零知开源——基于STM32F103RBT6的TDS水质监测仪数据校准和ST7789显示实战教程

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目录

一、硬件系统设计

1.1 所需硬件

1.2 接线方案

1.3 连接硬件图

1.4 接线实物图

二、软件架构设计

2.1 校准算法实现

2.2 UI设计

2.3 中值滤波算法

2.4 温度补偿算法

2.5 最小二乘法算法

三、功能展示

3.1 TDS探测仪和TDS模块数据对比

3.2 视频演示效果

3.3 串口监视器数据

3.4 性能优化

3.5 系统界面展示

四、TDS校准代码数学原理

五、常见问题解答

Q1:为什么需要三个校准点？

Q2：为什么需要温度补偿？

Q3：为什么空气中显示非零值？

Q4：如何提高测量精度？

六、结论

（1）项目概述

        本教程将指导您构建一个基于STM32F103RBT6的零知标准板高精度TDS（总溶解固体）水质监测系统。项目结合了TDS-3传感器、ST7789显示屏和先进的三点校准算法，实现了±10ppm的高精度水质测量。系统采用直观的UI设计，通过颜色编码实时显示水质安全状态（绿/黄/红），是家庭水质监测、水培系统和水产养殖的理想解决方案。

（2）项目亮点

        >三点校准算法实现±10ppm精度
        >UI设计，颜色编码水质安全状态
        >三阶多项式拟合校准最小二乘法参数

一、硬件系统设计

1.1 所需硬件

1.2 接线方案

1.3 连接硬件图

1.4 接线实物图

二、软件架构设计

2.1 校准算法实现

// 计算新系数
void calculateCoefficients() {
  // 提取校准点电压
  float V0 = calibVoltages[0]; // 干燥电压
  float V1 = calibVoltages[1]; // 0ppm
  float V2 = calibVoltages[2]; // 342ppm
  float V3 = calibVoltages[3]; // 1000ppm
  
  // 计算调整后电压
  float v1 = V1 - V0;
  float v2 = V2 - V0;
  float v3 = V3 - V0;
  
  // 三点校准公式
  float denom = (v3*v3*v3 - v1*v1*v1)*(v3 - v1) - (v2*v2*v2 - v1*v1*v1)*(v2 - v1);
  CALIB_A = (1000*(v3 - v1) - 342*(v2 - v1)) / denom;
  CALIB_B = (342 - CALIB_A*(v2*v2*v2 - v1*v1*v1)) / (v2 - v1);
  CALIB_C = (0 - CALIB_A*v1*v1*v1 - CALIB_B*v1*v1) / v1;
  
  Serial.println("New Coefficients Calculated:");
  Serial.print("A: "); Serial.println(CALIB_A);
  Serial.print("B: "); Serial.println(CALIB_B);
  Serial.print("C: "); Serial.println(CALIB_C);
  Serial.print("V0: "); Serial.println(CALIB_V0);
}

2.2 UI设计

// 更新仪表填充
void updateGauge() {
  // 计算填充高度（主体部分）
  int fillHeight = constrain(map(tdsValue, 0, MAX_TDS, 0, GAUGE_HEIGHT - 2), 0, GAUGE_HEIGHT);
  
  // 选择颜色（安全/警告）
  uint16_t color;
  if (tdsValue < 300) color = ST77XX_GREEN;       // 安全
  else if (tdsValue < 700) color = ST77XX_YELLOW; // 一般
  else color = ST77XX_RED;                        // 警告
  
  // 清除旧填充
  tft.fillRect(GAUGE_X + 1, GAUGE_Y + 1, GAUGE_WIDTH - 2, GAUGE_HEIGHT - 2, ST77XX_BLACK);
  
  // 绘制主体填充（从底部开始）
  if (fillHeight > 0) {
    int startY = GAUGE_Y + GAUGE_HEIGHT - fillHeight;
    tft.fillRect(GAUGE_X + 1, startY, GAUGE_WIDTH - 2, fillHeight, color);
  }
  
  // 绘制底部小圆填充
  if (tdsValue > 0) {
    // 先清除小圆内部
    tft.fillCircle(BULB_CENTER_X, BULB_CENTER_Y, BULB_RADIUS - 1, ST77XX_BLACK);
    
    // 填充小圆（如果TDS值大于0）
    tft.fillCircle(BULB_CENTER_X, BULB_CENTER_Y, BULB_RADIUS - 1, color);
  } else {
    // 当TDS为0时清除小圆
    tft.fillCircle(BULB_CENTER_X, BULB_CENTER_Y, BULB_RADIUS - 1, ST77XX_BLACK);
  }
}

2.3 中值滤波算法

// 中值滤波函数
int getMedianNum(int bArray[], int iFilterLen) {
  int bTab[iFilterLen];
  memcpy(bTab, bArray, iFilterLen * sizeof(int));
  
  // 冒泡排序
  for (int j = 0; j < iFilterLen - 1; j++) {
    for (int i = 0; i < iFilterLen - j - 1; i++) {
      if (bTab[i] > bTab[i + 1]) {
        int bTemp = bTab[i];
        bTab[i] = bTab[i + 1];
        bTab[i + 1] = bTemp;
      }
    }
  }
  
  return (iFilterLen & 1) ? 
         bTab[(iFilterLen - 1) / 2] : 
         (bTab[iFilterLen / 2] + bTab[iFilterLen / 2 - 1]) / 2;
}

        >> 对30个连续采样值进行排序并取中值，有效消除脉冲干扰。

2.4 温度补偿算法

float compensationCoefficient = 1.0 + 0.02 * (temperature - 25.0);
float compensationVolatge = averageVoltage / compensationCoefficient;

        >> TDS测量受温度影响，每摄氏度变化约2%。此算法将测量值补偿到25℃基准温度。

2.5 最小二乘法算法

        通过pycharm求解校准系数，结合特征矩阵X和目标向量y构建TDS模型，求解线性方程组 X · [a, b, c]^T = y 的最小二乘解

import numpy as np

# 输入数据 [电压, 真实TDS]
data = [
    [0.10, 0],    # 干燥空气视为0ppm
    [1.72, 88],   # 78ppm标准溶液
    [2.89, 160]   # 160ppm标准溶液
]

# 构建矩阵：y =40 a*v^3 + b*v^2 + c*v
X = np.array([[v**3, v**2, v] for v, _ in data])
y = np.array([tds for _, tds in data])

# 最小二乘法求解系数
coefficients = np.linalg.lstsq(X, y, rcond=None)[0]

print(f"CALIB_A = {coefficients[0]:.4f}")
print(f"CALIB_B = {coefficients[1]:.4f}")
print(f"CALIB_C = {coefficients[2]:.4f}")
print(f"CALIB_V0 = 0.0")  # 零点已包含在校准中

        > 将拟合模型输出的格式化系数值替换到零知IDE校准参数CALIB_A、CALIB_B、CALIB_C

// 校准参数（带默认值）
float CALIB_V0 = 0.0;  // 零点电压
float CALIB_A = -10.4412;   // 二次项系数
float CALIB_B = 50.5849;   // 一次项系数
float CALIB_C = -4.9541;  // 常数项

三、功能展示

3.1 TDS探测仪和TDS模块数据对比

        TDS检测笔所测数据为88ppm，本模块所测数据为91ppm。经过参数校准后的TDS模块测试得到的数据精度在±10ppm之内

3.2 视频演示效果

零知标准板处理TDS水质模块数据显示到ST7789与TDS-3水质检测笔的数值进行对比

3.3 串口监视器数据

打开零知IDE的串口调试功能观察不同溶液的ppm数值变化

3.4 性能优化

3.5 系统界面展示

        >顶部：标题区域
        >中部：当前TDS数值（120ppm）
        >右侧：体温计式仪表（绿色填充表示安全水质）

四、TDS校准代码数学原理

将获取到的数值转化为求解超定方程组（方程组中的系数根据标准溶液测量得到的电压值替换）：

a*(0.10)^3 + b*(0.10)^2 + c*(0.10) = 0
a*(1.72)^3 + b*(1.72)^2 + c*(1.72) = 88
a*(2.89)^3 + b*(2.89)^2 + c*(2.89) = 160

最小二乘法通过最小化残差平方和：

得到最优系数 [a, b, c]，分别带入零知IDE代码中的CALIB_A、CALIB_B、CALIB_C校准参数

五、常见问题解答

Q1:为什么需要三个校准点？

A：TDS传感器具有非线性特性

        单点校准只能校正偏移，两点校准只能校正线性误差。三点校准可以更好地拟合非线性特性，提高全量程精度。

Q2：为什么需要温度补偿？

A：影响测量结果

        水中的离子活性随温度升高而增强，导致电导率增加。TDS传感器通过电导率推算TDS值

Q3：为什么空气中显示非零值？

A：这是TDS传感器的正常现象，由以下原因造成：

        探头表面微量电解质残留
        环境湿度影响（>60%时显著）
        电路基准电压微小波动

Q4：如何提高测量精度？

A：精度提升技巧

        使用标准溶液校准时保持25℃恒温
        校准前用蒸馏水彻底清洗探头
        减少电磁干扰（远离手机、电机等设备）
        增加硬件滤波电容（0.1μF并联在信号线）

六、结论

本方案通过零知IDE-Python协同工作，实现了高精度TDS测量系统：

        精度提升：三点校准将平均误差从75ppm降至4.5ppm
        非线性补偿：三阶多项式模型有效拟合传感器非线性特性
        操作简便：图形化校准工具简化用户操作
        成本效益：无需额外硬件实现高精度校准

项目资源：

三点校准数学原理：三点校准知识点

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