步驟1：防水

這個項目最困難的方面是讓整個事物變得防水。因為它將存在于淋浴中，它必須能夠承受極端的濕度和偶爾的飛濺。在這個項目上花費的總時間的大約75％是在計算這個部分。

我認為，有兩種選擇：設計一個定制的3D打印機箱，或者嘗試使用現(xiàn)成的機箱。因為我最近有自己的3D打印機，我決定選擇第一個選項。

如果你沒有訪問3D打印機，這里有一些現(xiàn)成的外殼，我發(fā)現(xiàn)它聲稱是防水的，并且可能會起作用。請注意我沒有購買任何這些外殼，所以我不保證所有組件都適合里面！

Banggood - 帶透明蓋子的100x68x50mm盒子 - $ 5.35

Digikey - 帶透明蓋子的130x80x70mm盒子 - $ 11.65

對于這一點，當我提到外殼時，我說話關于我的3D打印件。

第2步：我的自定義3D打印機箱！

在Fusion 360中工作幾個小時后，我想出了這個圍欄。它有三個圓形切口，適合兩個母頭3.5毫米插孔和一個撥動開關。蓋子有一個16毫米的孔用于瞬時按鈕，一個矩形切口用于屏幕，以及四個安裝孔，用于將屏幕固定到位。蓋子是一個單獨的部分，有一個唇部，有助于防止水分通過接縫進入。盒子角落上的四個孔用于將蓋子固定在30mm的支座上。所有螺孔直徑均為3mm，適合M3螺絲。

您可以從我的Thingiverse頁面下載STL文件。它可以在沒有任何筏或支撐的情況下打印，但我使用支撐只是為了安全。我也使用了100％填充。由于墻壁很薄，減少填充百分比并沒有真正改變總打印時間或總材料，所以我只是將其保持在100％。

為了使屏幕可見，它可以突出通過外殼蓋子上的切口，或放在透明窗口后面。由于屏幕不應該暴露在濕氣中，我們堅持第二種選擇。不幸的是，帶有透明燈絲的3D打印仍然處于起步階段，所以我們必須要有點創(chuàng)意。

我的解決方案是在蓋子上創(chuàng)建一個矩形切口，然后粘上一塊透明塑料從一些蔬菜包裝。即使您沒有使用我的自定義機箱，也可以使用此技術;用工具刀或Dremel簡單地切出一個矩形。當然，如果你使用的是帶透明蓋子的外殼，根本不需要。

我發(fā)現(xiàn)透明塑料的最佳來源是生產(chǎn)包裝。通常菠菜或其他葉類蔬菜都裝在大的透明塑料容器中。在我的情況下，我使用了“辣椒混合物”的包裝。

我想要一個5mm的懸垂部分來提供足夠的粘合表面積，所以我切出了一個27x77mm的透明塑料矩形。我不得不修剪一些角落，以便螺絲適合。我在切口的周邊噴了一條強力膠，然后將透明塑料放在上面。為了確保密封，我在邊緣附加了一點強力膠。

Pro-Tip：在膠水干燥時將部件放在小風扇前面。隨著超強力膠水的干燥，它往往會留下一個邪惡的白色殘留物，我們當然不希望透明窗口。我用一臺舊的12V風扇從電腦供電。我讓膠水放置12小時，以確保它完全干燥。

步驟3：安裝LCD屏幕

透明窗口干燥后，可以安裝LCD。液晶顯示器是一種超級流行的16x2字符顯示器，I2C“背包”預先焊接在背面。我強烈建議使用I2C接口獲取此屏幕。連接所有并行線路非常煩人，并且引入了更多的錯誤--I2C版本只有兩根電源線和兩根信號線。

我使用四個10mm支架來安裝屏幕。每個支座的一端有一個陽螺紋，另一端有一個陰螺紋。我將外螺紋穿過LCD上的孔并擰緊一個M3螺母。然后我用四個M3螺釘將支座的母端固定在機箱的蓋子上。我得到了這個支架包裝，其中有10毫米的支架安裝液晶顯示器，而較長的支架則將蓋子固定在底座上。此外，還有M3螺釘和螺母，因此您無需購買任何其他硬件。

確保螺母非常緊，以便在擰緊螺釘時僵局不轉。另外，請確保不要過度擰緊螺釘，否則塑料蓋可能會變形而無法正確密封。

LCD上的16個插頭引腳排在頂部 - 確保不要將LCD上下顛倒！

步驟4：安裝瞬間按鈕

我決定在前面板上使用這個看起來很惡心的鍍鉻按鈕。我在之前的項目中使用它們，我非常喜歡它們的外觀。它們應該是防水的，它們帶有橡膠圈以防止?jié)駳馔ㄟ^螺紋進入外殼。

這一步非常簡單。松開螺母，但要打開橡膠圈。將按鈕插入蓋子上的孔，然后從背面擰緊螺母。避免過度擰緊螺母，否則橡膠圈會被壓壞而無法達到目的。

步驟5：電源和充電電路

現(xiàn)在我們將把電池組件放在一起。這包括電池，主開關，電池監(jiān)控/充電板和升壓轉換器。

我使用的電池是3.7V 1500 mAh單節(jié)鋰離子電池。我使用的特定一個是從損壞的Playstation控制器中提取的。任何單節(jié)鋰離子或鋰離子電池都可以工作，只要它適合您的機箱。這種類型的電池往往非常薄而且平坦，所以你可以使用兩倍大的電池而沒有任何問題。 18650單元可以工作，但它不適合我的自定義機箱，因此您需要自己設計，或使用現(xiàn)成的機箱。如果可能的話，我建議使用打撈的電池（就像我一樣），因為運輸電池通常很貴！

首先應將電池焊接到TP4056充電板上。如果您愿意，可以將JST RCY連接器焊接到電池和充電器以方便（我這樣做了），但沒有必要。請務必遵守充電器板上標記所指示的正確極性，因為電路板沒有防止電池極性反接！

接下來，從充電器的正極輸出端（位于旁邊）焊接導線正電池線）到升壓轉換器的正輸入端。然后將負極輸出（位于負極電池線旁邊）的導線焊接到主切換開關的公共（中心）針腳。最后，將導線從開關的常開引腳焊接到升壓轉換器的負輸入。如果將萬用表連接到升壓轉換器的輸出并打開主開關，則應顯示電壓。

由于我們的Arduino，LCD屏幕和流量傳感器都需要5V，我們必須將升壓轉換器的輸出設置為5V。這可以通過用小螺絲刀轉動電位器上的旋鈕來實現(xiàn)。主開關打開，電池連接，萬用表連接到升壓轉換器的輸出，慢慢轉動電位器，直到輸出讀數(shù)為5V。很難獲得準確的5.000V讀數(shù)，但目標是在4.9V和5.1V之間的電壓。

由于我的定制外殼用幾個螺絲固定，我們不希望每次需要收費時打開案例。我使用了3.5mm耳機插孔。我使用的確切連接器是Digikey的這個連接器（這是我的外殼中的切口尺寸），但是來自Banggood的連接器應該也能正常工作。

首先，我將連接器插入底部機箱中的最小孔。由于這種情況大部分時間都會被拔掉，因此容易受潮，最好將其安裝在底部以防止水滴到里面。安裝鎖緊墊圈并擰緊螺母后，我將兩根電線焊接到連接器上的“尖端”和“套管”標簽上。連接器的引腳分布顯示在我的一個帶注釋的圖像中。我將“套管”線的另一端焊接到充電器上的負輸入端，在微型USB端口旁邊。最后，我將“尖端”線焊接到USB端口另一側的+ 5V焊盤上。充電器上的USB端口將不會被使用，因為很難讓USB端口穿透外殼而不會留下水分。

步驟6：充電電纜

由于我們使用3.5毫米音頻插孔作為充電端口，我們需要制作一端有3.5毫米插頭，USB A插頭的轉接線另一端。這將允許我們使用任何通用移動設備充電器（例如iPhone充電器）為此設備充電。

你可以買一個USB線連接器，一端是USB A連接器，另一端是鍍錫線，但如果你像我一樣，你可能有十幾根隨機的USB線放在你身邊不需要。我沒有購買USB電纜組件，而是拿到了我不需要的微型USB轉USB A線，并將微型USB連接器斷開。

接下來，我將電纜上的白色外套剝?nèi)H顯示內(nèi)部的兩根電線：紅色和黑色電線。有些USB線有四根線：紅色，黑色，綠色和白色。綠色和白色用于數(shù)據(jù)傳輸，可以忽略。剝開紅色和黑色電線的絕緣層。

接下來你需要一個3.5毫米的插頭。我用過Banggood的這個。將USB電纜上的紅線焊接到中間標簽（連接器的尖端），黑色電線連接到長套標簽。請參閱我的照片以獲得澄清。

我建議在USB插頭之前插入3.5mm插頭 ，因為插入電纜的過程可能導致插頭在金屬插座上短路。

步驟7：關于流量傳感器

我以3.87美元的價格從Banggood拿起這個流量傳感器。在使用它之前，我決定研究它是如何工作的。

這種設計非常簡單和巧妙。電子設備完全與水密封。有一個自由旋轉螺旋槳，根據(jù)流速旋轉更慢或更快。螺旋槳上的一個點是磁鐵。在傳感器的外部是一個小隔間，其中包含一個帶有兩個組件的小PCB：一個電阻器和一個霍爾效應傳感器。每當磁鐵經(jīng)過霍爾效應傳感器時，它就會在高低之間切換。換句話說，每次螺旋槳旋轉時，它在5V和0V之間切換。

要讀取傳感器，我們對紅線施加+ 5V，對黑線施加負電壓，并從黃線讀取數(shù)字信號。在示波器的照片中，您可以看到信號在流量打開時如何變化。起初，信號始終為零伏。當流量開始時，脈沖頻率快速上升并達到穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)數(shù)據(jù)表，傳感器每升輸出450個脈沖。在我們編寫軟件時，這將很重要。

步驟8：流量傳感器接線

流量傳感器配有3針JST-XH連接器。這是不理想的，因為導線太短，并且連接器具有暴露的觸點，這些觸點很容易被雜散的水滴短路。我從Digikey訂購了這個3.5mm音頻插頭電纜組件。它長3英尺，是一個完美的長度，它有鍍錫線，易于焊接。我不建議嘗試使用舊的耳機線，因為它們往往有非常薄的漆包線，幾乎不可能焊接。

流量傳感器有一個塑料蓋，由兩個Phillips保持螺絲。只需卸下這些螺釘，然后拉出電路板。它不是用任何膠水固定的，它只是用塑料蓋保持在原位。接下來，通過用烙鐵將它們加熱并將它們一次一個地取下來拆焊三根電線。

接下來，將3.5mm音頻電纜焊接到焊盤上。我建議按照我的方式匹配顏色。這種配置的尖端為+ 5V，環(huán)上有信號，套管上有接地。這與用于充電端口的配置相同，從步驟6.如果您不小心將充電器插入傳感器端口，反之亦然，則不會對設備造成任何損壞。

步驟9：安裝流量傳感器

《到目前為止，我們所有的工作都在研討會上進行。但現(xiàn)在，是時候去洗手間了！

首先，我取下了淋浴頭。這顯示了從墻壁突出的一小段管道，具有1/2“NPS陽螺紋。方便地，我們的流量傳感器具有完全相同的螺紋尺寸！唯一的問題是傳感器兩端都有陽螺紋，所以我們將需要一個女性對女性的耦合。

在我當?shù)氐奈褰鸬?，?/2“黃銅，鐵和PVC的接頭。 PVC一個是最便宜的，所以我得到了那個。雖然事后看來，黃銅或鋼材看起來更好。

一旦你有了聯(lián)軸器，只需將流量傳感器擰入聯(lián)軸器，然后將聯(lián)軸器的另一端擰到管子上。流量傳感器具有箭頭以指示預期的流動方向。確保不要向后安裝，否則測量結果可能不準確。最后，將淋浴頭擰到流量傳感器的末端。

當然，我假設你的淋浴使用1/2“NPS螺紋，就像我的一樣。如果不是這樣，您將需要獲得額外的適配器。

Pro-Tip：在將各個部件擰在一起以防止泄漏之前，在所有螺紋上添加一些Teflon管道工的膠帶。我沒有任何在手，但我打算在不久的將來添加它。

第10步：Arduino和Perfboard

由于我們將不得不做大量的布線，所以最好將一塊穿孔板連接到讓事情變得更加整潔。我在1英寸乘2英寸處切出一個長方形的穿孔板。然后，我將Arduino Nano放在電路板的中間并標記了插針穿過的位置。然后我切割了兩個長度的母頭，每個15針長。我將這些焊接到我之前標記的穿孔板上。這將允許我們移除Arduino進行編程。

Pro-Tip：標記Arduino USB端口的方向，以便始終以相同方式將其插入穿孔板。

步驟11：連接所有東西

現(xiàn)在是時候把所有東西焊在一起了！我已經(jīng)提供了一個完整的接線圖，您可以遵循，或者如果您更喜歡采用更有指導性的方法，請參閱下面的書面步驟。

首先，我切割了一些公頭針并將它們焊接到了多孔板上+ 5V和地線。然后我焊接了兩個連接到Arduino上的引腳A4和A5的插頭引腳。這些標題允許我們使用女性對女性的跳線連接LCD屏幕。

接下來，我將升壓轉換器輸出端的一對導線焊接到+ 5V和接地導軌。這將為Arduino，LCD和流量傳感器供電。

之后，我切斷了兩根電線并將它們連接到按鈕的端子。我將一根導線焊接到接地導軌上，另一根焊接到數(shù)字插針3上。

焊接的最后一部分是流量傳感器。由于我們已經(jīng)在傳感器上安裝了3.5mm插頭，我們只需要焊接一個3.5mm的母插孔。首先，我焊接了三根電線 - 一根連接到千斤頂上的每個標簽。然后我將千斤頂插入外殼并用螺母將其固定到位。最后，我將套管焊接到地，尖端為+ 5V，環(huán)形為數(shù)字引腳2.

我選擇使用數(shù)字引腳2和3作為按鈕和流量傳感器，因為它們是硬件中斷引腳。這樣可以更容易地編寫代碼。

現(xiàn)在我們已完成焊接，但我們?nèi)匀恍枰B接LCD。由于我們焊接了標題，我們只需要四個女性對女性的跳線。將“Vcc”引腳連接到+ 5V，將“Gnd”引腳連接到地，將“SCL”引腳連接到A5，將“SDA”引腳連接到A4。為了使LCD屏幕適合外殼，我們需要向后彎曲插頭引腳。多次來回彎曲銷釘會使金屬疲勞并導致銷釘斷裂，所以我建議只彎曲一次，并小心地這樣做。

現(xiàn)在接線完成了！

步驟12：編程

現(xiàn)在硬件已全部連接，我們可以對Arduino進行編程。

我希望程序具有以下功能：

在第一行顯示快速更新的計數(shù)總升

在第二行，顯示水的總成本或流量

當淋浴器運行時，按鈕在兩者之間切換顯示成本或流量

當淋浴不運行時，按鈕應清除所有數(shù)據(jù)并重置屏幕

傳感器應該是使用中斷例程讀取以避免粗略輪詢方法

更新屏幕時，我們應該只更新已更改的值，而不是每次都覆蓋整個屏幕（這會導致明顯的閃爍）

該程序遵循一個簡單的結構。通過使用 millis（）函數(shù)，我們可以創(chuàng)建實際上不會停止程序執(zhí)行的延遲。有關在不使用delay（）函數(shù)的情況下閃爍LED的示例，請參閱本教程。

millis（）函數(shù)返回自Arduino打開以來的毫秒數(shù)。通過創(chuàng)建變量“ previousMillis ”并減去 Millis（） - previousMillis（），我們可以看到自 previousMillis 更新以來經(jīng)過的時間。

如果我們希望每秒發(fā)生一次，我們可以使用以下代碼塊：

if（（millis（） - previousMillis） 》= 1000）{

previousMillis = millis（）;

toggleLED（）;

}

這會檢查 millis（）《之間是否存在差異/em》（當前時間）和 previousMillis （最后一次）大于或等于1000毫秒。如果是，我們首先要做的是將 previousMillis 設置為等于當前時間。然后我們執(zhí)行我們想要的任何其他步驟。在這個例子中，我們正在切換LED。然后我們退出這段代碼并完成其余的 loop（）函數(shù)，然后再回到開始并重復一遍。

使用它的好處簡單 delay（）函數(shù)的方法是 delay（）在指令之間留出時間間隔，但不考慮執(zhí)行時間的時間 loop（）函數(shù)中的其他指令。如果您正在做的事情需要的時間比閃爍的LED更長，例如更新LCD屏幕，那么它所花費的時間是不可忽視的，并且在幾個周期之后它會加起來。如果您正在更新時鐘上的LCD屏幕，它將很快變得不準確并落后。

現(xiàn)在，我們了解程序的整體結構，是時候插入指令了。我建議您先閱讀附帶的流程圖，而不是在此解釋每一行代碼，該流程圖對程序的功能進行了高級概述。

一旦您看到流程圖，請參考看看附帶的Arduino代碼。我?guī)缀踉u論了每一行，以明確每行的作用。

您可能希望更改代碼中的一些部分。最重要的是每升的成本。在我的城市，水費為每升0.2523￠。找到以下行，并更改該值以匹配您居住的成本：

const float COST_PER_LITRE = 0.2523; // cost per litre， in cents， from city website

如果您更喜歡使用加侖而不是升，請更改所有“LCD.print（）”行將“L”或“L/s”稱為“G”或“G/s”。然后刪除以下行：

const float CONVERSION = 450.0; // keep this uncommented for litres

。..并取消注釋該行：

const float CONVERSION = 1703.0; // uncomment this and delete the line above for gallons

在我的代碼中你可能已經(jīng)注意到了一個奇怪的東西。默認字符集不包含“￠”字符，我不想使用美元，因為大多數(shù)情況下成本會顯示為“$ 0.01”或更低。因此，我被迫創(chuàng)建一個自定義角色。以下字節(jié)數(shù)組用于表示此符號：

byte cent_sign［］ = {

B00100，

B00100，

B01111，

B10100，

B10100，

B01111，

B00100，

B00100

};

創(chuàng)建此數(shù)組后，必須“創(chuàng)建”并存儲特殊字符。

lcd.createChar（0， cent_sign）;

完成后，要打印自定義字符，我們使用以下行：

lcd.write（byte（0））; // print cents sign （￠）

LCD最多可以有8個自定義字符。關于這方面的更多信息在這里。我還遇到了這個有用的在線工具，它允許您使用圖形界面繪制自定義角色，它將自動生成自定義字節(jié)數(shù)組。

步驟13：關閉蓋子

最后，我們差不多完成了！

是時候將所有電子設備塞進外殼并希望蓋子關閉。但首先，我們需要連接30毫米的支架。我買的支架包不包括任何那么長的支架，但它配有20毫米和10毫米可以連在一起的支架。我用四個M3螺絲將四個支架擰入機箱底部的孔中（見圖1和圖2）。務必將它們牢固地擰緊，但不能太強，否則可能會損壞塑料外殼。

現(xiàn)在我們可以裝入所有電子設備。我將充電器和升壓轉換器連接到帶有雙面膠帶的蓋子上，如第三張圖所示。然后我在兩個3.5毫米插孔上的裸露金屬周圍纏上一些電氣膠帶，只是為了確保接觸連接器沒有任何東西短路。

我能夠將Arduino放在一邊，在左下角，其USB端口朝右。我使用了更多的雙面膠帶將電池固定在LCD屏幕下方的機箱底部。

最后，一旦所有東西都或多或少地卡在盒子里，蓋子可以用另外四個M3螺絲擰緊。

步驟14：測試

第一個插頭在流量傳感器的3.5mm連接器中。我建議在打開設備之前執(zhí)行此操作，因為插頭可能會在插入時進行不必要的連接。

接下來，打開主電源開關。雖然沒有水運行，但除了清除總屏幕和清除屏幕外，前面板按鈕不應執(zhí)行任何操作。由于默認情況下總數(shù)將為零，因此該按鈕似乎無法執(zhí)行任何操作。

如果您打開淋浴，則總數(shù)應該開始增加。默認情況下，會顯示成本。如果按前面板按鈕，流量將顯示在最后一行。只要淋浴器正在運行，按前面板按鈕將在顯示流速和顯示成本之間切換。一旦淋浴停止，按下前面板按鈕將重置測量并清除屏幕。

安裝

如何選擇安裝設備取決于淋浴的布局。有些淋浴器可能有一個足夠靠近淋浴頭的壁架，您只需將設備放在那里即可。在我的淋浴間，我有一個帶吸盤的籃子，我將設備放在里面。如果您沒有壁架或籃子的奢侈品，您可以嘗試使用雙面吸盤將設備固定在墻上。這僅適用于使用具有光滑背襯的現(xiàn)成機箱，或者在帶有玻璃底板的打印機上打印自定義機箱時。如果您的外殼有粗糙的背襯（如我的那樣），您可以嘗試使用一些雙面膠帶，但如果您嘗試移除設備，這可能會在您的淋浴墻上留下一些殘留物。

疑難解答

屏幕亮起，但背光關閉 - 確保跳線安裝在I 2 C側面的兩個引腳上模塊

屏幕空白，背光打開 - 運行《檢查I 2 C地址是否正確/em》 I2C掃描儀

屏幕打開，但值保持為零 - 檢查傳感器是否有來自傳感器的信號引腳2上的電壓。如果沒有信號，請檢查傳感器是否正確連接。

屏幕空白，背光關閉 - 檢查Arduino上的電源指示燈亮，并檢查屏幕是否有電

屏幕短暫亮起，然后一切都停止 - 你可能已設置升壓轉換器的電壓過高（元件無法處理超過5V）

設備正常工作，但值不正確 - 確保您使用的流量傳感器具有相同的轉換系數(shù)，即每升450個脈沖。不同的傳感器可能具有不同的值。

步驟15：現(xiàn)在開始節(jié)水！

改進

當前該軟件的版本運行良好，但最終我想添加具有不同用戶（家庭成員，室友等）的能力。該設備將存儲每個人的統(tǒng)計數(shù)據(jù)（總水和淋浴總數(shù)）以顯示每個人的平均用水量。這可以鼓勵人們競爭使用最少量的水。

有一種方法可以導出要在電子表格中查看的數(shù)據(jù)，這樣就可以將其繪制成圖形。那么你可以看到一年中哪些時候人們更頻繁和更長時間的淋浴。

這些功能都需要使用EEPROM - Arduino的內(nèi)置非易失性存儲器。這樣即使在設備關閉后也可以保留數(shù)據(jù)。

另一個有用的功能是電池指示燈。目前，設備需要充電的唯一指示是電池管理器板切斷電源。連接額外的模擬輸入以測量電池電壓很容易。由于電池電壓始終小于5V，因此甚至不需要分壓器。

其中一些想法接近于功能蔓延，這就是我沒有進一步開發(fā)軟件的原因。