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一、系统设计背景与核心目标

随着水族饲养朝着精细化、高端化发展，传统51单片机控制系统在多参数同步监测、复杂算法运行等方面逐渐显现局限。STM32系列单片机凭借高性能 Cortex-M3 内核、丰富的外设接口（如多路 ADC、SPI、I2C）及低功耗特性，能更好满足中大型水族箱多维度控制需求。本系统以STM32F103RCT6为核心，旨在实现“精准监测+智能调控+数据追溯”功能：实时把控水温（热带鱼24-26℃、冷水鱼18-22℃）、水质PH值（6.5-8.0）、溶解氧（≥5mg/L）三大关键指标，自动启动加热、增氧、换水等执行机构，同时记录环境数据并支持历史查询，为不同品类水生生物定制适宜环境，适用于家庭中型水族箱、小型水族馆展示缸等场景，降低管理复杂度的同时提升饲养成功率。

二、系统硬件系统搭建

系统硬件围绕STM32F103RCT6主控单元，按“多参数监测-智能执行-交互存储”逻辑构建五大模块。主控模块采用STM32F103RCT6芯片，搭配3.3V稳压电路与外部晶振（8MHz），保障高频指令高效处理；环境监测模块包含DS18B20温度传感器（精度±0.1℃）、高精度PH传感器（精度±0.01）、溶解氧传感器，三者分别通过单总线、I2C、ADC接口与STM32连接，同步采集水质关键数据；执行控制模块通过STM32 PWM接口连接电机驱动芯片（L298N）与继电器，驱动水泵（换水/水循环）、加热棒（水温调节）、增氧泵（溶解氧补充），继电器实现强电设备安全控制；交互存储模块配备TFTLCD触摸屏（显示实时数据与操作界面）与SD卡模块，触摸屏支持用户自定义参数阈值，SD卡自动存储每日环境数据；无线通信模块搭载ESP8266，实现STM32与手机APP的数据交互。各模块布局紧凑，通过标准化接口连接，兼容性与扩展性强。

三、系统软件逻辑开发

软件以Keil MDK-ARM为开发环境，采用C语言模块化编程，核心逻辑分为主程序与四大功能子程序。主程序初始化阶段完成STM32外设（ADC、定时器、SPI、I2C）、传感器校准、触摸屏与SD卡配置，随后进入100ms周期的循环监测；多参数监测子程序同步读取温度、PH值、溶解氧数据，通过滑动滤波算法消除干扰，若水温低于阈值启动加热棒，溶解氧不足时开启增氧泵，PH值异常则触发换水提醒（水泵运行1分钟）；定时控制子程序利用RTC实时时钟实现灯光（模拟昼夜：7:00开-21:00关）、水循环（每2小时运行30分钟）自动调度，用户可通过触摸屏修改定时参数；数据管理子程序将每日环境数据按“时间-温度-PH-溶解氧”格式存储至SD卡，支持通过APP查询近7天历史曲线；异常处理子程序在设备故障（如加热棒超时工作）时，立即切断电源并通过APP推送报警信息。软件通过状态机机制协调各模块，避免功能冲突，响应延迟控制在50ms内。

四、系统测试与性能评估

在模拟中型水族箱环境（容量150L，饲养鹦鹉鱼与水草）中，对系统进行功能与性能测试，覆盖不同工况（昼夜温差、喂食后水质变化、设备故障）。功能测试结果显示：水温控制误差±0.2℃，加热棒启停响应时间＜0.5秒；PH值检测误差±0.05，溶解氧监测精度±0.1mg/L，异常指标触发执行机构响应及时；定时功能精度±5秒，SD卡数据存储完整，APP查询延迟＜1秒；设备故障时，断电与报警触发时间＜0.3秒。性能测试持续120小时，系统连续运行无死机或数据丢失，STM32工作电流稳定在25-35mA，各执行模块温升＜10℃，触摸屏操作流畅无卡顿。测试表明，系统较基于51单片机的方案，参数控制精度提升60%，功能扩展性显著增强，硬件成本控制在300元以内。后续可增加水质TDS检测模块，进一步完善水质监测维度，提升系统智能化水平。





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