Продвинутый дождемер ковшового типа с интеграцией Arduino

Компоненты и материалы

Arduino Nano R3	×	1 шт.
Tiny RTC I2C DS1307 (модуль реального времени)	×	1 шт.
SD Card Module (LC Studios)	×	1 шт.
Блок питания 7-12 ВDC (или сетевой адаптер)	×	1 шт.
Adafruit Standard LCD 16×2 (белый на синем)	×	1 шт.
Сдвиговый регистр Texas Instruments SN74HC595N (Serial to Parallel)	×	1 шт.
Резистор 1 кОм	×	2 шт.
Резистор 330 Ом	×	2 шт.
Конденсатор 100 нФ	×	1 шт.
Однооборотный потенциометр 10 кОм	×	1 шт.
PCB-кнопка (мгновенного контакта)	×	1 шт.
Рид-выключатель SPST-NO	×	1 шт.
Магнит (7 мм OD × 7 мм длина)	×	1 шт.
Односторонняя макетная плата 5×10 см	×	1 шт.

Необходимые инструменты и оборудование

3D-принтер (любой)
Паяльник

О проекте

Это дождемер ковшового типа, как используют профессиональные метеорологи. Принцип: воронка собирает дождевую воду на ковш, похожий на качели — у каждого конца ковш на ~2 мл. Когда один наполняется, ковш перекачивается, вода собирается в противоположном. Каждое перекачивание замыкает рид-контакт, посылая сигнал на аппаратное прерывание Arduino. Контроллер считает «перекачивания» и переводит их в количество осадков (мм), исходя из объёма ковша и площади приёмной поверхности (16,605 кв. дюйма = 107,1 см²).

Внутренний блок индикации имеет меню: «текущий час», «предыдущий час», «текущие сутки», «предыдущие сутки».

Каждое перекачивание с таймстампом записывается в файл на SD-карте. Файл можно импортировать в Excel для анализа и графиков.

Видео показывает запись реального дождя (сам момент перекачивания не снят).

Шаг 1: 3D-печать всех деталей

Использован PETG — устойчив к УФ и температурным перепадам на улице. Для верхнего фильтра отключите все горизонтальные слои (сверху и снизу) — создаётся пористая структура.

Продвинутый дождемер ковшового типа с интеграцией Arduino

Шаг 2: Подготовка фронтальной платы под LCD

Установите LCD на плату PY-5×10 см (без пайки), пин 1 LCD в отверстие C-1. Пройдитесь дрелью по четырём отверстиям крепления LCD. Снимите LCD для дальнейшей сборки.

Шаг 3: Сборка фронтальной платы

Разместите 74HC595N, кнопки, резисторы как на фото. Проложите все необходимые провода (по схеме) к точкам подключения LCD и 6-дюймовые выводы для соединения со второй платой.

Шаг 4: Монтаж LCD

Установите LCD на фронтальную плату, используя напечатанные распорки для зазора над IC. Крепите винтами M3×15 мм с гайками. (Крепеж есть в Fastenal / McMaster Carr)

Шаг 5: Сборка главной платы

Установите Arduino с пином D12 в отверстие R27. Добавьте конденсатор, резисторы, проложите провода к местам для SD и RTC модулей до их установки. См. схему.

Шаг 6: Установка SD и RTC модулей

SD-ридер в отверстия A-3 – B-10. TinyRTC в C-24 – I-24. Припаяйте все соединения.

Шаг 7: Внутренний блок управления

В корпусе внутреннего блока просверлите отверстия для двух проводов к уличному блоку и питания. Проложите провода, припаяйте. Вставьте главную плату в корпус, закрепите двумя винтами M3×6 мм. Вставьте кнопку меню через переднюю крышку, прикрепите фронтальную плату винтами M3×6 мм. (Автор использовал латунный втулочный элемент вместо напечатанной кнопки — приятнее тактильно.)

Шаг 8: Крепление передней крышки

Винты M3-0.5×10 мм потайные.

Шаг 9: Настройка времени и тест

Подключите USB к ПК, загрузите скетч установки RTC (код ниже). После установки времени загрузите основной скетч. Вставьте SD-карту. Тест: замкните выводы, идущие к рид-контакту уличного блока. Счётчики осадков должны увеличиваться при каждом замыкании. Проверьте SD-карту на ПК (Notepad/WordPad) — должен быть файл Text.txt с таймстампами каждого события.

Шаг 10: Уличный блок — рид-контакт и ковш

Прикрепите рид-контакт к подбазе (styrки). Магнит на ковше, ось — латунная трубка 1/8″ (~50 мм). Перед сборкой просверлите 1/8″ отверстия в ковше для чистоты. Ковш должен перекачиваться свободно, без трения. При необходимости нашлифуйте круглой наждачкой. Добавьте шайбу 1/8″ по краю для уменьшения зазора. Определите способ монтажа уличного блока. Автор использовал алюминиевый угол 1″. База к углу болтами 1/4-20 изнутри наружу. Подбаза к дну уличного блока винтами M3-0.5×10 мм.

Шаг 11: Воронка и защита от птиц

Вставьте воронку в верхний корпус. Нарежьте ~24 куска galvanized wire 18 AWG длиной 2″. Нагрейте кусок зажигалкой/горелкой и вдавите в пластик верха — иглы отпугивают птиц. Нужно измерять дождь, не птичий налёт. Прикрепите верх к корпусу (4) M3-0.5×6 мм. Установите фильтр во воронку — задерживает листья, предотвращает забивание. Периодически проверяйте и чистите.

Шаг 12: Монтаж уличного блока и проводка

Установите уличный блок, проведите провода к внутреннему. Верхний край воронки должен быть идеально горизонтален в обеих плоскостях.

Шаг 13: Питание и проверка

Подайте питание, добавьте воды в уличный блок — проверьте работу.

Шаг 14 (опционально): Проверка точности

Очень медленно влейте 1 стакан (236,6 мл = 14,44 куб. дюйма) воды. Прибор должен показать 0,87″ осадков (14,44 / 16,605 = 0,87). При расхождении скорректируйте conversion_factor в основном скетче.

Поздравляем! Наслаждайтесь точным учётом осадков.

Программный код

Arduino Code to set time on RTC

Загрузите первым для установки времени на RTC. Отредактируйте дату/время перед прошивкой.

#include "Wire.h"
#define DS1307_I2C_ADDRESS 0x68
byte second, minute, hour, dayOfWeek, dayOfMonth, month, year;

byte decToBcd(byte val) { return ( (val/10*16) + (val%10) ); }
byte bcdToDec(byte val) { return ( (val/16*10) + (val%16) ); }

void setDateDs1307() {
    second = 00; minute = 11; hour = 12;
    dayOfWeek = 5; dayOfMonth = 24; month = 7; year = 20;
    Wire.beginTransmission(DS1307_I2C_ADDRESS);
    Wire.write(decToBcd(0));
    Wire.write(decToBcd(second));
    Wire.write(decToBcd(minute));
    Wire.write(decToBcd(hour));
    Wire.write(decToBcd(dayOfWeek));
    Wire.write(decToBcd(dayOfMonth));
    Wire.write(decToBcd(month));
    Wire.write(decToBcd(year));
    Wire.endTransmission();
}

void getDateDs1307() {
    Wire.beginTransmission(DS1307_I2C_ADDRESS);
    Wire.write(decToBcd(0));
    Wire.endTransmission();
    Wire.requestFrom(DS1307_I2C_ADDRESS, 7);
    second = bcdToDec(Wire.read() & 0x7f);
    minute = bcdToDec(Wire.read());
    hour = bcdToDec(Wire.read() & 0x3f);
    dayOfWeek = bcdToDec(Wire.read());
    dayOfMonth = bcdToDec(Wire.read());
    month = bcdToDec(Wire.read());
    year = bcdToDec(Wire.read());
    Serial.print(hour, DEC); Serial.print(":");
    Serial.print(minute, DEC); Serial.print(":");
    Serial.print(second, DEC); Serial.print(" ");
    Serial.print(month, DEC); Serial.print("/");
    Serial.print(dayOfMonth, DEC); Serial.print("/");
    Serial.print(year, DEC); Serial.println();
}

void setup() {
    Wire.begin(); Serial.begin(19200);
    setDateDs1307();
}
void loop() {
    delay(2000); getDateDs1307();
}

Main Program Arduino code For Rain Gauge

Основной скетч. Установите все библиотеки перед компиляцией. Инструкция по обновлению LiquidCrystal: roboindia.com

/* Tipping Bucket Rain Gauge by Bob Torrence */
#include 
#include 
#include 
#include "RTClib.h"
#include  // специальная версия для сдвигового регистра

LiquidCrystal_SR lcd(6, 5, 9); // Data/SER=6, Clock/SCL=5, Latch/SCK=9
RTC_DS3231 rtc;
int backlight = 7; // подсветка LCD на D7

const byte interruptPin_bucket = 3;
const byte interruptPin_menu = 2;

volatile int Bucket_Tip_Occurence;
volatile int Menu_Select;
float Bucket_tip_hour_total = 0;
float Bucket_tip_current_hour_total = 0;
float Bucket_tip_previous_hour_total = 0;
float Bucket_tip_current_day_total = 0;
float Bucket_tip_previous_day_total = 0;
int current_minute, loop_minute, current_hour, loop_hour, current_day, loop_day;
int tip_counter;
float conversion_factor = .00854; // дюймов осадков на одно перекачивание
volatile unsigned long backlightOfftime;
volatile unsigned long backlightOnDuration = 30000; // 30 сек подсветки после нажатия

String print_time(DateTime timestamp) {
    char message[120];
    sprintf(message, "%02d:%02d:%02d %02d/%02d",
        timestamp.hour(), timestamp.minute(), timestamp.second(),
        timestamp.month(), timestamp.day());
    return message;
}

File myFile;

void setup() {
    lcd.begin(16, 2);
    lcd.home();
    rtc.begin();
    pinMode(10, OUTPUT);
    pinMode(backlight, OUTPUT);
    digitalWrite(backlight, HIGH);
    backlightOfftime = millis() + backlightOnDuration;

    if (!SD.begin(4)) {
        lcd.print("insert SD Card");
        return;
    }

    pinMode(interruptPin_bucket, INPUT_PULLUP);
    attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(interruptPin_bucket), count, FALLING);
    pinMode(interruptPin_menu, INPUT_PULLUP);
    attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(interruptPin_menu), menu, RISING);

    myFile = SD.open("test.txt", FILE_WRITE);
    if (myFile) {
        myFile.println("Rain Gauge Ready - unit powered up");
        myFile.close();
    }

    DateTime now = rtc.now();
    current_minute = loop_minute = now.minute();
    current_hour = loop_hour = now.hour();
    current_day = loop_day = now.day();

    lcd.setCursor(0, 0); lcd.print(print_time(now));
    lcd.setCursor(1, 1); lcd.print("Rain Gauge");
}

void loop() {
    DateTime now = rtc.now();
    current_minute = now.minute(); loop_minute = now.minute();
    current_hour = now.hour(); loop_hour = now.hour();
    current_day = now.day(); loop_day = now.day();

    // Цикл по текущим суткам
    while (loop_day - current_day == 0) {
        // Цикл по текущему часу
        while (loop_hour - current_hour == 0) {
            if (millis() > backlightOfftime) digitalWrite(backlight, LOW);

            if (Bucket_Tip_Occurence == 1) {
                Bucket_Tip_Occurence = 0;
                tip_counter++;
                DateTime now = rtc.now();
                myFile = SD.open("test.txt", FILE_WRITE);
                myFile.print("Event ");
                myFile.print(now.year(), DEC); myFile.print('/');
                myFile.print(now.month(), DEC); myFile.print('/');
                myFile.print(now.day(), DEC); myFile.print(" ");
                myFile.print(now.hour(), DEC); myFile.print(':');
                myFile.print(now.minute(), DEC); myFile.print(':');
                myFile.print(now.second(), DEC); myFile.print(" ");
                myFile.print(conversion_factor, 5); myFile.println();
                myFile.close();
                delay(200);
            } else {
                DateTime now = rtc.now();
                loop_hour = now.hour();
            }

            switch (Menu_Select) {
                case 1: // Текущий час
                    lcd.clear(); lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("Current Hour");
                    lcd.setCursor(0, 1); lcd.print(tip_counter * conversion_factor); delay(500); break;
                case 2: // Предыдущий час
                    lcd.clear(); lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("Previous Hour");
                    lcd.setCursor(0, 1); lcd.print(Bucket_tip_previous_hour_total); delay(500); break;
                case 3: // Текущие сутки
                    lcd.clear(); lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("Current Day");
                    lcd.setCursor(0, 1); lcd.print(Bucket_tip_current_day_total + tip_counter * conversion_factor); delay(500); break;
                case 4: // Предыдущие сутки
                    lcd.clear(); lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("Previous Day");
                    lcd.setCursor(0, 1); lcd.print(Bucket_tip_previous_day_total); delay(500); break;
            }
        }
        // Переход к следующему часу
        DateTime now = rtc.now();
        current_hour = now.hour(); loop_day = now.day(); loop_hour = now.hour();
        Bucket_tip_previous_hour_total = tip_counter * conversion_factor;
        Bucket_tip_current_day_total += Bucket_tip_previous_hour_total;
        tip_counter = 0;
    }
    // Переход к следующим суткам
    Bucket_tip_previous_day_total = Bucket_tip_current_day_total;
    Bucket_tip_current_day_total = 0;
    Bucket_tip_current_hour_total = 0;
    tip_counter = 0;
}

// Прерывание от рид-контакта ковша
void count() {
    static unsigned long last_interrupt_time_bucket = 0;
    unsigned long interrupt_time_bucket = millis();
    if (interrupt_time_bucket - last_interrupt_time_bucket > 300) {
        Bucket_Tip_Occurence = 1;
    }
    last_interrupt_time_bucket = interrupt_time_bucket;
}

// Прерывание от кнопки меню
void menu() {
    static unsigned long last_interrupt_time_menu = 0;
    unsigned long interrupt_time_menu = millis();
    if (interrupt_time_menu - last_interrupt_time_menu > 300) {
        if (digitalRead(backlight) == LOW) {
            digitalWrite(backlight, HIGH);
        } else {
            Menu_Select++;
            if (Menu_Select > 4) Menu_Select = 1;
        }
        backlightOfftime = millis() + backlightOnDuration;
        last_interrupt_time_menu = interrupt_time_menu;
    }
}

3D-модели (STL для печати)

Основание уличного блока (PETG, 30% наполнение)
Крышка уличного блока (PETG, 30%)
Воронка (PETG, 30%)
Фильтр (PETG, 20%, БЕЗ горизонтальных слоев — пористый)
Подбаза ковша (PETG, 30%)
Ковш (PETG, 30%)
Корпус внутреннего блока (PETG, 30%)
Передняя крышка внутреннего блока (PETG, 30%)
Распорки для LCD (PETG, 30%)
Кнопка меню (PETG)
Fusion 360 модели: rain_gauge_assembly___smaller_profile_v15_CFg0dGwM8s.f3d, controller_box_v1_NxtSrPG4Vo.f3z
STEP-файлы: rain_gauge_assembly___smaller_profile_v15_jWCS0hjSDq.step, controller_box_v1_fwltgu6D0S.step

Схемы

Умная зональная климат-контроль на MediaTek LinkIt™ Smart 7688 Интерактивный гироскопический LED-дисплей на NeoPixel Ring и Arduino

Производственный процесс

3D печать

Система управления автоматикой

Промышленные технологии