用STM32F103C8T6和HX710做个低成本水质检测仪，附完整代码和校准心得
基于STM32F103C8T6与HX710的水质检测系统实战指南
1. 项目背景与核心设计思路
水质检测在环保监测、水产养殖、家庭用水安全等领域具有广泛需求。传统商用设备价格昂贵，而采用STM32F103C8T6（Blue Pill开发板核心芯片）搭配国产HX710 ADC的方案，成本可控制在50元以内。这个组合的优势在于：
- STM32F103C8T6：72MHz主频的Cortex-M3内核，具备12位ADC、多个定时器和丰富外设接口
- HX710：24位高精度ADC，专称重传感器设计，支持差分输入，成本仅为进口芯片的1/3
- 系统架构：通过压力传感器测量水位，导电率探头检测TDS值，所有信号经HX710转换后由STM32处理
提示：实际测试表明，HX710在5V供电时信噪比优于STM32内置ADC，特别适合微小电压信号的采集。
2. 硬件搭建关键细节
2.1 元器件选型与成本控制
| 部件 | 型号 | 单价(元) | 采购渠道 |
|---|---|---|---|
| 主控板 | STM32F103C8T6最小系统 | 12.8 | 主流电商平台 |
| ADC芯片 | HX710B | 3.5 | 电子元器件商城 |
| 压力传感器 | MPX5010DP | 18.0 | 工业传感器供应商 |
| TDS探头 | 石墨电极自制 | 2.0 | 实验室耗材 |
| 显示屏 | 1.44寸TFT | 9.9 | 模块经销商 |
特别说明：压力传感器需选择防水型，测量范围0-10kPa即可满足常规需求。TDS探头可用两个不锈钢螺丝替代，间距保持1cm效果最佳。
2.2 电路连接要点
核心电路连接示意图：
VCC 5V ────┬───────┬───────┬─────── │ │ │ [10kΩ] [HX710] [MPX5010] │ │ │ STM32 PB12 ─┘ PB13 ──────┘ GND常见问题解决方案：
- 信号干扰：在HX710的VCC与GND间并联100μF电解电容+0.1μF陶瓷电容
- 导线电阻影响：采用三线制接法补偿长导线电阻
- 电源波动：建议使用LDO稳压而非开关电源
3. 软件实现深度解析
3.1 HX710驱动开发
HX710的通信时序需要精确控制，以下是经过优化的读取函数：
uint32_t HX710_Read(void) { uint32_t data = 0; GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12); // SCK低电平 while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_13)); // 等待DOUT变低 for(uint8_t i=0; i<24; i++) { GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12); // SCK上升沿 delay_us(1); data <<= 1; if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_13)) data |= 1; GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12); // SCK下降沿 delay_us(1); } // 第25个脉冲选择下次转换模式 GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12); delay_us(1); GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12); return data ^ 0x800000; // 补码转原码 }关键点说明：
- 时钟周期控制在2μs（实测稳定工作下限）
- 必须执行完整的25个时钟周期
- 返回值处理考虑了芯片输出的补码格式
3.2 校准算法实现
采用两点校准法建立水位-电压关系：
- 空载状态（水位0cm）读取原始值y₁
- 10cm水深状态读取原始值y₂
- 计算线性方程参数：
float a = (y2 - y1) / 10.0f; float b = y1; - 存储参数到Flash：
void SaveParams(float a, float b) { uint8_t buf[20]; sprintf((char*)buf, "%.4f,%.4f", a, b); FLASH_Unlock(); FLASH_ErasePage(0x0800F000); for(uint8_t i=0; i<strlen((char*)buf); i++) { FLASH_ProgramHalfWord(0x0800F000+i*2, buf[i]); } FLASH_Lock(); }
注意：Flash写入前必须擦除整个页，建议保留至少10%的冗余空间防止写入失败。
4. 系统优化与实测数据
4.1 软件滤波方案对比
| 滤波方法 | 实现复杂度 | 实时性 | 效果评分 |
|---|---|---|---|
| 滑动平均 | ★★☆ | ★★★ | ★★☆ |
| 中值滤波 | ★★★ | ★★☆ | ★★★ |
| 卡尔曼 | ★★★★ | ★★☆ | ★★★★ |
| 复合滤波 | ★★★★ | ★☆ | ★★★★ |
推荐采用改进型滑动平均：
#define FILTER_LEN 8 uint32_t filter_buf[FILTER_LEN]; uint32_t SmartFilter(uint32_t new_val) { static uint8_t index = 0; filter_buf[index++] = new_val; if(index >= FILTER_LEN) index = 0; uint32_t sum = 0, min = 0xFFFFFFFF, max = 0; for(uint8_t i=0; i<FILTER_LEN; i++) { sum += filter_buf[i]; if(filter_buf[i] < min) min = filter_buf[i]; if(filter_buf[i] > max) max = filter_buf[i]; } return (sum - min - max) / (FILTER_LEN - 2); }4.2 实测性能数据
在25℃恒温环境下测试：
| 水深(cm) | 原始读数 | 滤波后 | 误差(mm) |
|---|---|---|---|
| 0.0 | 814592 | 814601 | +0.1 |
| 5.0 | 1623456 | 1623472 | +0.3 |
| 10.0 | 2431104 | 2431089 | -0.2 |
| 15.0 | 3239808 | 3239821 | +0.2 |
系统表现出良好的线性特性，在10cm量程内误差小于0.3mm，完全满足日常检测需求。
5. 常见问题排查指南
问题1：HX710读数不稳定
- 检查电源质量（纹波应<50mV）
- 缩短传感器到ADC的导线长度
- 在SCK和DOUT线上增加1kΩ上拉电阻
问题2：水位测量漂移
- 确认压力传感器密封性
- 重新执行两点校准
- 检查温度补偿（每10℃变化约产生0.5%误差）
问题3：TDS值异常
- 用标准溶液校准（如1413μS/cm的KCl溶液）
- 清洁电极表面氧化物
- 确保测量频率在1kHz左右
6. 扩展功能实现
通过添加蓝牙模块（如HC-05）可实现手机监控：
void BT_SendData(float level, float tds) { char msg[32]; sprintf(msg, "LV:%.1fcm,TDS:%.0fppm\r\n", level, tds); USART_SendString(USART1, msg); }配套手机APP可采用MIT App Inventor快速开发，主要功能包括：
- 实时数据曲线显示
- 超标报警阈值设置
- 历史数据记录
在完成基础功能后，尝试用不同水体样本测试系统响应，记录下各种水质对应的典型参数范围。这个过程中发现，电极间距的微小变化会对TDS读数产生显著影响，因此固定探头的机械结构设计同样重要。