PH传感器演示 — STM32F103C8T6

01传感器原理与功能

PH传感器基于玻璃电极法，通过测量溶液中氢离子浓度对应的电压信号，实现PH值的精确检测。

1.1 工作原理

玻璃电极法检测原理

PH传感器内部包含一个对氢离子（H⁺）敏感的玻璃电极和一个参比电极。当玻璃电极浸入待测溶液时，玻璃膜两侧会因氢离子浓度差产生一个电位差。该电位差遵循能斯特方程（Nernst Equation）：E = E₀ - (2.303RT/nF) × pH。在25°C条件下，每变化1个PH单位，电极输出电压变化约59.16mV。传感器模块内置信号调理电路，将微弱的电极信号放大并转换为0~3.3V的模拟电压输出（AO），供STM32的ADC采集。

电压与PH值的映射关系

该模块输出的模拟电压与PH值呈线性反比关系：电压越高，PH值越低（偏酸性）；电压越低，PH值越高（偏碱性）。本程序中通过标定得到的线性公式为：PH = -5.8887 × V + 21.677，其中V为ADC采集并换算后的实际电压值（单位：V）。

1.2 核心功能

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PH值检测

通过玻璃电极实时测量溶液的氢离子浓度，输出对应的模拟电压信号，支持PH 0~14全量程检测。

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模拟电压输出

AO引脚输出0~3.3V线性模拟电压，直接连接STM32的ADC通道进行采集，无需复杂通信协议。

📊

实时监测

配合STM32定时采集（200ms周期），可在OLED屏幕上实时显示当前PH值，适用于水质连续监测场景。

⚙️

宽量程适配

采用5V供电，内置信号调理电路，适用于酸碱溶液、水质检测、实验室分析等多种应用场景。

1.3 引脚定义

引脚号	引脚名称	功能说明	STM32连接
1	VCC	电源正极（5V）	5V
2	GND	电源地	GND
3	AO	模拟电压输出（0~3.3V）	PA0（ADC1_IN0）

04程序分析

基于STM32 HAL库开发，使用ADC1通道0采集PH传感器模拟电压，经线性换算得到PH值并在OLED上显示。

4.1 系统时钟配置

时钟树配置说明

系统使用外部高速晶振（HSE）8MHz作为时钟源，通过PLL倍频9倍得到72MHz系统时钟（SYSCLK）。AHB总线不分频（72MHz），APB1总线2分频（36MHz），APB2总线不分频（72MHz）。ADC时钟由APB2再8分频得到9MHz，满足ADC最高14MHz的限制。

main.c — SystemClock_Config()

void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
  RCC_PeriphCLKInitTypeDef PeriphClkInit = {0};

  /* HSE 8MHz外部晶振, PLL倍频9倍 = 72MHz */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
  HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct);

  /* SYSCLK=72MHz, AHB=72MHz, APB1=36MHz, APB2=72MHz */
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
  HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2);

  /* ADC时钟 = APB2(72MHz) / 8 = 9MHz */
  PeriphClkInit.AdcClockSelection = RCC_ADCPCLK2_DIV8;
  HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&PeriphClkInit);
}

4.2 ADC初始化

ADC1通道0配置说明

使用ADC1通道0（PA0引脚）采集PH传感器AO输出的模拟电压。配置为12位分辨率（0~4095）、右对齐、软件触发、单次转换模式。采样时间设为239.5个ADC时钟周期（约26.6μs），确保高阻抗信号源的采样精度。PA0引脚配置为模拟模式（GPIO_MODE_ANALOG），避免数字电路干扰。

adc.c — MX_ADC1_Init()

ADC_HandleTypeDef hadc1;

void MX_ADC1_Init(void)
{
  ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};

  hadc1.Instance = ADC1;
  hadc1.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE;          // 禁用扫描模式
  hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;              // 单次转换
  hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;     // 软件触发
  hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;         // 右对齐(12位)
  hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;                     // 1个转换通道
  HAL_ADC_Init(&hadc1);

  sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0;                       // 通道0 (PA0)
  sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;                   // 规则组第1
  sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_239CYCLES_5;       // 239.5周期采样
  HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
}

/* PA0 引脚配置为模拟模式 */
void HAL_ADC_MspInit(ADC_HandleTypeDef* adcHandle)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  if(adcHandle->Instance == ADC1)
  {
    __HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    /* PA0-WKUP -----> ADC1_IN0 */
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
  }
}

4.3 GPIO初始化

GPIO时钟使能说明

在MX_GPIO_Init中使能GPIOD和GPIOA时钟。PA0的模拟模式配置在ADC的MspInit回调中完成。OLED使用的PB14（SDA）和PB15（SCL）引脚在OLED_Init函数内部通过软件I2C方式配置。

gpio.c — MX_GPIO_Init()

void MX_GPIO_Init(void)
{
  __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
}

4.4 OLED显示配置

OLED软件I2C配置说明

采用0.96寸OLED显示屏（128×64），通过软件模拟I2C通信。SCL连接PB15，SDA连接PB14。使用OLED_CenterPrintf函数在Y=24位置居中显示PH值，显示格式为"PH:%.1f"（保留1位小数）。每次更新前调用OLED_Clear清屏，更新后调用OLED_Update刷新显存到屏幕。

OLED.h — 引脚定义

#define SCL_Port   GPIOB
#define SCL_Pin    GPIO_PIN_15
#define SDA_Port   GPIOB
#define SDA_Pin    GPIO_PIN_14

/* OLED核心函数 */
void OLED_Init(void);                        // 初始化
void OLED_Clear(void);                       // 清屏
void OLED_CenterPrintf(int16_t Y, char *format, ...);  // 居中打印
void OLED_Update(void);                      // 更新显示

4.5 主循环逻辑

主循环数据处理流程

主函数首先完成HAL初始化、时钟配置、GPIO/ADC外设初始化，然后执行ADC自校准（HAL_ADCEx_Calibration_Start）和OLED初始化。进入while(1)主循环后，通过HAL_GetTick()实现200ms定时：启动ADC转换 → 等待转换完成 → 读取12位ADC原始值 → 换算为电压 → 线性公式计算PH值 → 限幅处理 → OLED显示。最后更新时间戳，等待下一个采集周期。

main.c — main() 主程序

uint32_t Time_Now;
float PH;

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_ADC1_Init();

  HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1);     // ADC自校准
  OLED_Init();                              // OLED初始化

  while (1)
  {
    if(HAL_GetTick() - Time_Now >= 200)          // 200ms更新一次
    {
      // 单通道数据获取
      HAL_ADC_Start(&hadc1);
      if(HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 999) == HAL_OK)
        PH = (HAL_ADC_GetValue(&hadc1)/4095.0)*3.3;
      HAL_ADC_Stop(&hadc1);

      PH = -5.8887*PH+21.677;            // 计算PH值

      // 限幅
      if(PH > 14.0) PH = 14.0;
      if(PH < 0.0) PH = 0.0;

      OLED_Clear();                               // 清屏
      OLED_CenterPrintf(24, "PH:%.1f", PH);
      OLED_Update();                              // 更新显示

      Time_Now = HAL_GetTick();               // 更新时间戳
    }
  }
}

数据计算公式解析

电压 V = (ADC原始值 / 4095.0) × 3.3

ADC为12位分辨率，满量程4095对应3.3V参考电压

PH = -5.8887 × V + 21.677

线性标定公式：电压越高PH越低（酸性），电压越低PH越高（碱性）

PH = clamp(PH, 0.0, 14.0)

限幅处理：确保PH值在有效范围0~14之内

电压-PH值对照表

ADC原始值	电压 (V)	PH值	溶液状态
4095	3.300	2.24	强酸性
3072	2.475	7.10	中性
2048	1.650	11.95	碱性
1024	0.825	14.00 (限幅)	强碱性
0	0.000	14.00 (限幅)	强碱性

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