Arduino 自动除湿机排水泵控制系统：从原理到落地的完整实现

项目缘起

除湿机水箱满水自动停机，需人工频繁倒水。本项目设计一套基于 Arduino UNO 的自动排水系统：利用水的导电性配合达林顿三极管检测高/低水位，驱动继电器控制 120VAC 排水泵，实现“高水位开泵、低水位停泵”的全自动循环，彻底解放双手。

核心原理

水位检测：达林顿三极管放大微弱导电电流

自来水电阻率约 1-10 kΩ·cm，两根平行导线浸入水中构成 ~100kΩ 电阻。直接读取 GPIO 电压分压信号极弱，易受干扰。采用 MPSA13 达林顿对（两级放电极管集成，电流增益 β₁×β₂ ≈ 10,000），将微弱基极电流放大为可靠的集电极输出，直接驱动 Arduino 数字输入口（内部上拉）。

• 上探针（高水位）→ 达林顿 1 → Arduino D2
• 下探针（低水位/泵吸水口上方）→ 达林顿 2 → Arduino D3
• 公共参考极（最长）接 5V
• 状态指示 LED 跟随各达林顿发射极，直观显示水位

泵控制：继电器隔离强弱电

SPDT 继电器（额定 120VAC/1A）串联在泵电源火线回路：

• 线圈端：一端接 GND，一端接 Arduino D8（低电平触发或高电平触发视模块）
• 触点端：COM 接市电火线，NO 接泵火线输入
• 飞轮二极管（1N4007）跨接线圈抑制反向电动势

硬件清单（BOM）

工具清单

• 电烙铁（温控 350°C）、吸锡器
• 剥线钳、斜口钳、钢锉/塑料锉（开外壳孔）
• 万用表（测通断、电压、电阻）

软件逻辑：滞回控制（防抖动）

/* 
 * 自动除湿机排水泵控制器
 * MIT License - Zachary J. Fields
 */
const uint8_t ENABLE_PIN = 2;    // 低水位探针 (LOW=有水)
const uint8_t FULL_PIN   = 3;    // 高水位探针 (HIGH=有水)
const uint8_t RELAY_PIN  = 8;    // 继电器控制 (HIGH=吸合开泵)

void setup() {
  pinMode(ENABLE_PIN, INPUT_PULLUP); // 内部上拉，水接地拉低
  pinMode(FULL_PIN,   INPUT_PULLUP);
  pinMode(RELAY_PIN,  OUTPUT);
  digitalWrite(RELAY_PIN, LOW);      // 上电默认关泵
}

void loop() {
  // 高水位触发 -> 开泵（置位）
  if (digitalRead(FULL_PIN) == LOW) {     // 探针浸水 -> 达林顿导通 -> 拉低
    digitalWrite(RELAY_PIN, HIGH);
  }
  // 低水位复位 -> 停泵（复位）
  else if (digitalRead(ENABLE_PIN) == HIGH) { // 探针露出水面 -> 达林顿截止 -> 上拉变高
    digitalWrite(RELAY_PIN, LOW);
  }
  // 中间区域保持原状态（滞回）
}

逻辑时序图

水位上升:  [低水位] ---(触及上探针)--> [高水位] --> 继电器吸合 -> 泵运行 -> 水位下降
水位下降:  [高水位] ---(脱离下探针)--> [低水位] --> 继电器释放 -> 泵停止 -> 等待下一轮

滞回宽度 = 两探针垂直距离，避免水面波动导致泵频繁启停。

制作实录

1. 面包板验证

• 搭建达林顿检测电路，串联 100Ω 限流电阻驱动指示 LED
• 验证：手指捏湿探针 → LED 亮；松开 → LED 灭
• 测试继电器模块：D8 输出高/低电平 → 听“咔哒”声、量触点通断

2. Proto Shield 焊接成型

• 按原理图布局：左侧达林顿+LED，右侧继电器驱动，中间端子排引出探针/泵/市电
• 强弱电区域物理隔离 > 5mm，走线加粗（泵回路用 16AWG）
• 焊接后万用表逐网络测通断、对地绝缘 > 10MΩ

3. 外壳加工与组装

• 塑料盒开孔：市电线用尼龙线夹固定（防拔脱），探针线用防水接头（PG7）
• 继电器模块双面胶固定盒底，Shield 插在 Arduino 上再放入盒内
• 泵端软管用扎带锁紧，防震动脱落

安装调试指南

1. 探针定位：下探针置于泵吸口上方 2-3cm（防干转），上探针置于除湿机原浮子开关触发点下方 1-2cm
2. 公共参考极：最长，伸至水箱底部，确保始终浸水
3. 上电测试：手动注水至上探针 → 泵启动 → 排水至下探针露出 → 泵停止
4. 长期运行：观察 3-5 个循环，确认无卡顿、漏电、泵异响

安全警示 ⚠️

• 强电致死风险：市电部分必须由持证电工操作，外壳可靠接地，上电前绝缘测试
• 泵干转保护：下探针必须低于泵吸口，否则泵抽空过热烧毁
• 水质影响：纯水/蒸馏水不导电，此法失效；加湿器/除湿机冷凝水含离子可用
• 电解腐蚀：探针长期直流极化会腐蚀，建议镀金/不锈钢探针或改交流激励检测

扩展思路

• 加装 ESP8266/ESP32 上报水位、泵运行时长至 Home Assistant / MQTT
• 增加流量计统计累计排水量，预测除湿效率
• 双泵冗余：主泵故障自动切换备泵，并发送报警通知
• 太阳能供电版：LiFePO4 电池 + 太阳能板，彻底离网

原理图