Livella digitale con laser a linee incrociate: 15 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 09:59

Ciao a tutti, oggi vi mostro come realizzare una livella digitale con il laser cross-line integrato opzionale. Circa un anno fa ho creato un multi-tool digitale. Sebbene questo strumento presenti molte modalità diverse, per me le più comuni e utili sono le modalità di misurazione del livello e dell'angolo. Quindi, ho pensato che sarebbe stato produttivo creare un nuovo strumento più compatto focalizzato solo sul rilevamento dell'angolo. L'assemblea è semplice, quindi spero che sarà un divertente progetto per il fine settimana per le persone.

Ho anche progettato una slitta per mantenere il livello durante l'utilizzo del laser a linee incrociate. Può essere regolato di +/-4 gradi in y/x per aiutare a livellare la linea laser. La slitta può essere montata anche su un treppiede per fotocamera.

Puoi trovare tutti i file necessari per il livello sul mio Github: qui.

Il livello ha cinque modalità:

(Puoi vederli nel video qui sopra. Vederli probabilmente avrà più senso che leggere le descrizioni)

1. Livello X-Y: è come una livella a bolla circolare. Con il livello appoggiato sul retro, la modalità riporta gli angoli di inclinazione rispetto alle facce superiore/inferiore e sinistra/destra dell'utensile.
2. Livello di tiro: è come una normale livella a bolla. Con la livella in posizione verticale sulla parte superiore/inferiore/sinistra/destra, riporta l'angolo di inclinazione delle facce superiore/inferiore della livella.
3. Goniometro: come il livello di rollio, ma il livello è disteso sulla sua faccia inferiore.
4. Puntatore laser: solo un punto laser diretto, proiettato dalla faccia destra dello strumento.
5. Laser a linee incrociate: proietta una croce dalla faccia destra del livello. Questo può essere attivato anche quando si utilizzano le modalità X-Y Level o Roll Level toccando due volte il pulsante "Z". Dovrebbe essere orientato in modo tale che la faccia inferiore sia allineata con la linea laser.

Per rendere il livello più compatto e l'assemblaggio più semplice, ho incorporato tutte le parti su un PCB personalizzato. I componenti più piccoli sono di dimensioni 0805 SMD, che possono essere facilmente saldati a mano.

La custodia della livella è stampata in 3D e misura 74x60x23,8 mm con il laser a linee incrociate, 74x44x23,8 mm senza, rendendo lo strumento comodamente tascabile in entrambi i casi.

Il livello è alimentato da una batteria LiPo ricaricabile. Devo notare che i LiPo possono essere pericolosi se maneggiati in modo improprio. La cosa principale è non mettere in cortocircuito la LiPo, ma dovresti fare qualche ricerca sulla sicurezza se non hai familiarità con loro.

Infine, i due laser che uso sono a bassissima potenza e, sebbene non consiglio di puntarli direttamente agli occhi, dovrebbero essere al sicuro altrimenti.

Se hai qualche domanda, per favore lascia un commento e ti risponderò.

Forniture

PCB:

Puoi trovare il file Gerber per il PCB qui: qui (premi download in basso a destra)

Se desideri esaminare lo schema del PCB, lo puoi trovare qui.

A meno che tu non possa realizzare dei PCB localmente, dovrai ordinarne alcuni da un prototipo di produttore di PCB. Se non hai mai acquistato un PCB personalizzato prima, è molto semplice; la maggior parte delle aziende dispone di un sistema di quotazione automatizzato che accetta file Gerber zippati. Posso consigliare JLC PCB, Seeedstudio, AllPCB o OSH Park, anche se sono sicuro che anche la maggior parte degli altri funzionerà. Tutte le specifiche predefinite della scheda di questi produttori funzioneranno correttamente, ma assicurati di impostare lo spessore della scheda su 1,6 mm (dovrebbe essere l'impostazione predefinita). Il colore della tavola è la tua preferenza.

Parti elettroniche:

(nota che probabilmente puoi trovare queste parti più economiche su siti come Aliexpress, Ebay, Banggood, ecc.)

• Un Arduino Pro-mini, 5V ver. Si prega di notare che ci sono diversi modelli di schede là fuori. L'unica differenza tra loro è il posizionamento dei pin analogici A4-7. Ho realizzato il PCB del livello in modo tale che entrambe le schede funzionino. Trovato qui.
• Una scheda breakout MPU6050. Trovato qui.
• Un OLED SSD1306 da 0,96". Il colore del display non ha importanza (anche se la versione blu/gialla funziona meglio). Può essere trovato in due diverse configurazioni di pin, in cui i pin di terra/vcc sono invertiti. Entrambi funzioneranno per il livello. Trovato qui.
• Una scheda caricabatterie LiPo TP4056 1s. Trovato qui.
• Una batteria LiPo 1s. Qualsiasi tipo va bene purché si adatti a un volume di 40x50x10 mm. La capacità e l'uscita di corrente non sono estremamente importanti in quanto il consumo energetico del livello è piuttosto basso. Puoi trovare quello che ho usato qui.
• Un diodo laser da 6.5x18mm 5mw. Trovato qui.
• Un diodo laser a linee incrociate 12x40mm 5mw. Trovato qui. (opzionale)
• Due transistor a foro passante 2N2222. Trovato qui.
• Un interruttore a scorrimento 19x6x13mm. Trovato qui.
• Quattro resistori 1K 0805. Trovato qui.
• Due resistori da 100K 0805. Trovato qui.
• Due condensatori ceramici multistrato 1uf 0805. Trovato qui.
• Due pulsanti tattili a foro passante 6x6x10mm. Trovato qui.
• Intestazioni maschio da 2,54 mm.
• Un cavo di programmazione FTDI. Trovato qui, anche se altri tipi sono disponibili su Amazon per meno. Puoi anche utilizzare un Arduino Uno come programmatore (se ha un chip ATMEGA328P rimovibile), consulta una guida qui.

Altre parti:

• Venti magneti al neodimio rotondi 6x1mm. Trovato qui.
• Un quadrato acrilico trasparente da 25x1,5 mm. Trovato qui.
• Un piccolo pezzo di velcro con retro adesivo.
• Quattro viti M2 da 4 mm.

Strumenti/Rifornimenti

• stampante 3d
• Saldatore con punta fine
• Colla per plastica (per incollare quadrati acrilici, la supercolla lo appanna)
• Super colla
• Pistola per colla a caldo e colla a caldo
• Vernice+pennello (per riempire le etichette dei pulsanti)
• Spelafili/tagliafili
• Pinzette (per la manipolazione di parti SMD)
• Coltello da hobby

Parti della slitta (opzionali, se stai aggiungendo il laser a linee incrociate)

• Tre dadi M3
• Tre viti M3x16mm (o più lunghe, ti offriranno un intervallo di regolazione dell'angolo più ampio)
• Un dado da 1/4"-20 (per il montaggio del treppiede della fotocamera)
• Due magneti rotondi 6x1mm (vedi link sopra)

Passaggio 1: note di progettazione (opzionale)

Prima di lanciarmi nelle fasi di costruzione del livello, registrerò alcune note sulla sua progettazione, costruzione, programmazione, ecc. Queste sono facoltative, ma se vuoi modificare il livello in qualsiasi modo, potrebbero essere utili.

• Le immagini del montaggio che ho sono di una versione precedente del PCB. Ci sono stati alcuni piccoli problemi che da allora ho risolto con una nuova versione PCB. Ho testato il nuovo PCB, ma nella fretta di provarlo, mi sono completamente dimenticato di scattare foto di assemblaggio. Fortunatamente, le differenze sono molto piccole e l'assemblaggio è per lo più invariato, quindi le immagini più vecchie dovrebbero funzionare bene.
• Per le note su MPU6050, SSD1306 OLED e TP4056, vedere il passaggio 1 del mio strumento multiuso digitale.
• Volevo rendere il livello il più compatto possibile, pur mantenendolo facile da montare da qualcuno con abilità di saldatura medie. Pertanto, ho scelto di utilizzare principalmente componenti a foro passante e comuni schede breakout standard. Ho usato resistori/condensatori SMD 0805 perché sono abbastanza facili da saldare, puoi surriscaldarli senza preoccuparti troppo e sono molto economici da sostituire in caso di rottura / perdita di uno.
• L'utilizzo di schede breakout prefabbricate per il sensore/OLED/microcontrollore mantiene basso anche il conteggio complessivo delle parti, quindi è più facile acquistare tutte le parti per la scheda.
• Sul mio multi-strumento digitale ho usato un Wemos D1 Mini come microcontrollore principale. Ciò era dovuto principalmente ai vincoli di memoria di programmazione. Per il livello, poiché l'MPU6050 è l'unico sensore, ho scelto di utilizzare un Arduino Pro-mini. Sebbene abbia meno memoria, è un po' più piccolo di un Wemos D1 Mini e, poiché è un prodotto Arduino nativo, il supporto per la programmazione è incluso nativamente nell'IDE Arduino. Alla fine, in realtà sono arrivato molto vicino a massimizzare la memoria di programmazione. Ciò è dovuto principalmente alle dimensioni delle librerie per MPU6050 e OLED.
• Ho scelto di utilizzare la versione 5v di Arduino Pro-Mini rispetto alla versione 3.3v. Ciò è dovuto principalmente al fatto che la versione 5v ha una velocità di clock doppia rispetto alla versione 3.3v, il che aiuta a rendere il livello più reattivo. Una LiPo 1s completamente carica emette 4.2v, quindi puoi usarla per alimentare il pro-mini direttamente dal suo pin vcc. In questo modo si bypassa il regolatore di tensione 5v integrato e generalmente non dovrebbe essere fatto a meno che non si sia certi che la fonte di alimentazione non supererà mai i 5v.
• Oltre al punto precedente, sia l'MPU6050 che l'OLED accettano tensioni tra 5-3v, quindi un LiPo 1s non avrà problemi ad alimentarli.
• Avrei potuto usare un regolatore step-up da 5v per mantenere un 5v costante su tutta la scheda. Sebbene ciò sarebbe utile per garantire una velocità di clock costante (diminuisce con la diminuzione della tensione) e impedire che i laser si attenuino (il che non è molto evidente), non pensavo che valessero le parti aggiuntive. Allo stesso modo, un LiPo 1s viene scaricato al 95% a 3.6v, quindi anche alla sua tensione più bassa, il 5v pro-mini dovrebbe comunque funzionare più velocemente della versione 3.3v.
• Entrambi i pulsanti hanno un circuito antirimbalzo. Ciò impedisce che la pressione di un singolo pulsante venga conteggiata più volte. Puoi eseguire l'antirimbalzo nel software, ma preferisco farlo nell'hardware, perché ci vogliono solo due resistori e un condensatore, e quindi non devi preoccupartene mai. Se preferisci farlo nel software, puoi omettere il condensatore e saldare un ponticello tra i pad del resistore da 100K. Dovresti comunque includere il resistore da 1K.
• Il livello riporta la percentuale di carica LiPo corrente nell'angolo in alto a destra del display. Questo viene calcolato confrontando la tensione di riferimento interna di 1,1 V di Arduino con la tensione misurata sul pin vcc. Inizialmente pensavo fosse necessario utilizzare un pin analogico per farlo, che si riflette sul PCB, ma può essere tranquillamente ignorato.

Fase 2: Assemblaggio PCB Fase 1:

Per iniziare, assembleremo il PCB del livello. Per facilitare l'assemblaggio, aggiungeremo i componenti alla scheda in più fasi, ordinati per altezza crescente. Questo ti dà più spazio per posizionare il tuo saldatore, perché devi gestire solo componenti di altezze simili in qualsiasi momento.

Per prima cosa dovresti saldare tutti i resistori e i condensatori SMD sul lato superiore della scheda. I valori sono elencati sul PCB, ma è possibile utilizzare l'immagine allegata come riferimento. Non preoccuparti per il resistore da 10K, poiché non è presente sulla tua scheda. Inizialmente stavo per usarlo per misurare la tensione della batteria, ma ho trovato un modo alternativo per farlo.

Passaggio 3: assemblaggio PCB Passaggio 2:

Quindi, tagliare e spellare i fili conduttori del piccolo diodo laser. Probabilmente dovrai spogliarli fino alla base del laser. Assicurati di tenere traccia di quale lato è positivo.

Posizionare il laser nell'area ritagliata sul lato destro del PCB. Potresti voler usare un po' di colla per tenerlo in posizione. Saldare i laser porta ai fori +/- etichettati "Laser 2" come nella foto.

Quindi, saldare due 2N2222 in posizione nell'angolo in alto a destra della scheda. Assicurati che corrispondano all'orientamento stampato sulla lavagna. Quando li saldi, spingili solo a metà strada nella scheda come nella foto. Dopo che sono stati saldati, taglia via i cavi in eccesso, quindi piega i 2N2222 in modo che la faccia piatta sia contro la parte superiore della scheda come nella foto.

Fase 4: Assemblaggio PCB Fase 3:

Capovolgi la scheda e salda le singole intestazioni maschio ai fori vicino al diodo laser. Quindi, saldare il modulo TP4056 alle intestazioni, come illustrato. Assicurati che sia montato sul lato inferiore della scheda, con la porta USB allineata al bordo della scheda. Taglia via le lunghezze in eccesso delle intestazioni.

Passaggio 5: Assemblaggio PCB Passaggio 4:

Capovolgi il tabellone sul lato superiore. Utilizzando un connettore maschio di riga, saldare la scheda MPU6505 come illustrato. Cerca di mantenere l'MPU6050 il più parallelo possibile al PCB del livello. Ciò contribuirà a mantenere le letture dell'angolo iniziale vicino allo zero. Taglia via eventuali lunghezze di intestazione in eccesso.

Passaggio 6: Assemblaggio PCB Passaggio 5:

Intestazioni maschio a saldare per Arduino Pro-Mini in posizione sul lato superiore della scheda. Il loro orientamento non ha importanza, ad eccezione della riga più in alto delle intestazioni. Questa è l'intestazione di programmazione per la scheda, quindi è fondamentale che siano orientate in modo che il lato lungo delle intestazioni punti verso il lato superiore del PCB del livello. Puoi vederlo un po' nella foto. Inoltre, assicurati di utilizzare l'orientamento del pin A4-7 corrispondente al tuo Pro-Mini (il mio ha una riga lungo il fondo della scheda, ma alcuni li hanno posizionati a coppie lungo un bordo).

Successivamente, anche se non è raffigurato, puoi saldare l'Arduino Pro-Mini in posizione.

Quindi, saldare il display OLED SSD1306 in posizione sulla parte superiore della scheda. Come con l'MPU6050, cerca di mantenere il display il più parallelo possibile al PCB del livello. Si noti che le schede SSD1306 sembrano essere disponibili in due possibili configurazioni, una con i pin GND e VCC invertiti. Entrambi funzioneranno con la mia scheda, ma è necessario configurare i pin utilizzando i ponticelli sul lato posteriore del PCB del livello. Basta collegare i pad centrali ai pad VCC o GND per impostare i pin. Sfortunatamente, non ho un'immagine per questo, poiché non ho scoperto i pin invertiti fino a quando non ho acquistato e assemblato il PCB iniziale (i pin del mio display erano sbagliati, quindi ho dovuto ordinare un display completamente nuovo). Se hai domande, pubblica un commento.

Infine, taglia via le lunghezze dei perni in eccesso.

Passaggio 7: Assemblaggio PCB Passaggio 6:

Se non lo hai fatto nel passaggio precedente, salda l'Arduino Pro-Mini in posizione sulla parte superiore del PCB.

Quindi, saldare i due pulsanti tattili e l'interruttore a scorrimento in posizione come illustrato. Dovrai tagliare le linguette di montaggio dell'interruttore a scorrimento con un paio di pinze.

Passaggio 8: Assemblaggio PCB Passaggio 7:

Attacca una piccola striscia di velcro sul retro del PCB di livello e la batteria LiPo, come nella foto. Si prega di ignorare il filo rosso in più tra Arduino e il display nella prima immagine. Ho commesso un piccolo errore di cablaggio durante la progettazione del PCB. Questo è stato corretto sulla tua versione.

Quindi, collega la batteria al retro del PCB del livello usando il velcro. Quindi, tagliare e spellare i fili positivo e negativo della batteria. Saldarli ai pad B+ e B- sul TP4056 come nella foto. Il filo positivo della batteria deve essere collegato a B+ e il negativo a B-. Prima di saldare, è necessario confermare la polarità di ciascun filo utilizzando un multimetro. Per evitare di cortocircuitare la batteria, consiglio di spellare e saldare un filo alla volta.

A questo punto il PCB del livello è completo. Potresti volerlo testare prima di installarlo nella custodia. Per farlo, salta la fase di caricamento del codice.

Passaggio 9: assemblaggio della custodia Passaggio 1:

Se si aggiunge il laser a linee incrociate, stampare "Main Base.stl" e "Main Top.stl". Dovrebbero corrispondere alle parti in foto.

Se non si aggiunge il laser a linee incrociate, stampare "Main Base No Cross.stl" e "Main Top No Cross.stl". Questi sono gli stessi delle parti nella foto, ma con il vano per il laser a linee incrociate rimosso.

Puoi trovare tutte queste parti sul mio Github: qui

In entrambi i casi, incolla dei magneti rotondi da 1x6 mm in ciascuno dei fori all'esterno della custodia. Avrai bisogno di 20 magneti in totale.

Quindi, prendi il "Main Top" e incolla un quadrato acrilico da 25 mm nel ritaglio come nella foto. Non usare la colla super per questo perché appannerà l'acrilico. Se hai intenzione di riprogrammare il livello una volta assemblato, puoi ritagliare il rettangolo nell'angolo in alto a sinistra del "Main Top" usando un coltellino. Dopo che il livello è completamente assemblato, questo ti darà accesso all'intestazione della programmazione. Nota che questo è già tagliato nelle mie foto.

Infine, puoi facoltativamente utilizzare un po' di vernice per inchiostrare nelle etichette dei pulsanti "M" e "Z".

Passaggio 10: assemblaggio della custodia Passaggio 2:

In entrambi i casi, inserire la scheda livellata assemblata nella custodia. Dovrebbe essere in grado di sedersi sulle bretelle interne del case. Una volta che sei soddisfatto della sua posizione, incollalo a caldo in posizione.

Passaggio 11: caricamento del codice

Puoi trovare il codice sul mio Github: qui

Dovrai installare le seguenti librerie manualmente o utilizzando il gestore di librerie dell'IDE di Arduino:

• Sviluppo I2C
• Libreria SSD1306 di Adafruit
• Riferimento di tensione

Rendo merito al lavoro svolto da Adafruit, Roberto Lo Giacco e Paul Stoffregen nella produzione di queste librerie, senza le quali, quasi certamente, non avrei potuto portare a termine questo progetto.

Per caricare il codice, dovrai collegare un cavo di programmazione FTDI all'intestazione a sei pin sopra l'Arduino pro-mini. Il cavo FTDI dovrebbe avere un filo nero o un qualche tipo di indicatore per l'orientamento. Quando si inserisce il cavo nell'intestazione, il filo nero dovrebbe adattarsi al pin etichettato "blk" sul PCB del livello. Se lo fai nel modo giusto, il LED di alimentazione su Arduino dovrebbe accendersi, altrimenti dovrai invertire il cavo.

In alternativa, puoi caricare il codice utilizzando un Arduino Uno come descritto qui.

Quando utilizzi entrambi i metodi, dovresti essere in grado di caricare il codice come faresti su qualsiasi altro Arduino. Assicurati di selezionare Arduino Pro-Mini 5V come scheda nel menu degli strumenti durante il caricamento. Prima di caricare il mio codice, dovresti calibrare il tuo MPU6050 eseguendo l'esempio "IMU_Zero" (trovato nel menu degli esempi per l'MPU6050). Usando i risultati, dovresti cambiare gli offset nella parte superiore del mio codice. Una volta impostati gli offset, puoi caricare il mio codice e il livello dovrebbe iniziare a funzionare. Se non si utilizza il laser a linee incrociate, è necessario impostare "crossLaserEnable" su false nel codice.

La modalità del livello viene modificata utilizzando il pulsante "M". Premendo il pulsante "Z" si azzera l'angolo o si accende uno dei laser a seconda della modalità. Quando si è in modalità roll o livello x-y, premendo due volte il pulsante "Z" si accenderà il laser incrociato, se abilitato. La percentuale di carica della batteria è mostrata in alto a destra del display.

Se non riesci a caricare il codice, potresti dover impostare la scheda come Arduino Uno utilizzando il menu degli strumenti.

Se il display non si accende, controlla il suo indirizzo I2C con chi l'hai acquistato. Per impostazione predefinita nel codice è 0x3C. Puoi cambiare cambiando DISPLAY_ADDR nella parte superiore del codice. Se questo non funziona, dovrai rimuovere il PCB del livello dalla custodia e confermare che i pin del display corrispondano a quelli sul PCB del livello. Se lo fanno, probabilmente hai un display rotto (sono abbastanza fragili e possono rompersi durante la spedizione) e dovrai rimuoverlo.

Fase 12: Assemblaggio laser a linee incrociate:

Se non stai utilizzando un laser a linee incrociate, puoi saltare questo passaggio. Se lo sei, prendi il modulo laser e inseriscilo nella custodia come nella foto, dovrebbe scattare nei ritagli arrotondati per il laser.

Quindi, prendi i fili del laser e avvolgili sotto il display fino alla porta Laser 1 sul PCB del livello. Spellare e saldare i fili nelle posizioni +/- come nella foto. Il filo rosso dovrebbe essere positivo.

Ora, per rendere utile il laser a linee incrociate, è necessario allinearlo con la cassa della livella. Per fare questo, ho usato una scheda piegata ad angolo retto. Posiziona la livella e la scheda sulla stessa superficie. Accendere il laser a croce e puntarlo sulla scheda. Utilizzando un paio di pinzette o pinze, ruotare il copriobiettivo zigrinato anteriore del laser fino a quando la croce del laser è allineata con le linee orizzontali della scheda. Una volta che sei soddisfatto, fissa sia il copriobiettivo che il modulo laser a linee incrociate usando la colla a caldo.

Passaggio 13: assemblaggio finale

Prendi il "Main Top" del case e premilo sulla parte superiore della "Main Base" del case. Potrebbe essere necessario inclinarlo leggermente per farlo girare intorno al display.

Aggiornamento 2/1/2021, ha cambiato la parte superiore per fissarla con quattro viti M2 da 4 mm. Dovrebbe essere diretto.

A questo punto il tuo livello è completo! Successivamente esaminerò come costruire la slitta di precisione, che puoi realizzare facoltativamente.

Se ti fermi qui, spero che il livello ti sia utile e ti ringrazio per aver letto! Se hai domande, lascia un commento e cercherò di aiutarti.

Passaggio 14: assemblaggio della slitta di precisione Passaggio 1:

Passerò ora alle fasi di montaggio della slitta di precisione. La slitta è progettata per essere utilizzata in combinazione con la modalità livello X-Y. Le sue tre manopole di regolazione ti danno un controllo preciso sull'angolo del livello, che è utile quando si ha a che fare con superfici irregolari. La slitta include anche lo spazio per un dado da 1/4 -20, che consente di montare la livella su un treppiede per fotocamera.

Stampando un "Precision Sled.stl" e tre di entrambi "Adjustment Knob.stl" e "Adjustment Foot.stl" (nell'immagine sopra manca una manopola di regolazione)

Sul fondo della slitta, inserisci tre dadi M3 come nella foto e incollali in posizione.

Passaggio 15: assemblaggio della slitta di precisione Passaggio 2:

Prendi tre bulloni M3 da 16 mm (non due come nella foto) e inseriscili nelle manopole di regolazione. La testa del bullone dovrebbe essere a filo con la parte superiore della manopola. Questo dovrebbe essere un accoppiamento ad attrito, ma potrebbe essere necessario aggiungere un po' di supercolla per unire le manopole e i bulloni.

Quindi, infilare i bulloni M3 attraverso i dadi M3 inseriti nella slitta al punto 1. Assicurarsi che il lato con la manopola di regolazione sia sulla parte superiore della slitta come nella foto.

Incolla un piedino di regolazione sull'estremità di ciascuno dei bulloni M3 usando la colla super.

Dopo averlo fatto per tutti e tre i piedi, la slitta di precisione è completa!:)

Puoi opzionalmente inserire un dado da 1/4 -20 e due magneti rotondi da 1x6 mm nei fori al centro della slitta (assicurati che le polarità del magnete siano opposte a quelle sul fondo del livello). Questo ti permetterà di montare la slitta e livella su un treppiede per fotocamera.

Se sei arrivato fin qui, grazie per aver letto! Spero che tu abbia trovato questo informativo/utile. Se hai domande, lascia un commento.

Secondo classificato al concorso Build a Tool