基于 STM32F103V8T6 的智能水處理裝置設(shè)計

摘要 : 本文基于 STM32F103V8T6 微控制器，設(shè)計并實(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。通過實(shí)時監(jiān)測電池電壓、儲水瓶深度、雷達(dá)信號與紅外數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對電源狀態(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檢測智能抽水。此外，電源管理模塊保證了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時，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

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 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，通過微控制器的 IO 口控制 NPN （8050） 三極管的基極，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)電源的通斷控制，如低電平有效或高電平有效的開關(guān)模式。

2. 工作原理

（1）開機(jī)監(jiān)測

按下電源鍵，STM32F103V8T6 被喚醒啟動。其內(nèi)置的 ADC 模塊開始采集電池電壓采樣點(diǎn)的信號。采樣點(diǎn)通過合適的分壓電阻網(wǎng)絡(luò)（如兩個電阻串聯(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)過微控制器內(nèi)部計算（如將 ADC 值映射為實(shí)際電壓值，通過線性公式 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，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）儲水瓶水位調(diào)控

儲水瓶深度傳感器（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。例如，超聲波液位傳感器通過發(fā)射與接收超聲波的時間差計算水位高度。這種傳感器的輸出信號可以是 4mA~20mA 電流信號，或者 0V~5V 電壓信號。STM32F103V8T6 接收該信號后，利用內(nèi)部的 ADC 進(jìn)行量化處理。假設(shè)正常水位對應(yīng)電壓范圍是 1.5V~3V，通過編程設(shè)定閾值，當(dāng)水位處于該區(qū)間，綠色 LED 點(diǎn)亮，表明儲水正常。一旦監(jiān)測到水位電壓低于 1V，對應(yīng)水位低于儲水瓶容量的 1/3，紅色 LED 點(diǎn)亮，向用戶示警加水。當(dāng)水位被重新加至儲水瓶頂端，傳感器檢測到水位達(dá)到一格（假設(shè)對應(yīng)最高水位設(shè)定值），則發(fā)送信號到微控制器，微控制器通過三極管切斷電機(jī)供電，禁止抽水，防止水溢出。

（3）人體接近與手動檢測抽水

當(dāng)通過雷達(dá)傳感器檢測到 3m 以內(nèi)有物體（例如人的移動或停留），其內(nèi)部的微波或超聲波信號反射回傳感器，觸發(fā)傳感器內(nèi)部信號處理單元產(chǎn)生檢測信號。信號通過信號引腳傳輸?shù)?STM32F103V8T6 的中斷引腳或 I/O 引腳。一旦檢測到信號，微控制器立刻打開驅(qū)動紅外模塊的三極管，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）開始工作，其作用是檢測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后，產(chǎn)生電位變化信號。假設(shè)傳感器輸出為低電平有效信號，則微控制器檢測到低電平后，通過控制電機(jī)驅(qū)動三極管的導(dǎo)通，使電機(jī)得電工作，開始抽水。當(dāng)手離開出水口，紅外傳感器信號消失，電機(jī)停止工作。

3. 電源管理與保護(hù)

電源模塊是整個系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的能源樞紐。鋰電池供電經(jīng)過穩(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，還需要考慮過流、過壓等異常情況的保護(hù)。例如，在電機(jī)供電回路中，加入保險絲或電子保護(hù)電路（如熱插拔控制器），在電流超過安全值時切斷電機(jī)供電，避免電機(jī)燒毀。同時，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，減少電源波動對傳感器精度的影響，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機(jī)后，首先是電源狀態(tài)指示，通過綠紅 LED 亮起表明電池電量正?；虍惓＃唤又?，自動監(jiān)測儲水瓶水位，并通過綠紅 LED 亮不同顏色指示水位高低情況，當(dāng)水位高時可自動停抽；當(dāng)有人接近設(shè)備 3m 范圍時，設(shè)備自動開啟紅外模塊，等待手靠近，一旦檢測到手伸入出水口，電機(jī)立即啟動抽水。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)。