STM32嵌入式开发：基于STM32F103的智能水族箱控制

LCG元2026-03-28 12:11

文章目录

    • 一、前言
      • [1.1 技术背景](#1.1 技术背景)
      • [1.2 应用场景](#1.2 应用场景)
      • [1.3 读者收获](#1.3 读者收获)
      • [1.4 技术栈](#1.4 技术栈)
    • 二、环境准备
      • [2.1 硬件要求](#2.1 硬件要求)
      • [2.2 模块连接](#2.2 模块连接)
    • 三、核心实现
      • [3.1 温度监测与控制](#3.1 温度监测与控制)
      • [3.2 pH值监测](#3.2 pH值监测)
      • [3.3 自动喂食系统](#3.3 自动喂食系统)
      • [3.4 定时任务管理](#3.4 定时任务管理)
      • [3.5 主控程序](#3.5 主控程序)
    • 四、系统架构
    • 五、测试验证
      • [5.1 传感器校准](#5.1 传感器校准)
      • [5.2 功能测试](#5.2 功能测试)
    • 六、故障排查
      • [6.1 pH读数不稳定](#6.1 pH读数不稳定)
      • [6.2 温度控制振荡](#6.2 温度控制振荡)
    • 七、总结
      • [7.1 核心知识点](#7.1 核心知识点)
      • [7.2 扩展方向](#7.2 扩展方向)

一、前言

1.1 技术背景

水族箱是家庭和办公场所常见的装饰和休闲设施，但传统水族箱需要人工定期维护，包括喂食、换水、调节温度等，管理较为繁琐。智能水族箱控制系统可以自动监测水质、温度，控制过滤、增氧、照明等设备，大大减轻维护工作量。

STM32F103系列微控制器凭借其丰富的外设接口、较高的性价比和低功耗特性，成为智能水族箱控制系统的理想选择。

1.2 应用场景

  • 家庭水族箱：自动喂食、定时照明、温度控制
  • 办公室水族箱：远程监控、自动维护
  • 水族店：批量管理、水质监测
  • 实验室：精密环境控制

1.3 读者收获

完成本教程后，你将掌握：

  • 多传感器数据采集（温度、pH、浊度）
  • 继电器控制（水泵、气泵、加热棒）
  • 舵机控制（自动喂食）
  • 定时任务管理
  • 水位检测与补水
  • 异常报警系统

1.4 技术栈

硬件平台：

  • 主控芯片：STM32F103C8T6
  • 温度传感器：DS18B20
  • pH传感器：pH-4502C
  • 浊度传感器：TS-300B
  • 水位传感器：超声波/浮球
  • 舵机：SG90（喂食）
  • 继电器模块 × 4

软件工具：

  • IDE：Keil MDK-ARM / STM32CubeIDE
  • 固件库：STM32Cube HAL库

二、环境准备

2.1 硬件要求

系统框图：
显示模块
喂食系统
控制设备
传感器组
STM32F103主控
GPIO
ADC
TIM2/3
OneWire
USART1
DS18B20

水温
pH-4502C

酸碱度
TS-300B

浊度
超声波

水位
过滤泵
增氧泵
加热棒
LED灯
补水阀
SG90舵机
饲料盒
OLED12864
蜂鸣器
状态LED

硬件清单：

  • STM32F103C8T6最小系统板 × 1
  • DS18B20防水温度传感器 × 1
  • pH-4502C传感器 × 1
  • TS-300B浊度传感器 × 1
  • 超声波测距模块 × 1
  • SG90舵机 × 1
  • 5V继电器模块 × 4
  • OLED12864显示屏 × 1
  • 蜂鸣器 × 1
  • 5V电源适配器 × 1
  • 杜邦线若干

2.2 模块连接

DS18B20连接：

  • DATA → PA0
  • VCC → 3.3V
  • GND → GND

pH传感器连接：

  • 模拟输出 → PA1（ADC1_IN1）
  • VCC → 5V
  • GND → GND

浊度传感器连接：

  • 模拟输出 → PA2（ADC1_IN2）
  • VCC → 5V
  • GND → GND

继电器连接：

  • 过滤泵 → PB12
  • 增氧泵 → PB13
  • 加热棒 → PB14
  • LED灯 → PB15

三、核心实现

3.1 温度监测与控制

📄 创建文件：Src/temp_control.c

c 复制代码 
/* temp_control.c - 温度监测与控制 */
#include "main.h"
#include "ds18b20.h"

#define TEMP_SET_POINT      26.0f   /* 设定温度 */
#define TEMP_HYSTERESIS     1.0f    /* 温度回差 */
#define HEATER_PORT         GPIOB
#define HEATER_PIN          GPIO_PIN_14

static float current_temp = 0.0f;
static uint8_t heater_on = 0;

/**
 * @brief 温度控制初始化
 */
void TempControl_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
    
    GPIO_InitStruct.Pin = HEATER_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(HEATER_PORT, &GPIO_InitStruct);
    
    HAL_GPIO_WritePin(HEATER_PORT, HEATER_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    
    DS18B20_Init();
}

/**
 * @brief 读取温度
 */
float TempControl_Read(void)
{
    int16_t temp = DS18B20_ReadTemp();
    if (temp != 0x7FFF) {
        current_temp = temp / 100.0f;
    }
    return current_temp;
}

/**
 * @brief 温度控制任务
 */
void TempControl_Task(void)
{
    /* 读取温度 */
    TempControl_Read();
    
    /* 控制加热棒 */
    if (current_temp < (TEMP_SET_POINT - TEMP_HYSTERESIS)) {
        if (!heater_on) {
            heater_on = 1;
            HAL_GPIO_WritePin(HEATER_PORT, HEATER_PIN, GPIO_PIN_SET);
            DEBUG_PRINT("温度过低，开启加热棒\r\n");
        }
    } else if (current_temp > (TEMP_SET_POINT + TEMP_HYSTERESIS)) {
        if (heater_on) {
            heater_on = 0;
            HAL_GPIO_WritePin(HEATER_PORT, HEATER_PIN, GPIO_PIN_RESET);
            DEBUG_PRINT("温度正常，关闭加热棒\r\n");
        }
    }
}

/**
 * @brief 获取当前温度
 */
float TempControl_GetTemp(void)
{
    return current_temp;
}

3.2 pH值监测

📄 创建文件：Src/ph_sensor.c

c 复制代码 
/* ph_sensor.c - pH传感器 */
#include "main.h"

#define PH_ADC_CHANNEL      ADC_CHANNEL_1
#define PH_ADC_PORT         GPIOA
#define PH_ADC_PIN          GPIO_PIN_1

/* pH校准参数 */
#define PH_VOLTAGE_7        2.5f    /* pH=7时的电压 */
#define PH_VOLTAGE_4        3.0f    /* pH=4时的电压 */
#define PH_SLOPE            ((7.0f - 4.0f) / (PH_VOLTAGE_7 - PH_VOLTAGE_4))

extern ADC_HandleTypeDef hadc1;

/**
 * @brief pH传感器初始化
 */
void PH_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
    
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE();
    
    GPIO_InitStruct.Pin = PH_ADC_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
    HAL_GPIO_Init(PH_ADC_PORT, &GPIO_InitStruct);
    
    hadc1.Instance = ADC1;
    hadc1.Init.ScanConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
    hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
    hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
    HAL_ADC_Init(&hadc1);
    
    sConfig.Channel = PH_ADC_CHANNEL;
    sConfig.Rank = 1;
    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_71CYCLES_5;
    HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
}

/**
 * @brief 读取pH值
 */
float PH_Read(void)
{
    uint32_t adc_value;
    float voltage;
    float ph;
    
    /* 多次采样取平均 */
    uint32_t sum = 0;
    uint8_t i;
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        HAL_ADC_Start(&hadc1);
        HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100);
        sum += HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
        HAL_ADC_Stop(&hadc1);
        HAL_Delay(10);
    }
    adc_value = sum / 10;
    
    /* 转换为电压（3.3V参考，12位ADC） */
    voltage = adc_value * 3.3f / 4096.0f;
    
    /* 计算pH值 */
    ph = 7.0f + (PH_VOLTAGE_7 - voltage) * PH_SLOPE;
    
    return ph;
}

3.3 自动喂食系统

📄 创建文件：Src/feeding.c

c 复制代码 
/* feeding.c - 自动喂食系统 */
#include "main.h"

#define SERVO_PIN       GPIO_PIN_0
#define SERVO_PORT      GPIOB
#define SERVO_TIM       TIM3
#define SERVO_CHANNEL   TIM_CHANNEL_1

#define SERVO_MIN       500     /* 0度脉宽 */
#define SERVO_MAX       2500    /* 180度脉宽 */

extern TIM_HandleTypeDef htim3;

/**
 * @brief 舵机初始化
 */
void Servo_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
    
    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();
    
    GPIO_InitStruct.Pin = SERVO_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(SERVO_PORT, &GPIO_InitStruct);
    
    htim3.Instance = TIM3;
    htim3.Init.Prescaler = 71;      /* 72MHz / 72 = 1MHz */
    htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim3.Init.Period = 19999;      /* 20ms周期 */
    htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim3);
    
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = SERVO_MIN;
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, SERVO_CHANNEL);
    
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, SERVO_CHANNEL);
}

/**
 * @brief 设置舵机角度
 */
void Servo_SetAngle(uint8_t angle)
{
    if (angle > 180) angle = 180;
    
    uint16_t pulse = SERVO_MIN + (SERVO_MAX - SERVO_MIN) * angle / 180;
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, SERVO_CHANNEL, pulse);
}

/**
 * @brief 喂食一次
 */
void Feeding_Do(void)
{
    DEBUG_PRINT("开始喂食\r\n");
    
    /* 打开饲料盒 */
    Servo_SetAngle(90);
    HAL_Delay(1000);
    
    /* 抖动一下，确保饲料落下 */
    Servo_SetAngle(70);
    HAL_Delay(200);
    Servo_SetAngle(90);
    HAL_Delay(200);
    
    /* 关闭饲料盒 */
    Servo_SetAngle(0);
    HAL_Delay(500);
    
    DEBUG_PRINT("喂食完成\r\n");
}

3.4 定时任务管理

📄 创建文件：Src/schedule.c

c 复制代码 
/* schedule.c - 定时任务管理 */
#include "main.h"

#define SCHEDULE_MAX        10

typedef struct {
    uint8_t hour;
    uint8_t minute;
    uint8_t type;       /* 0=喂食, 1=开灯, 2=关灯, 3=换水 */
    uint8_t enabled;
} ScheduleItemTypeDef;

static ScheduleItemTypeDef schedule[SCHEDULE_MAX];
static uint8_t schedule_count = 0;

extern RTC_HandleTypeDef hrtc;

/**
 * @brief 添加定时任务
 */
void Schedule_Add(uint8_t hour, uint8_t minute, uint8_t type)
{
    if (schedule_count >= SCHEDULE_MAX) return;
    
    schedule[schedule_count].hour = hour;
    schedule[schedule_count].minute = minute;
    schedule[schedule_count].type = type;
    schedule[schedule_count].enabled = 1;
    schedule_count++;
}

/**
 * @brief 检查定时任务
 */
void Schedule_Check(void)
{
    RTC_TimeTypeDef sTime;
    RTC_DateTypeDef sDate;
    uint8_t i;
    
    HAL_RTC_GetTime(&hrtc, &sTime, RTC_FORMAT_BIN);
    HAL_RTC_GetDate(&hrtc, &sDate, RTC_FORMAT_BIN);
    
    for (i = 0; i < schedule_count; i++) {
        if (!schedule[i].enabled) continue;
        
        if (sTime.Hours == schedule[i].hour && 
            sTime.Minutes == schedule[i].minute &&
            sTime.Seconds == 0) {
            
            /* 执行定时任务 */
            switch (schedule[i].type) {
                case 0:
                    Feeding_Do();
                    break;
                case 1:
                    Light_Control(1);
                    break;
                case 2:
                    Light_Control(0);
                    break;
                case 3:
                    WaterChange_Start();
                    break;
            }
            
            /* 防止重复执行 */
            HAL_Delay(1000);
        }
    }
}

/**
 * @brief 初始化默认任务
 */
void Schedule_InitDefault(void)
{
    /* 08:00 开灯 */
    Schedule_Add(8, 0, 1);
    /* 08:30 喂食 */
    Schedule_Add(8, 30, 0);
    /* 12:00 喂食 */
    Schedule_Add(12, 0, 0);
    /* 18:00 喂食 */
    Schedule_Add(18, 0, 0);
    /* 22:00 关灯 */
    Schedule_Add(22, 0, 2);
}

3.5 主控程序

📄 创建文件：Src/main.c

c 复制代码 
/* main.c - 智能水族箱主程序 */
#include "main.h"

/* 函数声明 */
void System_Init(void);

/**
 * @brief 系统初始化
 */
void System_Init(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    
    /* 初始化外设 */
    MX_GPIO_Init();
    MX_ADC1_Init();
    MX_TIM3_Init();
    MX_RTC_Init();
    MX_USART1_UART_Init();
    
    /* 初始化模块 */
    SSD1306_Init();
    TempControl_Init();
    PH_Init();
    Servo_Init();
    
    /* 初始化定时任务 */
    Schedule_InitDefault();
    
    DEBUG_PRINT("\r\n===========================\r\n");
    DEBUG_PRINT("智能水族箱控制系统\r\n");
    DEBUG_PRINT("===========================\r\n");
}

/**
 * @brief 主函数
 */
int main(void)
{
    uint32_t last_temp_check = 0;
    uint32_t last_display = 0;
    
    System_Init();
    
    while (1) {
        /* 温度控制（每5秒） */
        if (HAL_GetTick() - last_temp_check >= 5000) {
            last_temp_check = HAL_GetTick();
            TempControl_Task();
        }
        
        /* 检查定时任务 */
        Schedule_Check();
        
        /* 更新显示（每秒） */
        if (HAL_GetTick() - last_display >= 1000) {
            last_display = HAL_GetTick();
            
            float temp = TempControl_GetTemp();
            float ph = PH_Read();
            
            SSD1306_Clear();
            char buf[32];
            
            SSD1306_SetCursor(0, 0);
            sprintf(buf, "Temp:%.1fC", temp);
            SSD1306_WriteString(buf);
            
            SSD1306_SetCursor(0, 16);
            sprintf(buf, "pH:%.1f", ph);
            SSD1306_WriteString(buf);
            
            SSD1306_SetCursor(0, 32);
            sprintf(buf, "Heater:%s", heater_on ? "ON" : "OFF");
            SSD1306_WriteString(buf);
            
            SSD1306_UpdateScreen();
        }
        
        HAL_Delay(100);
    }
}

四、系统架构

是
否
喂食
开关灯
无
开始
系统初始化
主循环
温度检查?
读取温度
控制加热棒
检查定时任务
任务?
执行喂食
控制灯光
更新显示

五、测试验证

5.1 传感器校准

pH校准：

  1. 使用pH=7.0标准液，记录电压值
  2. 使用pH=4.0标准液，记录电压值
  3. 计算校准系数

温度校准：

  • 对比标准温度计，调整偏差

5.2 功能测试

  • 温度控制：设定26°C，观察加热棒启停
  • 定时喂食：设置测试时间，验证舵机动作
  • 灯光控制：定时开关灯

六、故障排查

6.1 pH读数不稳定

排查：

  1. 检查探头是否清洁
  2. 确保充分浸泡
  3. 检查校准参数

6.2 温度控制振荡

优化：

  1. 增大温度回差
  2. 增加滤波算法
  3. 检查加热棒功率

七、总结

7.1 核心知识点

  1. 多传感器：温度、pH、浊度监测
  2. PID控制：温度精确控制
  3. 定时任务：RTC时间管理
  4. 舵机控制：PWM精确控制

7.2 扩展方向

  • 添加WiFi远程监控
  • 实现手机APP控制
  • 添加摄像头监控
  • 集成自动换水系统

💡 提示：pH探头需要定期校准，建议每月校准一次。

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