Digitální vodováha s křížovým laserem: 15 kroků (s obrázky)

2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2025-01-23 14:38

Ahoj všichni, dnes vám ukážu, jak vytvořit digitální úroveň pomocí volitelného integrovaného křížového laseru. Asi před rokem jsem vytvořil digitální multi-nástroj. I když tento nástroj nabízí mnoho různých režimů, pro mě jsou nejběžnější a nejužitečnější režimy měření úrovně a úhlu. Takže jsem si myslel, že by bylo produktivní vytvořit nový, kompaktnější nástroj zaměřený pouze na snímání úhlu. Shromáždění je přímočaré, takže doufejme, že to bude zábavný víkendový projekt pro lidi.

Také jsem navrhl saně, aby držely hladinu při použití křížového laseru. Lze jej upravit o +/- 4 stupně v y/x, což pomůže vyrovnat laserovou čáru. Sáně lze také namontovat na stativ fotoaparátu.

Všechny soubory potřebné pro úroveň najdete na mém Githubu: zde.

Úroveň má pět režimů:

(Můžete je vidět ve výše uvedeném videu. Vidět je bude pravděpodobně dávat větší smysl než číst popisy)

1. Úroveň X-Y: Je to jako úroveň kruhové bubliny. Když je úroveň položena na zádech, režim hlásí úhly náklonu kolem horní/dolní a levé/pravé plochy nástroje.
2. Roll Level: Je to jako běžná vodováha. S úrovní stojící vzpřímeně na své horní/dolní/levé/pravé straně udává úhel náklonu horní/spodní plochy úrovně.
3. Úhloměr: Jako úroveň svitku, ale úroveň leží naplocho na spodní straně.
4. Laserové ukazovátko: Pouze přímý bodový laser promítaný z pravé strany nástroje.
5. Cross-Line Laser: Promítá kříž z pravé strany úrovně. To lze také aktivovat při použití režimů X-Y Level nebo Roll Level dvojitým poklepáním na tlačítko „Z“. Měly by být orientovány tak, aby spodní plocha byla zarovnána s laserovou čárou.

Aby byla úroveň kompaktnější a montáž jednodušší, začlenil jsem všechny díly na vlastní desku plošných spojů. Nejmenší součásti jsou velikosti 0805 SMD, které lze snadno pájet ručně.

Pouzdro vodováhy je 3D vytištěno a měří 74x60x23,8 mm pomocí křížového laseru, 74x44x23,8 mm bez, takže nástroj je v každém případě pohodlně kapesní.

Úroveň je napájena dobíjecí baterií LiPo. Měl bych poznamenat, že LiPo může být nebezpečné, pokud se s ním zachází nesprávně. Hlavní věcí není zkrátit LiPo, ale měli byste udělat nějaký bezpečnostní průzkum, pokud se v nich úplně nevyznáte.

Nakonec dva lasery, které používám, mají velmi nízkou spotřebu, a přestože je nedoporučuji ukazovat přímo do očí, jinak by měly být v bezpečí.

Pokud máte nějaké dotazy, zanechte prosím komentář a já se vám ozvu.

Zásoby

PCB:

Soubor Gerber pro desku plošných spojů najdete zde: zde (klikněte na stažení vpravo dole)

Pokud byste chtěli zkontrolovat schéma desky plošných spojů, najdete ji zde.

Pokud nemůžete vyrábět desky plošných spojů místně, budete si je muset objednat u prototypu výrobce desek plošných spojů. Pokud jste si nikdy předtím nepořídili vlastní desku plošných spojů, je to velmi jednoduché; většina společností má automatizovaný systém citování, který přijímá zip soubory Gerber. Mohu doporučit JLC PCB, Seeedstudio, AllPCB nebo OSH Park, i když jsem si jistý, že bude fungovat i většina ostatních. Všechny výchozí specifikace desek od těchto výrobců budou fungovat dobře, ale ujistěte se, že jste nastavili tloušťku desky na 1,6 mm (mělo by být výchozí). Barva desky je vaše preference.

Elektronické součástky:

(všimněte si, že tyto díly pravděpodobně najdete levněji na stránkách jako Aliexpress, Ebay, Banggood atd.)

• Jeden Arduino Pro-mini, 5V ver. Vezměte prosím na vědomí, že existuje několik různých návrhů desek. Jediným rozdílem mezi nimi je umístění analogových pinů A4-7. Udělal jsem PCB úrovně tak, aby obě desky fungovaly. Nalezeno zde.
• Jedna odlamovací deska MPU6050. Nalezeno zde.
• Jeden 0,96 "OLED SSD1306 OLED. Na barvě displeje nezáleží (i když modro/žlutá verze funguje nejlépe). Lze ji nalézt ve dvou různých konfiguracích pinů, kde jsou obrácené piny země/vcc. Buď bude pro danou úroveň fungovat. Nalezeno zde.
• Jedna nabíjecí deska TP4056 1 s LiPo. Nalezeno zde.
• Jedna 1s LiPo baterie. Jakýkoli druh je v pořádku, pokud se vejde do objemu 40x50x10 mm. Kapacita a proudový výstup nejsou příliš důležité, protože spotřeba energie úrovně je poměrně nízká. Tu, kterou jsem použil, najdete zde.
• Jedna laserová dioda 6,5 x 18 mm 5 mw. Nalezeno zde.
• Jedna křížová laserová dioda 12x40 mm 5 mw. Nalezeno zde. (volitelný)
• Dva tranzistory s průchozím otvorem 2N2222. Nalezeno zde.
• Jeden posuvný přepínač 19x6x13 mm. Nalezeno zde.
• Čtyři odpory 1K 0805. Nalezeno zde.
• Dva odpory 100K 0805. Nalezeno zde.
• Dva vícevrstvé keramické kondenzátory 1uf 0805. Nalezeno zde.
• Dvě hmatová tlačítka s průchozími otvory 6x6x10 mm. Nalezeno zde.
• Záhlaví 2,54 mm.
• Programovací kabel FTDI. Nalezeno zde, ačkoli jiné typy jsou k dispozici na Amazonu za méně. Jako programátor můžete také použít Arduino Uno (pokud má vyjímatelný čip ATMEGA328P), viz návod zde.

Ostatní díly:

• Dvacet kulatých neodymových magnetů 6x1 mm. Nalezeno zde.
• Jeden čirý akrylový čtverec 25x1,5 mm. Nalezeno zde.
• Malá délka suchého zipu s lepidlem.
• Čtyři 4mm šrouby M2.

Nástroje/zásoby

• 3D tiskárna
• Páječka s jemným hrotem
• Plastové lepidlo (pro lepení akrylového čtverce, superglue ho zamlžuje)
• Super lepidlo
• Horká lepicí pistole a horké lepidlo
• Barva+štětec (pro plnění štítků tlačítek)
• Odstraňovač/řezačka drátu
• Pinzeta (pro manipulaci s díly SMD)
• Hobby nůž

Části saní (volitelné, pokud přidáváte křížový laser)

• Tři matice M3
• Tři šrouby M3x16 mm (nebo delší, získáte větší rozsah nastavení úhlu)
• Jedna matice 1/4 "-20 (pro montáž na stativ fotoaparátu)
• Dva kulaté magnety 6x1 mm (viz odkaz výše)

Krok 1: Poznámky k návrhu (volitelně)

Než se pustím do stavebních kroků úrovně, zaznamenám pár poznámek k jejímu designu, konstrukci, programování atd. Ty jsou volitelné, ale pokud chcete úroveň jakýmkoli způsobem upravit, mohou být užitečné.

• Montážní obrázky, které mám, jsou starší verze desky plošných spojů. Od té doby jsem vyřešil několik malých problémů s novou verzí DPS. Testoval jsem novou desku plošných spojů, ale ve spěchu s jejím testováním jsem úplně zapomněl pořídit montážní obrázky. Naštěstí jsou rozdíly velmi malé a sestava je většinou beze změny, takže starší obrázky by měly fungovat dobře.
• Poznámky k MPU6050, SSD1306 OLED a TP4056 viz krok 1 mého digitálního nástroje s více pokyny.
• Chtěl jsem, aby byla úroveň co nejkompaktnější a zároveň aby bylo snadné ji sestavit někým, kdo má průměrné pájecí schopnosti. Proto jsem se rozhodl používat převážně průchozí díry a běžné odlamovací desky. Použil jsem rezistory/kondenzátory 0805 SMD, protože se dají poměrně snadno pájet, můžete je přehřát, aniž byste se příliš starali, a je velmi levné je vyměnit, pokud jeden rozbijete/ztratíte.
• Použití předem připravených desek pro snímač/OLED/mikrokontrolér také udržuje celkový počet součástí nízký, takže je snazší koupit všechny díly pro desku.
• Na svém digitálním multifunkčním nástroji jsem použil Wemos D1 Mini jako hlavní mikrořadič. Bylo to většinou kvůli omezením programování paměti. Pokud jde o úroveň, protože MPU6050 je jediným senzorem, rozhodl jsem se použít Arduino Pro-mini. Přestože má méně paměti, je o něco menší než Wemos D1 Mini, a protože se jedná o nativní produkt Arduino, podpora programování je v Arduino IDE obsažena nativně. Nakonec jsem se skutečně přiblížil maximalizaci programovací paměti. Je to dáno především velikostí knihoven pro MPU6050 a OLED.
• Rozhodl jsem se použít 5v verzi Arduino Pro-Mini oproti verzi 3.3v. Je to hlavně proto, že verze 5v má dvojnásobný takt než verze 3.3v, což pomáhá zvýšit odezvu úrovně. Plně nabitý 1 s LiPo má výstup 4,2 V, takže jej můžete použít k napájení pro-mini přímo z jeho vcc pinu. Tím se obejde palubní regulátor napětí 5 V a obecně by se to nemělo dělat, pokud si nejste jisti, že váš zdroj energie nikdy nepřekročí 5 V.
• Kromě předchozího bodu MPU6050 i OLED přijímají napětí mezi 5-3v, takže 1s LiPo nebude mít problémy s jejich napájením.
• Mohl jsem použít krokový regulátor 5 V, který udržuje stabilní 5 V na celé desce. I když by to bylo dobré pro zajištění konstantní rychlosti hodin (klesá s klesajícím napětím) a zabránění stmívání laserů (což není opravdu patrné), nemyslel jsem si, že by to stálo za další části. Podobně je LiPo 1 s vybitý na 95% při 3,6 V, takže i při nejnižším napětí by 5v pro-mini měl stále běžet rychleji než verze 3,3 V.
• Obě tlačítka mají obvod odskoku. Tím se zabrání opakovanému počítání stisknutí jednoho tlačítka. V softwaru můžete debounovat, ale já to raději dělám v hardwaru, protože to vyžaduje pouze dva odpory a jeden kondenzátor, a pak si s tím nemusíte dělat starosti. Pokud to dáváte přednost softwaru, můžete vynechat kondenzátor a pájet propojovací vodič mezi podložky rezistoru 100K. Stále byste měli zahrnout odpor 1K.
• Úroveň hlásí aktuální procento nabití LiPo v pravém horním rohu displeje. To se vypočítá porovnáním interního referenčního napětí 1,1 V Arduina s napětím naměřeným na pinu vcc. Původně jsem si myslel, že k tomu potřebujete použít analogový pin, který se odráží na desce plošných spojů, ale lze jej bezpečně ignorovat.

Krok 2: Sestavení desky plošných spojů Krok 1:

Nejprve sestavíme desku plošných spojů úrovně. Aby byla montáž snazší, přidáme na desku komponenty po etapách seřazené podle zvýšení výšky. To vám dává větší prostor pro umístění vaší páječky, protože se musíte v jednom okamžiku vypořádat pouze se součástmi podobné výšky.

Nejprve byste měli pájet všechny rezistory a kondenzátory SMD na horní straně desky. Hodnoty jsou uvedeny na desce plošných spojů, ale jako referenci můžete použít přiložený obrázek. Nedělejte si starosti s odporem 10K, protože není na vaší desce. Původně jsem to chtěl použít k měření napětí baterie, ale našel jsem alternativní způsob, jak to udělat.

Krok 3: Sestavení desky plošných spojů Krok 2:

Dále odřízněte a odizolujte vodiče malé laserové diody. Pravděpodobně je budete muset odizolovat až k základně laseru. Nezapomeňte sledovat, která strana je pozitivní.

Umístěte laser do výřezu na pravé straně desky plošných spojů. Možná budete chtít použít trochu lepidla, aby to drželo na svém místě. Pájejte lasery k +/- otvorům označeným „Laser 2“podle obrázku.

Dále připájejte dva 2N2222 na místo v pravém horním rohu desky. Ujistěte se, že se shodují s tištěnou orientací na desce. Když je pájíte, zatlačte je jen zhruba do poloviny do desky, jak je na obrázku. Poté, co jsou pájeny, odstřihněte přebytečné vodiče a poté 2N2222 ohněte tak, aby plochý povrch byl proti horní části desky, jak je znázorněno na obrázku.

Krok 4: Sestavení DPS Krok 3:

Otočte desku a připájejte jednotlivé zástrčky do otvorů poblíž laserové diody. Dále připájejte modul TP4056 k hlavičkám, jak je na obrázku. Ujistěte se, že je připojen ke spodní straně desky a port USB je zarovnán s hranou desky. Ořízněte nadbytečné délky záhlaví.

Krok 5: Sestavení desky plošných spojů Krok 4:

Otočte desku zpět na její horní stranu. Pomocí řádkových zástrček páječky spojte desku MPU6505 podle obrázku. Snažte se, aby MPU6050 byl co nejvíce rovnoběžný s PCB úrovně. To pomůže udržet počáteční hodnoty úhlu blízko nuly. Ořízněte nadbytečné délky záhlaví.

Krok 6: Sestavení desky plošných spojů Krok 5:

Pájené zástrčky pro Arduino Pro-Mini na místo na horní straně desky. Na jejich orientaci nezáleží, kromě nejvyšší řady záhlaví. Toto je programovací záhlaví desky, takže je důležité, aby byly orientovány tak, aby dlouhá strana záhlaví směřovala ven z horní strany desky plošných spojů úrovně. To můžete vidět na obrázku. Také se ujistěte, že používáte orientaci kolíku A4-7 odpovídající vašemu Pro-Mini (moje má jako řádek podél spodní části desky, ale některé je mají umístěny jako páry podél jednoho okraje).

Dále, i když to není na obrázku, můžete Arduino Pro-Mini připájet na místo.

Poté pájejte OLED displej SSD1306 na místo v horní části desky. Stejně jako u MPU6050 se snažte mít displej co nejvíce rovnoběžný s PCB úrovně. Všimněte si prosím, že desky SSD1306 se zdají být dodávány ve dvou možných konfiguracích, jedna s obrácenými piny GND a VCC. Oba budou fungovat s mojí deskou, ale musíte nakonfigurovat piny pomocí propojovacích padů na zadní straně PCB úrovně. Jednoduše přemostěte centrální pady na VCC nebo GND pady a nastavte piny. Bohužel pro to nemám obrázek, protože jsem se o obrácených pinech dozvěděl až poté, co jsem koupil a sestavil počáteční desku plošných spojů (kolíky mého displeje byly špatné, takže jsem musel objednat úplně nový displej). Pokud máte nějaké dotazy, napište komentář.

Nakonec ořízněte všechny přebytečné délky kolíků.

Krok 7: Sestavení desky plošných spojů Krok 6:

Pokud jste tak neučinili v předchozím kroku, připájejte Arduino Pro-Mini na místo v horní části desky plošných spojů.

Dále připájejte dvě hmatová tlačítka a posuvný spínač na místo, jak je znázorněno na obrázku. Pomocí kleští budete muset odstřihnout montážní jazýčky posuvného spínače.

Krok 8: Sestavení desky plošných spojů Krok 7:

Připojte malý proužek suchého zipu k zadní straně vyrovnané desky plošných spojů a baterie LiPo, jak je znázorněno na obrázku. Ignorujte extra červený vodič mezi Arduinem a displejem na prvním obrázku. Při návrhu DPS jsem udělal malou chybu v zapojení. Toto bylo ve vaší verzi opraveno.

Dále připevněte baterii k zadní straně desky plošných spojů pomocí suchého zipu. Poté odřízněte a odizolujte kladné a záporné vodiče baterie. Pájejte je na podložky B+ a B na TP4056 podle obrázku. Kladný vodič baterie by měl být připojen k B+a záporný k B-. Před pájením byste měli potvrdit polaritu každého vodiče pomocí multimetru. Abyste předešli zkratu baterie, doporučuji odizolovat a připájet jeden vodič najednou.

V tomto okamžiku je PCB úrovně dokončeno. Možná budete chtít vyzkoušet před instalací do pouzdra. Chcete -li to provést, přeskočte krok Odeslání kódu.

Krok 9: Sestavení kufru Krok 1:

Pokud přidáváte křížový laser, vytiskněte „Main Base.stl“a „Main Top.stl“. Měly by odpovídat zobrazeným částem.

Pokud nepřidáváte křížový laser, vytiskněte „Hlavní základna bez kříže.stl“a „Hlavní horní část bez kříže.stl“. Jsou stejné jako na obrázku, ale s odstraněnou přihrádkou pro křížový laser.

Všechny tyto části najdete na mém Githubu: zde

V obou případech přilepte kulaté magnety 1x6 mm do každého z otvorů v exteriéru pouzdra. Budete potřebovat celkem 20 magnetů.

Dále vezměte „Hlavní vrchol“a do výřezu přilepte 25 mm akrylový čtverec, jak je znázorněno na obrázku. Nepoužívejte na to super lepidlo, protože by to zamlžilo akryl. Pokud máte v plánu přeprogramovat úroveň, jakmile bude sestavena, můžete pomocí hobby nože vystřihnout obdélník v levém horním rohu „Main Top“. Po úplném sestavení úrovně vám to umožní přístup k záhlaví programování. Všimněte si, že toto je již na mých obrázcích vystřiženo.

Nakonec můžete volitelně použít trochu barvy na inkoust na štítky tlačítek „M“a „Z“.

Krok 10: Sestavení kufru Krok 2:

V obou případech vložte sestavenou desku plošných spojů do pouzdra. Měl by být schopen sedět naplocho na vnitřních stoupačkách pouzdra. Jakmile jste s jeho polohou spokojeni, přilepte jej na místo horkým lepidlem.

Krok 11: Nahrání kódu

Kód najdete na mém Githubu: zde

Následující knihovny budete muset nainstalovat buď ručně, nebo pomocí správce knihoven Arduino IDE:

• I2C Dev
• Knihovna Adafruit SSD1306
• Referenční napětí

Oceňuji práci, kterou odvedli Adafruit, Roberto Lo Giacco a Paul Stoffregen při výrobě těchto knihoven, bez nichž bych téměř určitě nebyl schopen tento projekt dokončit.

Chcete-li nahrát kód, budete muset připojit programovací kabel FTDI k šestikolíkové hlavičce nad Arduino pro-mini. Kabel FTDI by měl mít buď černý vodič, nebo nějaký druh značky pro orientaci. Když zapojíte kabel do konektoru, černý vodič by se měl vejít přes kolík označený „blk“na desce plošných spojů úrovně. Pokud to pochopíte správně, LED dioda napájení na Arduinu by se měla rozsvítit, jinak budete muset kabel obrátit.

Alternativně můžete kód nahrát pomocí Arduino Uno, jak je popsáno zde.

Při použití kterékoli metody byste měli být schopni nahrát kód jako do jakéhokoli jiného Arduina. Při nahrávání nezapomeňte vybrat desku Arduino Pro-Mini 5V v nabídce nástrojů. Před nahráním mého kódu byste měli kalibrovat váš MPU6050 spuštěním příkladu „IMU_Zero“(nachází se v nabídce příkladů pro MPU6050). Pomocí výsledků byste měli změnit offsety v horní části mého kódu. Jakmile jsou nastaveny offsety, můžete nahrát můj kód a úroveň by měla začít fungovat. Pokud křížový laser nepoužíváte, měli byste v kódu nastavit „crossLaserEnable“na hodnotu false.

Režim úrovně se mění pomocí tlačítka „M“. Stisknutím tlačítka „Z“vynulujete úhel nebo zapnete jeden z laserů v závislosti na režimu. Pokud jste v režimu buď na úrovni role nebo x-y, dvojité stisknutí tlačítka „Z“zapne křížový laser, pokud je povolen. Procento nabití baterie je zobrazeno v pravém horním rohu displeje.

Pokud nemůžete nahrát kód, možná budete muset nastavit desku jako Arduino Uno pomocí nabídky nástrojů.

Pokud se displej nezapne, zkontrolujte jeho I2C adresu u kohokoli, od koho jste jej koupili. Standardně je v kódu 0x3C. Změnit můžete změnou DISPLAY_ADDR v horní části kódu. Pokud to nefunguje, budete muset vyjmout PCB úrovně z pouzdra a potvrdit, že kolíky displeje odpovídají těm na PCB úrovně. Pokud ano, pravděpodobně máte rozbitý displej (jsou poměrně křehké a mohou se poškodit při přepravě) a budete ho muset odstranit.

Krok 12: Sestava křížového laseru:

Pokud nepoužíváte křížový laser, můžete tento krok přeskočit. Pokud ano, vezměte laserový modul a vložte jej do pouzdra podle obrázku, měl by zaklapnout do zaoblených výřezů pro laser.

Dále vezměte dráty laseru a hadem je zapojte pod displej do portu Laser 1 na desce plošných spojů úrovně. Odizolujte a připájejte vodiče do poloh +/- podle obrázku. Červený vodič by měl být kladný.

Aby byl křížový laser užitečný, musí být vyrovnán s pouzdrem úrovně. K tomu jsem použil indexovou kartu ohnutou do pravého úhlu. Umístěte vodováhu a kartotéku na stejný povrch. Zapněte křížový laser a namiřte jej na kartotéční lístek. Pinzetou nebo kleštěmi otáčejte vroubkovaným předním krytem čočky laseru, dokud nebude kříž laseru zarovnán s vodorovnými čarami indexové karty. Jakmile budete spokojeni, zajistěte krytku objektivu i modul křížového laseru horkým lepidlem.

Krok 13: Konečná montáž

Vezměte „hlavní horní část“pouzdra a zatlačte ji na horní část „hlavní základny“pouzdra. Možná ho budete muset mírně naklonit, aby se dostal kolem displeje.

Aktualizace 2/1/2021, horní část byla změněna tak, aby byla připevněna čtyřmi šrouby M2 o průměru 4 mm. Mělo by být přímočaré.

V tuto chvíli je vaše úroveň kompletní! Dále se budu zabývat tím, jak postavit přesné sáně, které si můžete volitelně vyrobit.

Pokud se zde zastavujete, doufám, že vám bude tato úroveň užitečná, a děkuji vám za přečtení! Pokud máte nějaké dotazy, zanechte prosím komentář a já se pokusím pomoci.

Krok 14: Přesná montáž saní Krok 1:

Nyní si projdu montážní kroky přesných saní. Sáně jsou určeny k použití ve spojení s režimem úrovně X-Y. Jeho tři nastavovací knoflíky vám dávají jemnou kontrolu nad úhlem úrovně, což je užitečné při řešení nerovných povrchů. Součástí saní je také prostor pro matici 1/4 -20, která umožňuje připevnění úrovně na stativ fotoaparátu.

Vytisknete jeden „Precision Sled.stl“a tři z „Adjustment Knob.stl“a „Adjustment Foot.stl“(na obrázku výše chybí jeden nastavovací knoflík)

Do spodní části saní vložte tři matice M3 podle obrázku a přilepte je na místo.

Krok 15: Sestava přesných saní Krok 2:

Vezměte tři šrouby M3 o průměru 16 mm (ne dva podle obrázku) a vložte je do nastavovacích knoflíků. Hlava šroubu by měla být v jedné rovině s horní částí knoflíku. Mělo by to být vhodné pro tření, ale možná budete muset přidat trochu superglue, abyste spojili knoflíky a šrouby dohromady.

Poté provlékněte šrouby M3 maticemi M3, které jste vložili do saní v kroku 1. Ujistěte se, že strana s nastavovacím knoflíkem je na horní straně saní, jak je znázorněno na obrázku.

Pomocí super lepidla přilepte nastavovací patku na konec každého šroubu M3.

Poté, co to uděláte pro všechny tři stopy, je přesné sáňkování kompletní!:)

Volitelně můžete do otvorů ve středu saní vložit matici 1/4 -20 a dva kulaté magnety 1x6 mm (ujistěte se, že polarita magnetů je opačná než ve spodní části úrovně). To vám umožní namontovat saně a vyrovnejte na stativu fotoaparátu.

Pokud jste se dostali až sem, děkuji za přečtení! Doufám, že jste našli toto informativní/užitečné. Pokud máte nějaké dotazy, zanechte prosím komentář.

Druhý v soutěži Build a Tool