基于Arduino Uno与pH传感器制作实时酸碱度检测仪：硬件连接与校准教程

pH值这条0到14的酸碱度刻度，广泛应用于游泳池水质管理、农田灌溉、污水处理及环境监测等众多领域：数值越小代表酸性越强，数值越大代表碱性越强，7则为中性的纯水。

本项目将使用Arduino Uno主控板，搭配Gravity模拟pH传感器模块和16×2 LCD显示屏，制作一个能够实时显示溶液酸碱度的小型仪表。教程将完整展示从电极信号采集、模拟量转换、LCD显示到电极校准的全过程。

项目概览：搭建教学级Arduino pH计

• 核心功能
  • 使用 Gravity 模拟 pH 传感器 采集溶液pH值对应的模拟电压信号。
  • Arduino通过模拟引脚A0读取电压，并通过计算转换为pH值。
  • 使用 16×2 LCD显示屏（I2C接口） 实时显示测量读数。
  • 支持通过修改代码中的校准参数来修正测量精度，提升准确性。
• 项目规格
  • 搭建耗时：约 2–4 小时
  • 预估成本：30–50 美元
  • 难度等级：初级至中级
  • 学习要点：模拟传感器接口、I2C通信驱动LCD、pH传感器校准原理、Arduino编程
  • 应用场景：水质监测、水族箱管理、农业灌溉检测、污水处理监控等。

所需硬件清单

• Arduino Uno ×1
  • 作为核心控制器，负责读取传感器电压、计算pH值并驱动LCD显示。
• 16×2 字符LCD显示屏 ×1
  • 用于实时显示pH数值和状态信息。
• LCD I2C适配模块 ×1
  • 将标准的16×2 LCD转换为I2C接口，极大简化接线。
• Gravity 模拟pH传感器 ×1（包含探头与信号转换板）
  • 检测范围0–14 pH的溶液。
• 面包板 ×1、杜邦线若干
  • 用于快速搭建和连接整个电路原型。

pH传感器原理简述：从玻璃电极到电压信号

在开始动手搭建前，我们先简要了解pH测量的基本原理。

• pH值是氢离子浓度的负对数，用于量化溶液的酸性或碱性程度。
• 常见的pH标度范围为0–14，0为强酸性，14为强碱性，7为中性。

本项目使用的Gravity模拟pH传感器专为测量溶液pH值设计，常见于农业、废水处理、工业及环境监测等领域。其信号转换板的技术特性如下：

• 供电电压：3.3–5.5 V
• 接口：标准BNC探头接口
• 测量精度：±0.1（在25℃时）
• 检测范围：0–14 pH

pH电极探头本身的主要参数包括：

• 工作温度：5–60 ℃
• 零点（中性点）：7 ± 0.5 pH
• 内阻：< 250 MΩ
• 支持简易校准

这种pH传感器本质上是一种玻璃电极。其内部的电化学系统由特殊的玻璃膜、已知pH值的内部缓冲溶液、参比电极和测量电极等组成。

当电极浸入待测溶液时，溶液中的氢离子（H⁺）会在玻璃膜两侧产生一个与pH值相关的电位差（电势）。这个关系可以用能斯特方程（Nernst equation）来描述。Gravity模块的信号板已将此微小的电势信号进行放大和滤波，最终输出一个稳定的、Arduino可读取的模拟电压。

硬件连接步骤

1. 连接pH传感器板与Arduino

• Arduino 5V → pH传感器板 V+
• Arduino GND → pH传感器板 G
• Arduino A0 → pH传感器板 Po

至此，模拟电压信号的采集通路建立完成。

2. 连接LCD与Arduino

显示部分采用16×2 LCD搭配I2C模块，通过I2C总线连接到Arduino的专用引脚：

• LCD I2C模块的 SDA → Arduino SDA (A4)
• LCD I2C模块的 SCL → Arduino SCL (A5)

这种连接方式使得Arduino仅用两根线即可控制LCD显示，节省了宝贵的I/O口资源。

代码实现：采样、滤波、计算与显示

1. 引入库与定义全局变量

首先包含必要的I2C和LCD库，并初始化LCD对象。同时，定义一个用于校准的关键参数。

#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2); // 设置LCD I2C地址与尺寸

float calibration_value = 21.34; // 校准参数，需根据实际测量调整

2. setup() 函数：初始化

在setup()函数中，初始化串口通信用于调试，并启动LCD，显示欢迎界面。

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  lcd.init();
  lcd.backlight();
  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print("   pH Meter Ready ");
  delay(2000);
  lcd.clear();
}

3. loop() 函数：核心测量逻辑

主循环中实现了完整的信号处理流程，包含多次采样、中值滤波和pH值计算，其算法能有效平滑模拟输入噪声。

void loop() {
  int sensorValue[10];
  long avgValue = 0;

  // a. 采集10个样本
  for(int i=0; i<10; i++) {
    sensorValue[i] = analogRead(A0);
    delay(30);
  }

  // b. 对样本进行排序（升序）
  for(int i=0; i<9; i++) {
    for(int j=i+1; j<10; j++) {
      if(sensorValue[i] > sensorValue[j]) {
        int temp = sensorValue[i];
        sensorValue[i] = sensorValue[j];
        sensorValue[j] = temp;
      }
    }
  }

  // c. 取中间6个值求平均
  for(int i=2; i<8; i++) {
    avgValue += sensorValue[i];
  }
  float avgVoltage = (float)avgValue * 5.0 / 1024 / 6; // 转换为电压值

  // d. 计算pH值并显示（线性公式）
  float pH_Value = -5.70 * avgVoltage + calibration_value;

  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print("pH Value: ");
  lcd.setCursor(10, 0);
  lcd.print(pH_Value);

  delay(1000); // 每秒更新一次
}

代码通过线性公式 pH = -5.70 * 电压 + calibration_value 将电压值转换为pH读数，并每秒在LCD上刷新显示结果。

pH电极校准方法

由于电极个体差异和环境因素，校准是保证测量准确的关键步骤。

1. 准备标准液：准备一份pH值已知的标准缓冲溶液（如pH 7.0）。
2. 测量与读数：将彻底清洗后的pH电极浸入标准液，等待LCD读数稳定。
3. 计算偏差：记录LCD显示值（例如6.8）与标准液真实值（7.0）的差值（+0.2）。
4. 调整参数：在代码中，将 calibration_value 加上此差值（从21.34改为21.54）。
5. 验证：重新上传程序，再次测量同一标准液，观察显示值是否更接近7.0。可重复此过程直至满意。

通过精细调整calibration_value，可以有效地补偿系统误差。

项目完整开源代码可参考：CircuitDigest GitHub仓库

实测演示：纯水与柠檬水

• 测试纯水：将电极插入蒸馏水，LCD稳定显示读数约为 pH 7.0，符合中性水的特性。
  

• 测试柠檬水：更换为柠檬水溶液后，LCD显示读数约为 pH 2.3，清晰地指示出溶液的酸性。
  

实测结果表明，该装置能够有效区分中性与酸性溶液，整套硬件与软件系统工作正常。

应用场景总结

这套自制的Arduino pH计适用于多种需要快速、低成本酸碱度检测的场景，例如：

• 家庭水质或泳池水质快速检查。
• 水族箱水质管理。
• 农业灌溉用水或土壤浸出液的酸碱度评估。
• 教育领域的化学或环境科学实验教学。
• 污水处理厂或环保项目的初步水质筛查。

结合直观的LCD显示和灵活的代码校准功能，本项目不仅是学习模拟传感器接口、I2C通信和传感器校准算法的优秀实践案例，也可作为一个实用的基础测量工具。

总结

本项目详细介绍了如何使用Arduino Uno、Gravity模拟pH传感器和I2C LCD显示屏，构建一套完整的pH值测量系统。硬件连接简洁明了，软件层面通过中值滤波和线性转换算法将电极信号稳定地转换为pH读数，并提供了便捷的软件校准方法。该方案能够满足水质监测、水产养殖、农业及环保等多个领域的入门级pH测量需求，同时也为物联网硬件开发与传感器应用提供了扎实的学习范例。