Arduino超声波水位传感器改装浓缩咖啡机教程

我有一台性能优良但年代较久的浓缩咖啡机，配有可拆卸水箱。问题在于它没有低水位提示灯，每次缺水前我都无法提前知晓！除非打开水箱盖、拉出水箱查看（从外部根本看不见，水箱隐藏在黑色塑料外壳内），直接观察水箱状态！

这意味着在萃取浓缩咖啡时突然缺水，我不得不执行以下繁琐操作：停止水泵→打开顶盖→取出水箱→注水→放回水箱→启动加热程序→等待温度达标。这不仅让咖啡变得难以入口（尤其对意大利咖啡鉴赏家而言），整个过程还极其恼人！

更令我困惑的是，既然水箱是透明的，为何还要设计成外部不可见的形式？无论如何，我决定自制一个水位传感器，在水位过低时发出警报，让我能在重新注水前轻松完成几杯咖啡制作。

网上找到的解决方案大多不适用于咖啡机场景。初期设计时我设定了几个限制条件：

- 传感器不得侵入水箱内部：不能有任何物体接触饮用水，避免释放有害物质（如铜线可能析出氧化铜）

- 传感器不可与水箱固定连接：避免接线影响注水操作

- 方案需具备通用性：适用于所有未配备水位检测功能的浓缩咖啡机

现有项目均不满足这些条件，因此我启动了全新研发。首个版本采用光学检测方案：一侧安装LED，另一侧放置光敏电阻。当水位高于传感器时，光线通过水体传导至光敏电阻（亮状态）；水位过低时，塑料水箱会阻挡光线（暗状态）。我将光敏电阻连接至Arduino模拟输入端（配合上拉电阻），通过数值变化判断水位。

但该方案存在明显缺陷：亮/暗状态数值差异过小，导致校准困难且环境适应性差（例如开盖时外部光线会干扰读数）。因此我决定改用更可靠的检测方式。

最终方案采用超声波检测技术，这种非侵入式方法不仅能实现水位报警，还可精确测量剩余水量。现在：

- RGB指示灯显示不同状态：蓝色（水量>80%）、绿色（30%-80%）、红色（5%-30%）

- 独立红色警报灯+蜂鸣器：水量<5%时触发

这就是我设计的UWS（超声波水位传感器）系统。

第一步：开始制作

UWS系统原理：通过测量高频声波（40kHz）从发射到经水面反射返回的时间差计算水位。根据咖啡机结构选择合适的安装位置，确保传感器尽可能垂直对准水面。我的咖啡机水箱配有铰接式顶盖，因此我将传感器安装在顶盖内侧，您也可根据机型选择其他安装方式。

所需材料清单：

- Arduino UNOr3开发板（或兼容型号） ×1

- SR04或SRF05超声波传感器（推荐） ×1

- RGB LED ×1

- 红色LED ×1

- 220Ω电阻 ×2

- 蜂鸣器 ×1

- 塑料防水盒 ×1

- 12V Arduino电源 ×1

- 杜邦线及接线端子若干

建议将全部组件封装在防水盒内，我将其固定在顶盖上方。您也可将SRF05传感器外置（需做好防水保护），Arduino主控安装在其他位置。电路连接图如下：

第二步：安装传感器

确定安装位置后，在水箱盖或外壳上钻两个与超声波模块尺寸匹配的孔位。我将传感器固定在顶盖中央（如图示，位于两个备用胶囊仓之间）。

在防水盒对应位置开孔，确保传感器探头朝向水箱内部，其他元件安全置于盒内。安装时注意避免孔位过松（可用热熔胶加固），同时防止过紧导致无法安装。

参考电路图完成接线：

- 超声波传感器（SR04/SRF05）：

- Echo引脚 → D7

- Trig引脚 → D6

- Vcc/GND → Arduino 5V/GND

- 蜂鸣器：

- 正极 → D3

- 负极 → GND

- RGB LED：

- 蓝/绿/红阳极 → D9/D10/D11

- 公共阴极 → GND（经220Ω电阻）

- 红色警报LED：

- 阳极 → D12

- 阴极 → GND（经220Ω电阻）

如图所示，我使用洞洞板连接RGB LED和传感器接口（采用5针母头），您也可选择其他接线方式。最后用双面胶将防水盒固定在水箱盖上。

第三步：上传程序，享受咖啡时光!

建议先启用调试模式（取消"//define DEBUG 1"前的注释），通过串口监视器获取实际测量值：首次测试时保留约5-10mm水量（避免完全空瓶），第二次注满水箱。我的水箱参数设置为：满水3cm/空瓶16cm。

您还可调整"lBlue"、"lGreen"、"lRed"和"lEmpty"参数控制LED亮度（我的RGB LED亮度过高，故降低了数值）。程序同时支持选配的16x2 I2C液晶屏（连接至A4/A5引脚），需安装LiquidCrystal_I2C库并取消"//define IS_LCD 1"前的注释。

完成校准后禁用调试模式，重新上传程序即可正常使用。