带陀螺仪传感器的钻孔深度显示

描述

如果您必须为项目钻孔一定深度，则需要带有深度显示的台钻。大多数台钻都有一个带箭头的尺子用于阅读。钻孔的成功取决于您读取所需位置的准确度。在这个 Arduino 项目中，我提出了一个替代方案：带有陀螺仪传感器的钻孔深度显示器和带有 Arduino 支持的 7 段显示器。

我在车间最常使用的机器不是锯或磨床。到目前为止，这是台钻。无论项目如何，它实际上总是被使用。如果我需要一定的钻孔深度，我可以使用机器上的内置尺子。记住我必须钻到的深度。它实际上运作良好。

但是随着年龄的增长——是的，是的，是的——对我来说，以毫米精度读取深度变得越来越困难。而如果光线不够亮，则几乎无法阅读。但是只是为此戴上眼镜？钻孔后，眼镜存放在哪里？我还没有那么远。

忠实于“2 Secon Lean”中 Paul Akers 的座右铭：

修复你的问题！

必须有一个更好的解决方案，你只需思考并做到。

测量可能性

我当然可以在刻度前放一个放大镜，使尺子更容易阅读。它会改善读数，但我必须记住每种情况下的测量值也无济于事。如果你在做手工艺品，那也应该很有趣。

这就是为什么电子解决方案要好得多的原因。最好在一个小空间里，以便所有东西都放在钻头的开/关开关旁边。对于这种情况，我喜欢使用 Arduino Nano。它有足够的引脚来控制几乎所有东西，并且相应地很小。

但是如何测量钻孔深度？长度测量有多种可能性。安装超声波测量？可以工作，但只需要一点机械装置，它与钻头一起移动作为反射表面。还是使用拉线编码器？如果您自己构建它是可能的，但非常复杂：带有转盘、叉形光栅和弹簧复位。最好马上带一个旋转编码器？这将意味着更少的组件 - 是的，但它太粗糙了，你必须安装齿轮才能翻译。

好吧，那就多想想吧。

我的钻头和大多数钻头一样，侧面有一个手轮来调节深度。它可以旋转大约。270°。所以甚至没有一个完整的回合。

这非常适合使用陀螺仪传感器进行角度测量。电缆连接不能扭曲，只需要一个便宜的组件。陀螺仪传感器也可以很容易地直接连接到手轮的旋转轴上。

概念

在指定钻孔深度时，我总是以相同的方式进行：用钻头刮擦表面，记下坐标，然后添加所需的钻孔深度，最后钻孔直到达到深度。

我想保留基本流程。为了不钻得太深，我想收到有关何时达到钻孔深度的信息。

一个按钮接管了这个功能。当您按下它时，Arduino 会将当前钻孔位置保存为停止值，并在以后到达时随时提醒我。

其余组件占用更多空间且重量明显更大。幸运的是，我的机器外壳是金属制成的。这就是为什么我使用钕磁铁来固定它。

问题仍然存在，传感器应该如何连接到机器上？

钻头的轴上有一个 SW17 六角螺母。所以我只需要一个可以接受传感器并且可以插入六角螺母的 3D 打印组件。

所需组件

• Arduino纳米
• 陀螺仪传感器 GY-521
• 8位7段模块（带MAX7219 IC的SPI版本）
• 按钮
• 开/关
• 电源：用于 AA 或 AAA 电池或移动电源的电池夹
• 3D打印外壳
• 钕磁铁

陀螺仪传感器的连接

陀螺仪传感器通过 I2C 连接。所以我们必须为 Nano 使用 A5 和 A4。

• VCC -> 5V
• 接地 -> 接地
• SCL -> A5
• SDA -> A4
• XDA -> 未连接
• XCL -> 未连接
• ADO -> 未连接
• INT -> 未连接

7段模块

连接 7 段模块时可以使用任何数字引脚。使用 Arduino 草图设置引脚。

• VCC -> 3.3V
• 接地 -> 接地
• DIN -> D12
• CS -> D10
• 时钟-> D11

按钮

按钮的输入引脚也可以自由选择。我正在使用引脚 D9。

电源

对于电源，我使用 6 节 AA 电池。在开/关开关后，它们为整个系统供电。

套管

我使用 Autodesk Fusion 360 设计了外壳。我使用 Anycubic i3 Mega 创建了 3D 打印。

用于连接机器的钕磁铁被粘在里面。如果整个钻孔深度显示受到阻碍，所有东西都会很快被移除。

阿杜诺素描

我使用LedControl.h库来控制 7 段显示。如果您还没有安装这些，您必须首先使用库管理器安装它们。

陀螺仪传感器通过 I2C 总线连接。在为传感器寻找可能的库时，我决定不使用任何库。通信是通过Wire.h 进行的。

在文章的末尾，您会找到一些帮助我理解的链接。

7 段显示器的控制与LedControl配合得非常好。

用引脚初始化后，设置过程只需要一些准备工作即可唤醒显示器并调整亮度。

在循环部分，显示屏仅以数字显示当前钻孔深度和停止位置（如果已设置）。

显示器需要每个数字作为字符类型。我想使用小数位作为准确性。函数 dtostrf 将浮点数转换为字符数组。然后变成一个字符串以在显示屏上按字符显示。

dtostrf ( currentPos, 4,1, txt ) ;
s = '' + String ( txt ) ;
lc. setChar ( 0,4, see charAt ( see length () -1 ) , false ) ;
lc. setChar ( 0.5, see charAt ( see length () -3 ) , true ) ;
lc. setChar ( 0.6, see charAt ( see length () -4 ) , false ) ;
lc. setChar ( 0.7, see charAt ( see length () -5 ) , false ) ;

到达停止位置时，显示屏上会出现“StOP”。可以使用setRow过程和适当的位模式 B00001111 生成小“t”。

读取陀螺仪传感器通过线库的功能工作。我只使用加速度计来确定角位置。

使用 USB 连接到 Arduino IDE 时，一切正常。拔下并连接外部电源后，传感器没有提供任何数据。它仅在重置 Arduino 后再次起作用。

这让我在整个项目中最头疼。你可以说钻孔深度指示器可能救了我的眼睛，但这就是我拔掉几乎所有头发的原因！

经过长时间的搜索，在唤醒传感器后设置等待时间是解决方案。这使得延迟（1000）成为整个源代码中最重要的命令。

//prepare GY-521 sensor
//we use only accelerator data
Wire.begin();
Wire.beginTransmission(MPU);
Wire.write(0x6B);
Wire.write(0x00); // wake up MPU
Wire.endTransmission(true);

//this delay was very necessary in my case!
delay(1000);

Wire.beginTransmission(MPU);
Wire.write(0x1C); //register ACCEL_CONFIG
Wire.write(0x10); //Set as 00010000 for +/- 8g full scale range
Wire.endTransmission(true);

偏移值必须在一开始就为传感器确定好，否则数值会出现波动。在设置部分，测量了 100 个值并对偏差进行平均。

从传感器数据计算角度并不容易。但是有很多关于如何进行计算的说明。

使用以下公式计算以度为单位的 X 角：

AccAngleX = (atan ((AccY) / sqrt (pow ((AccX), 2) + pow ((AccZ), 2))) * rad_to_deg);

但是，加速度传感器的数值波动很大。因此，当前计算的值与之前的值各取 50% 的平均值。

TotalAngleX = 0.5 * TotalAngleX + 0.5 * AccAngleX;

角度值由传感器从-90°到+90°输出。但我需要一个从 0° 到 360° 的角度来转换为钻孔深度。

我还没有找到一个简单的解决方案。然而，对于我的应用程序，查看传感器数据 Z 和 Y 是正数还是负数就足够了。并相应地转换角度。

delta=0;
if ((AccZ<0)) { 
  delta=180.0-TotalAngleX*2.0;
}
if ((AccZ>0)&&(AccY<0)) {
  delta=360.0;
}
DrillingMachineAngle=TotalAngleX+delta;

//if near 360°, display better 0°
if (DrillingMachineAngle>350) {DrillingMachineAngle=0;}

仍然缺少的是手轮能够实现的最大可能旋转角度。最简单的方法是通过 Serial.print 输出确定的角度并记下最大值。

对我来说是316°。最大钻孔深度为 50 mm 时，当前位置计算如下：

currentPos=50.0/316.0*DrillingMachineAngle;

如果按下按钮，Arduino 会保存当前钻孔位置。显示屏上显示 8888，等待 1 秒。

如果设置了停止位置，则直到停止的剩余钻孔深度显示在右侧显示屏上。

组装和测试

陀螺传感器最好用一点热胶固定。引导连接电缆穿过盖板。这就是这部分。

在第一次测试中，陀螺传感器必须首先对齐。我是水平安装的。由于支架设计为可旋转，因此可以轻松调整，直到显示屏上显示 0.0。

然后可以开始第一个测试。总的来说，我对解决方案非常满意。传感器反应非常迅速，计算值与钻孔深度完全匹配。

得益于大型 LED 显示屏，我不必担心 85 岁以下的眼镜可以读取准确的钻孔深度。

所以永远记住保罗的话：修复你的问题！

玩得开心！