Nível digital com laser de linha cruzada: 15 etapas (com imagens)

2025 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2025-01-13 06:58

Olá a todos, hoje vou mostrar como fazer um nível digital com laser cross-line integrado opcional. Há cerca de um ano, criei uma multi-ferramenta digital. Embora essa ferramenta apresente muitos modos diferentes, para mim, os mais comuns e úteis são os modos de medição de nível e ângulo. Então, achei que seria produtivo fazer uma ferramenta nova e mais compacta focada apenas no sensoriamento de ângulo. A montagem é simples, então espero que seja um projeto de fim de semana divertido para as pessoas.

Também projetei um trenó para segurar o nível ao usar o laser de linha cruzada. Ele pode ser ajustado em +/- 4 graus em y / x para ajudar a nivelar a linha do laser. O trenó também pode ser montado em um tripé de câmera.

Você pode encontrar todos os arquivos necessários para o nível em meu Github: aqui.

O nível tem cinco modos:

(Você pode ver isso no vídeo acima. Vê-los provavelmente fará mais sentido do que ler as descrições)

1. Nível X-Y: é como um nível de bolha circular. Com o nível voltado para trás, o modo relata os ângulos de inclinação sobre as faces superior / inferior e esquerda / direita da ferramenta.
2. Nível de Rolagem: Este é como um nível de bolha regular. Com o nível em pé na posição superior / inferior / esquerda / direita, ele informa o ângulo de inclinação das faces superior / inferior do nível.
3. Transferidor: como o nível do rolo, mas o nível está nivelado em sua face inferior.
4. Ponteiro de laser: Apenas um ponto laser direto, projetado da face direita da ferramenta.
5. Laser de linha cruzada: projeta uma cruz da face direita do nível. Isso também pode ser ativado ao usar os modos Nível X-Y ou Nível de rotação, tocando duas vezes no botão "Z". Deve ser orientado de forma que a face inferior esteja alinhada com a linha do laser.

Para tornar o nível mais compacto e a montagem mais fácil, incorporei todas as peças em um PCB personalizado. Os menores componentes têm o tamanho 0805 SMD, que podem ser facilmente soldados à mão.

A caixa do nível é impressa em 3D e mede 74x60x23,8 mm com o laser de linha cruzada, 74x44x23,8 mm sem, tornando a ferramenta confortavelmente com tamanho de bolso em qualquer caso.

O nível é alimentado por uma bateria recarregável LiPo. Devo notar que os LiPo's podem ser perigosos se manuseados de forma inadequada. O principal é não encurtar os LiPo, mas você deve fazer algumas pesquisas de segurança se não estiver familiarizado com eles.

Por fim, os dois lasers que uso são de potência muito baixa e, embora eu não recomende apontá-los diretamente para os olhos, eles devem ser seguros de outra forma.

Se você tiver alguma dúvida, deixe um comentário e entrarei em contato com você.

Suprimentos

PCB:

Você pode encontrar o arquivo Gerber para o PCB aqui: aqui (clique em download no canto inferior direito)

Se quiser inspecionar o esquema do PCB, você pode encontrá-lo aqui.

A menos que você possa fazer PCBs localmente, você terá que encomendar alguns de um fabricante de protótipo de PCB. Se você nunca comprou um PCB personalizado antes, é muito simples; a maioria das empresas possui um sistema de cotação automatizado que aceita arquivos Gerber compactados. Posso recomendar JLC PCB, Seeedstudio, AllPCB ou OSH Park, embora tenha certeza de que a maioria dos outros também funcionará. Todas as especificações de placa padrão desses fabricantes funcionarão bem, mas certifique-se de definir a espessura da placa para 1,6 mm (deve ser o padrão). A cor do quadro é a sua preferência.

Partes eletrônicas:

(observe que você provavelmente pode encontrar essas peças mais baratas em sites como Aliexpress, Ebay, Banggood, etc)

• Um Arduino Pro-mini, versão 5V Observe que existem alguns designs de placa diferentes por aí. A única diferença entre eles é a colocação dos pinos analógicos A4-7. Eu fiz o PCB do nível de forma que ambas as placas funcionem. Encontrado aqui.
• Uma placa de breakout MPU6050. Encontrado aqui.
• Um OLED SSD1306 de 0,96 ". A cor da tela não importa (embora a versão azul / amarelo funcione melhor). Pode ser encontrada em duas configurações de pinos diferentes, onde os pinos de aterramento / vcc são invertidos. Qualquer um funcionará para o nível. Encontrado aqui.
• Uma placa do carregador TP4056 1s LiPo. Encontrado aqui.
• Uma bateria LiPo de 1s. Qualquer tipo serve, desde que caiba em um volume de 40x50x10mm. A capacidade e a saída de corrente não são muito importantes, pois o consumo de energia do nível é bastante baixo. Você pode encontrar o que usei aqui.
• Um diodo laser 6,5x18mm 5mw. Encontrado aqui.
• Um diodo laser de linha cruzada 12x40mm 5mw. Encontrado aqui. (opcional)
• Dois transistores de orifício 2N2222. Encontrado aqui.
• Um interruptor deslizante 19x6x13mm. Encontrado aqui.
• Quatro resistores 1K 0805. Encontrado aqui.
• Dois resistores 100K 0805. Encontrado aqui.
• Dois capacitores cerâmicos multicamadas 1uf 0805. Encontrado aqui.
• Dois botões tácteis de passagem de 6x6x10mm. Encontrado aqui.
• Cabeçalhos masculinos de 2,54 mm.
• Um cabo de programação FTDI. Encontrado aqui, embora outros tipos estejam disponíveis na Amazon por menos. Você também pode usar um Arduino Uno como programador (se ele tiver um chip ATMEGA328P removível), consulte um guia para isso aqui.

Outras Partes:

• Vinte ímãs redondos de neodímio de 6x1mm. Encontrado aqui.
• Um quadrado de acrílico transparente de 25x1,5mm. Encontrado aqui.
• Um pequeno pedaço de velcro adesivo.
• Quatro parafusos M2 de 4 mm.

Ferramentas / suprimentos

• impressora 3d
• Ferro de soldar com ponta fina
• Cola de plástico (para colar quadrado de acrílico, supercola embaça-o)
• Supercola
• Pistola de cola quente e cola quente
• Tinta + pincel (para preencher rótulos de botão)
• Decapador / cortador de fio
• Pinças (para manusear peças SMD)
• Faca de passatempo

Peças do trenó (opcional, se você estiver adicionando o laser de linha cruzada)

• Três porcas M3
• Três parafusos M3x16mm (ou mais, fornecerão uma faixa de ajuste de ângulo maior)
• Uma porca de 1/4 "-20 (para montagem em tripé de câmera)
• Dois ímãs redondos de 6x1mm (veja o link acima)

Etapa 1: notas de design (opcional)

Antes de iniciar as etapas de construção do nível, vou registrar algumas notas sobre seu design, construção, programação, etc. Elas são opcionais, mas se você quiser ajustar o nível de alguma forma, podem ser úteis.

• As fotos de montagem que tenho são de uma versão mais antiga do PCB. Houve alguns pequenos problemas que resolvi desde então com uma nova versão do PCB. Eu testei o novo PCB, mas na minha pressa em testá-lo, esqueci completamente de tirar fotos de montagem. Felizmente, as diferenças são muito pequenas e a montagem praticamente não foi alterada, então as imagens mais antigas devem funcionar bem.
• Para notas sobre o MPU6050, SSD1306 OLED e TP4056, consulte a Etapa 1 do meu manual multi-ferramenta digital.
• Eu queria tornar o nível o mais compacto possível, ao mesmo tempo mantendo-o fácil de montar por alguém com habilidades médias de soldagem. Portanto, optei por usar principalmente componentes de orifício e placas de quebra comuns prontas para usar. Usei resistores / capacitores 0805 SMD porque eles são bastante fáceis de soldar, você pode superaquecê-los sem se preocupar muito e eles são muito baratos para substituir se você quebrar / perder um.
• Usar placas de breakout pré-fabricadas para o sensor / OLED / microcontrolador também mantém a contagem geral de peças baixa, então é mais fácil comprar todas as peças para a placa.
• Na minha Multiferramenta Digital, usei um Wemos D1 Mini como microcontrolador principal. Isso se deveu principalmente a restrições de memória de programação. Para o nível, como o MPU6050 é o único sensor, optei por usar um Arduino Pro-mini. Embora tenha menos memória, é um pouco menor do que um Wemos D1 Mini e, como é um produto Arduino nativo, o suporte à programação está incluído nativamente no IDE do Arduino. No final, cheguei muito perto de estourar o limite da memória de programação. Isso se deve principalmente ao tamanho das bibliotecas do MPU6050 e do OLED.
• Optei por usar a versão 5v do Arduino Pro-Mini em vez da versão 3.3v. Isso ocorre principalmente porque a versão 5v tem o dobro da velocidade do clock da versão 3.3v, o que ajuda a tornar o nível mais responsivo. Um LiPo 1s totalmente carregado tem saída de 4,2 V, então você pode usá-lo para alimentar o pro-mini diretamente de seu pino vcc. Fazer isso ignora o regulador de tensão de 5 V integrado e, geralmente, não deve ser feito a menos que você tenha certeza de que sua fonte de alimentação nunca ficará acima de 5 V.
• Além do ponto anterior, o MPU6050 e o OLED aceitam tensões entre 5-3v, portanto, um LiPo 1s não terá problemas para alimentá-los.
• Eu poderia ter usado um regulador de aumento de 5v para manter uma estabilidade de 5v em toda a placa. Embora isso fosse bom para garantir uma velocidade de clock constante (diminui com a diminuição da tensão) e evitar que os lasers diminuam (o que não é realmente perceptível), não achei que valesse a pena as peças adicionais. Da mesma forma, um LiPo 1s é 95% descarregado a 3,6v, então mesmo em sua tensão mais baixa, o 5v pro-mini ainda deve rodar mais rápido do que a versão 3,3v.
• Ambos os botões possuem um circuito de debounce. Isso evita que um único pressionamento de botão seja contado várias vezes. Você pode debounce em software, mas eu prefiro fazer em hardware, porque leva apenas dois resistores e um capacitor, e então você não precisa se preocupar com isso nunca. Se você preferir fazer isso no software, pode omitir o capacitor e soldar um fio jumper entre as almofadas do resistor de 100K. Você ainda deve incluir o resistor de 1K.
• O nível relata a porcentagem de carga LiPo atual no canto superior direito da tela. Isso é calculado comparando a tensão de referência de 1,1 V interna do Arduino com a tensão medida no pino vcc. Originalmente, pensei que você precisava usar um pino analógico para fazer isso, o que é refletido no PCB, mas pode ser ignorado com segurança.

Etapa 2: Etapa 1 da montagem da PCB:

Para começar, vamos montar o PCB do nível. Para tornar a montagem mais fácil, adicionaremos componentes à placa em estágios, ordenados por altura crescente. Isso lhe dá mais espaço para posicionar o ferro de solda, porque você só precisa lidar com componentes de alturas semelhantes a qualquer momento.

Primeiro você deve soldar todos os resistores e capacitores SMD na parte superior da placa. Os valores estão listados no PCB, mas você pode usar a imagem em anexo para referência. Não se preocupe com o resistor de 10K, pois ele não é apresentado em sua placa. Eu iria usá-lo originalmente para medir a tensão da bateria, mas encontrei uma maneira alternativa de fazer isso.

Etapa 3: Etapa 2 de montagem da PCB:

Em seguida, corte e descasque os fios condutores do pequeno diodo laser. Você provavelmente precisará removê-los até a base do laser. Certifique-se de manter o controle de qual lado é positivo.

Coloque o laser na área de corte no lado direito do PCB. Você pode usar um pouco de cola para mantê-lo no lugar. Solde os lasers que conduzem aos orifícios +/- identificados como "Laser 2", conforme a ilustração.

Em seguida, solde dois 2N2222 em posição no canto superior direito da placa. Certifique-se de que correspondem à orientação impressa no quadro. Ao soldá-los, empurre-os apenas até a metade da placa, conforme ilustrado. Depois de serem soldados, retire o excesso de fios e dobre o 2N2222 de modo que a face plana fique contra a parte superior da placa, conforme ilustrado.

Etapa 4: Montagem da PCB Etapa 3:

Vire a placa e solde os conectores machos nos orifícios próximos ao diodo laser. Em seguida, solde o módulo TP4056 aos conectores, conforme a ilustração. Certifique-se de que ele esteja montado na parte inferior da placa, com a porta USB alinhada com a borda da placa. Apare qualquer excesso de comprimento de cabeçalhos.

Etapa 5: Etapa 4 da montagem da PCB:

Vire a placa de volta ao seu lado superior. Usando uma fileira de conectores machos, solde a placa MPU6505 conforme a ilustração. Tente manter o MPU6050 o mais paralelo possível ao PCB do nível. Isso ajudará a manter suas leituras de ângulo iniciais próximas de zero. Apare qualquer excesso de comprimento da plataforma.

Etapa 6: Etapa 5 da montagem da PCB:

Soldar os cabeçotes machos para o Arduino Pro-Mini no lugar na parte superior da placa. A orientação deles não importa, exceto para a linha superior de cabeçalhos. Este é o cabeçalho de programação da placa, portanto, é fundamental que eles sejam orientados de forma que o lado mais longo dos cabeçalhos fique apontando para fora da parte superior da placa de circuito impresso do nível. Você pode ver isso na foto. Além disso, certifique-se de usar a orientação do pino A4-7 correspondente ao seu Pro-Mini (o meu tem uma linha ao longo da parte inferior da placa, mas alguns os colocam como pares ao longo de uma borda).

Em seguida, embora não seja mostrado, você pode soldar o Arduino Pro-Mini no lugar.

Em seguida, solde o display OLED SSD1306 no lugar na parte superior da placa. Como com o MPU6050, tente manter a tela o mais paralela possível ao PCB do nível. Observe que as placas SSD1306 parecem vir em duas configurações possíveis, uma com os pinos GND e VCC invertidos. Ambos funcionarão com a minha placa, mas você deve configurar os pinos usando os jumper pads na parte de trás da placa de circuito impresso do nível. Simplesmente conecte os blocos centrais aos blocos VCC ou GND para definir os pinos. Infelizmente, não tenho uma imagem para isso, pois não descobri sobre os pinos invertidos até depois de comprar e montar o PCB inicial (os pinos do meu monitor estavam errados, então eu tive que encomendar um monitor totalmente novo). Se você tiver alguma dúvida, poste um comentário.

Finalmente, apare qualquer excesso de comprimento de pino.

Etapa 7: Etapa 6 de montagem da PCB:

Se você não fez isso na etapa anterior, solde o Arduino Pro-Mini no lugar na parte superior da placa de circuito impresso.

Em seguida, solde os dois botões táteis e o interruptor deslizante no lugar, conforme a ilustração. Você precisará cortar as abas de montagem do interruptor deslizante com um alicate.

Etapa 8: Etapa 7 da montagem da PCB:

Prenda uma pequena tira de velcro na parte de trás do PCB de nível e a bateria LiPo, conforme a ilustração. Ignore o fio vermelho extra entre o Arduino e a tela na primeira imagem. Cometi um pequeno erro de fiação ao projetar o PCB. Isso foi corrigido em sua versão.

Em seguida, conecte a bateria na parte traseira do PCB do nível usando o Velcro. Em seguida, corte e descasque os fios positivo e negativo da bateria. Solde-os nas almofadas B + e B- no TP4056 conforme a ilustração. O fio positivo da bateria deve ser conectado a B + e o negativo a B-. Antes de soldar, você deve confirmar a polaridade de cada fio usando um multímetro. Para evitar curto-circuito na bateria, recomendo descascar e soldar um fio de cada vez.

Neste ponto, o PCB do nível está completo. Você pode querer testá-lo antes de instalá-lo no gabinete. Para fazer isso, pule a etapa de Envio de código.

Etapa 9: Montagem da caixa, Etapa 1:

Se você estiver adicionando o laser de linha cruzada, imprima "Main Base.stl" e "Main Top.stl". Eles devem corresponder às peças retratadas.

Se você não estiver adicionando o laser de linha cruzada, imprima "Main Base No Cross.stl" e "Main Top No Cross.stl". Estas são as mesmas que as partes da imagem, mas com o compartimento para o laser de linha cruzada removido.

Você pode encontrar todas essas peças no meu Github: aqui

Em ambos os casos, cole ímãs redondos de 1x6 mm em cada um dos orifícios no exterior do gabinete. Você precisará de 20 ímãs no total.

Em seguida, pegue o "Topo Principal" e cole um quadrado de acrílico de 25 mm no recorte conforme ilustrado. Não use cola super para isso, pois embaçará o acrílico. Se você planeja reprogramar o nível depois de montado, você pode cortar o retângulo no canto superior esquerdo do "Topo Principal" usando um estilete. Depois que o nível estiver totalmente montado, você terá acesso ao cabeçalho de programação. Observe que isso já está recortado nas minhas fotos.

Por último, você pode opcionalmente usar um pouco de tinta para pintar nos rótulos dos botões "M" e "Z".

Etapa 10: Montagem da caixa, Etapa 2:

Em ambos os casos, insira a placa de circuito impresso nivelada montada na caixa. Ele deve ser capaz de se acomodar totalmente nos degraus internos do gabinete. Quando estiver satisfeito com a posição, cole-o com cola quente no lugar.

Etapa 11: Upload de código

Você pode encontrar o código em meu Github: aqui

Você precisará instalar as seguintes bibliotecas manualmente ou usando o gerenciador de bibliotecas do IDE do Arduino:

• I2C Dev
• Biblioteca SSD1306 da Adafruit
• Referência de Tensão

Dou crédito pelo trabalho realizado por Adafruit, Roberto Lo Giacco e Paul Stoffregen na produção dessas bibliotecas, sem as quais eu quase certamente não teria sido capaz de concluir este projeto.

Para fazer upload do código, você precisará conectar um cabo de programação FTDI ao cabeçalho de seis pinos acima do Arduino pro-mini. O cabo FTDI deve ter um fio preto ou algum tipo de marcador para orientação. Quando você insere o cabo no conector, o fio preto deve se encaixar no pino identificado como "blk" na placa de circuito impresso do nível. Se você acertar, o LED de energia no Arduino deve acender, caso contrário, você terá que inverter o cabo.

Como alternativa, você pode fazer upload do código usando um Arduino Uno conforme descrito aqui.

Ao usar qualquer um dos métodos, você deve ser capaz de fazer upload do código como faria com qualquer outro Arduino. Certifique-se de selecionar Arduino Pro-Mini 5V como a placa no menu de ferramentas ao fazer o upload. Antes de enviar meu código, você deve calibrar seu MPU6050 executando o exemplo "IMU_Zero" (encontrado no menu de exemplos para o MPU6050). Usando os resultados, você deve alterar os deslocamentos próximos ao topo do meu código. Uma vez que os offsets são definidos, você pode fazer o upload do meu código, e o nível deve começar a funcionar. Se você não estiver usando o laser de linha cruzada, deve definir "crossLaserEnable" como false no código.

O modo do nível é alterado usando o botão "M". Apertar o botão "Z" zera o ângulo ou liga um dos lasers dependendo do modo. Quando em um modo de rolo ou nível x-y, pressionar duas vezes o botão "Z" ativará o laser cruzado se estiver habilitado. A porcentagem de carga da bateria é mostrada no canto superior direito da tela.

Se você não puder fazer o upload do código, pode ser necessário definir a placa como um Arduino Uno usando o menu de ferramentas.

Se o visor não ligar, verifique seu endereço I2C com a pessoa de quem você o comprou. Por padrão no código é 0x3C. Você pode alterar alterando DISPLAY_ADDR na parte superior do código. Se isso não funcionar, você terá que remover o PCB do nível da caixa e confirmar se os pinos da tela correspondem aos do PCB do nível. Se isso acontecer, você provavelmente tem uma tela quebrada (eles são bastante frágeis e podem vir quebrados no transporte) e você terá que removê-lo.

Etapa 12: Conjunto de laser de linha cruzada:

Se você não estiver usando um laser de linha cruzada, pode pular esta etapa. Se estiver, pegue o módulo do laser e insira-o na caixa conforme a ilustração, ele deve se encaixar nos recortes arredondados do laser.

Em seguida, pegue os fios do laser e conecte-os sob a tela à porta do Laser 1 na placa de circuito impresso do nível. Descasque e solde os fios nas posições +/- conforme ilustrado. O fio vermelho deve ser positivo.

Agora, para tornar o laser de linha cruzada útil, ele precisa estar alinhado com a caixa do nível. Para fazer isso, usei uma ficha dobrada em um ângulo reto. Coloque o nível e o cartão de índice na mesma superfície. Ligue o laser cruzado e aponte-o para o cartão de índice. Usando uma pinça ou um alicate, gire a tampa serrilhada da lente frontal do laser até que a cruz do laser esteja alinhada com as linhas horizontais da ficha. Quando estiver satisfeito, fixe a tampa da lente e o módulo de laser de linha cruzada usando cola quente.

Etapa 13: Montagem final

Pegue a "Parte Superior Principal" da caixa e pressione-a contra a parte superior da "Base Principal" da caixa. Você pode ter que inclinar levemente para arredondar a tela.

Atualização 2/1/2021, mudou a parte superior para anexar com quatro parafusos M2 de 4 mm. Deve ser direto.

Neste ponto, seu nível está completo! A seguir, examinarei como construir o trenó de precisão, que você pode fazer opcionalmente.

Se você está parando por aqui, espero que ache o nível útil e agradeço a leitura! Se você tiver alguma dúvida, deixe um comentário e tentarei ajudar.

Etapa 14: Montagem do trenó de precisão Etapa 1:

Vou agora passar por cima das etapas de montagem do trenó de precisão. O trenó deve ser usado em conjunto com o modo de nível X-Y. Seus três botões de ajuste fornecem controle preciso sobre o ângulo do nível, o que é útil ao lidar com superfícies irregulares. O estojo também inclui espaço para uma porca de 1/4 -20, que permite montar o nível em um tripé de câmera.

Sendo imprimindo um "Precision Sled.stl" e três de ambos "Adjustment Knob.stl" e "Adjustment Foot.stl" (na imagem acima falta um botão de ajuste)

Na parte inferior do trenó, insira três porcas M3 conforme a ilustração e cole-as no lugar.

Etapa 15: Montagem do trenó de precisão Etapa 2:

Pegue três parafusos M3 de 16 mm (não dois, conforme a ilustração) e insira-os nos botões de ajuste. A cabeça do parafuso deve ficar nivelada com a parte superior do botão. Deve ser um ajuste de fricção, mas pode ser necessário adicionar um pouco de supercola para unir os botões e os parafusos.

Em seguida, rosqueie os parafusos M3 através das porcas M3 inseridas no trenó na etapa 1. Certifique-se de que o lado com o botão de ajuste está no topo do trenó, conforme ilustrado.

Cole um pé de ajuste na extremidade de cada um dos parafusos M3 usando supercola.

Depois de fazer isso nos três pés, o trenó de precisão está completo!:)

Opcionalmente, você pode inserir uma porca de 1/4 -20 e dois ímãs redondos de 1x6 mm nos orifícios no centro do estojo (certifique-se de que as polaridades do ímã sejam opostas àquelas na parte inferior do nível). Isso permitirá que você monte o estojo e nivelar em um tripé de câmera.

Se você chegou até aqui, obrigado por ler! Espero que você tenha achado isso informativo / útil. Se você tiver alguma dúvida, deixe um comentário.

Vice-campeão no concurso Build a Tool