Dodajte optički tahometar zasnovan na Arduinu CNC usmjerivaču: 34 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:08

Napravite optički indikator broja okretaja za svoj CNC usmjerivač s Arduino Nano, IR LED/IR fotodiodnim senzorom i OLED zaslonom za manje od 30 USD. Inspirirao me eletro18 -ov Measure RPM - Optical Tachometer Instructable i htio sam dodati tahometar svom CNC usmjerivaču. Pojednostavio sam krug senzora, dizajnirao prilagođeni 3D štampani držač za moj Sienci CNC usmjerivač. Zatim sam napisao Arduino skicu za prikaz digitalnog i analognog biranja na OLED ekranu

Nekoliko jednostavnih dijelova i nekoliko sati vašeg vremena, a svom CNC usmjerivaču možete dodati digitalni i analogni zaslon u minuti.

Evo liste dijelova dostupnih za dvodnevnu dostavu. Vjerojatno možete nabaviti dijelove za manje ako ste spremni čekati duže.

Lista delova

6,99 USD Arduino Nano

5,99 USD IR LED/IR fotodioda (5 pari)

OLED ekran 0,96 USD, žuto/plavi I2C, 7,99 USD

4,99 USD Žice za spajanje

1,00 USD Žica sa 3 provodnika sa 30 provodnika (75 cm). Može se kupiti u vašoj lokalnoj trgovini kućnim potrepštinama (Home Depot, Lowes) u odjeljku kupovina po nozi

0,05 USD Otpor 220 ohma (6,99 USD ako želite 750 različitih otpornika)

0,50 USD Termoskupljajuće cijevi (5,99 USD ako želite kompletan asortiman)

3D štampane zagrade

Arduino IDE (besplatno)

Napomena: U početku sam dodao kondenzator.01μF nakon što sam učvrstio sve žice i primijetio neke nestabilne vrijednosti broja okretaja dok se CNC kretao. Kondenzator je dobro radio za manje okretaje <20K, ali je previše izgladio signal za bilo što veće. Pratio sam buku do napajanja Nano -a i prikaza direktno iz CNC štitnika. Za sve RPM radi posebno napajanje. Ostavio sam korake za sada, ali trebali biste koristiti zaseban USB izvor napajanja.

Korak 1: Odštampajte 3D zagradu

Odštampajte 3D nosač za držanje IC LED i IR fotodioda. 3D datoteke nalaze se ovdje i na Thingiverse -u.

www.thingiverse.com/thing:2765271

Za Sienci Mill, kutni nosač koristi se za postavljanje senzora na aluminijske kutne šipke, ali ravni nosač može biti bolji za vaš projekt.

Korak 2: Opcionalno 3D štampanje OLED držača ekrana i elektronskog kućišta

Odlučujem se za pričvršćivanje OLED -a na držač ekrana pod kutom koji sam zašrafio na vrhu Sienci elektroničkog kućišta.

Evo veza do 3D štampanih dijelova koje sam koristio.

Sienci elektroničko kućište 3D dio

Nosač za montiranje OLED ekrana od 0,96"

Kućište je bilo lijepo mjesto za postavljanje nosača OLED ekrana i lijepo drži Arduino Nano, a staje i na stražnju stranu mlina Sienci. Izbušio sam nekoliko rupa na vrhu kućišta za pričvršćivanje OLED držača.

Također sam izbušio nekoliko rupa na dnu kako bih provukao malu kravatu s patentnim zatvaračem za čvrsto pričvršćivanje žičanog pojasa

Korak 3: Izgradite sklop žice IC senzora

Za povezivanje senzora koristit će se trožilna žica. Jedna žica bit će zajedničko uporište i za IR LED i za IR fotodiodu, pri čemu će svaka druga dva ići na svoju odgovarajuću komponentu.

Korak 4: Dodajte otpornik za ograničavanje struje za IR LED

IR LED zahtijeva otpornik za ograničavanje struje. Najlakši način je ugraditi otpornik u sklop žice.

Savijte vrhove svakog u obliku slova U i spojite ih. Namotajte kliještima, a zatim ih lemite zajedno.

Korak 5: Spojite žice kratkospojnika

Možete spojiti žice kratkospojnika kako biste ih spojili na Arduino iglice zaglavlja.

Odrežite komad termoskupljajuće cijevi i kliznite preko žice prije nego što ih spojite.

Gurnite cijev za termoskupljanje prema natrag preko priključka (ili cijelog otpornika) i skupite cijev pomoću toplinskog pištolja ili brzo prenesite plamen preko cijevi dok se ne smanji. Ako koristite plamen, nastavite ga brzo kretati ili se može početi topiti.

Korak 6: Odredite infracrvenu LED diodu i fotodiode

I IR LED i IR fotodioda izgledaju slično, svaka ima dugačak (anodni ili pozitivni) provod i kratak (katodni ili negativni) provodnik.

Korak 7: Umetnite diode u držač

Uzmite IC LED (prozirnu diodu) i umetnite je u jednu od rupa držača LED diode. Rotirajte LED diodu tako da dugački vod bude s vanjske strane. Na fotografiji možete vidjeti jasnu LED diodu u gornjoj rupi sa dugim olovom na vrhu.

Uzmite infracrvenu fotodiodu (tamna dioda) i umetnite je u drugu rupu. Rotirajte fotodiodu tako da njen dugi provod bude u sredini.

Kao što je prikazano na fotografiji, kratki provodnik LED diode i dugačak vod fotodiode bit će u sredini. Ova dva kabela bit će spojena na zajedničku žicu natrag do arduina. (Pogledajte tehničke napomene na kraju ako želite više detalja)

Uzmite mali komad filamenta od 1,75 i umetnite ga iza dioda. Time ćete diode zaključati na mjestu i spriječiti njihovo rotiranje ili izlazak.

Prošao sam kroz nekoliko iteracija dizajna prije nego što sam se odlučio za ovaj. Malo isticanje dioda uvelike je poboljšalo toleranciju pri poravnavanju s steznom maticom.

Korak 8: Spojite filament za zaključavanje na držač

Morat ćete odrezati komad filamenta koji se zaključava samo malo duže od širine držača.

Zagrijte čavao nekoliko sekundi u škripcu ili ga držite kliještima.

Korak 9: Pritisnite kraj niti sa ugrijanom glavom nokta

Držite prst na suprotnom kraju filamenta i pritisnite da se istopi i osigurač zabravljuje u držaču.

Korak 10: Gotov držač diode

Urađeno i uredno

Korak 11: Pričvrstite kabelski svežanj na diode

Odrežite žicu prema dužini za vašu primjenu. Za Mlin Sienci, trebat će vam ukupno oko 30 inča (~ 75 cm) (žica + kratkospojnici) i imati popuštanje za kretanje usmjerivača.

Savijte žice i vrhove olova u obliku slova U kako biste ih spojili i olakšali lemljenje.

Uzmite tanke termoskupljajuće cijevi i odrežite dva kratka komada i dva malo duža komada. Kraće komade prevucite preko vanjskih kabela diode. Prevucite duže komade preko dva središnja kabla.

Dvije različite duljine odmiču spojne spojeve i međusobno odmiču deblje spojeve, tako da se promjer ožičenja smanjuje. Također sprječava bilo kakve kratke spojeve između različitih spojeva žice

Izrežite tri komada termoskupljajuće cijevi nešto većeg promjera i stavite ih preko svake od tri žice u kabelski svežanj.

Važno je osigurati da postoji mali razmak između krajeva termoskupljajuće cijevi na žicama i mjesta spajanja. Žice će se zagrijati, a ako su termoskupljajuće cijevi preblizu, na kraju će se početi smanjivati, što ih potencijalno čini premalim da klize po spoju.

Korak 12: Uvjerite se da je žica s otpornikom pričvršćena na dugi provodnik IC LED diode

Otpornik za ograničavanje struje (220 ohma) ugrađen u kabelski svežanj, mora biti spojen na dugi (anodni) vodič čiste IC LED diode. Žica koja spaja dva zajednička vodiča bit će spojena na masu, pa biste za tu vezu mogli koristiti crnu ili golu žicu.

Lemite veze kako biste ih učinili trajnim.

Korak 13: Skupite termoskupljajuće cijevi

Nakon što su spojevi zalemljeni, upotrijebite šibicu ili upaljač da prvo skupite cijevi na diodnim vodovima. Najprije pomaknite termoskupljajuću cijev na žicama što dalje od topline.

Neka se plamen brzo kreće dok se smanjuje i okreće kako bi sve strane bile jednake. Ne zadržavajte se ili će se cijevi rastopiti umjesto skupiti.

Nakon što se diode smanje, pomaknite malo veće termoskupljajuće cijevi sa žica preko spojeva i ponovite skupljanje.

Korak 14: Pripremite montažni blok

Ovisno o vašoj primjeni, odaberite montažni blok koji odgovara vašoj primjeni. Za Since Mill odaberite kutni montažni blok.

Uzmite M2 maticu i M2 vijak. Navrnite maticu jedva do kraja vijka.

Okrenite montažni blok i provjerite da li je M2 matica umetnuta u rupu.

Uklonite i lagano zagrijte maticu šibicom ili plamenom, a zatim je brzo umetnite u stražnju stranu montažnog bloka.

Odvijte vijak, ostavljajući maticu ugrađenu u plastični montažni blok. Za dodatnu čvrstoću, nanesite kap super ljepila na rub matice kako biste sigurno pričvrstili maticu na blok.

Korak 15: Provjerite je li M2 vijak odgovarajuće dužine

Uvjerite se da vijak nije predugačak ili se senzor neće zategnuti uz montažni blok. Za kutni montažni blok, pazite da vijak M2 bude 9 mm ili nešto kraći.

Korak 16: Pričvrstite montažni blok na CNC usmjerivač

Za Sienci Mill pričvrstite kutni montažni blok na dno unutrašnjosti Z Rail sa nekoliko kapi super ljepila.

Korak 17: Pričvrstite senzor na montažni blok

Postavite podesivu ruku u montažni blok

Umetnite vijak M2 s podloškom kroz prorez na podesivoj montažnoj ruci i uvijte ga u maticu.

Gurnite podesivu ručicu dok LED i fotodiode ne budu ujednačene sa maticom stezne glave

Pritegnite vijak

Korak 18: Dodajte reflektirajuću traku na jednu stranu matice

Upotrijebite malu traku od aluminijske trake (koristi se za kanale peći) i pričvrstite je na jednu stranu matice. Ova reflektirajuća traka omogućit će IR optičkom senzoru da uhvati jedan okretaj vretena.

Korak 19: Uvjerite se da reflektirajuća traka ne prelazi preko ruba do susjednih aspekata

Traka mora biti samo s jedne strane stezne matice. Traka je dovoljno tanka i lagana da ne ometa ključ za promjenu krajnjih glodala niti utječe na ravnotežu vretena.

Korak 20: Povucite žicu osjetnika duž unutrašnjosti Z -šine

Pomoću traka od aluminijske ljepljive trake pričvrstite žicu na unutrašnjost Z -šine. Najbolje je provući traku blizu ruba kutne šine kako biste očistili sklop matice olovnog vijka.

Korak 21: Priključite senzor na Arduino Nano

Spojite žice na Arduino na sljedeći način:

• IR LED (sa integriranim otpornikom) -> Pin D3
• IC fotodioda -> Pin D2
• Zajednička žica -> Pin GND

Korak 22: Pričvrstite kratkospojne žice na OLED ekran

Izvucite 4-žični komplet kratkospojnih kabela

Priključite žice u 4 pina za I2C sučelje:

• VCC
• GND
• SCL
• SDA

Korak 23: Priključite OLED ekran na Arduino

Pričvrstite žice kratkospojnika na sljedeće pinove. Napomena: Ove žice se ne pričvršćuju sve na susjedne pinove niti istim redoslijedom.

• VCC -> Pin 5V
• GND -> Pin GND
• SCL -> Pin A5
• SDA -> Pin A4

Korak 24: Pričvrstite OLED ekran na držač

Koristeći zagrade koje ste ranije odštampali, pričvrstite OLED ekran na držač

Zatim prikačite zaslon na CNC okvir.

Korak 25: Pripremite Arduino IDE za učitavanje Arduino skice

Program za Arduino naziva se skica. Integrirano razvojno okruženje (IDE) za Arduinos je besplatno i mora se koristiti za učitavanje programa za otkrivanje senzora i prikaz RPM -a.

Ako ga već nemate, evo veze za preuzimanje Arduino IDE -a. Odaberite verziju 1.8.5 ili noviju za preuzimanje.

Korak 26: Dodajte potrebne OLED biblioteke

Za pokretanje OLED ekrana trebat će vam nekoliko dodatnih biblioteka, biblioteka Adafruit_SSD1306 i biblioteka Adafruit-GFX. Obje biblioteke su besplatne i dostupne putem navedenih linkova. Slijedite vodič Adafruit o tome kako instalirati biblioteke na svoj računar.

Nakon što su biblioteke instalirane, dostupne su za bilo koju Arduino skicu koju kreirate.

Knjižnice Wire.h i Math.h su standardne i automatski se uključuju u vašu IDE instalaciju.

Korak 27: Povežite Arduino sa računarom

Pomoću standardnog USB kabla povežite Arduino Nano sa računarom pomoću Arduino IDE -a.

1. Pokrenite IDE
2. Na izborniku Alati odaberite Board | Arduino Nano
3. Na izborniku Alati odaberite Port |

Sada ste spremni za učitavanje skice, kompajliranje i postavljanje u Nano

Korak 28: Preuzmite Arduino skicu

Arduino Sketch kôd je u privitku, a dostupan je i na mojoj GitHub stranici na kojoj će biti objavljena sva buduća poboljšanja.

Preuzmite datoteku OpticalTachometerOledDisplay.ino i smjestite je u radni direktorij s istim imenom (minus.ino).

Iz Arduino IDE -a odaberite File | Otvori…

Idite do svog radnog imenika

Otvorite datoteku OpticalTachometerOledDisplay.ino.ino.

Korak 29: Sastavite skicu

Pritisnite dugme 'Provjeri' ili odaberite Sketch | Provjerite/kompajlirajte iz menija da sastavite skicu.

Trebali biste vidjeti područje kompajliranja pri dnu sa statusnom trakom. Za nekoliko sekundi će se prikazati poruka "Done Compiling" i neki statistički podaci o tome koliko memorije skica zauzima. Ne brinite o poruci "Nedovoljno memorije dostupno", to ne utječe ni na što. Većinu memorije koristi GFX biblioteka potrebna za crtanje fontova na OLED ekranu, a ne same skice.

Ako vidite neke greške, one su najvjerojatnije rezultat nedostatka knjižnica ili problema s konfiguracijom. Dvaput provjerite jesu li knjižnice kopirane u ispravan direktorij za IDE.

Ako to ne riješi problem, provjerite upute za instaliranje biblioteke i pokušajte ponovo.

Korak 30: Otpremite na Nano

Pritisnite dugme 'Strelica' ili odaberite Sketch | Otpremite iz menija da sastavite i otpremite skicu.

Vidjet ćete istu poruku 'Compiling..', nakon čega slijedi poruka 'Uploading..' i na kraju poruka 'Done Uploading'. Arduino počinje pokretati program čim se prijenos završi ili čim se nakon toga uključi napajanje.

U ovom trenutku, OLED ekran bi trebao oživjeti s prikazom broja okretaja u minuti: 0 s brojčanikom na nuli.

Ako ste usmjerivač ponovno sastavili, možete uključiti prekidač i vidjeti kako zaslon očitava broj okretaja u minuti dok podešavate brzinu.

Čestitamo!

Korak 31: Koristite namjenski izvor napajanja

NAPOMENA: Ovo je bio izvor šuma signala koji je uzrokovao nepravilan prikaz broja okretaja u minuti. Istražujem stavljanje poklopca filtera na kratkospojnike za napajanje, ali za sada ćete ga morati napajati putem zasebnog USB kabela.

Ekran možete povezati sa računarom pomoću USB kabla, ali ćete na kraju htjeti namjenski izvor napajanja.

Imate nekoliko opcija, možete nabaviti standardni USB zidni punjač i iz njega pokrenuti Arduino.

Ili možete pokrenuti Arduino izravno s elektronike CNC usmjerivača. Arduino/OLED ekran troši samo 0,04 ampera, tako da neće preopteretiti vašu postojeću elektroniku.

Ako imate Arduino/CNC Router Shield elektroniku (poput Sienci Mill -a), tada možete upotrijebiti nekoliko neiskorištenih pinova za uključivanje potrebnih 5 volti energije.

Na gornjoj lijevoj strani štita CNC usmjerivača možete vidjeti da postoji nekoliko nekorištenih pinova označenih 5V/GND. Priključite par kratkospojnih kabela na ova dva pina.

Korak 32: Priključite Arduino na prekidače za napajanje

Ova je laka, ali nije tako lijepo označena.

Na Arduino Nano -u postoji set od 6 pinova na kraju ploče. Oni nisu označeni, ali uključio sam dijagram izlaza i možete vidjeti da su dva vanjska pina koja su najbliža LED indikatorima označena GND i 5V na dijagramu.

Spojite kratkospojnik sa 5V pina na CNC štitu na pin najbliži onom označenom VIN (nemojte ga spajati na VIN, već na unutrašnji kutni pin 6 -polne grupe). VIN služi za napajanje Nano-a sa 7V-12V napajanjem.

Spojite kratkospojnik sa GND pina na CNC štitu na pin koji je najbliži pinu TX1.

Sada kada uključite elektroniku CNC usmjerivača, uključit će se i OLED RPM zaslon.

Korak 33: Tehničke napomene o krugu

Krug senzora koristi par IR LED/IR fotodioda.

IR LED radi kao i svaka obična LED. Pozitivni vod (duži ili anodni) spojen je na pozitivni napon. Na Arduino Nano -u, to je izlazni pin postavljen na HIGH. Negativni vod (kraći ili katodni) spojen je na masu kako bi se dovršio krug. Budući da su LED diode osjetljive na preveliku struju, mali otpornik je postavljen u niz sa LED -om kako bi se ograničila količina struje. Ovaj otpornik može biti bilo gdje u krugu, ali ima smisla postaviti ga na pozitivnu stranu kruga, budući da negativni vodič dijeli vezu s masom sa fotodiodom.

IR fotodioda ponaša se kao i svaka druga dioda (uključujući LED diode koje emitiraju svjetlost) jer provode električnu energiju samo u jednom smjeru, blokirajući električnu energiju u suprotnom smjeru. Zato je važno ispraviti polaritet kako bi LED diode radile.

Važna razlika s fotodiodama je u tome što kada detektiraju svjetlost, fotodiode će omogućiti protok električne energije u oba smjera. Ovo svojstvo se koristi za izradu detektora svjetlosti (u ovom slučaju infracrvenog ili IC -a). IR fotodioda je spojena suprotnim polaritetom (naziva se obrnuta pristranost) s pozitivnim 5V na Arduino pinu spojenom na negativni vod fotodiode, a pozitivni vodič je spojen zajedničkom žicom zajedno s IC LED na masu.

Bez infracrvenog svjetla, IR fotodioda blokira električnu energiju, omogućavajući Arduino pin-u sa svojim unutrašnjim pull-up otpornikom da bude u VISOKOM stanju. Kada IC fotodioda detektira IC svjetlost, ona dopušta protok električne energije, uzemljujući iglu i uzrokujući da se VISOKA vrijednost na pinu fotodiode spusti prema tlu uzrokujući PADUĆU ivicu koju Arduino može otkriti.

Ova promjena stanja na Arduino pin -u se koristi u skici za brojanje okretaja.

Traka od aluminijske trake na steznoj matici reflektira infracrveno svjetlo od uvijek uključene IR LED natrag do IR fotodiode svaki put kada se okreće pored senzora.

Korak 34: Tehničke napomene o Arduino skici

Arduino skica pokreće OLED ekran i istovremeno reagira na IR LED/IR fotodiodski senzor.

Sketch inicijalizira OLED ekran kroz protokol I2C (Inter-Integrated Circuit). Ovaj protokol dozvoljava više ekrana/senzora da dijele vezu i mogu čitati ili pisati na određeni povezani uređaj s najmanje žica (4). Ova veza smanjuje broj veza između Arduina i OLED zaslona.

Zatim uključuje IR LED postavljanjem pina HIGH koji osigurava 5V potrebnih za LED.

On priključuje funkciju prekida na pin koji se poziva kada otkrije promjenu stanja tog pina. U ovom slučaju funkcija incrementRevolution () se poziva svaki put kad se na Pin 2 detektira FALLING edge.

Funkcija prekida radi samo ono što implicira, prekida sve što se trenutno radi, izvršava funkciju, a zatim nastavlja radnju tamo gdje je prekinuta. Funkcije prekida trebale bi biti što kraće, u ovom slučaju samo dodaju jednu varijabli brojača. Mali Arduino Nano radi na 16 MHz - 16 miliona ciklusa u sekundi - dovoljno brzo da podnese prekid od 30 000 o / min, što je samo 500 okretaja u sekundi.

Funkcija Loop () je primarna radnja za bilo koju Arduino skicu. Stalno se poziva, uvijek iznova sve dok Arduino ima snagu. Dobija trenutno vrijeme, provjerava je li prošao određeni interval (1/4 sekunde = 250 milisekundi). Ako je tako, poziva funkciju updateDisplay () za prikaz nove vrijednosti RPM -a.

Funkcija petlje također će zatamniti zaslon nakon 1 minute i isključiti zaslon nakon 2 minute - potpuno konfigurirano u kodu.

Funkcija updateDisplay () poziva funkciju CalcuRpm (). Ta funkcija uzima u obzir broj okretaja koje je funkcija prekida stalno povećavala i izračunava RPM određujući brzinu okretaja u vremenskom intervalu i ekstrapolirajući to na broj okretaja u minuti.

Prikazuje brojčanu vrijednost i koristi neki srednjoškolski okidač za crtanje analognog biranja i indikatorskog kraka koji odražava iste vrijednosti.

Konstante na vrhu skice mogu se mijenjati ako želite brojčanik okretaja s različitim glavnim i sporednim vrijednostima.

Interval ažuriranja i prosječni interval također se mogu mijenjati.