DigiLevel - un livello digitale con due assi: 13 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

L'ispirazione per questo istruttivo è il Digital Spirit Level fai-da-te trovato qui da GreatScottLab. Mi piaceva questo design, ma volevo un display più grande con un'interfaccia più grafica. Volevo anche migliori opzioni di montaggio per l'elettronica nel case. Alla fine, ho usato questo progetto per migliorare le mie capacità di progettazione 3D (usando Fusion 360) e per esplorare nuovi componenti elettronici.

DigiLevel fornirà un feedback sul livello di una superficie, sia lungo l'asse x (orizzontale) che lungo l'asse y (verticale). Vengono mostrati i gradi dal livello, oltre a una rappresentazione grafica su un grafico a 2 assi. Inoltre, viene mostrato il livello della batteria e viene mostrata la temperatura attuale in Fahrenheit o Celsius (come riportato dal chip dell'accelerometro). Questo è un feedback udibile minimo - un tono iniziale per verificare la potenza, e poi un doppio tono ogni volta che il livello viene spostato da una posizione non livellata a una posizione livellata.

Ho fornito istruzioni dettagliate su come realizzare questo livello digitale, ma sentiti libero di estendere e modificare il mio progetto, proprio come ho fatto con la livella digitale fai-da-te.

Passaggio 1: materiali

Di seguito sono riportati i materiali utilizzati per mettere insieme questo livello digitale. La maggior parte dei link di acquisto sono per più pezzi, che in genere sono più economici rispetto all'acquisto dei singoli componenti. Ad esempio, il chip TP4056 viene fornito con 10 pezzi per $ 9 (meno di $ 1/TP4056) oppure può essere acquistato singolarmente per $ 5.

• Caricabatteria Li-Po TP4056 (Amazon -
• Accelerometro LSM9DS1 (Amazon -
• Arduino Nano (Amazon -
• Display LCD OLED 128x64 (Amazon -
• Altoparlante piezo (Amazon -

• Batteria Li-Po da 3,7 V (Amazon -

  a.co/d/1v9n7uP)

• Viti autofilettanti a testa bombata M2 - sono necessarie 4 viti M2x4, 6 M2x6 e 6 M2x8 (eBay -
• Interruttore a scorrimento (Amazon -

Ad eccezione delle viti, i collegamenti forniti ti porteranno ad Amazon. Quasi tutti questi articoli, tuttavia, possono essere acquistati su eBay o direttamente dalla Cina con uno sconto significativo. Tieni presente che l'ordine dalla Cina può comportare tempi di consegna lunghi (3-4 settimane non è insolito).

Si noti inoltre che esistono alternative per molti di questi componenti. Ad esempio, puoi sostituire l'LSM9DS1 con un accelerometro diverso (come l'MPU-9205). Puoi sostituire Arduino Nano utilizzando qualsiasi processore compatibile con Arduino con i pin GPIO appropriati.

In particolare, l'LSM9DS1 è quello che ho comprato in saldo su Sparkfun per meno di $10, ma normalmente ha un prezzo più alto; l'MPU-9025 (https://a.co/d/g1yu2r1) offre funzionalità simili a un prezzo inferiore.

Se si effettua una sostituzione, sarà probabilmente necessario modificare la custodia (o almeno il modo in cui si monta il componente nella custodia) e probabilmente sarà necessario modificare il software per connettersi al componente alternativo. Non ho quelle modifiche - dovrai ricercare e aggiornare a seconda dei casi.

Passaggio 2: schema elettrico

Lo schema di cablaggio descrive in dettaglio come i vari componenti elettronici sono collegati tra loro. Le linee rosse rappresentano la tensione positiva mentre le linee nere rappresentano la terra. Le linee gialle e verdi vengono utilizzate per i segnali dati dall'accelerometro e dal display LCD OLED. Vedrai come questi componenti sono collegati insieme nei passaggi seguenti.

Passaggio 3: crea il caso

Se hai una stampante 3D, la custodia può essere stampata abbastanza facilmente. I file STL inclusi in questo Instructable. Se non disponi di una stampante 3D, puoi caricare i file STL su un ufficio di stampa 3D (come questo) e farli stampare per te.

Ho stampato il mio senza bordo o zattera (e senza supporti) e riempimento del 20%, ma puoi stampare il tuo comunque sei abituato a stampare. Ogni pezzo deve essere stampato separatamente, disteso. Potrebbe essere necessario ruotarlo di 45 gradi per adattarlo al letto della stampante. Il mio è stato stampato utilizzando un Monoprice Maker Select Plus con una dimensione del letto di 200 mm x 200 mm - ogni pezzo ha richiesto circa 12 ore per la stampa. Se hai un letto più piccolo, potrebbe non essere adatto. Il ridimensionamento non è consigliato in quanto i supporti per i componenti elettronici non verranno quindi ridimensionati in modo appropriato.

Passaggio 4: collegare i componenti a una breadboard per verificare la connettività (opzionale)

Consiglio vivamente di collegare i componenti primari a una breadboard per verificare la connettività prima di procedere con il montaggio dei componenti all'interno del case. Puoi scaricare il software su Arduino Nano (vedi il passaggio successivo) e verificare che il display LCD OLED sia correttamente cablato e funzionante, e che l'accelerometro sia stato cablato correttamente e che stia riportando i suoi dati ad Arduino Nano. Inoltre, può essere utilizzato per verificare il funzionamento dell'altoparlante piezo opzionale.

Non ho collegato la batteria e il caricabatterie alla breadboard in questa fase: il collegamento dell'interruttore per controllare la batteria viene eseguito dopo aver montato l'interruttore sulla custodia. L'ultima immagine mostra come appare prima del cablaggio.

Passaggio 5: scarica il software su Arduino Nano

Il software viene caricato su Arduino Nano utilizzando l'IDE Arduino. Questo può essere fatto in qualsiasi momento durante il processo di costruzione del DigiLevel, ma è meglio farlo quando i componenti sono stati cablati usando una breadboard (vedi il passaggio precedente) per verificare il corretto cablaggio e funzionamento dei componenti elettrici.

Il software richiede l'installazione di 2 librerie. La prima è la libreria U8g2 (di oliver): puoi installarla facendo clic su "Schizzo -> Includi libreria -> Gestisci librerie…" nell'IDE di Arduino. Cerca U8g2 e quindi fai clic su Installa. La seconda libreria è la libreria Sparkfun LSM9DS1. Puoi ottenere istruzioni su come installare quella libreria qui.

Dopo le specifiche della libreria, il software ha una sezione di configurazione e un ciclo di elaborazione principale. La sezione di configurazione inizializza l'accelerometro e il display LCD OLED, quindi visualizza una schermata di avvio prima di mostrare il display principale. Se è collegato un altoparlante, verrà riprodotto un segnale acustico sull'altoparlante per indicare lo stato di accensione.

Il ciclo di elaborazione principale è responsabile della lettura dell'accelerometro, dell'ottenimento degli angoli x e y e della visualizzazione dei valori come un insieme di numeri assoluti e anche graficamente su un grafico. Viene visualizzata anche la lettura della temperatura dall'accelerometro (in Fahrenheit o Celsius). Se il livello era precedentemente non livellato, quando torna a livello genererà due beep sull'altoparlante (se collegato).

Infine, si ottiene la tensione dalla batteria per determinare e visualizzare il livello attuale della batteria. Non so quanto sia accurato questo codice, ma è abbastanza preciso da mostrare una batteria piena e il graduale abbassamento del livello della batteria durante l'uso.

Passaggio 6: montare e cablare il display OLED e l'altoparlante piezo

Il display OLED da 1,3 (128x64) si monta sulla metà superiore del case utilizzando 4 viti autofilettanti a testa bombata M2x4. Ti suggerisco di collegare i cavi al display prima del montaggio. Questo assicura che tu possa vedere come sono i pin etichettato mentre stai collegando i cavi. Una volta montato il display, non sarai in grado di vedere le etichette per i pin. Noterai che ho aggiunto un'etichetta sul lato posteriore del display in modo da poter ricordare il valori dei pin (dato che non l'ho fatto la prima volta e l'ho cablato in modo errato…).

L'altoparlante viene utilizzato per emettere un breve segnale acustico all'accensione della livella digitale per verificare che la batteria sia buona e funzionante. Emette anche un doppio tono ogni volta che il livello viene spostato da una posizione non livellata a una posizione livellata. Questo serve a fornire un feedback udibile mentre stai posizionando il livello o qualunque sia il livello su cui si trova. È montato sulla metà superiore del case utilizzando 2 viti autofilettanti a testa bombata M2x4. Non hai bisogno di un altoparlante: il DigiLevel funzionerà perfettamente senza di esso, tuttavia ti mancherà qualsiasi feedback udibile.

Passaggio 7: montare e cablare la batteria, il caricabatteria e l'interruttore

L'interruttore deve essere montato sulla custodia prima di collegarlo alla batteria. Questo perché se lo colleghi prima, non sarai in grado di montare lo switch senza scollegarlo. Quindi monta prima lo switch, quindi monta il TP4056 precablato e la batteria Li-Po, quindi completa il cablaggio allo switch.

Il TP4056 ha 4 pad di cablaggio: B+, B-, Out+, Out-. Dovrai collegare la batteria alle connessioni B+ (tensione positiva) e B- (terra). La connessione Out- viene utilizzata per la massa che andrà all'Arduino Nano e Out+ è collegata a un pin dello switch. Il secondo pin dell'interruttore viene quindi collegato al VIN dell'Arduino Nano.

Il mio lavoro di saldatura non è dei migliori: mi piace usare tubi termoretraibili per coprire e isolare il giunto saldato. Noterai che su una delle connessioni saldate qui, il tubo termoretraibile è stato colpito dal calore della saldatura e si è ridotto prima che potessi spostarlo.

Passaggio 8: montare e cablare l'accelerometro

L'accelerometro (LSM9DS1) è montato al centro della metà inferiore del case. Ci sono 4 pin da cablare: VCC va al pin V5 dell'Arduino Nano; GND va a terra; SDA va al pin A5 su Arduino Nano; e SCL va al pin A4 su Arduino Nano.

Ho usato cavi jumper con connettori Dupont per il cablaggio, tuttavia puoi saldare il cavo direttamente ai pin se preferisci. Se saldi i fili direttamente ai pin, probabilmente vorrai farlo prima di montare il chip dell'accelerometro per renderlo più semplice.

Passaggio 9: completare l'elettronica cablando Arduino Nano

Il cablaggio finale viene effettuato collegando tutti i componenti elettrici all'Arduino Nano. È meglio farlo prima di montare Arduino Nano in modo che la porta USB sia accessibile per la calibrazione e qualsiasi altra modifica del software dell'ultimo minuto.

Inizia collegando l'interruttore al Nano. Il cavo positivo (rosso) va dall'interruttore al pin VIN del Nano. Il cavo negativo (nero) della batteria andrà al pin GND del Nano. Ci sono due pin GND sul Nano e tutti e quattro i componenti elettrici hanno un filo di terra. Ho scelto di combinare i due motivi sul fondo del case in un unico cavo collegato a uno dei pin GND. I due motivi dalla parte superiore del case li ho combinati in un cavo collegato agli altri pin GND.

L'accelerometro (LSM9DS1) può essere collegato al Nano collegando il pin VDD sull'accelerometro al pin 3V3 sul Nano. NON collegarlo al pin 5V o danneggerai il chip dell'accelerometro. Collega SDA al pin A4 sul Nano e SCL al pin A5 sul Nano. Il pin GND va al pin GND sul Nano (in combinazione con il cavo negativo della batteria).

Il display LCD OLED può essere successivamente collegato al Nano collegando il pin VCC sul display al pin 5V sul Nano. Collega SDA al pin D2 del Nano e SCL al pin D5 del Nano.

Infine, l'altoparlante può essere collegato collegando il filo rosso (positivo) al pin D7 sul Nano. Il filo nero va a GND insieme al GND del display LCD OLED.

Passaggio 10: calibrazione

Una volta scaricato il software e prima di montare Arduino Nano, potrebbe essere necessario calibrare il livello. Assicurarsi che la scheda dell'accelerometro sia stata montata. Montandolo con le viti dovrebbe risultare una scheda livellata, tuttavia se è leggermente spostata per qualsiasi motivo, la calibrazione garantirà una visualizzazione corretta.

Metti il case inferiore su una superficie che è nota per essere livellata (usando una livella a bolla o altri mezzi). Leggere i valori visualizzati per X e Y. Se uno dei due è diverso da zero, sarà necessario aggiornare il software con la quantità di calibrazione. Questo viene fatto impostando la variabile xCalibration o la variabile yCalibration alla quantità appropriata (ciò che viene visualizzato).

// // Imposta queste variabili con i valori iniziali appropriati // bool displayF = true; // true per Fahrenheit, false per Celsius int xCalibration = 0; // quantità di calibrazione per livellare l'asse x int yCalibration = 0; // quantità di calibrazione per livellare l'asse y long irvCalibration = 1457; // quantità di calibrazione per la tensione di riferimento interna

A questo punto, dovresti anche impostare il valore di displayF sull'impostazione appropriata a seconda che tu voglia che la temperatura venga visualizzata in Fahrenheit o Celsius.

Ricaricare il software sul Nano dovrebbe ora comportare una lettura 0/0 su una superficie di livello noto.

Passaggio 11: montare Arduino Nano e assemblare la custodia

Una volta completata la calibrazione, puoi montare Arduino Nano nella custodia applicando della colla a caldo sulle guide e posizionando Arduino Nano su queste guide, con i pin rivolti verso l'alto e la porta USB rivolta verso l'interno della custodia.

La custodia contenente tutta l'elettronica può ora essere assemblata unendo le due metà e utilizzando 4 viti autofilettanti a testa bombata M2x8.

Passaggio 12: verifica il funzionamento del tuo nuovo livello digitale

Assicurati che la batteria Li-Po sia carica. Se la custodia è assemblata, non sarai in grado di vedere direttamente gli indicatori LED di ricarica. Se desideri verificare l'operazione di ricarica visualizzando direttamente le spie di ricarica, dovrai aprire la custodia, tuttavia dovresti essere in grado di vedere il bagliore rosso che indica che la ricarica è in corso con la custodia chiusa.

Una volta caricata e montata, accendere la livella digitale e verificarne il funzionamento. Se non funziona, i due probabili punti problematici sono il cablaggio per il display LCD OLED e il cablaggio per l'accelerometro. Se il display non mostra nulla, inizia con il cablaggio LCD OLED. Se il display funziona, ma le etichette H e V mostrano entrambe 0 e la temperatura è 0 (C) o 32 (F), probabilmente l'accelerometro non è cablato correttamente.

Fase 13: Considerazioni finali…

Ho messo insieme questo livello digitale (e Instructable) principalmente come esperienza di apprendimento. Per me era meno importante creare un livello funzionante quanto esplorare i vari componenti e le loro capacità, e poi metterli insieme in un modo che aggiungesse valore.

Che miglioramenti farei? Ce ne sono diversi che sto valutando per un futuro aggiornamento:

• Esponi la porta USB di Arduino Nano attraverso la custodia modificando il modo in cui è montata. Ciò consentirebbe aggiornamenti più facili al software (che in ogni caso dovrebbe essere raro).
• Stampa in 3D la custodia utilizzando un filamento di legno. Ho sperimentato con il filamento Hatchbox Wood e sono molto soddisfatto dei risultati che ho ottenuto. Penso che questo fornirebbe un aspetto generale migliore al DigiLevel.
• Aggiorna il design per utilizzare l'accelerometro MPU-9250 per ridurre i costi senza influire sulla funzione.

Questo è il mio primo istruibile e accetto feedback. Anche se ho cercato di evitarlo, sono sicuro che questo ha ancora una prospettiva più incentrata sugli Stati Uniti, quindi mi scuso per quelli al di fuori degli Stati Uniti.

Se l'hai trovato interessante, votami per il First Time Author Contest. Grazie per aver letto fino alla fine!

Secondo classificato nella prima volta Autore