基于STM32F103V8T6的智能水处理系统设计与实现

基于 STM32F103V8T6 的智能水处理装置设计

摘要 : 本文基于 STM32F103V8T6 微控制器，设计并实现了一款智能水处理装置。该装置集多种传感器与电源管理模块于一体，具有精准采集与智能控制的功能。通过实时监测电池电压、储水瓶深度、雷达信号与红外数据，实现对电源状态的分层指示、水位的有效监控与调整以及基于人体接近的手动检测智能抽水。此外，电源管理模块保证了系统稳定运行的同时，极大保护了内部元器件，使其具备便捷实用、稳定可靠的优异性能。

1. 硬件设计

STM32F103V8T6 微控制器作为核心，其内部高性能的内核能够高效处理各类传感器采集的数据。电池电压（锂电池）连接合适的电源管理模块LM1117后可输出稳定的 3.3V 和 5V 直流电。雷达传感器（HLK-LD2401雷达传感器）等对 3.3V 电平敏感的传感器，由 3.3V 供电电源引脚接入。而 LED 状态指示灯等发光元件和微控制器本身的工作电源直接使用 5V 供电，确保其亮度与工作稳定。电机控制部分，使用电池的原始输出直接供电，通过微控制器的 IO 口控制 NPN （8050） 三极管的基极，实现对电机电源的通断控制，如低电平有效或高电平有效的开关模式。

2. 工作原理

（1）开机监测

按下电源键，STM32F103V8T6 被唤醒启动。其内置的 ADC 模块开始采集电池电压采样点的信号。采样点通过合适的分压电阻网络（如两个电阻串联后，取中间点接入 ADC 引脚），将电池电压转化为适合 ADC 量程（0V-3.3V 或 0V-5V，依据 ADC 参考电压设置）的电压。当采集到的电池电压 ADC 值经过微控制器内部计算（如将 ADC 值映射为实际电压值，通过线性公式 V_battery=ADC_value*V_ref/(max_ADC) 或其他算法），处于设定的正常范围（如假设锂电池额定电压 4.2V 时，正常工作区间在 3.7V~4.1V 之间），就控制绿色 LED 亮起。如果电压低于该范围的下限，如低于 3.7V，则启用红色 LED，警示电池电量不足，需要尽快充电或更换电池。

（2）储水瓶水位调控

储水瓶深度传感器（如浮球式传感器或超声波液位传感器），将水位信息转换为电流或电压信号。例如，超声波液位传感器通过发射与接收超声波的时间差计算水位高度。这种传感器的输出信号可以是 4mA~20mA 电流信号，或者 0V~5V 电压信号。STM32F103V8T6 接收该信号后，利用内部的 ADC 进行量化处理。假设正常水位对应电压范围是 1.5V~3V，通过编程设定阈值，当水位处于该区间，绿色 LED 点亮，表明储水正常。一旦监测到水位电压低于 1V，对应水位低于储水瓶容量的 1/3，红色 LED 点亮，向用户示警加水。当水位被重新加至储水瓶顶端，传感器检测到水位达到一格（假设对应最高水位设定值），则发送信号到微控制器，微控制器通过三极管切断电机供电，禁止抽水，防止水溢出。

（3）人体接近与手动检测抽水

当通过雷达传感器检测到 3m 以内有物体（例如人的移动或停留），其内部的微波或超声波信号反射回传感器，触发传感器内部信号处理单元产生检测信号。信号通过信号引脚传输到 STM32F103V8T6 的中断引脚或 I/O 引脚。一旦检测到信号，微控制器立刻打开驱动红外模块的三极管，使红外模块得电工作。红外传感器（如热释电红外传感器 PIR 或反射式红外传感器）开始工作，其作用是检测出水口附近是否有手靠近。当手伸到出水口附近，红外传感器接收到手的红外信号后，产生电位变化信号。假设传感器输出为低电平有效信号，则微控制器检测到低电平后，通过控制电机驱动三极管的导通，使电机得电工作，开始抽水。当手离开出水口，红外传感器信号消失，电机停止工作。

3. 电源管理与保护

电源模块是整个系统稳定运行的能源枢纽。锂电池供电经过稳压芯片（如 3.3V 使用 AMS1117-3.3，5V 也使用 1117 调压模块）后，输出稳定的电压。这些电源除了供应给各模块之外，还需要考虑过流、过压等异常情况的保护。例如，在电机供电回路中，加入保险丝或电子保护电路（如热插拔控制器），在电流超过安全值时切断电机供电，避免电机烧毁。同时，电源路径与其他敏感电路（如 ADC 输入路径）间采取去耦电容等措施，减少电源波动对传感器精度的影响，提高系统的抗干扰能力。

4. 系统总体功能描述

该智能水处理装置开机后，首先是电源状态指示，通过绿红 LED 亮起表明电池电量正常或异常；接着，自动监测储水瓶水位，并通过绿红 LED 亮不同颜色指示水位高低情况，当水位高时可自动停抽；当有人接近设备 3m 范围时，设备自动开启红外模块，等待手靠近，一旦检测到手伸入出水口，电机立即启动抽水。以上功能的完美协作，使得装置在多种情况下都能稳定、精准地运行，实现便捷的智能控制与人性化的用户体验。