精密气压计：Arduino UNO & Nano 双表盘气压监测仪

组件与供应

项目介绍

本项目使用 Arduino UNO 和 Nano 控制三个步进电机，驱动 12 英寸 (300mm) 模拟表盘显示气压数据。提供现代风格和经典风格两种表盘设计。

• 主表盘：显示海平面气压 (hPa)，每 10 分钟更新一次。
• 6 小时变化表盘：显示过去 6 小时气压变化量。
• 3 小时变化表盘：分辨率 0.5 hPa，用于天气预测。

三个表盘均具备扩展量程指示 LED（红/绿），3 小时表盘另配 8 颗 LED 显示天气预测（晴、雨、风暴等）。机箱内两块 20x4 LCD 显示详细数据。主表盘和 6 小时表盘由 RTC (DS3231) 定时驱动，RTC 同时提供整点脉冲给 3 小时表盘电路。

与传统模拟气压计对比

传统气压计仅指示当前气压，需手动拨动指针记录时间来观察变化，预测需记忆组合规则。本装置自动连续记录 3 小时和 6 小时变化并分表盘显示，并直接用 LED 指示天气趋势。

演示：风暴来临预测

延时动画展示指针和预测 LED 对即将到来的风暴的反应。

扩展量程表盘设计

三个表盘均设计扩展量程：正常范围内高分辨率显示；极端天气下切换扩展刻度，红/绿 LED 指示当前读取的是红色刻度 (+5 以上) 还是绿色刻度 (-5 以下)；超出扩展范围 (如 >+9 或 <-9) 双 LED 同时点亮警告，读数需加减 10。实测 2020 年 1 月英国南部记录高压 1050 hPa 时主表盘触发红色扩展指示。

LCD 信息显示

两块 20x4 LCD 分别显示：3 小时表盘数据与天气预测；主表盘气压与 6 小时变化数据。

天气预测逻辑

基于当前气压与过去 3 小时变化率，参考气象学经验规则，映射为 8 种 LED 组合：

• 气压 < 1009 hPa：上升/持平 → 转晴转凉 (Clear+Change)；缓慢下降 → 雨 (Rain+Threat)；快速下降 → 暴风雨 (Stormy+Threat)。
• 1009–1022 hPa：上升/持平 → 现状维持 (Fair+NoChange)；快速上升 → 转晴 (Clear)；快速下降 → 雨/雪 (Rain+Change)。
• 气压 > 1022 hPa：上升/持平 → 干燥 (Dry)；缓慢下降 → 好天 (Fair)；快速下降 → 天气变化 (Change+Threat)。

启动流程

上电自检 LED → 指针归零待校准 → 通过 Vero 板上的旋钮和按钮设置 RTC 时间 (UTC)、校准三个指针初始位置、输入历史气压数据 (或等待自动积累)。

核心模块

• 微控制器：ATmega328 (UNO) + Arduino Nano，分工控制主/6小时表盘 和 3小时/预测表盘。
• 供电：LM2596 降压模块 12V→5V；AMS1117 3.3V 供电 BMP180。
• 气压传感器：两个 BMP180 模块 (I2C)，分别接两块 MCU。
• RTC：DS3231 高精度实时时钟，带备用电池 (已移除充电电阻改用非充电纽扣电池)。
• 步进电机：3 个 NEMA 17 (1.8°/步，200 步/圈)，配 A4988 驱动器 (1/16 细分)。
• LCD：两块 20x4 I2C LCD。

A4988 驱动器关键设置

• 设为 1/16 细分 (MS1/MS2/MS3 跳线帽)，代码按 1600 步/圈计算。
• 必须加大电解电容 (≥47µF) 在 VMOT 端防止尖峰损坏驱动器。
• 调节电位器设定 Vref 限流，保护电机。
• 严禁带电插拔电机。

机箱制作

经典款：利用旧钟壳 (eBay "case only")

橡木表壳，表圈可翻开，便于安装。表盘用 1.5mm 铝板切割、喷漆、贴水贴纸刻度。指针由废弃钟表指针改制，用 Blu Tack 固定在电机轴上。

现代款：双相框背靠背

两个 30x30cm 相框背靠背组成双层深度框架，前框装玻璃，后框装电路。后箱体用木板制作，通过 GTV 270° 内嵌合页壁挂，可翻开维护，配有锁紧销固定。表盘通过螺栓固定在后箱，铝角强化刚性。

表盘制作工艺

1. CAD 绘制表盘含所有 LED/电机轴孔位，A3 打印作钻孔模板。
2. 铝板钻孔 (LED 3mm，电机轴孔加大)，去毛刺、打磨、喷底漆、面漆 (古董白)、哑光清漆。
3. 水贴纸 (透明) 打印刻度，浸水贴合，对准十字定位点，刮除气泡，干燥后喷哑光清漆保护，再用钻头清理孔位。

电路原理图与 Vero 板布局

主原理图包含两块 MCU、三路 A4988、两路 BMP180、RTC、LCD、LED、按键、电源。Vero 板分主控板和 LED 接线板，采用排针排母便于拆卸维护。

代码结构

两部分代码分别运行在两块 MCU 上：

• BarometerA4988_23.ino (UNO)：主表盘 + 6 小时表盘 + RTC + 两路 BMP180 读数 + LCD1 显示 + 校准菜单。
• BarometerA4988_3hour__21.ino (Nano)：3 小时表盘 + 天气预测 LED + LCD2 显示 + 接收 UNO 发来的整点脉冲同步。

代码使用 AccelStepper 控制步进电机，SFE_BMP180 读取气压，LiquidCrystal_I2C 驱动 LCD。关键算法：每小时存储气压值到循环数组，计算 3 小时/6 小时差值，换算为步进电机步数 (1.8° × 1/16 = 0.1125°/步)，驱动指针移动。

延时摄影视频

4K 延时视频展示雨雷达与气压计预测下雨和风暴过程，清晰可见指针与 LED 变化。