pH 传感器模组 — 水质监测节点技术文档

1. 概述

本模组用于水质监测节点的 pH 值测量，由 pH 复合电极探头 + 信号调理板 组成。探头输出微弱毫伏级信号，经调理板放大后送入 ESP32-S3 的 12-bit ADC 采集，通过 三点标定 后在固件中线性拟合出最终 pH 值。

典型应用

• 河流 / 湖泊水质监测
• 水产养殖水体酸碱度控制
• 工业 / 市政污水处理
• 实验室 pH 数据采集

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2. 引脚定义

引脚名	类型	说明
VCC	电源	3.3V 或 5V 供电
GND	电源	共地
OUT	模拟输出	0～VCC 电压，正比于 pH 探头信号

在 ESP32 端，OUT 接任意 ADC GPIO，本文档使用 GPIO4 (PH_ADC_PIN)。

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3. 电气特性

参数	典型值	备注
测量范围	0.00 ～ 14.00 pH	—
输出电压	0 ～ VCC	已放大，可直接进 ADC
ADC 分辨率	12-bit (4096 级)	ESP32 analogReadMilliVolts()
衰减档位	ADC_11db	满量程 ≈ 3.3V
每点采样数	20 次均值	read_ph_voltage()
采集稳定时间	≤ 30 秒	缓冲液中充分浸泡后读数稳定
温度补偿	建议外接 DS18B20	当前线性拟合未做温度补偿，依赖标定温度与测量温度一致

标定点参考电压（示例，每块板不同）

pH 缓冲液	Master (V)	Slave (V)
4.00	—	—
6.86	1.3699	2.5609
9.18	1.1168	2.1612

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4. 典型应用电路

    pH 探头
   ┌──────┐
   │  BNC │──── 信号调理板 ──── OUT ──── GPIO4 (ADC)
   └──────┘                     │
                               VCC ──── 3.3V
                               GND ──── GND

• 调理板已将探头高阻抗信号转换为低阻抗电压输出，可直接接入单片机 ADC。
• 调理板供电与 MCU 共用 3.3V 以减少参考电压误差。

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5. 标定流程

使用配套 ph_calib 三点标定工具（Python Qt）：

1. 烧录标定固件：

   pio run -d firmware/node -e calib -t upload
   

   固件将持续以 [PH_CAL] v=X.XXXX 格式输出实时电压（约 5Hz）。

2. 连接串口：运行 ph_calib 工具，选择对应 COM 口，点击连接。

3. 三点采集：

   • 将探头依次浸泡到 pH=4.00、6.86、9.18 缓冲液中。
   • 每次浸泡后等待电压稳定（约 30s），点击对应点的"采集"按钮。

4. 拟合：点击"最小二乘拟合"，工具输出 k、b、R² 以及可直接粘贴的 PH_V686 / PH_V918 常量。

5. 更新固件：将生成的常量粘贴到 platformio.ini 对应 env 的 build_flags 中，重新编译烧录。

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6. 固件关键函数

6.1 pH 电压读取

static float read_ph_voltage() {
  const int N = 20;
  uint32_t sum_mv = 0;
  for (int i = 0; i < N; ++i) {
    sum_mv += analogReadMilliVolts(PH_ADC_PIN);
    delay(2);
  }
  return (sum_mv / (float)N) / 1000.0f;  // 返回 V
}

6.2 电压转 pH

static float voltage_to_ph(float v) {
  constexpr float k = (6.86f - 9.18f) / (PH_V686 - PH_V918);
  return 6.86f + k * (v - PH_V686);
}

其中 PH_V686 和 PH_V918 由标定工具生成，等价于线性关系 pH = k·V + b。

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7. 使用注意事项

• ⚠️ 每块调理板 + 每根探头组合都必须单独标定，不可复用其他板的参数。
• ⚠️ pH 探头需保持湿润存储，干燥会导致响应漂移甚至永久损坏。
• ⚠️ 标定时三种缓冲液温度应尽量一致，否则线性度会下降。
• ⚠️ 若测量精度要求高（±0.05 pH），建议增加温度补偿算法（当前固件为简化线性模型）。
• ⚠️ ADC 参考电压波动会影响读数；建议调理板与 MCU 用同一路 LDO 供电。
• ⚠️ 标定工具采集时取最近 30 个电压样本的均值以减少噪声，若数据抖动较大可适当增大 SAMPLE_WINDOW。
• ⚠️ 探头寿命通常为 6～12 个月（取决于使用频率和水质），建议定期重新标定。