基于 STM32F103V8T6 的智能水處理裝置設(shè)計(jì)

摘要 : 本文基于 STM32F103V8T6 微控制器，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款智能水處理裝置。該裝置集多種傳感器與電源管理模塊于一體，具有精準(zhǔn)采集與智能控制的功能。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓、儲(chǔ)水瓶深度、雷達(dá)信號(hào)與紅外數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源狀態(tài)的分層指示、水位的有效監(jiān)控與調(diào)整以及基于人體接近的手動(dòng)檢測(cè)智能抽水。此外，電源管理模塊保證了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，極大保護(hù)了內(nèi)部元器件，使其具備便捷實(shí)用、穩(wěn)定可靠的優(yōu)異性能。

1. 硬件設(shè)計(jì)

STM32F103V8T6 微控制器作為核心，其內(nèi)部高性能的內(nèi)核能夠高效處理各類傳感器采集的數(shù)據(jù)。電池電壓（鋰電池）連接合適的電源管理模塊LM1117后可輸出穩(wěn)定的 3.3V 和 5V 直流電。雷達(dá)傳感器（HLK-LD2401雷達(dá)傳感器）等對(duì) 3.3V 電平敏感的傳感器，由 3.3V 供電電源引腳接入。而 LED 狀態(tài)指示燈等發(fā)光元件和微控制器本身的工作電源直接使用 5V 供電，確保其亮度與工作穩(wěn)定。電機(jī)控制部分，使用電池的原始輸出直接供電，通過(guò)微控制器的 IO 口控制 NPN （8050） 三極管的基極，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)電源的通斷控制，如低電平有效或高電平有效的開(kāi)關(guān)模式。

2. 工作原理

（1）開(kāi)機(jī)監(jiān)測(cè)

按下電源鍵，STM32F103V8T6 被喚醒啟動(dòng)。其內(nèi)置的 ADC 模塊開(kāi)始采集電池電壓采樣點(diǎn)的信號(hào)。采樣點(diǎn)通過(guò)合適的分壓電阻網(wǎng)絡(luò)（如兩個(gè)電阻串聯(lián)后，取中間點(diǎn)接入 ADC 引腳），將電池電壓轉(zhuǎn)化為適合 ADC 量程（0V-3.3V 或 0V-5V，依據(jù) ADC 參考電壓設(shè)置）的電壓。當(dāng)采集到的電池電壓 ADC 值經(jīng)過(guò)微控制器內(nèi)部計(jì)算（如將 ADC 值映射為實(shí)際電壓值，通過(guò)線性公式 V_battery=ADC_value*V_ref/(max_ADC) 或其他算法），處于設(shè)定的正常范圍（如假設(shè)鋰電池額定電壓 4.2V 時(shí)，正常工作區(qū)間在 3.7V~4.1V 之間），就控制綠色 LED 亮起。如果電壓低于該范圍的下限，如低于 3.7V，則啟用紅色 LED，警示電池電量不足，需要盡快充電或更換電池。

（2）儲(chǔ)水瓶水位調(diào)控

儲(chǔ)水瓶深度傳感器（如浮球式傳感器或超聲波液位傳感器），將水位信息轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號(hào)。例如，超聲波液位傳感器通過(guò)發(fā)射與接收超聲波的時(shí)間差計(jì)算水位高度。這種傳感器的輸出信號(hào)可以是 4mA~20mA 電流信號(hào)，或者 0V~5V 電壓信號(hào)。STM32F103V8T6 接收該信號(hào)后，利用內(nèi)部的 ADC 進(jìn)行量化處理。假設(shè)正常水位對(duì)應(yīng)電壓范圍是 1.5V~3V，通過(guò)編程設(shè)定閾值，當(dāng)水位處于該區(qū)間，綠色 LED 點(diǎn)亮，表明儲(chǔ)水正常。一旦監(jiān)測(cè)到水位電壓低于 1V，對(duì)應(yīng)水位低于儲(chǔ)水瓶容量的 1/3，紅色 LED 點(diǎn)亮，向用戶示警加水。當(dāng)水位被重新加至儲(chǔ)水瓶頂端，傳感器檢測(cè)到水位達(dá)到一格（假設(shè)對(duì)應(yīng)最高水位設(shè)定值），則發(fā)送信號(hào)到微控制器，微控制器通過(guò)三極管切斷電機(jī)供電，禁止抽水，防止水溢出。

（3）人體接近與手動(dòng)檢測(cè)抽水

當(dāng)通過(guò)雷達(dá)傳感器檢測(cè)到 3m 以內(nèi)有物體（例如人的移動(dòng)或停留），其內(nèi)部的微波或超聲波信號(hào)反射回傳感器，觸發(fā)傳感器內(nèi)部信號(hào)處理單元產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)。信號(hào)通過(guò)信號(hào)引腳傳輸?shù)?STM32F103V8T6 的中斷引腳或 I/O 引腳。一旦檢測(cè)到信號(hào)，微控制器立刻打開(kāi)驅(qū)動(dòng)紅外模塊的三極管，使紅外模塊得電工作。紅外傳感器（如熱釋電紅外傳感器 PIR 或反射式紅外傳感器）開(kāi)始工作，其作用是檢測(cè)出水口附近是否有手靠近。當(dāng)手伸到出水口附近，紅外傳感器接收到手的紅外信號(hào)后，產(chǎn)生電位變化信號(hào)。假設(shè)傳感器輸出為低電平有效信號(hào)，則微控制器檢測(cè)到低電平后，通過(guò)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)三極管的導(dǎo)通，使電機(jī)得電工作，開(kāi)始抽水。當(dāng)手離開(kāi)出水口，紅外傳感器信號(hào)消失，電機(jī)停止工作。

3. 電源管理與保護(hù)

電源模塊是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的能源樞紐。鋰電池供電經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯片（如 3.3V 使用 AMS1117-3.3，5V 也使用 1117 調(diào)壓模塊）后，輸出穩(wěn)定的電壓。這些電源除了供應(yīng)給各模塊之外，還需要考慮過(guò)流、過(guò)壓等異常情況的保護(hù)。例如，在電機(jī)供電回路中，加入保險(xiǎn)絲或電子保護(hù)電路（如熱插拔控制器），在電流超過(guò)安全值時(shí)切斷電機(jī)供電，避免電機(jī)燒毀。同時(shí)，電源路徑與其他敏感電路（如 ADC 輸入路徑）間采取去耦電容等措施，減少電源波動(dòng)對(duì)傳感器精度的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

4. 系統(tǒng)總體功能描述

該智能水處理裝置開(kāi)機(jī)后，首先是電源狀態(tài)指示，通過(guò)綠紅 LED 亮起表明電池電量正常或異常；接著，自動(dòng)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)水瓶水位，并通過(guò)綠紅 LED 亮不同顏色指示水位高低情況，當(dāng)水位高時(shí)可自動(dòng)停抽；當(dāng)有人接近設(shè)備 3m 范圍時(shí)，設(shè)備自動(dòng)開(kāi)啟紅外模塊，等待手靠近，一旦檢測(cè)到手伸入出水口，電機(jī)立即啟動(dòng)抽水。以上功能的完美協(xié)作，使得裝置在多種情況下都能穩(wěn)定、精準(zhǔn)地運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)便捷的智能控制與人性化的用戶體驗(yàn)。