的確定，原因在于其本身不具有ISP在線編程技術(shù)，在運(yùn)行或計(jì)算過程中，不論是調(diào)試錯(cuò)誤程序，在程序中新加功能，都需要手動(dòng)拔插芯片燒制，這是非常容易造成芯片損壞的。倘若芯片損害，設(shè)計(jì)會(huì)受到很大影響。方案二：核心器件采用STM32單片機(jī)，這個(gè)單片機(jī)雖然在學(xué)習(xí)中并不常見，但是也不難學(xué)會(huì)，可以通過教程學(xué)習(xí)，短時(shí)間內(nèi)便可掌握簡單的原理及用法，STM32單片機(jī)通C51單片機(jī)相比，控制性能要好非常多，而且它的性價(jià)比超高，成本更低，其寄存器和外設(shè)功能比C51系列多，功耗也低了不少。由于該設(shè)計(jì)需要較高的處理速度以及數(shù)據(jù)精度，而STM32作為一款擁有ARM內(nèi)核的單片機(jī)，它的程序都是模塊化的，工作速度比傳統(tǒng)的C51單片機(jī)快很多，由此，將STM32作為本設(shè)計(jì)的核心器件。實(shí)物圖如下圖2-1所示圖2-1STM32F103C8T6單片機(jī)實(shí)物圖2.2.2溢油傳感器溢油傳感器為：AMT-Y300智能型水中傳感器。相較于傳統(tǒng)的光電原理和液位電導(dǎo)率原理的傳感器方案，具有更高的應(yīng)用范圍（對復(fù)雜以及極端水環(huán)境的適應(yīng)能力）。相較于傳統(tǒng)光電原理方案，更具備一定的智慧識別能力，可以分辨大部分漂浮吸附顆粒物是否為油料物。其中滲透膜組件可以有效節(jié)流河道水體中的污泥，有機(jī)物，高價(jià)鹽。使其與生物反應(yīng)器反應(yīng)被熒光標(biāo)記并采集數(shù)據(jù)。實(shí)物圖如2-2所示圖2-2AMT-Y300智能型水中油傳感器實(shí)物圖2.2.3濁度傳感器本設(shè)計(jì)采用的GE公司生產(chǎn)的TSW-30濁度傳感器，傳感器的端部是由紅外發(fā)射二極管和光敏二極管組成。在溫度為二十五攝氏度的情況下，他的測量范圍（NTU）為0-1000±30，紅外發(fā)射二極管峰值發(fā)射波長為940nm。傳感器輸出的電壓大小跟溫度和環(huán)境光照有關(guān)，所以在使用前要進(jìn)行溫補(bǔ)和注意使用環(huán)境的光照亮度。在內(nèi)河水環(huán)境下濁度傳感器作為輔助定位傳感器，船舶長期的油污，油類防腐液甚至原油泄漏都會(huì)大幅增加水體的渾濁度。由于油料物具有一定的吸附性，所以其長期處于河道內(nèi)會(huì)積蓄大量不透光物質(zhì)，大大提高了濁度傳感器的監(jiān)測效率和準(zhǔn)確性。TSW-30濁度傳感器實(shí)物圖如圖2-3所示。圖2-3TSW-30濁度傳感器實(shí)物圖2.2.4溫濕度傳感器溫濕度傳感器為DHT11型復(fù)合傳感器，其特性為：1、出廠原生自帶一定范圍的基礎(chǔ)值，無需再次校準(zhǔn)2、20米以內(nèi)串聯(lián)5KΩ電阻3、體積小功耗低。溫濕度傳感器作為輔助信息傳感器，添加了常規(guī)兩項(xiàng)水體監(jiān)測的指標(biāo)。使得溢油監(jiān)測浮島平臺的實(shí)用性和信息豐度大大提高。實(shí)物圖如下圖2-4DHT11溫濕度傳感器實(shí)物圖2.2.5PH值傳感器PH值傳感器（酸堿度傳感器）。其型號為E-201-C型，常用于簡單水環(huán)境人工數(shù)據(jù)采樣或大學(xué)實(shí)驗(yàn)。其特色為：采用參比電極以及玻璃電極的融合電極，特點(diǎn)為可充式復(fù)合電極抗外電場干擾強(qiáng)。其中本設(shè)計(jì)采用的DIY型號附帶電容板可以有效緩解對于不同溫度下的數(shù)據(jù)測量誤差。原油以及油類物大多為酯類物質(zhì)。所以其一個(gè)大氣壓標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下不產(chǎn)生電離，所以不產(chǎn)生H+粒子，無法直接測得。但在內(nèi)河水環(huán)境中，油類物質(zhì)在水中會(huì)吸附大量其他物質(zhì)，尤其是船舶作業(yè)所使用的油類物和工業(yè)制品在存儲以及運(yùn)輸過程中，從外界混入的可溶于水的無機(jī)酸和無機(jī)堿，學(xué)名：“水溶性酸堿值”。所以實(shí)際條件下，長期通航的內(nèi)河以及運(yùn)河的油類物的水環(huán)境通常顯弱酸性，酸堿值在6—7之間，所以本畢業(yè)設(shè)計(jì)添加了PH試筆測定水體酸堿值的功能。PH值試筆實(shí)物圖如下圖2-5PH值傳感器實(shí)物圖2.2.6GSM通信GSM是全球移動(dòng)通訊系統(tǒng)英文縮寫，是一種運(yùn)用比較成熟可靠的無線通信技術(shù)。自GSM問世以來，它使得人們之間的通信交流變得方便快捷。目前在我國移動(dòng)通信運(yùn)營商，移動(dòng)和聯(lián)通公司中的網(wǎng)絡(luò)也采用GSM標(biāo)準(zhǔn)。頻譜效率增強(qiáng)，帶寬容量增大，通信開放接口數(shù)量以及授權(quán)安全性都大大增加。在本課題里系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了短信功能，主要優(yōu)點(diǎn)是快捷、價(jià)格低廉，從項(xiàng)目整體上節(jié)約成本。通過向管理人員或部門負(fù)責(zé)人發(fā)送短信的方式，可以實(shí)現(xiàn)在異地進(jìn)行監(jiān)管。實(shí)物圖如下：圖2-6SIM800-GSM短信模塊實(shí)物圖2.2.7顯示模塊SSD1306是一個(gè)單片CMOSOLED/PLED驅(qū)動(dòng)芯片可以驅(qū)動(dòng)有機(jī)/聚合發(fā)光二極管點(diǎn)陣圖形顯示系統(tǒng)。由GDDRAM是一個(gè)為映射靜態(tài)RAM保存位模式來顯示。該RAM的大小為128*64為，RAM分為8頁，從PAFE0到PAGE7，用于單色128*64點(diǎn)陣顯示該芯片專為共陰極OLED面板設(shè)計(jì)。SSD1306中嵌入了對比度控制器、顯示RAM和晶振，并因此減少了外部器件和功耗。多應(yīng)用于嵌入式環(huán)境，常見與音樂播放器（MP5），隨身聽（walkman），兒童玩具等需要顯示簡單文字信息的人機(jī)交互顯示畫面，相較于傳統(tǒng)LCD點(diǎn)陣顯示屏具有高亮度、高對比度、多彩自發(fā)光清晰的優(yōu)勢。圖2-7畢設(shè)采用的SSD1306顯示模塊實(shí)物圖2.3系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)本次內(nèi)河船舶溢油監(jiān)測新型智能浮島設(shè)計(jì)，主要目的是設(shè)計(jì)一款可以檢測內(nèi)河船舶是否溢油的新型智能浮島系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用STM32單片機(jī)作為主控，外接GSM短信模塊可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊，系統(tǒng)還帶有溫濕度檢測傳感器、PH傳感器及渾濁度傳感器、溢油檢測傳感器可以檢測河流的水質(zhì)及是否溢油。系統(tǒng)框圖如下圖2-8系統(tǒng)整體框圖本畢業(yè)設(shè)計(jì)所采用的各個(gè)模塊均能實(shí)現(xiàn)開題預(yù)期目標(biāo)。其中電源模塊采用外部接入（5V1A）的DC直流電源不計(jì)入圖中。各模塊的元件接口考慮到模塊數(shù)量和制作難度均有所簡化，其中溢油監(jiān)測模塊采用濕敏電阻作為同類型替代。各個(gè)模塊所采用的主要元器件的原理圖如下圖所示：圖2-9畢設(shè)系統(tǒng)硬件原理圖第3章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1主控模塊電路設(shè)計(jì)3.1.1STM32F103C8T6芯片簡介本項(xiàng)目采用STM32系列的F103C8T6芯片，由于其低功耗、效率高等特點(diǎn)，故將其運(yùn)用到本項(xiàng)目中。STM32F103C8T6芯片采用圖3-1所示結(jié)構(gòu)：圖3-1STM32F103C8T6管腳圖3.1.2引腳功能說明為更加簡潔、之間展現(xiàn)各引腳功能，做了此表展示，STM32F103C8T6芯片總共有48個(gè)引腳，其對應(yīng)引腳功能下：BOOT1和BOOT0兩個(gè)重要端口在芯片復(fù)位后的電平狀態(tài)決定了功能區(qū)域先后執(zhí)行順序。啟動(dòng)PIN44控制芯片，引腳設(shè)置為。設(shè)置B00T1=“x”，BOOT0=“0”時(shí)，為正常工作模式，從用戶Flash啟動(dòng)，即啟動(dòng)區(qū)域在主閃存存儲器；設(shè)置B00T1=“0”，BOOT0=“1”時(shí)，為廠家預(yù)設(shè)程序功能模式。其芯片內(nèi)部預(yù)制了Bootloader（ISP程序），屬于ROM區(qū)無法后期修改擦除，即啟動(dòng)區(qū)域在系統(tǒng)存儲器；設(shè)置B00T1=“1”，BOOT0=“1”時(shí)，為調(diào)試功能模式，在此模式下由于RAM特性會(huì)掉電導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。多數(shù)情況下該模式還可以用于特殊目的（故障局部診斷、讀寫Flash和EEPROM、解除Flash內(nèi)部讀寫保護(hù)等），所以該模式被稱為調(diào)試模式，且啟動(dòng)區(qū)域在內(nèi)置SRAM。3.1.3電路設(shè)計(jì)時(shí)鐘是芯片的核心，時(shí)鐘源提供的時(shí)鐘信號如同心臟向大腦和全身提供的血液一樣，維持芯片和外部設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。STM32F103C8T6一共有五個(gè)時(shí)鐘源，其中主要有兩個(gè)時(shí)鐘源分別為內(nèi)部RC振蕩器（內(nèi)部時(shí)鐘）和外部晶振（外部時(shí)鐘電路）。1.外部時(shí)鐘電路（HSE）一般可外接陶瓷或石英諧振器以及其他外部時(shí)鐘源，其頻率運(yùn)行范圍4MHz-16MHz，輸入、輸出端連接STM32F103C單片機(jī)的引腳5、引腳6，高速外部時(shí)鐘電路如圖3-2所示。圖3-2高速外部時(shí)鐘電路2.高速內(nèi)部時(shí)鐘信號提供的時(shí)鐘信號精度相較于高速外部時(shí)鐘較差（通常偏差值在1%左右），而高速外部時(shí)鐘信號所能提供的時(shí)鐘信號精度為高速內(nèi)部時(shí)鐘的低十倍以上（<0.1%）。其輸入輸出引腳連接圖如圖3-3所示。圖3-3低速外部時(shí)鐘電路3.PLL用于對進(jìn)行時(shí)鐘頻率倍頻、鎖頻作用，因?yàn)镠SE、HIS的時(shí)鐘頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到72MHz，PLL對其進(jìn)行倍頻，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)頻率。4.LSE用于給RTC模塊接32.768kHz的石英晶體外部低速電路。5.LSI的作用是系統(tǒng)休眠時(shí)提供時(shí)鐘信號源。ARM的Cortex?-M3處理器是最新一代的嵌入式ARM處理器，在針對嵌入式開發(fā)，ARM架構(gòu)在性能較高的同時(shí)還將功耗和商業(yè)成本下降到最低，例如本設(shè)計(jì)所采用的開發(fā)板的主處理器的單個(gè)采購價(jià)格可低至10元左右，可以說在性能升級的同時(shí)兼顧了成本要求。3.2溢油傳感器電路設(shè)計(jì)溢油傳感器是利用光電原理（溶解與水中的油料物光照下的光譜圖會(huì)得到特殊峰段的波峰以及波谷），溶解水中的油料（可溶性油）在吸收一定光源后會(huì)反射出不同的一種光，其光譜特性與吸收光源的光譜特性一致（即成正比）。技術(shù)參數(shù)如下型號AMT-Y300量程范圍0-40.00ppm分辨率0.01ppm校準(zhǔn)方式兩點(diǎn)校準(zhǔn)傳感器接口RS-485線纜長度5米外殼材質(zhì)PVC傳感器安裝規(guī)格以及鼠疫事項(xiàng)參照操作手冊以及安裝說明。傳感器線材一般采用四芯雙屏蔽線。3.3TSW-30濁度傳感器電路設(shè)計(jì)濁度傳感器利用光電感應(yīng)原理，在傳感器兩個(gè)凸起點(diǎn)兩條對稱的光電通道互相感應(yīng)，測量差值不變。外界光線射入監(jiān)測水樣時(shí)，水中的渾濁物質(zhì)使光線散射，通過測量與射入光線垂直角方向的散射光強(qiáng)度和內(nèi)部標(biāo)定值做比對，并計(jì)算出水體的渾濁度。濁度采集模塊電路圖如下圖3-4所示。圖3-4濁度采集模塊電路圖光電傳感器由透鏡、光源、光電元件等組成，其作用原理為利用光電效應(yīng)監(jiān)測被測物體是否存在、所處的規(guī)范區(qū)域，作用范圍轉(zhuǎn)狀態(tài)信息等。光在透過傳感器后會(huì)被過濾為預(yù)定波長的光源。特定波長的光源對傳感器內(nèi)置的對應(yīng)的光敏電阻產(chǎn)生電信號（又稱光信號）。該電信號由于過于短暫且模糊，所以通過內(nèi)置的放大電路將其進(jìn)行信號放大、線性處理、動(dòng)態(tài)降噪后與內(nèi)置標(biāo)定值進(jìn)行對比后，就可以判斷監(jiān)測目標(biāo)的所處位置，是否存在等信息。其中對模擬信號進(jìn)行數(shù)字化處理的為內(nèi)置集成電子電路。并配有將三項(xiàng)交流轉(zhuǎn)化為直流的逆變器。I/myADC.c//STM32ADC多通道轉(zhuǎn)換//描述：用ADC連續(xù)采集3路模擬信號，并由DMA傳輸?shù)絻?nèi)存H/ADC配置為掃描并且連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，ADC的時(shí)鐘配置為12MHz在每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后，由DMA循環(huán)將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存中IADC可以連續(xù)采集N次求平均值。最后通過串口傳輸出最后轉(zhuǎn)換的結(jié)果I/溫度傳感器和通道ADC1IN16相連接，內(nèi)部參照電壓VREFINT和ADC1IN17相連接1/用來存放ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果，也是DMA的目標(biāo)地址//用來存放求平均值之后的結(jié)果/ADC1、USART1相關(guān)GPIO引腳初始化H/ADC的引腳必須定義為GPIOModeAINI/USART的引腳必須定義為GPIO_ModeAFPP(TXD)、GPIo_Mode_IN_FLOATING(RXD)//這里定義了3路，可根據(jù)需要裁剪。濁度傳感器模塊的組成如下圖所示。該模塊通過3PinXH-2.54接頭與濁度傳感器進(jìn)行連接。調(diào)節(jié)10K藍(lán)色電位器的旋鈕可以對數(shù)字量輸出觸發(fā)閾值進(jìn)行調(diào)節(jié)。3.4DHT11傳感器電路設(shè)計(jì)DHT11復(fù)合型溫濕度傳感器一般串聯(lián)電阻并與STM32單片機(jī)并聯(lián)，單片機(jī)對采集的信息進(jìn)行整理對比，以此實(shí)現(xiàn)整體的智能化、數(shù)字化設(shè)計(jì)應(yīng)用。DHT11傳感器由于其自帶基準(zhǔn)值無需多次校準(zhǔn)；體積小巧且功耗極低；復(fù)合功能多應(yīng)用場景；嚴(yán)格制造的工藝等特點(diǎn)，使其應(yīng)用廣泛。工作與儲存條件為超出建議的工作范圍可能導(dǎo)致高達(dá)3%RH的臨時(shí)性漂移信號。返回正常工作條后，傳感器會(huì)緩慢地向校準(zhǔn)狀態(tài)恢復(fù)。要加速恢復(fù)進(jìn)程/可參閱7.3小節(jié)的“恢復(fù)處理”。在非正常工作條件下長時(shí)間使用會(huì)加速產(chǎn)品的老化過程。該傳感器不能長時(shí)間暴露在強(qiáng)紫外線環(huán)境以及強(qiáng)自然光光照環(huán)境下。長時(shí)間處于該環(huán)境下，會(huì)使傳感器性能降低，數(shù)據(jù)偏差過大。1、傳感器采用DHT11a．傳感器參數(shù)b．采樣周期：1.5Sc．溫度分辨率：1℃/8位d．濕度分辨率：1％RH/8位2、接口說明a．VCC：接5.5V電源，電源為正極b．GND：接地線，充當(dāng)負(fù)極c．DATA：外接STM32單片機(jī)DHT11傳感器電路原理如圖3-5：圖3-5DHT11溫濕度傳感器電路圖3.5PH傳感器電路設(shè)計(jì)采用雙電極的復(fù)合電極，使得該傳感器使用方便，大專以及本科實(shí)驗(yàn)室多采用該型號。由于采集的PH值信號微弱，所以設(shè)計(jì)一個(gè)放大電路來提升數(shù)據(jù)線性和精度。維護(hù)以及使用條件：電極在初次使用或久置不用重新使用時(shí)，把電極球泡及砂芯，浸在3NKCL溶液中活化8小時(shí)。取下電極保護(hù)套后要注意，在塑料保護(hù)柵內(nèi)的敏感玻璃泡不與硬物接觸，任何破損和擦毛都會(huì)使電極失效。電極的引出端，必須保持清潔和干燥，絕對防止輸出兩端短路，否則將導(dǎo)致測量結(jié)果失準(zhǔn)或失效。電極避免長期浸在蒸餾水中貨蛋白質(zhì)溶液和酸性氟化物溶液中，并防止和有機(jī)硅油脂接觸。筆頭電極經(jīng)長時(shí)間使用后，如果出先階梯式偏差，則應(yīng)使用弱酸性水溶液浸泡筆頭5分鐘左右，然后在氯化鉀溶液中浸泡，重新校準(zhǔn)避免誤差干擾。被測溶液中如含有易污染敏感球泡貨堵塞液接界的物質(zhì)，而使電極鈍化，其現(xiàn)象是敏感梯度降低，貨讀數(shù)不準(zhǔn)。因此，在測量完試劑后應(yīng)當(dāng)選用對應(yīng)的洗滌劑或清潔劑消除污染物。但由于傳感末端的材質(zhì)特性，常見的含有氯酸或氯化合物如四氯化碳，三氯乙烯等，可能溶解終端樹脂材料，而使電極失效！圖3-6PH傳感器電路當(dāng)PH采集到當(dāng)前的數(shù)據(jù)后，會(huì)把模擬量傳輸給單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理，部分處理程序?yàn)椋?include"stm32f10x.h"#include"stdio.h"#definePH_ADC_CHANNEL16//PH傳感器連接的ADC通道voidGPIO_Configuration(void);voidADC_Configuration(void);voidUSART_Configuration(void);intmain(void){floatph_value=0.0f;uint16_tadc_value=0;GPIO_Configuration();ADC_Configuration();USART_Configuration();while(1){ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,ENABLE);//啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換while(ADC_GetFlagStatus(ADC1,ADC_FLAG_EOC)==RESET);//等待轉(zhuǎn)換完成adc_value=ADC_GetConversionValue(ADC1);//獲取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果ph_value=(float)adc_value/4095.0f*3.3f;//將ADC值轉(zhuǎn)換成電壓值ph_value=ph_value*6.0f-2.0f;//將電壓值轉(zhuǎn)換成PH值printf("PHvalue=%.2f\r",ph_value);//通過USART將PH值輸出}}voidGPIO_Configuration(void){GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0;//ADC1-IN0GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9;//USART1-TXGPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);}voidADC_Configuration(void){ADC_InitTypeDefADC_InitStructure;GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;3.6GSM短信模塊電路設(shè)計(jì)GSM通信主要采用SA7670C模塊與電路如圖3-7所示。V_IN為電流輸入端口，最大支持五伏到十八伏的電壓，本設(shè)計(jì)采用五伏一安，即V_IN連接至+5V電流。通訊模塊AIM800C等與PA2和PA3端口相連。PWK引腳做模塊的開關(guān)口，GUN短路一秒以上可開關(guān)機(jī)。這樣做可以減少資源端口的浪費(fèi)，切合本設(shè)計(jì)的低功耗特色。特別注意事項(xiàng)：1.模塊(DCE)的CTS連接主控(DTE)的CTS，模塊(DCE)的RTS連接主控(DTE)的RTS。2.A7670系列模塊主串口支持如下波特率：300，600，1200,，2400，4800，9600等。默認(rèn)波特率為115200bps。3.由于三極管寄生電容的存在，會(huì)對高速數(shù)字信號的邊沿產(chǎn)生影響，信號速度高于115200bps時(shí)不建議使用該電路。圖3-7SA7670C模塊電路圖3.7顯示模塊電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)使用了SSD1603的直接控制的方式，其連接方式如圖3-8所示。VDD、VSS引腳分別和電源的正負(fù)極相連，在VDD、VSS和VO之間接了一個(gè)1KΩ的可調(diào)電阻，這樣做的目的是可以通過調(diào)節(jié)可變電阻的阻值來調(diào)節(jié)LCD的亮度。LCD-1602的背光引腳（BLA、BLK）既可以連接和電源相接，也可以不接，對其運(yùn)行沒有多大影響。另外，SSD1603的三個(gè)控制端口（RS、R/、E）依次接到了單片機(jī)的P1.0~1.2引腳，7個(gè)數(shù)據(jù)端口接到了P0口上。圖3-8SSD1603顯示電路設(shè)計(jì)第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1編程語言選擇C語言作為本設(shè)計(jì)的編程語言，依托于其易學(xué)易用性。絕大數(shù)初學(xué)者以及大學(xué)學(xué)生都采用C語言作為單片機(jī)開發(fā)的首選語言，其原因一般如下：1.高效性：C語言是一種功能強(qiáng)大還高效的語言，貼切語言邏輯使其非常適合嵌入式系統(tǒng)（單片機(jī)系統(tǒng)）中有限的端口資源調(diào)用。C語言中包含有豐富的數(shù)學(xué)函數(shù)和可搭建數(shù)學(xué)模型以強(qiáng)大的內(nèi)聯(lián)匯編功能，可以大幅優(yōu)化代碼運(yùn)行效率并提高提高程序的運(yùn)行速度。2.可移植性：C語言是一種高級的語言，且目前是應(yīng)用最為廣泛的高級語言，不局限于單個(gè)硬件平臺的對應(yīng)限制，可以非常方便的顯示復(fù)制粘貼移植于其他硬件和軟件。得益于次此編寫好的程序可以快速移植到其他單片機(jī)系統(tǒng)中稍加修改后，即可直接運(yùn)行啟用得到相功能。3.靈活性：C語言支持指針、函數(shù)、宏等高級特性，可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)內(nèi)存的分配、包括機(jī)械語言嵌入的操作，使得在硬件軟件的開發(fā)過程中變得非常靈活通用。4.安全性：C語言中有強(qiáng)大的錯(cuò)誤檢測和處理機(jī)制，可以有效防止程序中出現(xiàn)緩沖區(qū)溢出、內(nèi)存泄漏等問題，提高程序的穩(wěn)定性和可靠性。5.資源豐富：C語言擁有目前世界最大規(guī)模的開發(fā)者社區(qū)以及愛好者資源庫，有許多代表性的IDE和編譯器以及大量源程序可以直接被開發(fā)員調(diào)用，開發(fā)者可以非常輕松地對硬件功能進(jìn)行軟件的編寫，調(diào)試和維護(hù)。4.2Keil程序開發(fā)環(huán)境本畢業(yè)設(shè)計(jì)的軟件編程采用的是KEIL5.該軟件對常見民用處理器都支持，添加學(xué)習(xí)包即可輕松編程驅(qū)動(dòng)處理器，這使得Keil是一款非常成熟的編程軟件開發(fā)系統(tǒng)。Keil還為程序編寫提供了各種各樣的方便工具，例如：可以將多種高級語言轉(zhuǎn)換成對應(yīng)機(jī)器碼的編譯器（keil一般有C518051ARM等）；用于調(diào)試程序，可以執(zhí)行單步執(zhí)行，設(shè)置斷點(diǎn)和查看變量值等的調(diào)試器；可以實(shí)現(xiàn)軟件環(huán)境下硬件仿真功能的仿真器；可以安插外加大量學(xué)習(xí)包的代碼庫；集合了一個(gè)強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境，將以上種種工具進(jìn)行集合一體，極大程度的為開發(fā)人員的工作提供了便利。Keil的開發(fā)編程環(huán)境具有以下特點(diǎn)特點(diǎn)：a.Keil軟件的開發(fā)環(huán)境（IDE）能夠兼容并完美運(yùn)行常見民用平臺的軟件系統(tǒng)，這使其成為初學(xué)者以及大學(xué)專業(yè)學(xué)院的首選軟件。b．Keil能夠完成編寫、編譯、燒錄、調(diào)試的完整的開發(fā)流程，并具有極強(qiáng)的學(xué)習(xí)包拓展能力。c．并為開發(fā)人員提供了多種功能強(qiáng)大的內(nèi)置工具以及豐富的函數(shù)庫和數(shù)學(xué)模型。4.3系統(tǒng)主程序流程圖主程序開始對各個(gè)端口進(jìn)行初始化操作。主程序流程步驟：1）初始化；2）調(diào)用數(shù)據(jù)采集子程序；3）調(diào)用ADC子程序；4）調(diào)用液晶顯示程序；5）調(diào)用延時(shí)函數(shù)；6）輸出顯示數(shù)據(jù)。主程序的系統(tǒng)流程圖如圖4-1所示：圖4-1主程序系統(tǒng)流程圖根據(jù)流程圖，可以知道，編寫主程序是通過調(diào)用各種子程序來實(shí)現(xiàn)的。對該流程圖做簡單的解釋為：進(jìn)行while延時(shí)函數(shù)、各串口、顯示屏、ADC、按鍵以及ds18b20的初始化，然后進(jìn)行按鍵掃描，執(zhí)行按鍵操作，接著調(diào)用ADC串口，調(diào)用子程序運(yùn)行。4.41603顯示子程序我們通過定義STM32的GPIO口對顯示屏的引腳進(jìn)行相應(yīng)的控制。2初始化程序流程圖如圖4-2所示：圖4-21603初始化流程圖在進(jìn)行初始化的過程中，我們需要反復(fù)的調(diào)用write_com函數(shù)，該函數(shù)實(shí)現(xiàn)向OLED寫入命令的功能。需要注意的是，RS、RW、EN的時(shí)序問題。本設(shè)計(jì)采用的液晶顯示屏內(nèi)置了34446位的驅(qū)動(dòng)程序，可以顯示一共32位字符。OLED液晶顯示流程圖如圖4-3所示：圖4-31602顯示程序流程圖對此流程圖，做以下簡單解釋：第一步編寫各類函數(shù)，如延時(shí)、寫入字符等。第二部通按照流程圖4-3的子程序順序?qū)Φ谝徊街械暮瘮?shù)進(jìn)行調(diào)用。4.5各檢測模塊A/D轉(zhuǎn)換子程序A/D轉(zhuǎn)換的作用是將傳感器采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，本設(shè)計(jì)的STM32處理器自帶ADS轉(zhuǎn)換器。我們編程需要從開啟PA口時(shí)鐘，設(shè)置PA0為模擬輸入直到完成讀取ADC值。A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖如圖4-4所示：圖4-4A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖對于該程序流程圖，做以下解釋：1）首先使用PORTA的時(shí)鐘源，設(shè)置PA0=1。2）然后使用ADC1的時(shí)鐘源，完成復(fù)位操作。設(shè)置ADC1的分頻銀子不超過上行至。并設(shè)置單通工作模式ADC1。3）開啟AD轉(zhuǎn)換器，復(fù)位校準(zhǔn)AD，執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換操作。4.6短信子程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的反饋回路采用短信播報(bào)的形式鏈接上位機(jī)（手機(jī)）進(jìn)行通訊，達(dá)成系統(tǒng)報(bào)警功能。短播報(bào)流程圖如圖4-5所示：圖4-5短信發(fā)送子程序流程圖第5章系統(tǒng)調(diào)試5.1硬件測試5.1.1硬件測試方案本次設(shè)計(jì)根據(jù)需要一共繪制了一幅原理圖。本設(shè)計(jì)的硬件測試分為兩個(gè)部分：（1）通過對組轉(zhuǎn)好的系統(tǒng)模塊進(jìn)行電源等基本狀態(tài)的測試。（2）通過對模塊進(jìn)行簡單指令的測試，測量模塊信號線連接是否正常首先對電路進(jìn)行基本測試，整個(gè)系統(tǒng)采用電壓為5V，當(dāng)上電之前首先要對電源和地之間進(jìn)行阻抗的測試，若測得電阻為0，則電路可能存在短路。通過采用萬用表對5V和地之間進(jìn)行測試，測得阻抗為無窮大，證明沒有短路存在，進(jìn)而對電路施加5V電壓。接下來用示波器對晶振部分進(jìn)行測試，測得晶振部分有正弦樣式的信號，證明晶振電路正常工作，單片機(jī)部分已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基本的工作。本畢業(yè)設(shè)計(jì)的終端硬件傳感器的具體使用步驟如下：渾濁度傳感器的工作原理是光電感應(yīng)原理。其感應(yīng)終端的兩極分別處于漂浮物的的兩個(gè)凸起物，采集部分位于凸起物之間。使用前應(yīng)置于標(biāo)準(zhǔn)室溫蒸餾水中校準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)環(huán)境出現(xiàn)問題時(shí)基本處于1000以上，通常來講自來水的數(shù)值在400-600之間。圖5-1濁度傳感器實(shí)操圖（組）注：渾濁度傳感器終端不能完全沒入水中。頂部空氣校準(zhǔn)開口不能進(jìn)水。我們可以看到本設(shè)計(jì)實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，純凈水濁度為0，而懸于空氣中為509。PH試筆在使用時(shí)應(yīng)當(dāng)處于純凈水中校準(zhǔn)，減小切換誤差。本畢業(yè)設(shè)計(jì)的目標(biāo)環(huán)境一般處于6-7之間。圖5-2PH試筆傳感器實(shí)操圖（組）注：本設(shè)計(jì)的目標(biāo)環(huán)境為弱酸性環(huán)境，試驗(yàn)環(huán)境為室內(nèi)環(huán)境。酸性環(huán)境采用碳酸和醋酸，堿性環(huán)境為小蘇打（碳酸氫鈉）和氫氧化鈉。溢油傳感器采用熒光生物標(biāo)定法。置于水中后，隨著油類物吸附量數(shù)值越來越高將會(huì)提高電流并顯示是否溢油。圖5-3溢油傳感器實(shí)操圖（組）注：原AMT-Y300采用同類型替代。接觸目標(biāo)物會(huì)顯示溢油，反之則否。溫濕度傳感器采用的復(fù)合型，且自帶出廠校準(zhǔn)，可以直接讀取數(shù)值。（因?yàn)楹铣闪藵耠娮?，所以傳感器表面不能直接接觸液體）。圖5-4溫濕度傳感器實(shí)際數(shù)據(jù)圖（組）最終各個(gè)傳感器數(shù)值將在顯示屏上顯示，上位機(jī)發(fā)送短信即可獲得回報(bào)信息。圖5-5GSM短信收發(fā)實(shí)操圖（組）5.1.2硬件測試結(jié)果利用開發(fā)者套件焊接單片機(jī)板，并鏈接對應(yīng)傳感器的接口。檢查各部分硬件是否正常后開始檢查調(diào)試傳感器。E-201-C型PH試筆采用獨(dú)特結(jié)構(gòu)。筆頭的透鏡部分帶有保護(hù)液防止爆裂，在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)處于完好狀態(tài)，并在試驗(yàn)使用中應(yīng)準(zhǔn)備清水中和劑防止試筆靈敏度不足；濁度傳感器該型號的結(jié)構(gòu)應(yīng)漂浮水面，內(nèi)部的空氣校準(zhǔn)開口不應(yīng)進(jìn)水燒壞電路元件，且兩對稱凸起中間不應(yīng)有遮擋物或處于空氣中；溫濕度傳感器由于該型自帶校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，所以可以直接使用，測溫功能可直接接觸體表；完成以上各傳感器測試后，應(yīng)開機(jī)并鏈接上位機(jī)監(jiān)測各功能是否正常，數(shù)值反饋是否及時(shí)，數(shù)據(jù)變化是否靈敏。該設(shè)計(jì)采用STM32單片機(jī)開發(fā)，其中出現(xiàn)過傳感器不兼容以及接口錯(cuò)誤的問題。針對該問題積極采用同類型傳感器進(jìn)行替換并完成同類工作流。仔細(xì)檢查程序編寫備注后發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤及時(shí)進(jìn)行了更正處理。各部分模塊驅(qū)動(dòng)燒錄完成后，接通外部直流電源后，GSM模塊連接基站注冊SIM信息并成功進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，其狀態(tài)如下圖所示：圖5-6硬件測試實(shí)物展示圖5.2軟件系統(tǒng)測試軟件測試的部分，其中代碼編寫采用KEIL5進(jìn)行編寫，終端傳感器所生成的信息將顯示在OLED顯示屏上，通信模塊在收到上位機(jī)（手機(jī)）的指令信息后將會(huì)以短報(bào)文的形式回復(fù)相關(guān)的信息數(shù)據(jù)并進(jìn)行硬件調(diào)試和試驗(yàn)。Keil5調(diào)試軟件窗口如圖5-7所示：圖5-7Keil5軟件的界面單片機(jī)型號選為：STM32型，如圖5-8所示。圖5-8單片機(jī)型號選擇部分程序編寫：內(nèi)河船舶溢油監(jiān)測新型智能浮島設(shè)計(jì)程序編寫如圖5-9所示。圖5-9程序的編寫程序編寫完成后進(jìn)行編譯，程序編譯如圖5-10所示。圖5-10程序編譯成功界面將程序燒錄至STM32寄存器中，如圖5-11所示。圖5-11燒錄成功界面第6章結(jié)論本設(shè)計(jì)對當(dāng)下常見的民用以及工業(yè)用水質(zhì)檢測浮島、浮船、浮筒等設(shè)計(jì)和實(shí)物進(jìn)行了充分的調(diào)研以及學(xué)習(xí)。本設(shè)計(jì)針對傳統(tǒng)同類型功能的浮島設(shè)計(jì)進(jìn)行了一定的革新以及獨(dú)特的應(yīng)用：根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及現(xiàn)實(shí)生活的應(yīng)用以及低功耗的目的，所以采用單片機(jī)（嵌入式微處理器）作為本系統(tǒng)平臺的核心數(shù)據(jù)處理器。本設(shè)計(jì)采用STM32單片機(jī)開發(fā)板硬件構(gòu)成，并與其他傳感器硬件對應(yīng)接口連接，搭建一套溢油監(jiān)測水環(huán)境系統(tǒng)平臺。（1）首先運(yùn)行硬件平臺，系統(tǒng)功能一切正常完全滿足預(yù)期監(jiān)測目標(biāo)（溢油水環(huán)境監(jiān)測）。在設(shè)計(jì)實(shí)物時(shí)，遇到了傳感器不靈敏以及傳感器報(bào)廢的問題，都以學(xué)習(xí)原理及更換硬件傳感器解決。（2）本設(shè)計(jì)除了特色功能溢油監(jiān)測外，還可以加入國際標(biāo)準(zhǔn)酸鎘等高級參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)傳感器。本設(shè)計(jì)由于STM32系列的功能局限性添加了如PH值，溫濕度等常見參數(shù)，豐富設(shè)計(jì)內(nèi)容以及監(jiān)測浮島的功能強(qiáng)度。（3）本設(shè)計(jì)使用GSM作為通訊模塊，相較于常見藍(lán)牙模塊或者WIFI模塊，數(shù)據(jù)傳輸更加靈活穩(wěn)定。參考文獻(xiàn)[1]王紅,潘安君,楊占才,封錦琦,陳洪全,高倩.國外航空電子系統(tǒng)嵌入式在線監(jiān)測技術(shù)[J/OL].測控技術(shù):1-9[2022-11-18].[2]崔祜海,王豫.單片機(jī)在電氣自動(dòng)化控制中的應(yīng)用[J].電氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì),2022(05):77-79+84.[3]阮承治,吳鴻興,陳飛,郝佳瑩,鄧瑤鈴,歐陽林群.游弋式小船水質(zhì)監(jiān)測控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].黑龍江工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(綜合版),2022,22(10):33-39.[4]栗忍,段本昌.基于單片機(jī)的間歇制動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù),2022,51(10):196-198.[5]李燕萍.基于遙感技術(shù)的地表水水質(zhì)檢測方法分析[J].粘接,2022,49(10):122-125.[6]朱小亮,潘濤.提高水質(zhì)檢測結(jié)果準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性的探討[J].現(xiàn)代鹽化工,2022,49(05):95-97.[7]張博洋.復(fù)雜嵌入式檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J].現(xiàn)代信息科技,2022,6(19):31-33+37.[8]盧錫,胡石建,王凡,胡敦欣,劉海龍,刁新源,于仁成.基于漂流浮標(biāo)觀測分析日本福島以東表層海洋物質(zhì)的散播軌跡[J].海洋與湖沼,2022,53(05):1027-1044.[9]唐自霖,易藝,付金松,熊依玲,曹旺,王運(yùn)輝.多傳感器融合的水質(zhì)檢測分流控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2022,30(17):50-54.[10]朱建躍.廢水水質(zhì)檢測實(shí)驗(yàn)誤差分析與數(shù)據(jù)處理探究[J].低碳世界,2022,12(07):61-63.[11]王軍成.新一代海洋監(jiān)測技術(shù)——綜合智能觀測浮標(biāo)[J].智能系統(tǒng)學(xué)報(bào),2022,17(03):447.[12]許娟,廖銘勝,郭婧,李棟.利用北斗傳輸?shù)暮Ｑ笥^測航道浮標(biāo)[J].珠江水運(yùn),2021(07):88-91.[13]張紅斌，王秀利．養(yǎng)殖魚塘水質(zhì)動(dòng)態(tài)檢測與分析［J］．漁業(yè)致富指南，20191963－68．[14]李海鋒．基于ZigBee技術(shù)的魚塘水質(zhì)監(jiān)測系統(t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