进阶翻斗式雨量计：Arduino 集成 + 3D 打印 + SD 记录

元器件与物料

所需工具

• 3D 打印机 (PETG 材料)
• 电烙铁

原理与功能

专业气象站同款翻斗结构：集雨漏斗面积 16.605 in²，双斗各容约 2 ml。雨水注入一斗，重力翻转，另一斗接续承接。每次翻斗干簧管闭合一次，Arduino 外部中断计数。换算系数 0.00854 英寸/次 (可按实测标定修正)。

室内显示单元提供四档菜单：本小时/上小时/本日/昨日 累计雨量。每次翻斗在 SD 卡写入时间戳事件 (test.txt)，可导入 Excel 分析制图。

制作步骤

室外桶体 3D 打印 (PETG, 30% 填充)

1. 打印底座、盖体、漏斗、滤网、子座、翻斗、转轴套。滤网需关闭上下表面层形成多孔结构。
2. 漏斗顶植入 24 根 2″ 镀锌铁丝防鸟栖息。

室内显示单元电路制作

1. 面板板：LCD 未焊接先定位钻四个安装孔，再焊接 74HC595、按钮、电阻，预留 6″ 排线连主板。
2. 主板：Arduino Nano 定位 (D12 对应 R27 孔)，焊电容、电阻、预布线，再插入 SD 与 RTC 模块焊接。
3. 外壳开线孔，穿入室外干簧管双线与电源线，主板滑入固定，面板螺丝锁紧。

室外翻斗组装

1. 干簧管扎带固定于子座，磁铁粘贴翻斗臂端部。
2. 翻斗轴用 1/8″ 黄铜管 (约 2″)，孔壁打磨顺滑，外侧加垫片调整侧隙。
3. 底座用 1″ 铝角码固定，子座 M3 螺丝锁底板。
4. 漏斗装入滤网，盖体 M3×6 螺丝锁紧。

调试与标定

1. 上传 RTC 校时程序 (串口 19200)，设定当前时间。
2. 上传主程序，插 SD 卡，短接干簧管引线验证计数与 SD 写入。
3. 室外机安装水平，引线接室内机。
4. 通电实测：缓慢注入 1 杯水 (14.44 in³)，理论雨量 0.87″，对比显示值修正 conversion_factor。

核心代码

RTC 校时程序

#include "Wire.h"
#define DS1307_I2C_ADDRESS 0x68
byte decToBcd(byte v){ return (v/10*16)+(v%10); }
void setDateDs1307(){
  byte second=0, 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 setup(){ Wire.begin(); Serial.begin(19200); setDateDs1307(); }
void loop(){ delay(2000); /* 读回验证 */ }

主程序 (需安装 RTClib、LiquidCrystal_SR 等库)

/* Tipping Bucket Rain Gauge by Bob Torrence */
#include <SPI.h> #include <SD.h> #include <Wire.h> #include "RTClib.h" #include <LiquidCrystal_SR.h>
LiquidCrystal_SR lcd(6,5,9); // SER=6, SCLK=5, RCLK=9
RTC_DS3231 rtc;
int backlight=7; const byte INT_BUCKET=3, INT_MENU=2;
volatile int Bucket_Tip=0, Menu_Sel=0;
float tip_hour=0, tip_prev_hour=0, tip_day=0, tip_prev_day=0;
int cur_min, loop_min, cur_hour, loop_hour, cur_day, loop_day, tip_cnt=0;
float conv = 0.00854; // 英寸/次
unsigned long bl_off=0, bl_on=30000;

String print_time(DateTime t){
  char buf[20]; sprintf(buf,"%02d:%02d:%02d %02d/%02d",t.hour(),t.minute(),t.second(),t.month(),t.day());
  return String(buf);
}
File myFile;

void setup(){
  lcd.begin(16,2); lcd.home(); rtc.begin();
  pinMode(10,OUTPUT); pinMode(backlight,OUTPUT); digitalWrite(backlight,HIGH);
  bl_off = millis()+bl_on;
  if(!SD.begin(4)){ lcd.print("insert SD Card"); return; }
  pinMode(INT_BUCKET,INPUT_PULLUP); attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(INT_BUCKET),count,FALLING);
  pinMode(INT_MENU,INPUT_PULLUP); attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(INT_MENU),menu,RISING);
  myFile=SD.open("test.txt",FILE_WRITE); if(myFile){ myFile.println("Rain Gauge Ready"); myFile.close(); }
  DateTime now=rtc.now(); cur_min=loop_min=now.minute(); cur_hour=loop_hour=now.hour(); cur_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(); cur_min=now.minute(); loop_min=now.minute(); cur_hour=now.hour(); loop_hour=now.hour(); cur_day=now.day(); loop_day=now.day();
  while(loop_day - cur_day == 0){
    while(loop_hour - cur_hour == 0){
      if(millis() > bl_off) digitalWrite(backlight,LOW);
      if(Bucket_Tip){
        Bucket_Tip=0; tip_cnt++;
        now=rtc.now();
        myFile=SD.open("test.txt",FILE_WRITE);
        myFile.print("Event "); myFile.print(now.year()); myFile.print('/'); myFile.print(now.month()); myFile.print('/'); myFile.print(now.day());
        myFile.print(' '); myFile.print(now.hour()); myFile.print(':'); myFile.print(now.minute()); myFile.print(':'); myFile.print(now.second());
        myFile.print(' '); myFile.print(conv,5); myFile.println(); myFile.close(); delay(200);
      }else{ now=rtc.now(); loop_hour=now.hour(); }
      switch(Menu_Sel){
        case 1: lcd.clear(); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("Current Hour"); lcd.setCursor(0,1); lcd.print(tip_cnt*conv); delay(500); break;
        case 2: lcd.clear(); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("Previous Hour"); lcd.setCursor(0,1); lcd.print(tip_prev_hour); delay(500); break;
        case 3: lcd.clear(); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("Current Day"); lcd.setCursor(0,1); lcd.print(tip_day+tip_cnt*conv); delay(500); break;
        case 4: lcd.clear(); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("Previous Day"); lcd.setCursor(0,1); lcd.print(tip_prev_day); delay(500); break;
      }
    }
    now=rtc.now(); cur_hour=now.hour(); loop_day=now.day(); loop_hour=now.hour();
    tip_prev_hour = tip_cnt*conv; tip_day += tip_prev_hour; tip_cnt=0;
  }
  tip_prev_day = tip_day; tip_day=0; tip_prev_hour=0; tip_cnt=0;
}

void count(){ static ulong last=0; ulong now=millis(); if(now-last>300){ Bucket_Tip=1; } last=now; }
void menu(){ static ulong last=0; ulong now=millis(); if(now-last>300){ if(digitalRead(backlight)==LOW) digitalWrite(backlight,HIGH); else{ Menu_Sel++; if(Menu_Sel>4) Menu_Sel=1; } bl_off=now+bl_on; last=now; } }

3D 打印文件清单

• 室外底座、盖体、漏斗、滤网 (无上下壳)、子座、翻斗、室内外壳、面板、LCD 垫片、按钮帽
• Fusion 360 源模型 (.f3d/.f3z) 与 STEP 通用格式均提供

原理图

Fritzing 文件 rain_gauge_NtjqXF6QEw.fzz 包含完整接线：Arduino Nano、74HC595 驱动 LCD、SD 卡 SPI、DS1307 I2C、干簧管中断、菜单按钮中断、背光控制、电源输入。