高精度 Arduino pH 计 – Atlas Scientific 传感器构建指南

项目简介

本项目使用 Atlas Scientific Gravity™ 模拟 pH 传感器套件（含 pH 电极、信号调理板）与 Arduino UNO 构建台式 pH 计，读数通过 20×4 I2C LCD 显示，并支持串口监视器校准。适用于水质监测、水培、水族箱、教学实验等场景。

核心特性

• 工业级 pH 电极：消费级探头，响应快、寿命长、BNC 接口标准化
• Gravity 模拟输出板：板载运放、温度补偿电路，输出 0-5V 信号直连 Arduino ADC
• 多点校准：支持 1/2/3 点校准 (pH 4.00/7.00/10.00)，参数存储于 Arduino EEPROM 断电不丢失
• 串口交互校准：实时观察读数稳定过程，发送指令完成校准
• 外壳集成：定制亚克力底板 + ABS 外壳，整洁美观

硬件清单

工具清单

电钻/钻头、干墙切割头、手锉、螺丝刀、台虎钳、带锯、热熔胶枪、电烙铁、数显卡尺、直尺、护目镜、手套、防尘口罩。

机箱加工与组装

步骤 1：外壳开孔

• 盖板开 LCD 窗：居中标记 98×40mm 矩形 → 3.2mm 定位钻孔 → 干墙切割头沿内侧切割 → 手锉修整
• 底盒侧面开孔：BNC 连接器圆孔 + Arduino USB/电源插座矩形孔，同法加工

步骤 2：底板安装电子模块

1. 亚克力板钻 4 个 2.38mm 通孔，一面沉头 (4.4mm 深 3mm) 用于铜柱螺丝平整锁紧
2. 安装 4 根 11mm 铜柱（2 根固定 pH 板，2 根固定 Arduino）
3. 依次锁装：pH 传感器板 → Arduino UNO → 迷你面包板
4. 底板放入底盒，螺丝或热熔胶固定

步骤 3：LCD 安装

焊接 LCD 排针 → 插入盖板开窗 → 热熔胶固定边缘，避免遮挡显示区。

电路接线

原理图连接表

软件准备

1. 安装 LiquidCrystal 库（IDE 自带，搜索 "LiquidCrystal Built-in" 确认已安装）
2. 安装 Atlas Gravity pH 库：下载 Atlas_gravity.zip → IDE → 草图 → 包含库 → 添加 .ZIP 库
3. 复制项目代码至 IDE，编译上传

代码核心逻辑

#include "ph_grav.h"      // Atlas pH 传感器库
#include  // LCD 库

Gravity_pH pH = A0;                    // 绑定 A0 引脚
LiquidCrystal pH_lcd(2,3,4,5,6,7);     // RS, E, D4-D7 (非 I2C 接线时)
String inputstring = "";
boolean input_string_complete = false;
char inputstring_array[10];

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pH_lcd.begin(20,4);
  pH_lcd.print("--------------------");
  pH_lcd.setCursor(5,1); pH_lcd.print("pH Reading");
  if (pH.begin()) Serial.println("Loaded EEPROM");
  Serial.println("Use CAL,4 / CAL,7 / CAL,10 to calibrate");
  Serial.println("Use CAL,CLEAR to clear calibration");
}

void serialEvent() {
  inputstring = Serial.readStringUntil('\r');
  input_string_complete = true;
}

void loop() {
  if (input_string_complete) {
    inputstring.toCharArray(inputstring_array, 30);
    parse_cmd(inputstring_array);
    input_string_complete = false;
    inputstring = "";
  }
  Serial.println(pH.read_ph());
  pH_lcd.setCursor(8,2);
  pH_lcd.print(pH.read_ph());
  delay(1000);
}

void parse_cmd(char* str) {
  strupr(str);
  if (strcmp(str, "CAL,4") == 0)    { pH.cal_low();  Serial.println("LOW CALIBRATED"); }
  else if (strcmp(str, "CAL,7") == 0) { pH.cal_mid();  Serial.println("MID CALIBRATED"); }
  else if (strcmp(str, "CAL,10") == 0) { pH.cal_high(); Serial.println("HIGH CALIBRATED"); }
  else if (strcmp(str, "CAL,CLEAR") == 0) { pH.cal_clear(); Serial.println("CALIBRATION CLEARED"); }
}

校准操作指南

准备：标准缓冲液 pH 4.00、7.00、10.00；若使用外部供电，校准前接通电源以建立正确基准。

1. 取下浸泡瓶，用纯水冲洗电极
2. 倒入 pH 4.00 缓冲液，浸没感应球泡，轻搅排气
3. 观察串口监视器读数稳定（微小波动正常）
4. 发送指令 cal,4 完成低点校准
5. 重复上述步骤分别用 pH 7.00 发送 cal,7、pH 10.00 发送 cal,10
6. 每次切换缓冲液务必冲洗电极
7. 清除校准：发送 cal,clear

温度补偿说明

本传感器精度 ±0.2%，在 7-46°C 范围内满足精度要求。超出此范围需外接温度传感器（如 DS18B20）实现软件温度补偿。电极本身耐受 1-60°C。

常见问题

扩展建议

• 增加 DS18B20 实现全温域自动温补
• 接入 WiFi/LoRa 实现远程监测与数据记录
• 数据记录至 microSD 卡，生成 pH 趋势曲线
• 设计防水外壳 (IP67) 用于户外/水下长期部署

资源链接

• Atlas Scientific 官方文档：atlas-scientific.com
• Gravity pH 传感器数据手册
• 项目完整代码与原理图：见 Code 与 Schematics 部分