Digitalt niveau med tværlinjelaser: 15 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:25

Hej alle sammen, i dag vil jeg vise dig, hvordan du laver et digitalt niveau med valgfri integreret tværlinjelaser. For cirka et år siden lavede jeg et digitalt multi-værktøj. Selvom dette værktøj har mange forskellige tilstande, er niveauet og vinkelmålingstilstande mest almindelige og nyttige for mig. Så jeg tænkte, at det ville være produktivt at lave et nyt, mere kompakt værktøj, der kun fokuserer på vinkelsensing. Samlingen er ligetil, så forhåbentlig bliver det et sjovt weekendprojekt for folk.

Jeg har også designet en slæde til at holde niveauet, mens jeg bruger tværlinjelaseren. Det kan justeres med +/- 4 grader i y/x for at hjælpe med at udjævne laserlinjen. Slæden kan også monteres på et kamerastativ.

Du kan finde alle de filer, der er nødvendige for niveauet på min Github: her.

Niveauet har fem tilstande:

(Du kan se disse i videoen ovenfor. At se dem vil sandsynligvis give mere mening end at læse beskrivelserne)

1. XY niveau: Dette er som et cirkulært bobleniveau. Med niveauet på ryggen, rapporterer tilstanden vippevinklerne om værktøjets øvre/nedre og venstre/højre ansigt.
2. Roll Level: Dette er som et almindeligt vaterpas. Med niveauet stående oprejst på dets øverste/nederste/venstre/højre, rapporterer det vinklen på niveauets top/bundflader.
3. Vinkelmåler: Ligesom rullens niveau, men niveauet ligger fladt på bunden.
4. Laserpointer: Bare en laser med lige fremad, projiceret fra værktøjets højre side.
5. Cross-Line Laser: Projicerer et kryds fra højre side af niveauet. Dette kan også aktiveres, når du bruger tilstandene X-Y Level eller Roll Level ved at trykke to gange på knappen "Z". Bør være orienteret således, at bundfladen flugter med laserlinjen.

For at gøre niveauet mere kompakt og lettere at montere, har jeg indarbejdet alle delene på et brugerdefineret printkort. De mindste komponenter er 0805 SMD -størrelse, som let kan loddes i hånden.

Niveauets sag er 3D-printet og måler 74x60x23.8mm med tværlinjelaseren, 74x44x23.8mm uden, hvilket gør værktøjet behageligt i lommestørrelse i begge tilfælde.

Niveauet drives af et genopladeligt LiPo -batteri. Jeg skal bemærke, at LiPo's kan være farlige, hvis de håndteres forkert. Det vigtigste er ikke at kortslutte LiPo, men du bør foretage nogle sikkerhedsundersøgelser, hvis du ikke er helt bekendt med dem.

Endelig er de to lasere, jeg bruger, meget lavdrevne, og selvom jeg ikke anbefaler at pege dem direkte mod dine øjne, burde de ellers være sikre.

Hvis du overhovedet har spørgsmål, kan du efterlade en kommentar, så vender jeg tilbage til dig.

Forbrugsvarer

PCB:

Du kan finde Gerber -fil til printkortet her: her (hit download nederst til højre)

Hvis du gerne vil inspicere printkortets skematiske oversigt, kan du finde det her.

Medmindre du kan lave PCB'er lokalt, skal du bestille nogle fra en prototype PCB -producent. Hvis du aldrig har købt et brugerdefineret printkort før, er det meget ligetil; de fleste virksomheder har et automatiseret tilbudssystem, der accepterer zipper Gerber -filer. Jeg kan anbefale JLC PCB, Seeedstudio, AllPCB eller OSH Park, selvom jeg er sikker på, at de fleste andre også vil fungere. Alle standardkortspecifikationer fra disse producenter fungerer fint, men sørg for at indstille pladetykkelsen til 1,6 mm (burde være standard). Bordfarve er din præference.

Elektroniske dele:

(Bemærk, at du sandsynligvis kan finde disse dele billigere på websteder som Aliexpress, Ebay, Banggood osv.)

• En Arduino Pro-mini, 5V ver. Bemærk venligst, at der findes et par forskellige taveldesigner derude. Den eneste forskel mellem dem er placeringen af analoge stifter A4-7. Jeg har lavet niveauets PCB sådan, at begge tavler skulle fungere. Fundet her.
• Et MPU6050 breakout board. Fundet her.
• Én 0,96 "SSD1306 OLED. Skærmfarve er ligegyldigt (selvom den blå/gule version fungerer bedst). Kan findes i to forskellige stiftkonfigurationer, hvor jorden/vcc benene er vendt. Enten vil fungere for niveauet. Findes her.
• Et TP4056 1s LiPo opladerbræt. Fundet her.
• Et 1s LiPo batteri. Enhver slags er fin, så længe den passer i et 40x50x10mm volumen. Kapacitet og strømudgang er ikke enormt vigtig, da niveauets strømforbrug er ret lavt. Du kan finde den, jeg brugte her.
• En 6,5x18 mm 5mw laserdiode. Fundet her.
• En 12x40mm 5mw tværlinjelaserdiode. Fundet her. (valgfri)
• To 2N2222 gennemgående huller. Fundet her.
• En 19x6x13mm glidekontakt. Fundet her.
• Fire 1K 0805 modstande. Fundet her.
• To 100K 0805 modstande. Fundet her.
• To 1uf 0805 keramiske kondensatorer i flere lag. Fundet her.
• To 6x6x10mm gennemgående huller taktile trykknapper. Fundet her.
• 2,54 mm hanhoveder.
• Et FTDI -programmeringskabel. Fundet her, selvom andre typer er tilgængelige på Amazon for mindre. Du kan også bruge en Arduino Uno som programmør (hvis den har en aftagelig ATMEGA328P -chip), se en vejledning til det her.

Andre dele:

• Tyve 6x1 mm runde neodymmagneter. Fundet her.
• En 25x1,5 mm klar akryl firkant. Fundet her.
• En lille længde med klæbende velcro.
• Fire 4 mm M2 skruer.

Værktøj/tilbehør

• 3D printer
• Loddejern m/ fin spids
• Plastlim (til limning af firkantet akryl, superlim fjerner det)
• Super lim
• Varm limpistol og varm lim
• Maling+pensel (til påfyldning af knapetiketter)
• Wire stripper/cutter
• Pincet (til håndtering af SMD -dele)
• Hobbykniv

Slædedele (valgfrit, hvis du tilføjer krydslinjelaseren)

• Tre M3 nødder
• Tre M3x16mm skruer (eller længere, giver dig et større vinkeljusteringsområde)
• En 1/4 "-20 møtrik (til kamerastativmontering)
• To 6x1 mm runde magneter (se link ovenfor)

Trin 1: Designnotater (valgfrit)

Inden jeg går i gang med niveauets konstruktionstrin, vil jeg optage et par noter om dets design, konstruktion, programmering osv. Disse er valgfri, men hvis du vil justere niveauet på en eller anden måde, kan de være nyttige.

• Samlingsbillederne jeg har er af en ældre version af printkortet. Der var et par små problemer, som jeg siden har løst med en ny PCB -version. Jeg har testet det nye printkort, men i min hast med at teste det, glemte jeg helt at tage samlingsbilleder. Heldigvis er forskellene meget små, og samlingen er for det meste uændret, så de ældre billeder skulle fungere fint.
• For noter om MPU6050, SSD1306 OLED og TP4056, se trin 1 i mit digitale multi-værktøj, der kan instrueres.
• Jeg ville gøre niveauet så kompakt som muligt, samtidig med at det var let at montere af en med gennemsnitlige loddeevner. Derfor valgte jeg at bruge hovedsageligt gennemgående huller og almindelige off-the-shelf breakout boards. Jeg brugte 0805 SMD modstande/kondensatorer, fordi de er ret lette at lodde, du kan overophedes uden at bekymre dig for meget, og de er meget billige at udskifte, hvis du skulle gå i stykker/miste en.
• Brug af præfabrikerede breakout-tavler til sensoren/OLED/mikrokontroller holder også det samlede antal tæller lavt, så det er lettere at købe alle dele til tavlen.
• På mit Digitale Multi-værktøj brugte jeg en Wemos D1 Mini som den vigtigste mikrokontroller. Dette skyldtes hovedsageligt programmering af hukommelsesbegrænsninger. For niveauet, fordi MPU6050 er den eneste sensor, valgte jeg at bruge en Arduino Pro-mini. Selvom det har mindre hukommelse, er det lidt mindre end en Wemos D1 Mini, og da det er et indbygget Arduino -produkt, er programmeringsstøtte inkluderet indbygget i Arduino IDE. Til sidst kom jeg faktisk meget tæt på at maksimere programmeringshukommelsen. Dette skyldes hovedsageligt bibliotekernes størrelse til MPU6050 og OLED.
• Jeg valgte at bruge 5v-versionen af Arduino Pro-Mini frem for 3.3v-versionen. Dette skyldes hovedsageligt, at 5v -versionen har en dobbelt clockhastighed på 3.3v -versionen, hvilket hjælper med at gøre niveauet mere lydhørt. En fuldt opladet 1s LiPo sender 4.2v, så du kan bruge den til at drive pro-mini direkte fra sin vcc-pin. Dette omgår den indbyggede 5v spændingsregulator, og bør generelt ikke gøres, medmindre du er sikker på, at din strømkilde aldrig vil overstige 5v.
• Ud over det forrige punkt accepterer både MPU6050 og OLED spændinger mellem 5-3v, så en 1s LiPo vil ikke have problemer med at drive dem.
• Jeg kunne have brugt en 5v step-up regulator til at opretholde en stabil 5v på tværs af hele brættet. Selvom dette ville være godt for at sikre en konstant urhastighed (det falder med faldende spænding) og forhindre laserne i at dæmpe (hvilket ikke er mærkbart), troede jeg ikke, at det var de ekstra dele værd. På samme måde er en 1s LiPo 95% afladet ved 3,6v, så selv ved den laveste spænding bør 5v pro-mini stadig køre hurtigere end 3,3v-versionen.
• Begge knapper har et debounce -kredsløb. Dette forhindrer, at et enkelt tryk på en knap tælles flere gange. Du kan debounce i software, men jeg foretrækker at gøre det i hardware, for det tager kun to modstande og en kondensator, og så behøver du aldrig bekymre dig om det. Hvis du foretrækker at gøre det i software, kan du udelade kondensatoren og lodde en jumperledning mellem 100K modstandens pads. Du bør stadig inkludere 1K -modstanden.
• Niveauet rapporterer den aktuelle LiPo -opladningsprocent i øverste højre hjørne af displayet. Dette beregnes ved at sammenligne Arduino's interne 1.1V referencespænding med spændingen målt ved vcc pin. Oprindeligt troede jeg, at du skulle bruge en analog pin til at gøre dette, hvilket afspejles på printkortet, men sikkert kan ignoreres.

Trin 2: PCB -samling Trin 1:

Til at begynde med samler vi niveauets PCB. For at gøre samlingen lettere, tilføjer vi komponenter til brættet i trin, sorteret efter stigende højde. Dette giver dig mere plads til at placere dit loddejern, fordi du kun skal beskæftige dig med komponenter af lignende højder til enhver tid.

Først skal du lodde alle SMD -modstande og kondensatorer på oversiden af brættet. Værdierne er angivet på printkortet, men du kan bruge det vedhæftede billede til reference. Du skal ikke bekymre dig om 10K -modstanden, da den ikke findes på dit bord. Jeg skulle oprindeligt bruge det til at måle batterispændingen, men jeg fandt en alternativ måde at gøre det på.

Trin 3: PCB -samling Trin 2:

Skær derefter og fjern ledningerne på den lille laserdiode. Du skal sandsynligvis fjerne dem helt til bunden af laseren. Sørg for at holde styr på, hvilken side der er positiv.

Placer laseren i udskæringsområdet på højre side af printkortet. Du vil måske bruge lidt lim til at holde den på plads. Lodning af laserne fører til +/- hullerne mærket "Laser 2" som vist på billedet.

Derefter loddes 2N2222'er på plads i øverste højre hjørne af brættet. Sørg for, at de matcher den udskrevne retning på tavlen. Når du lodder dem, skal du kun skubbe dem cirka halvvejs ind i brættet som på billedet. Når de er loddet, skal du fjerne eventuelle overskydende ledninger og derefter bøje 2N2222'erne, så det flade ansigt er mod toppen af brættet som på billedet.

Trin 4: PCB -samling Trin 3:

Vend brættet om, og lod enkeltmandsoverskrifter til hullerne nær laserdioden. Lod derefter TP4056 -modulet til overskrifterne, som vist på billedet. Sørg for, at den er monteret på undersiden af kortet, med USB -porten på linje med bræddernes kant. Beskær eventuelle overskydende længder af overskrifter.

Trin 5: PCB -samling Trin 4:

Vend brættet tilbage til oversiden. Ved hjælp af en række hanhoveder loddes MPU6505 -kortet som på billedet. Prøv at holde MPU6050 så parallel med niveauets PCB som muligt. Dette vil hjælpe med at holde sine indledende vinkelaflæsninger tæt på nul. Beskær eventuelle overskydende headerlængder væk.

Trin 6: PCB -samling Trin 5:

Lodde hanhoveder til Arduino Pro-Mini på plads på oversiden af brættet. Deres orientering er ligegyldig, bortset fra den øverste række af overskrifter. Dette er programmeringsoverskriften til tavlen, så det er kritisk, at de er orienteret, så den lange side af overskrifterne peger ud af oversiden af niveauets printkort. Du kan lidt se dette på billedet. Sørg også for, at du bruger A4-7 pin-retningen, der matcher din Pro-Mini (min har en række langs bunden af brættet, men nogle har dem placeret som par langs den ene kant).

Selvom det derefter ikke er afbildet, kan du lodde Arduino Pro-Mini på plads.

Derefter loddes SSD1306 OLED -skærmen på plads på toppen af brættet. Ligesom med MPU6050, prøv at holde skærmen som en parallel til niveauets PCB som muligt. Bemærk, at SSD1306 -kort synes at komme i to mulige konfigurationer, den ene med GND- og VCC -benene vendt. Begge vil fungere med mit bord, men du skal konfigurere stifterne ved hjælp af jumperpuderne på bagsiden af niveauets printkort. Du skal blot bygge bro mellem de centrale puder til enten VCC- eller GND -puderne for at indstille stifterne. Desværre har jeg ikke et billede til dette, da jeg først fandt ud af om de omvendte ben, efter at jeg havde købt og samlet det første printkort (mit displays pins var forkerte, så jeg var nødt til at bestille et helt nyt display). Hvis du har spørgsmål, kan du skrive en kommentar.

Til sidst klippes eventuelle overskydende stiftlængder væk.

Trin 7: PCB -samling Trin 6:

Hvis du ikke gjorde det i det foregående trin, loddes Arduino Pro-Mini på plads på toppen af printkortet.

Derefter loddes de to taktile trykknapper og glidekontakten på plads som vist på billedet. Du skal trimme glidekontaktens monteringsfaner væk med en tang.

Trin 8: PCB -samling Trin 7:

Sæt en lille stribe velcro på bagsiden af niveau -printet og LiPo -batteriet, som vist på billedet. Ignorer venligst den ekstra røde ledning mellem Arduino og displayet i det første billede. Jeg lavede en lille ledningsfejl, da jeg designede printkortet. Dette er blevet rettet på din version.

Sæt derefter batteriet på bagsiden af niveauets PCB ved hjælp af velcroen. Skær derefter og fjern batteriets positive og negative ledninger. Lod dem til B+ og B- elektroderne på TP4056 som vist på billedet. Batteriets positive ledning skal tilsluttes B+, og den negative til B-. Inden lodning bør du bekræfte hver lednings polaritet ved hjælp af en multimeter. For at undgå at kortslutte batteriet anbefaler jeg, at man fjerner og lodder én ledning ad gangen.

På dette tidspunkt er niveauets PCB fuldført. Du vil måske teste det, før du installerer det i etuiet. For at gøre det skal du springe ti trin over kodeoverførsel.

Trin 9: Kassemontering Trin 1:

Hvis du tilføjer krydslinjelaseren, skal du udskrive "Main Base.stl" og "Main Top.stl". De skal matche delene på billedet.

Hvis du ikke tilføjer krydslinjelaseren, skal du udskrive "Main Base No Cross.stl" og "Main Top No Cross.stl". Disse er de samme som de afbildede dele, men med rummet til tværlinjelaseren fjernet.

Du kan finde alle disse dele på min Github: her

I begge tilfælde limes 1x6 mm runde magneter ind i hvert af hullerne i kabinettets ydre. Du skal bruge 20 magneter i alt.

Tag derefter "Main Top" og lim en 25 mm akryl firkant ind i udskæringen som på billedet. Brug ikke superlim til dette, fordi det vil tåge akryl. Hvis du planlægger at omprogrammere niveauet, når det er samlet, kan du skære rektanglet ud i øverste venstre hjørne af "Main Top" ved hjælp af en hobbykniv. Når niveauet er samlet, giver dette dig adgang til programmeringsoverskriften. Bemærk, at dette allerede er skåret ud i mine billeder.

Endelig kan du eventuelt bruge lidt maling til at blække i "M" - og "Z" -knapetiketterne.

Trin 10: Kassemontering Trin 2:

I begge tilfælde skal du indsætte det samlede PCB i kabinettet. Det skal kunne sidde fladt på sagens interne stigerør. Når du er tilfreds med placeringen, lim den på plads.

Trin 11: Upload af kode

Du kan finde koden på min Github: her

Du bliver nødt til at installere følgende biblioteker enten manuelt eller ved hjælp af Arduino IDEs biblioteksstyring:

• I2C Dev
• Adafruit's SSD1306 bibliotek
• Spændingsreference

Jeg giver æren for det arbejde, Adafruit, Roberto Lo Giacco og Paul Stoffregen har udført med at producere disse biblioteker, uden hvilket jeg næsten helt sikkert ikke ville have været i stand til at gennemføre dette projekt.

For at uploade koden skal du tilslutte et FTDI-programmeringskabel til det seksbenede overskrift over Arduino pro-mini. FTDI -kablet skal enten have en sort ledning eller en slags markør til orientering. Når du sætter kablet i headeren, skal den sorte ledning passe over stiften mærket "blk" på niveauets printkort. Hvis du får det den rigtige vej rundt, skal strøm -LED'en på Arduino lyse, ellers bliver du nødt til at vende kablet.

Du kan alternativt uploade koden ved hjælp af en Arduino Uno som beskrevet her.

Når du bruger en af metoderne, skal du være i stand til at uploade koden, som du ville til enhver anden Arduino. Sørg for at vælge Arduino Pro-Mini 5V som tavlen under værktøjsmenuen, når du uploader. Inden du uploader min kode, skal du kalibrere din MPU6050 ved at køre "IMU_Zero" eksempel (findes under menuen eksempler på MPU6050). Ved hjælp af resultaterne skal du ændre forskydningerne nær toppen af min kode. Når forskydningerne er indstillet, kan du uploade min kode, og niveauet skal begynde at fungere. Hvis du ikke bruger krydslinjelaseren, skal du indstille "crossLaserEnable" til falsk i koden.

Niveauets tilstand ændres ved hjælp af knappen "M". Hvis du trykker på "Z" -knappen, nulstilles vinklen eller tænder en af laserne afhængigt af tilstanden. Når du er i enten roll- eller xy-niveau-tilstand, skal du trykke på "Z" -knappen ved at trykke på krydslaseren, hvis den er aktiveret. Batteriets opladningsprocent vises øverst til højre på displayet.

Hvis du ikke kan uploade koden, skal du muligvis indstille tavlen som en Arduino Uno ved hjælp af værktøjsmenuen.

Hvis skærmen ikke tændes, skal du kontrollere dens I2C -adresse hos hvem du end har købt den fra. Som standard er koden 0x3C. Du kan ændre ved at ændre DISPLAY_ADDR øverst i koden. Hvis dette ikke virker, skal du fjerne niveauets PCB fra sagen og bekræfte, at displayets pins matcher dem på niveauets PCB. Hvis de gør det, har du sandsynligvis et ødelagt display (de er temmelig skrøbelige og kan komme i stykker i forsendelsen), og du bliver nødt til at fjerne det.

Trin 12: Cross-Line Laser Assembly:

Hvis du ikke bruger en tværlinjelaser, kan du springe dette trin over. Hvis du er det, skal du tage lasermodulet og indsætte det i etuiet som på billedet, det skal klikke ind i de afrundede udskæringer til laseren.

Tag derefter lasers ledninger og slange dem under displayet til Laser 1 -porten på niveauets printkort. Strip og lod lodningerne til +/- positionerne som vist på billedet. Den røde ledning skal være positiv.

For at gøre tværlinjelaseren nyttig skal den tilpasses niveauets sag. For at gøre dette brugte jeg et indekskort bøjet i en ret vinkel. Placer både niveauet og indekskortet på den samme overflade. Tænd for krydslaseren og peg den mod indekskortet. Brug en pincet eller en tang til at dreje laserens riflede frontlinsedæksel, indtil laserkrysset flugter med indekskortets vandrette linjer. Når du er tilfreds, skal du sikre både objektivdækslet og tværlinjelasermodulet med varm lim.

Trin 13: Endelig samling

Tag "Main Top" af sagen, og tryk den på toppen af "Main Base" af sagen. Du skal muligvis vinkle den lidt for at få den rundt om skærmen.

Opdatering 2/1/2021, skiftet top til fastgørelse med fire 4 mm M2 skruer. Skal være ligetil.

På dette tidspunkt er dit niveau fuldført! Jeg vil derefter gå over, hvordan du bygger den præcisionsslæde, som du eventuelt kan lave.

Hvis du stopper her, håber jeg, at du finder niveauet nyttigt, og jeg takker dig, fordi du læste! Hvis du har spørgsmål, kan du efterlade en kommentar, så prøver jeg at hjælpe.

Trin 14: Precision Sled Assembly Trin 1:

Jeg vil nu gå over samlingstrinnene til præcisionsslæden. Slæden er beregnet til at blive brugt i forbindelse med tilstanden XY. Dens tre justeringsknapper giver dig fin kontrol over niveauets vinkel, hvilket er nyttigt, når du håndterer ujævne overflader. Slæden indeholder også plads til en 1/4 -20 møtrik, som giver dig mulighed for at montere niveauet på et kamerastativ.

Ved at udskrive en "Precision Sled.stl" og Three af både "Justeringsknap.stl" og "Justeringsfod.stl" (billedet ovenfor mangler en justeringsknap)

I bunden af slæden indsættes tre M3 møtrikker som vist på billedet, og lim dem på plads.

Trin 15: Samling af præcisionsslæde Trin 2:

Tag tre 16 mm M3 bolte (ikke to som vist på billedet), og sæt dem ind i justeringsknapperne. Boltets hoved skal flugte med toppen af knappen. Dette skal passe til en friktion, men du skal muligvis tilføje en smule superlim for at binde knopperne og boltene sammen.

Træk derefter M3 -boltene gennem de M3 -møtrikker, du indsatte i slæden i trin 1. Sørg for, at siden med justeringsknappen er øverst på slæden som på billedet.

Lim en justeringsfod på enden af hver af M3 -boltene med superlim.

Efter at have gjort dette for alle tre fødder, er præcisionsslæden komplet!:)

Du kan valgfrit indsætte en 1/4 -20 møtrik og to 1x6 mm runde magneter i hullerne i midten af slæden (sørg for at magnetpolariteterne er modsat dem i bunden af niveauet). Dette lader dig montere slæden og niveau på et kamerastativ.

Hvis du har nået så langt, tak fordi du læste! Jeg håber, at du fandt dette informativt/nyttigt. Hvis du har spørgsmål, bedes du efterlade en kommentar.

Nummer to i opbygningen af en værktøjskonkurrence