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智能 Arduino 水杯:实时监测饮水量与智能提醒

所需元件与材料

元件数量备注
SparkFun Arduino Pro Mini 328 5V/16MHz1主控,低功耗
防水超声波测距模块1测水位,量程 3–16 cm
DS1307 RTC 模块(自制或成品)1掉电走时,I²C 接口
共阴 4 位 7 段数码管1显示饮水量/时间
无源蜂鸣器1饮水提醒
轻触开关 12mm1菜单切换/唤醒
2N2222 NPN 三极管4数码管位选驱动
1000 mAh Li-Ion 电池1供电
USB Li-Ion 充电板 (TP4056)1充电管理
221 Ω 电阻8段限流
1 kΩ 电阻4三极管基极限流
4.75 kΩ 电阻2I²C 上拉

所需工具

项目动机

75% 的美国人长期缺水。喝足水能改善皮肤、大脑功能、精力与体重。本项目让水杯“变聪明”:记录日/周饮水量、显示上次饮水时间、2 小时未喝水双响提醒、单次充电待机 1 个月以上。

硬件模块制作

RTC 模块(DS1307)

4 位 7 段数码管驱动板

主板连线

模块引脚Arduino 引脚
RTC SDAA4
RTC SCLA5
蜂鸣器D3
超声波 TrigD4
超声波 EchoD5
按键D2 (INT0)

超声波安装

  1. 瓶盖中心钻孔,传感器探头朝内、居中固定
  2. 四根导线穿孔引出,焊接主板
  3. 量程覆盖瓶身高度(约 16 cm),水位 0–30 盎司对应 16–3 cm

软件设计

低功耗策略

核心算法

// 5 次读数平均,单位 cm
avg_cm = (sum_of_5_readings) / 5;
// 瓶高 17 cm,水位高度 = 17 - avg_cm
water_level_cm = 17 - avg_cm;
// 经标定:16 cm 水柱 ≈ 30 盎司 → 1 cm ≈ 1.875 盎司
water_oz = int(water_level_cm * 1.875);

饮水事件判定

数据统计

关键库

组装与防水

  1. 主板热熔胶固定瓶盖内侧上方
  2. 电池贴合主板顶部,绝缘防短路
  3. 充电板 USB 口朝外,胶水封边但保留插拔口
  4. 全电路(除 USB 口)厚涂热熔胶/环氧树脂,达到 IPX6 以上
  5. ⚠️ 切勿将瓶盖整体浸水

效果展示

完成后拧上瓶身,按键唤醒即显示实时余量;坚持使用可养成定时饮水习惯。代码约 200 行,已整理注释,可直接烧录 Pro Mini(需 5V/16MHz 版本,选板时选 Arduino Pro or Pro Mini, ATmega328P (5V, 16 MHz))。

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