基于地奇星 RA6E2 的水族环境监测与可视化系统设计

一、项目简介

      本项目基于 立创·地奇星 RA6E2 开发板进行开发，系统集成了 温度传感器 NST461 与 绝对压力传感器 NSPAD1N，用于实时采集环境温度、水体温度及大气压强数据，并依据相关国家标准与物理公式，对水体溶解氧含量进行理论计算，最终通过圆形液晶屏进行直观显示。

      该项目可为养鱼新手，提供温度、气压和水氧的参考，功能逻辑如下：

1. 水体温度测量：利用外接三极管（SS8050）构建远端温度探头，并进行防水封装，实现水体温度的稳定测量；

2. 溶解氧理论计算：基于环境温度、水体温度及大气压强，参考《中华人民共和国国家环境保护标准》及《中华人民共和国国家标准——水质 溶解氧的测定》，对水体溶解氧含量进行理论计算；

3. 直观数据可视化：通过圆形屏幕以数字、分区背景及进度条形式展示各项数据，提高可读性与直观性。

二、主要元件介绍

1 温度传感器 NST461-DQNR

      NST461-DQNR 是一款高精度、低功耗数字温度传感器，基于 CMOS 工艺下晶体管 PN 结的温度特性进行测量，温度分辨率可达 0.0625 °C。
      除本地温度测量外，该器件支持通过外部低成本三极管或二极管实现远程温度测量，非常适合用于水体或空间隔离区域的温度检测。

2 绝对压力传感器 NSPAD1N200DR04

      NSPAD1N200DR04 是一款经过精确校准的绝对压力传感器，内部集成汽车级专用 ASIC，对 MEMS 压力敏感单元进行温度补偿与非线性校正。
      该器件可将 10 kPa 至 400 kPa 范围内的压力信号转换为标准 I²C / SPI 数字信号，适用于环境气压测量等应用场景。

3 地奇星 RA6E2 开发板

      地奇星 RA6E2 开发板基于 ARM Cortex-M33 内核，主频最高可达 200 MHz，具备较强的数据处理能力。
      开发板集成并支持多种常用外设接口，包括 I3C、CAN FD、SPI、USB、I²C 等，能够灵活满足多传感器采集与显示控制的需求。

4 GC9A01 圆形液晶屏

      系统采用 240 × 240 分辨率的 GC9A01 圆形 LCD，用于显示环境温度、水体温度、大气压强及水体溶解氧等信息。
      圆形屏幕在仪表化显示方面具有良好的视觉效果，适合数据分区展示。

三、系统方案与功能框图

      根据各器件的数据手册与接口特性，系统整体方案如下：

1. 通过 I²C 总线采集温度传感器与气压传感器的数据；

2. 单片机对采集到的数据进行处理与溶解氧理论计算；

3. 通过 SPI 接口将显示数据发送至 GC9A01 圆形屏幕进行显示。

四、原理图设计

1. 使用 立创 EDA 专业版完成系统原理图设计，并严格依据地奇星 RA6E2 开发板手册连接 I²C 与 SPI 对应引脚；

2. 在 I²C 总线中加入合适阻值的 上拉电阻，以保证通信的可靠性。

五、PCB 制作与焊接

1. 使用立创 EDA 专业版完成 PCB 设计，采用 双层板结构；在传感器周边进行适当挖空处理，减少其他器件对环境测量的影响；

2. 传感器采用 QFN 封装，焊接时建议使用热风枪或加热台；

3. 地奇星 RA6E2 开发板通过排针与 PCB 连接，侧边引出接口用于连接外部三极管温度探头。

六、外壳结构设计

1. 同样使用立创 EDA 专业版进行 3D 外壳建模；

2. 在屏幕周边设计适当凸起结构，以降低内部热量对环境温度测量的影响；

3. 在传感器上方预留通孔，以提升对外界环境变化的响应速度；

4. 外壳通过 4 颗 M3×6 螺丝进行固定。

七、程序设计与关键代码

7.1 软件整体设计思路

      本项目使用 e² studio 创建工程，并基于 FSP（Flexible Software Package） 完成单片机引脚、I²C、SPI 及定时资源的配置。
      系统采用轮询方式完成传感器数据采集与显示更新，结构清晰、易于维护。

      系统界面以圆形屏幕为基础，通过分区背景、数值显示与进度条形式，分别展示本地温度、远端水体温度、大气压强及水体溶解氧量。

7.2 溶解氧计算算法设计

      在溶解氧计算部分，系统以 远端水体温度 和 当前大气压强 作为输入参数，依据标准大气压条件下不同温度对应的氧溶解度数据，并结合修正项，对非标准气压条件下的水体溶解氧含量进行理论计算。

/* 溶解氧计算函数
 * 输入参数：
 *   t - 水体温度（℃）
 *   p - 当前大气压强（kPa）
 * 返回值：
 *   水体溶解氧浓度（mg/L）
 */
float oxygen_calculation(float t, float p)
{
    /* 标准大气压 101.325 kPa 下的氧溶解度（0–40 ℃） */
    const float Rou_O2[41] = {
        14.62,
        14.22, 13.83, 13.46, 13.11, 12.77, 12.45, 12.14, 11.84, 11.56,
        11.29, 11.03, 10.78, 10.54, 10.31, 10.08, 9.87, 9.66, 9.47,
        9.28, 9.09, 8.91, 8.73, 8.56, 8.42, 8.26, 8.11, 7.97, 7.83,
        7.69, 7.56, 7.43, 7.30, 7.18, 7.07, 6.95, 6.84, 6.73, 6.63,
        6.53, 6.43
    };

    /* 饱和水蒸气压（0–40 ℃） */
    const float p_w[41] = {
        0.61,
        0.66, 0.71, 0.76, 0.81, 0.87, 0.93, 1.00, 1.07, 1.15,
        1.23, 1.31, 1.40, 1.49, 1.60, 1.71, 1.81, 1.93, 2.07,
        2.20, 2.81, 2.99, 3.17, 3.36, 3.56, 3.77, 4.00, 4.24,
        4.49, 4.76, 5.02, 5.32, 5.62, 5.94, 6.28, 6.62, 6.98,
        2.81, 2.99, 3.17, 7.37
    };

    /* 温度边界限制 */
    if (t < 0)  t = 0;
    if (t > 39) t = 39;

    int t_floor = (int)t;
    int t_ceil  = t_floor + 1;

    /* 线性插值计算 */
    float Rou_O2_interp =
        Rou_O2[t_floor] +
        (t - t_floor) * (Rou_O2[t_ceil] - Rou_O2[t_floor]);

    float p_w_interp =
        p_w[t_floor] +
        (t - t_floor) * (p_w[t_ceil] - p_w[t_floor]);

    /* 气压修正后的溶解氧计算 */
    float Rou =
        Rou_O2_interp * (p - p_w_interp) /
        (101.325f - p_w_interp);

    return Rou;
}

7.3 系统主循环设计

      系统主循环采用周期性采集与显示更新方式，主循环代码如下：

void Run(void)
{
    Senser_Init();
    LCD_Init();

    Draw_Background();

    while (1)
    {
        nst461_get_sensor_data(&t_local, &t_remote);
        nspad1n_get_pressure(&p);
        rou = oxygen_calculation(t_remote, p);

        Show_LocalTemp(t_local);
        Show_RemoteTemp(t_remote);
        Show_Pressure(p);
        Show_Oxygen(rou);

        delay_ms(1000);
    }
}

八、实物展示