Nivell digital amb làser transversal: 15 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:11

Hola a tothom, avui us mostraré com fer un nivell digital amb làser transversal integrat opcional. Fa aproximadament un any vaig crear una multi-eina digital. Tot i que aquesta eina presenta molts modes diferents, per a mi el més comú i útil són els modes de mesura de nivell i angle. Per tant, vaig pensar que seria productiu crear una nova eina més compacta centrada només en la detecció d’angles. L’assemblea és directa, així que espero que sigui un projecte de cap de setmana divertit per a la gent.

També he dissenyat un trineu per mantenir el nivell mentre utilitzava el làser de línies creuades. Es pot ajustar +/- 4 graus en y / x per ajudar a anivellar la línia làser. El trineu també es pot muntar en un trípode de càmera.

Podeu trobar tots els fitxers necessaris per al nivell al meu Github: aquí.

El nivell té cinc modes:

(Podeu veure'ls al vídeo anterior. Veure'ls probablement tindrà més sentit que llegir les descripcions).

1. Nivell XY: és com un nivell de bombolla circular. Amb el nivell posat a l'esquena, el mode informa dels angles d'inclinació de les cares superior / inferior i esquerra / dreta de l'eina.
2. Nivell de rotllo: és com un nivell espiritual regular. Amb el nivell dret a la part superior / inferior / esquerra / dreta, informa de l’angle d’inclinació de les cares superior / inferior del nivell.
3. Transportador: igual que el nivell del rodet, però el nivell està pla sobre la seva cara inferior.
4. Punter làser: només un làser de punt directe, projectat des de la cara dreta de l'eina.
5. Làser transversal: projecta una creu des de la cara dreta del nivell. Això també es pot activar quan s'utilitzen els modes Nivell X-Y o Nivell de rotació prement dues vegades el botó "Z". Ha d’estar orientat de manera que la cara inferior estigui alineada amb la línia làser.

Per fer el nivell més compacte i facilitar el muntatge, he incorporat totes les peces a un PCB personalitzat. Els components més petits són de mida SMD 0805, que es poden soldar fàcilment a mà.

La caixa del nivell s’imprimeix en 3D i mesura 74x60x23,8mm amb el làser de línia transversal, 74x44x23,8mm sense, cosa que fa que l’eina tingui una butxaca còmoda en qualsevol dels dos casos.

El nivell s’alimenta d’una bateria recarregable de LiPo. He de tenir en compte que els de LiPo poden ser perillosos si es manipulen de manera incorrecta. El més important no és reduir el LiPo, però hauríeu de fer algunes investigacions sobre seguretat si no esteu completament familiaritzats amb ells.

Finalment, els dos làsers que faig servir són de molt baixa potència i, tot i que no recomano apuntar-los directament cap als ulls, haurien de ser segurs en cas contrari.

Si teniu cap pregunta, deixeu un comentari i us respondré.

Subministraments

PCB:

Podeu trobar el fitxer Gerber per al PCB aquí: aquí (premeu la baixada a la part inferior dreta)

Si voleu inspeccionar l’esquema del PCB, el podeu trobar aquí.

Tret que pugueu fabricar PCB a nivell local, haureu de demanar-ne un fabricant de prototips. Si mai no heu comprat cap PCB personalitzat, és molt senzill; la majoria de les empreses tenen un sistema de cotització automatitzat que accepta fitxers Gerber comprimits. Puc recomanar JLC PCB, Seeedstudio, AllPCB o OSH Park, tot i que estic segur que la majoria d’altres també funcionaran. Totes les especificacions per defecte de la placa d’aquestes manufactures funcionaran bé, però assegureu-vos d’establir el gruix de la placa a 1,6 mm (hauria de ser la predeterminada). El color de la taula és la vostra preferència.

Parts electròniques:

(tingueu en compte que probablement trobareu aquestes parts més barates en llocs com Aliexpress, Ebay, Banggood, etc.)

• Un Arduino Pro-mini, 5V ver. Tingueu en compte que hi ha alguns dissenys de taulers diferents. L'única diferència entre ells és la col·locació dels pins A4 analogics. He fet que el PCB del nivell sigui tal que les dues taules funcionin. Trobat aquí.
• Una placa de sortida MPU6050. Trobat aquí.
• Un OLED SSD1306 de 0,96 ". El color de la pantalla no importa (tot i que la versió blava / groga funciona millor). Es pot trobar en dues configuracions de pins diferents, on els pins de terra / vcc estan invertits. Qualsevol dels dos funcionarà per al nivell. Trobareu aquí.
• Una placa de carregador LiPo TP4056 1s. Trobat aquí.
• Una bateria de 1s LiPo. Qualsevol tipus està bé sempre que encaixi amb un volum de 40x50x10mm. La capacitat i la producció de corrent no són molt importants, ja que el consum d'energia del nivell és bastant baix. Podeu trobar el que he utilitzat aquí.
• Un díode làser de 6,5x18mm de 5mw. Trobat aquí.
• Un díode làser de línia transversal de 12x40mm 5mw. Trobat aquí. (opcional)
• Dos transistors de forat 2N2222. Trobat aquí.
• Un interruptor lliscant de 19x6x13mm. Trobat aquí.
• Quatre resistències 1K 0805. Trobat aquí.
• Dues resistències 100K 0805. Trobat aquí.
• Dos condensadors ceràmics multicapa de 1uf 0805. Trobat aquí.
• Dos polsadors tàctils de forat passant de 6x6x10mm. Trobat aquí.
• Capçaleres masculines de 2,54 mm.
• Un cable de programació FTDI. Es troba aquí, tot i que altres tipus estan disponibles a Amazon per menys. També podeu utilitzar un Arduino Uno com a programador (si té un xip ATMEGA328P extraïble), consulteu aquí una guia.

Altres parts:

• Vint imants de neodimi rodons de 6x1mm. Trobat aquí.
• Un quadrat acrílic transparent de 25x1,5 mm. Trobat aquí.
• Una petita longitud de velcro adhesiu.
• Quatre cargols M2 de 4 mm.

Eines / subministraments

• Impressora 3D
• Soldador amb punta fina
• Cola de plàstic (per enganxar quadres acrílics, la superglue la tapa)
• Superglue
• Pistola de cola calenta i cola calenta
• Pintura + pinzell (per omplir etiquetes de botons)
• Decapant / tallador de filferro
• Pinces (per a la manipulació de peces SMD)
• Ganivet hobby

Parts de trineu (opcional, si afegiu el làser de línies creuades)

• Tres fruits secs M3
• Tres cargols M3x16mm (o més llargs, us proporcionaran un rang d’ajust d’angle més gran)
• Una femella de 1/4 "-20 (per al muntatge del trípode de la càmera)
• Dos imants rodons de 6x1mm (veure enllaç superior)

Pas 1: notes de disseny (opcional)

Abans de llançar-me als passos de construcció del nivell, aniré a gravar algunes notes sobre el seu disseny, construcció, programació, etc. Aquestes són opcionals, però si voleu modificar el nivell d'alguna manera, poden ser útils.

• Les imatges de muntatge que tinc són d’una versió anterior del PCB. Hi va haver alguns petits problemes que des de llavors he solucionat amb una nova versió de PCB. He provat el nou PCB, però en la meva pressa per provar-lo, vaig oblidar completament de fer fotos de muntatge. Afortunadament, les diferències són molt reduïdes i el muntatge és majoritàriament invariable, de manera que les imatges anteriors haurien de funcionar bé.
• Per obtenir notes sobre el MPU6050, SSD1306 OLED i TP4056, consulteu el pas 1 de la meva eina digital multi-instrucció.
• Volia fer que el nivell fos el més compacte possible, alhora que era fàcil de muntar per algú amb habilitats mitjanes de soldar. Per tant, vaig optar per utilitzar majoritàriament components de forats passants i taulers comuns per a la distribució. He utilitzat resistències / condensadors SMD 0805 perquè són bastant fàcils de soldar, es poden escalfar sense preocupar-se massa i són molt barats de reemplaçar en cas de trencar-ne / perdre un.
• L'ús de taules de ruptura pre-fabricades per al sensor / OLED / microcontrolador també manté baix el recompte global de peces, de manera que és més fàcil comprar totes les parts de la placa.
• A la meva eina digital múltiple vaig utilitzar un Wemos D1 Mini com a microcontrolador principal. Això es va deure principalment a restriccions de memòria de programació. Pel que fa al nivell, com que l’MPU6050 és l’únic sensor, vaig optar per utilitzar un Arduino Pro-mini. Tot i que té menys memòria, és una mica més petit que un Wemos D1 Mini i, com que és un producte natiu d’Arduino, el suport de programació s’inclou de forma nativa a l’IDE Arduino. Al final, vaig estar molt a prop de maximitzar la memòria de programació. Això es deu principalment a la mida de les biblioteques per a MPU6050 i OLED.
• Vaig optar per utilitzar la versió 5v de l’Arduino Pro-Mini sobre la versió 3.3v. Això es deu principalment a que la versió 5v té un doble de velocitat de rellotge que la versió 3.3v, cosa que ajuda a fer que el nivell sigui més sensible. Un LiPo d’1 s completament carregat emet 4.2v, de manera que podeu utilitzar-lo per alimentar el pro-mini directament des del seu pin vcc. Si ho feu, evita el regulador de voltatge incorporat de 5 V i, generalment, no s’ha de fer tret que estigueu segur que la vostra font d’energia mai no superarà els 5 V.
• A més del punt anterior, tant el MPU6050 com l’OLED accepten tensions entre 5-3v, de manera que un LiPo d’1 s no tindrà problemes d’alimentació.
• Podria haver utilitzat un regulador incremental de 5v per mantenir un 5v constant a tota la placa. Tot i que això seria bo per garantir una velocitat de rellotge constant (disminueix amb la disminució del voltatge) i evitar que els làsers s’enfosqueixin (cosa que no es nota realment), no pensava que valgués la pena les parts addicionals. De la mateixa manera, un LiPo d’1 s es descarrega al 95% a 3,6 v, de manera que fins i tot amb el voltatge més baix, el 5v pro-mini hauria de funcionar més ràpid que la versió de 3,3 v.
• Tots dos botons tenen un circuit de rebut. Això evita que es compti una sola pulsació de botó diverses vegades. Podeu rebutjar en programari, però prefereixo fer-ho en maquinari, perquè només necessita dues resistències i un condensador, i no us heu de preocupar mai. Si preferiu fer-ho amb programari, podeu ometre el condensador i soldar un cable entre els coixinets de la resistència 100K. Encara heu d’incloure la resistència 1K.
• El nivell informa del percentatge de càrrega actual de LiPo a l'extrem superior dret de la pantalla. Això es calcula comparant el voltatge de referència intern d'Arduino a 1,1 V amb el voltatge mesurat al pin vcc. Originalment, pensava que calia fer servir un pin analògic, que es reflecteix a la PCB, però que es pot ignorar amb seguretat.

Pas 2: Muntatge de PCB Pas 1:

Per començar, muntarem el PCB del nivell. Per facilitar el muntatge, afegirem components al tauler per etapes, ordenats per alçada creixent. Això us proporciona més espai per col·locar el soldador, ja que només heu de tractar components d’alçades similars alhora.

Primer heu de soldar tots els resistors i condensadors SMD de la part superior de la placa. Els valors apareixen al PCB, però podeu utilitzar la imatge adjunta com a referència. No us preocupeu per la resistència 10K, ja que no apareix a la vostra placa. Originalment l’utilitzaria per mesurar el voltatge de la bateria, però vaig trobar una forma alternativa de fer-ho.

Pas 3: Muntatge de PCB Pas 2:

A continuació, talla i tira els cables de plom del petit díode làser. Probablement haureu de despullar-los fins a la base del làser. Assegureu-vos de fer un seguiment de quin costat és positiu.

Col·loqueu el làser a la zona de tall del costat dret del PCB. És possible que vulgueu utilitzar una mica de cola per mantenir-la al seu lloc. Soldeu els làsers fins als forats +/- etiquetats com a "Làser 2" tal com es mostra a la imatge.

A continuació, soldeu dos 2N2222 en posició a l'extrem superior dret del tauler. Assegureu-vos que coincideixin amb l'orientació impresa al tauler. Quan els soldeu, només empenyeu-los aproximadament a la meitat del tauler, tal com es mostra a la imatge. Després de soldar-los, retalleu l'excés de cables i, a continuació, doblegueu els 2N2222 de manera que la cara plana quedi contra la part superior del tauler com es mostra a la imatge.

Pas 4: Muntatge de PCB Pas 3:

Capgirar el tauler i soldar capçaleres masculines individuals als forats propers al díode làser. A continuació, soldeu el mòdul TP4056 a les capçaleres, tal com es mostra a la imatge. Assegureu-vos que estigui muntat a la part inferior del tauler, amb el port USB alineat amb la vora de les taules. Retalleu l'excés de longitud de capçaleres.

Pas 5: Muntatge de PCB Pas 4:

Volteu el tauler cap a la part superior. Feu servir les capçaleres masculines d’una fila per soldar el tauler MPU6505 tal com es mostra a la imatge. Intenteu mantenir el MPU6050 el més paral·lel possible a la placa del nivell. Això ajudarà a mantenir les lectures inicials de l’angle properes a zero. Retalleu l'excés de longitud de capçalera.

Pas 6: Muntatge de PCB Pas 5:

Capçaleres masculines de soldadura per a l'Arduino Pro-Mini al seu lloc a la part superior del tauler. La seva orientació no importa, excepte la primera fila de capçaleres. Aquesta és la capçalera de programació de la placa, per la qual cosa és fonamental que estiguin orientades de manera que el costat llarg de les capçaleres estigui apuntant cap a la part superior del PCB del nivell. Una mica ho podeu veure a la imatge. A més, assegureu-vos que utilitzeu l’orientació dels pins A4-7 que coincideix amb el vostre Pro-Mini (el meu té la fila seguent a la part inferior del tauler, però n’hi ha que els col·loquen com a parells al llarg d’una vora).

A continuació, tot i que no apareix a la imatge, podeu soldar l’Arduino Pro-Mini al lloc.

A continuació, soldeu la pantalla OLED SSD1306 al seu lloc a la part superior del tauler. Igual que amb el MPU6050, intenteu mantenir la pantalla el més paral·lela possible a la PCB del nivell. Tingueu en compte que les plaques SSD1306 semblen presentar dues configuracions possibles, una amb els pins GND i VCC invertits. Tots dos funcionaran amb la meva placa, però heu de configurar els pins mitjançant els coixinets de pont a la part posterior del PCB del nivell. Simplement connecteu els coixinets centrals als coixinets VCC o GND per configurar els pins. Malauradament, no tinc cap imatge per això, ja que no vaig conèixer els pins invertits fins que vaig comprar i muntar el PCB inicial (els pins de la meva pantalla estaven equivocats, així que vaig haver de demanar una pantalla totalment nova). Si teniu cap pregunta, envieu un comentari.

Finalment, retalleu l'excés de longitud dels passadors.

Pas 7: Muntatge de PCB Pas 6:

Si no ho heu fet en el pas anterior, soldeu l'Arduino Pro-Mini al seu lloc a la part superior del PCB.

A continuació, soldeu els dos botons polsadors tàctils i l’interruptor lliscant al seu lloc tal i com es mostra a la imatge.

Pas 8: Muntatge de PCB Pas 7:

Connecteu una petita tira de velcro a la part posterior del PCB de nivell i de la bateria LiPo, tal com es mostra a la imatge. Ignoreu el cable vermell addicional entre Arduino i la pantalla de la primera imatge. Vaig cometre un petit error de cablejat en dissenyar el PCB. Això s'ha corregit a la vostra versió.

A continuació, connecteu la bateria a la part posterior del PCB del nivell mitjançant el velcro. A continuació, talla i tira els cables positius i negatius de la bateria. Soldeu-los als coixinets B + i B del TP4056 tal com es mostra a la imatge. El cable positiu de la bateria hauria d’estar connectat a B + i el negatiu a B-. Abans de soldar, heu de confirmar la polaritat de cada fil mitjançant un multímetre. Per evitar un curtcircuit de la bateria, recomano llançar i soldar un fil a la vegada.

En aquest moment, el PCB del nivell està complet. És possible que vulgueu provar-lo abans d’instal·lar-lo a la funda. Per fer-ho, ometeu el pas de càrrega de codi.

Pas 9: Muntatge de casos Pas 1:

Si afegiu el làser de línies creuades, imprimiu "Main Base.stl" i "Main Top.stl". Han de coincidir amb les parts de la imatge.

Si no afegiu el làser de línies creuades, imprimiu "Base principal sense Cross.stl" i "Main Top sense Cross.stl". Són les mateixes que les parts de la imatge, però amb el compartiment per al làser de línies creuades retirat.

Podeu trobar totes aquestes parts al meu Github: aquí

En ambdós casos, enganxeu imants rodons de 1x6mm a cadascun dels forats de l'exterior. Necessitareu 20 imants en total.

A continuació, agafeu la "part superior principal" i enganxeu un quadrat acrílic de 25 mm al retall tal com es mostra a la imatge. No utilitzeu cola súper per a això, perquè embrutarà l'acrílic. Si teniu previst reprogramar el nivell un cop muntat, podeu retallar el rectangle que hi ha a l'extrem superior esquerre de la "part superior principal" amb un ganivet hobby. Quan el nivell estigui completament muntat, això us donarà accés a la capçalera de programació. Tingueu en compte que això ja està retallat a les meves imatges.

Finalment, podeu utilitzar opcionalment una mica de pintura per tintar a les etiquetes dels botons "M" i "Z".

Pas 10: Muntatge del cas Pas 2:

Per als dos casos, inseriu el PCB de nivell muntat a la caixa. Hauria de ser capaç de seure de forma plana a les elevadores internes de la caixa. Quan estigueu satisfet amb la seva posició, enganxeu-lo al seu lloc.

Pas 11: càrrega de codi

Podeu trobar el codi al meu Github: aquí

Haureu d’instal·lar les biblioteques següents de forma manual o mitjançant el gestor de biblioteques de l’Arduino IDE:

• I2C Dev
• Biblioteca SSD1306 d'Adafruit
• Referència de tensió

Dono crèdit per la feina feta per Adafruit, Roberto Lo Giacco i Paul Stoffregen en la producció d’aquestes biblioteques, sense les quals, gairebé segur, no hauria pogut acabar aquest projecte.

Per penjar el codi, haureu de connectar un cable de programació FTDI a la capçalera de sis pins que hi ha a sobre de l’Arduino pro-mini. El cable FTDI hauria de tenir un cable negre o bé algun tipus de marcador per orientar-se. Quan introduïu el cable a la capçalera, el cable negre hauria d’adaptar-se al pin marcat com a "blk" a la placa del nivell. Si ho obteniu correctament, hauria d’encendre el LED d’alimentació de l’Arduino, en cas contrari haureu d’invertir el cable.

També podeu penjar el codi amb un Arduino Uno tal com es descriu aquí.

Quan utilitzeu qualsevol dels dos mètodes, hauríeu de poder carregar el codi com ho faríeu a qualsevol altre Arduino. Assegureu-vos de seleccionar Arduino Pro-Mini 5V com a tauler al menú d'eines en carregar. Abans de penjar el meu codi, heu de calibrar el vostre MPU6050 executant l'exemple "IMU_Zero" (que es troba al menú d'exemples del MPU6050). Amb els resultats, haureu de canviar els desplaçaments a prop de la part superior del meu codi. Un cop definides les compensacions, podeu penjar el meu codi i el nivell hauria de començar a funcionar. Si no utilitzeu el làser de línies creuades, haureu d'establir "crossLaserEnable" a false al codi.

El mode del nivell es canvia mitjançant el botó "M". Si premeu el botó "Z" es reduirà l'angle o s'encendrà un dels làsers en funció del mode. Quan estigueu en mode de rodatge o de nivell x-y, prement dues vegades el botó "Z" activarà el làser creuat si està activat. El percentatge de càrrega de la bateria es mostra a la part superior dreta de la pantalla.

Si no podeu carregar el codi, és possible que hàgiu de configurar la placa com a Arduino Uno mitjançant el menú d'eines.

Si la pantalla no s’encén, comproveu la seva adreça I2C amb qui l’heu comprat. Per defecte al codi és 0x3C. Podeu canviar canviant DISPLAY_ADDR a la part superior del codi. Si això no funciona, haureu de treure el PCB del nivell de la caixa i confirmar que els pins de la pantalla coincideixen amb els del PCB del nivell. Si ho fan, és probable que tingueu una pantalla trencada (és bastant fràgil i es pot trencar en enviar-la) i l’haureu d’eliminar.

Pas 12: Muntatge làser de línies transversals:

Si no utilitzeu un làser de línies creuades, podeu ometre aquest pas. Si ho és, agafeu el mòdul làser i introduïu-lo a la caixa tal i com es mostra a la imatge.

A continuació, agafeu els cables del làser i col·loqueu-los sota la pantalla fins al port Laser 1 del PCB del nivell. Retireu i soldeu els cables a les posicions +/- tal com es mostra a la imatge. El fil vermell ha de ser positiu.

Ara, per fer útil el làser de línies creuades, cal alinear-lo amb la caixa del nivell. Per fer-ho, he utilitzat una targeta índex doblegada en angle recte. Col·loqueu el nivell i la fitxa a la mateixa superfície. Enceneu el làser creuat i apunteu-lo cap a la targeta índex. Amb un parell de pinces o alicates, gireu el tap de la lent frontal moleteada del làser fins que la creu del làser quedi alineada amb les línies horitzontals de la targeta índex. Quan estigueu satisfets, assegureu tant la tapa de l'objectiu com el mòdul làser de línies transversals amb cola calenta.

Pas 13: Assemblea final

Agafeu la "part superior principal" de la funda i premeu-la a la part superior de la "base principal" de la funda. És possible que hagueu d’inclinar-lo lleugerament per girar-lo al voltant de la pantalla.

Actualitzada l'1/1/2021, s'ha canviat la part superior per fixar-la amb quatre cargols M2 de 4 mm. Ha de ser directe.

En aquest moment, el vostre nivell està complet. A continuació examinaré com construir el trineu de precisió, que podeu fer opcionalment.

Si us atureu aquí, espero que us sigui útil el nivell i us agraeixo la vostra lectura. Si teniu cap pregunta, deixeu un comentari i intentaré ajudar-vos.

Pas 14: muntatge de trineu de precisió Pas 1:

Ara repassaré els passos de muntatge del trineu de precisió. El trineu està pensat per ser utilitzat conjuntament amb el mode de nivell X-Y. Els seus tres comandaments d’ajust us ofereixen un bon control sobre l’angle del nivell, cosa que és útil quan es tracta de superfícies irregulars. El trineu també inclou espai per a una femella de 1/4 -20, que us permet muntar el nivell en un trípode de la càmera.

Imprimint un "Precision Sled.stl" i tres de "Adjustment Knob.stl" i "Adjustment Foot.stl" (a la imatge superior hi falta un comandament d'ajust)

A la part inferior del trineu, introduïu tres femelles M3 tal com es mostra a la imatge i enganxeu-les al seu lloc.

Pas 15: muntatge de trineu de precisió Pas 2:

Agafeu tres cargols M3 de 16 mm (no dos com es mostra a la imatge) i introduïu-los als pomos d’ajust. El cap del cargol hauria d’estar a ras de la part superior del pom. Hauria de ser un ajust de fricció, però és possible que hàgiu d'afegir una mica de superglue per unir els poms i els perns.

A continuació, introduïu els cargols M3 a través de les femelles M3 que heu inserit al trineu al pas 1. Assegureu-vos que el costat amb el pom d’ajust es troba a la part superior del trineu tal com es mostra a la imatge.

Enganxeu un peu d’ajust a l’extrem de cadascun dels cargols M3 amb una super cola.

Després de fer-ho durant els tres peus, el trineu de precisió s'ha completat.:)

Opcionalment, podeu inserir una femella de 1/4 -20 i dos imants d'1x6mm rodons als forats del centre del trineu (assegureu-vos que les polaritats de l'imant siguin oposades a les de la part inferior del nivell). Això us permetrà muntar el trineu i anivellar en un trípode de càmera.

Si heu arribat fins aquí, gràcies per llegir. Espero que us hagi estat útil / útil. Si teniu cap pregunta, deixeu un comentari.

Accèssit al concurs Construeix una eina