Nivel digital con láser de líneas cruzadas: 15 pasos (con imágenes)

2025 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2025-01-13 06:57

Hola a todos, hoy les mostraré cómo hacer un nivel digital con láser de líneas cruzadas integrado opcional. Hace aproximadamente un año creé una multiherramienta digital. Si bien esa herramienta presenta muchos modos diferentes, para mí, los más comunes y útiles son los modos de medición de nivel y ángulo. Entonces, pensé que sería productivo hacer una herramienta nueva y más compacta enfocada solo en la detección de ángulos. La asamblea es sencilla, así que espero que sea un proyecto de fin de semana divertido para la gente.

También diseñé un trineo para mantener el nivel mientras uso el láser de líneas cruzadas. Se puede ajustar en +/- 4 grados en y / x para ayudar a nivelar la línea láser. El trineo también se puede montar en un trípode de cámara.

Puede encontrar todos los archivos necesarios para el nivel en mi Github: aquí.

El nivel tiene cinco modos:

(Puedes verlos en el video de arriba. Verlos probablemente tenga más sentido que leer las descripciones)

1. Nivel X-Y: esto es como un nivel de burbuja circular. Con el nivel en su parte posterior, el modo informa los ángulos de inclinación sobre las caras superior / inferior e izquierda / derecha de la herramienta.
2. Nivel de rollo: es como un nivel de burbuja normal. Con el nivel en posición vertical en su parte superior / inferior / izquierda / derecha, informa el ángulo de inclinación de las caras superior / inferior del nivel.
3. Transportador: como el nivel de rollo, pero el nivel está plano en su cara inferior.
4. Puntero láser: solo un láser de puntos directo, proyectado desde la cara derecha de la herramienta.
5. Láser de líneas cruzadas: proyecta una cruz desde la cara derecha del nivel. Esto también se puede activar cuando se utilizan los modos X-Y Level o Roll Level pulsando dos veces el botón "Z". Debe orientarse de manera que la cara inferior esté alineada con la línea láser.

Para hacer que el nivel sea más compacto y el ensamblaje más fácil, he incorporado todas las piezas en una PCB personalizada. Los componentes más pequeños son de tamaño 0805 SMD, que se pueden soldar fácilmente a mano.

La caja del nivel está impresa en 3D y mide 74x60x23,8 mm con el láser de líneas cruzadas, 74x44x23,8 mm sin él, lo que hace que la herramienta tenga un tamaño de bolsillo cómodo en cualquier caso.

El nivel funciona con una batería LiPo recargable. Debo señalar que los LiPo pueden ser peligrosos si se manejan incorrectamente. Lo principal es no acortar el LiPo, pero debe hacer una investigación de seguridad si no está familiarizado con ellos.

Por último, los dos láseres que uso son de muy baja potencia y, aunque no recomiendo apuntarlos directamente a los ojos, de lo contrario deberían ser seguros.

Si tiene alguna pregunta, deje un comentario y me pondré en contacto con usted.

Suministros

TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO:

Puede encontrar el archivo Gerber para el PCB aquí: aquí (presione descargar en la parte inferior derecha)

Si desea inspeccionar el esquema de la PCB, puede encontrarlo aquí.

A menos que pueda hacer PCB localmente, tendrá que pedir algunos a un fabricante de PCB prototipo. Si nunca antes ha comprado una PCB personalizada, es muy sencillo; la mayoría de las empresas tienen un sistema de cotización automatizado que acepta archivos Gerber comprimidos. Puedo recomendar JLC PCB, Seeedstudio, AllPCB o OSH Park, aunque estoy seguro de que la mayoría de los demás también funcionarán. Todas las especificaciones de placa predeterminadas de estos fabricantes funcionarán bien, pero asegúrese de establecer el grosor de la placa en 1,6 mm (debería ser el valor predeterminado). El color del tablero es su preferencia.

Partes electronicas:

(tenga en cuenta que probablemente pueda encontrar estas piezas más baratas en sitios como Aliexpress, Ebay, Banggood, etc.)

• Un Arduino Pro-mini, 5V ver. Tenga en cuenta que existen algunos diseños de placas diferentes. La única diferencia entre ellos es la ubicación de los pines analógicos A4-7. He hecho la placa de circuito impreso del nivel de modo que ambas placas funcionen. Encontrado aquí.
• Una placa de conexión MPU6050. Encontrado aquí.
• Un OLED SSD1306 de 0.96 ". El color de la pantalla no importa (aunque la versión azul / amarilla funciona mejor). Se puede encontrar en dos configuraciones de pines diferentes, donde los pines de tierra / vcc están invertidos. Cualquiera funcionará para el nivel. Encontrado aquí.
• Una placa de carga LiPo TP4056 1s. Encontrado aquí.
• Una batería LiPo de 1 s. Cualquier tipo está bien siempre que quepa en un volumen de 40x50x10 mm. La capacidad y la salida de corriente no son muy importantes ya que el consumo de energía del nivel es bastante bajo. Puedes encontrar el que utilicé aquí.
• Un diodo láser de 6,5 x 18 mm y 5 mw. Encontrado aquí.
• Un diodo láser de líneas cruzadas de 12x40 mm y 5 mw. Encontrado aquí. (Opcional)
• Dos transistores de orificio pasante 2N2222. Encontrado aquí.
• Un interruptor deslizante de 19x6x13 mm. Encontrado aquí.
• Cuatro resistencias 1K 0805. Encontrado aquí.
• Dos resistencias de 100K 0805. Encontrado aquí.
• Dos condensadores cerámicos multicapa 1uf 0805. Encontrado aquí.
• Dos pulsadores táctiles con orificio pasante de 6x6x10 mm. Encontrado aquí.
• Cabezales macho de 2,54 mm.
• Un cable de programación FTDI. Encontrado aquí, aunque otros tipos están disponibles en Amazon por menos. También puede usar un Arduino Uno como programador (si tiene un chip ATMEGA328P extraíble), consulte una guía para eso aquí.

Otras partes:

• Veinte imanes redondos de neodimio de 6x1 mm. Encontrado aquí.
• Un cuadrado de acrílico transparente de 25x1,5 mm. Encontrado aquí.
• Un pequeño trozo de velcro con adhesivo.
• Cuatro tornillos M2 de 4 mm.

Herramientas / Suministros

• impresora 3d
• Soldador con punta fina
• Pegamento plástico (para pegar cuadrados acrílicos, el superglue lo empaña)
• Super pegamento
• Pistola de pegamento caliente y pegamento caliente
• Pintar + pincel (para rellenar las etiquetas de los botones)
• Pelacables / cortador
• Pinzas (para manipular piezas SMD)
• Cuchillo de hobby

Piezas de trineo (opcional, si está agregando el láser de líneas cruzadas)

• Tres tuercas M3
• Tres tornillos M3x16mm (o más largos, le darán un rango de ajuste de ángulo mayor)
• Una tuerca de 1/4 "-20 (para montaje en trípode de cámara)
• Dos imanes redondos de 6x1 mm (ver enlace arriba)

Paso 1: Notas de diseño (opcional)

Antes de comenzar con los pasos de construcción del nivel, voy a grabar algunas notas sobre su diseño, construcción, programación, etc. Son opcionales, pero si quieres modificar el nivel de alguna manera, pueden ser útiles.

• Las imágenes de montaje que tengo son de una versión anterior de la PCB. Hubo algunos pequeños problemas que desde entonces he solucionado con una nueva versión de PCB. Probé la nueva PCB, pero en mi prisa por probarla, me olvidé por completo de tomar fotografías de ensamblaje. Afortunadamente, las diferencias son muy pequeñas y el ensamblaje prácticamente no ha cambiado, por lo que las imágenes más antiguas deberían funcionar bien.
• Para obtener notas sobre el MPU6050, SSD1306 OLED y TP4056, consulte el Paso 1 de mi instructable Digital Multi-Tool.
• Quería hacer que el nivel fuera lo más compacto posible, y al mismo tiempo mantenerlo fácil de montar por alguien con habilidades de soldadura promedio. Por lo tanto, opté por utilizar principalmente componentes con orificios pasantes y placas de ruptura comunes disponibles en el mercado. Usé resistencias / condensadores SMD 0805 porque son bastante fáciles de soldar, puede sobrecalentarlos sin preocuparse demasiado y son muy baratos de reemplazar en caso de que se rompa / pierda uno.
• El uso de placas de conexión prefabricadas para el sensor / OLED / microcontrolador también mantiene bajo el recuento general de piezas, por lo que es más fácil comprar todas las piezas para la placa.
• En mi multiherramienta digital utilicé un Wemos D1 Mini como microcontrolador principal. Esto se debió principalmente a restricciones de memoria de programación. Para el nivel, debido a que el MPU6050 es el único sensor, opté por usar un Arduino Pro-mini. Aunque tiene menos memoria, es un poco más pequeño que un Wemos D1 Mini, y dado que es un producto Arduino nativo, el soporte de programación se incluye de forma nativa en el IDE de Arduino. Al final, estuve muy cerca de maximizar la memoria de programación. Esto se debe principalmente al tamaño de las bibliotecas del MPU6050 y del OLED.
• Opté por usar la versión 5v del Arduino Pro-Mini sobre la versión 3.3v. Esto se debe principalmente a que la versión de 5v tiene el doble de velocidad de reloj que la versión de 3.3v, lo que ayuda a que el nivel responda mejor. Un LiPo de 1 s completamente cargado emite 4.2v, por lo que puede usarlo para alimentar el pro-mini directamente desde su pin vcc. Hacer esto evita el regulador de voltaje de 5v integrado y, por lo general, no debe hacerse a menos que esté seguro de que su fuente de alimentación nunca superará los 5v.
• Además del punto anterior, tanto el MPU6050 como el OLED aceptan voltajes entre 5-3v, por lo que un LiPo de 1 s no tendrá problemas para alimentarlos.
• Podría haber usado un regulador elevador de 5v para mantener un 5v constante en todo el tablero. Si bien esto sería bueno para garantizar una velocidad de reloj constante (disminuye al disminuir el voltaje) y evitar que los láseres se atenúen (lo cual no es realmente perceptible), no pensé que valieran la pena las piezas adicionales. Del mismo modo, un LiPo de 1 s se descarga en un 95% a 3.6v, por lo que incluso a su voltaje más bajo, el pro-mini de 5v debería funcionar más rápido que la versión de 3.3v.
• Ambos botones tienen un circuito antirrebote. Esto evita que se cuente una sola pulsación de botón varias veces. Puede eliminar los rebotes en el software, pero yo prefiero hacerlo en el hardware, porque solo se necesitan dos resistencias y un condensador, y entonces no tiene que preocuparse por eso nunca. Si prefiere hacerlo en software, puede omitir el condensador y soldar un cable de puente entre las almohadillas de la resistencia de 100K. Aún debe incluir la resistencia de 1K.
• El nivel informa el porcentaje de carga actual de LiPo en la esquina superior derecha de la pantalla. Esto se calcula comparando el voltaje de referencia interno de 1.1V del Arduino con el voltaje medido en el pin vcc. Originalmente pensé que necesitabas usar un pin analógico para hacer esto, que se refleja en la PCB, pero se puede ignorar con seguridad.

Paso 2: Montaje de PCB Paso 1:

Para empezar, montaremos la PCB del nivel. Para facilitar el montaje, agregaremos componentes al tablero por etapas, ordenados aumentando la altura. Esto le da más espacio para colocar su soldador, porque solo tiene que lidiar con componentes de alturas similares en un momento dado.

Primero debe soldar todas las resistencias y condensadores SMD en la parte superior de la placa. Los valores se enumeran en la placa de circuito impreso, pero puede utilizar la imagen adjunta como referencia. No se preocupe por la resistencia de 10K, ya que no aparece en su placa. Originalmente lo iba a usar para medir el voltaje de la batería, pero encontré una forma alternativa de hacerlo.

Paso 3: Montaje de PCB Paso 2:

A continuación, corte y pele los cables conductores del pequeño diodo láser. Probablemente tendrá que pelarlos hasta la base del láser. Asegúrese de hacer un seguimiento de qué lado es positivo.

Coloque el láser en el área de corte en el lado derecho de la PCB. Es posible que desee utilizar un poco de pegamento para mantenerlo en su lugar. Suelde los cables del láser a los orificios +/- etiquetados como "Laser 2" como se muestra en la imagen.

A continuación, suelde dos 2N2222 en su posición en la esquina superior derecha de la placa. Asegúrese de que coincidan con la orientación impresa en la pizarra. Cuando los suelde, solo empújelos hasta la mitad de su recorrido en la placa como se muestra en la imagen. Después de soldarlos, recorte los cables sobrantes y luego doble los 2N2222 de modo que la cara plana quede contra la parte superior de la placa como se muestra en la imagen.

Paso 4: Montaje de PCB Paso 3:

Voltee la placa y suelde los conectores macho individuales a los orificios cerca del diodo láser. A continuación, suelde el módulo TP4056 a los encabezados, como se muestra en la imagen. Asegúrese de que esté montado en la parte inferior de la placa, con el puerto USB alineado con el borde de la placa. Recorta cualquier exceso de longitud de los cabezales.

Paso 5: Montaje de PCB Paso 4:

Dale la vuelta al tablero hacia su lado superior. Usando una fila de cabezales macho, suelde la placa MPU6505 como se muestra en la imagen. Intente mantener el MPU6050 lo más paralelo posible al PCB del nivel. Esto ayudará a mantener sus lecturas iniciales de ángulos cerca de cero. Recorte cualquier exceso de longitud del cabezal.

Paso 6: Montaje de PCB Paso 5:

Suelde los conectores macho para Arduino Pro-Mini en su lugar en la parte superior de la placa. Su orientación no importa, a excepción de la fila superior de encabezados. Este es el encabezado de programación de la placa, por lo que es fundamental que estén orientados de modo que el lado largo de los encabezados apunte hacia el lado superior de la PCB del nivel. Puedes ver esto en la imagen. Además, asegúrese de usar la orientación de los pines A4-7 que coincida con su Pro-Mini (el mío tiene una fila a lo largo de la parte inferior del tablero, pero algunos los colocan como pares a lo largo de un borde).

A continuación, aunque no está en la imagen, puede soldar el Arduino Pro-Mini en su lugar.

Luego, suelde la pantalla OLED SSD1306 en su lugar en la parte superior de la placa. Al igual que con el MPU6050, intente mantener la pantalla lo más paralela posible al PCB del nivel. Tenga en cuenta que las placas SSD1306 parecen tener dos configuraciones posibles, una con los pines GND y VCC invertidos. Ambos funcionarán con mi placa, pero debes configurar los pines usando las almohadillas de puente en la parte posterior de la PCB del nivel. Simplemente conecte las almohadillas centrales a las almohadillas VCC o GND para configurar los pines. Desafortunadamente, no tengo una imagen para esto, ya que no me enteré de los pines invertidos hasta después de haber comprado y ensamblado el PCB inicial (los pines de mi pantalla estaban mal, así que tuve que pedir una pantalla completamente nueva). Si tiene alguna pregunta, por favor publique un comentario.

Por último, recorta cualquier exceso de longitud de los pasadores.

Paso 7: Montaje de PCB Paso 6:

Si no lo hizo en el paso anterior, suelde el Arduino Pro-Mini en su lugar en la parte superior de la PCB.

A continuación, suelde los dos botones táctiles y el interruptor deslizante en su lugar como se muestra en la imagen. Deberá recortar las pestañas de montaje del interruptor deslizante con un par de alicates.

Paso 8: Montaje de PCB Paso 7:

Coloque una pequeña tira de Velcro en la parte posterior del PCB de nivel y la batería LiPo, como se muestra en la imagen. Ignore el cable rojo adicional entre el Arduino y la pantalla en la primera imagen. Cometí un pequeño error de cableado al diseñar la PCB. Esto se ha corregido en su versión.

A continuación, coloque la batería en la parte posterior del PCB del nivel con el velcro. Luego, corte y pele los cables positivo y negativo de la batería. Sueldelos a las almohadillas B + y B- en el TP4056 como se muestra en la imagen. El cable positivo de la batería debe estar conectado a B + y el negativo a B-. Antes de soldar, debe confirmar la polaridad de cada cable con un multímetro. Para evitar cortocircuitos en la batería, recomiendo pelar y soldar un cable a la vez.

En este punto, el PCB del nivel está completo. Es posible que desee probarlo antes de instalarlo en el estuche. Para hacerlo, omita el paso de Carga de código.

Paso 9: Montaje de la caja Paso 1:

Si está agregando el láser de líneas cruzadas, imprima "Main Base.stl" y "Main Top.stl". Deben coincidir con las piezas ilustradas.

Si no va a agregar el láser de líneas cruzadas, imprima "Main Base No Cross.stl" y "Main Top No Cross.stl". Estas son las mismas que las partes ilustradas, pero sin el compartimiento para el láser de líneas cruzadas.

Puedes encontrar todas estas partes en mi Github: aquí

Para ambos casos, pegue imanes redondos de 1x6 mm en cada uno de los orificios en el exterior de la caja. Necesitarás 20 imanes en total.

A continuación, tome la "parte superior principal" y pegue un cuadrado acrílico de 25 mm en el recorte como se muestra en la imagen. No uses superpegamento para esto porque empañará el acrílico. Si planea reprogramar el nivel una vez que esté ensamblado, puede cortar el rectángulo en la esquina superior izquierda de la "Parte superior principal" con un cuchillo de hobby. Una vez que el nivel esté completamente ensamblado, esto le dará acceso al encabezado de programación. Tenga en cuenta que esto ya está recortado en mis imágenes.

Por último, opcionalmente, puede utilizar un poco de pintura para entintar las etiquetas de los botones "M" y "Z".

Paso 10: Montaje de la caja Paso 2:

Para ambos casos, inserte la PCB de nivel ensamblada en la caja. Debería poder asentarse plano sobre los elevadores internos de la carcasa. Una vez que esté satisfecho con su posición, péguelo en su lugar con pegamento caliente.

Paso 11: Carga de código

Puedes encontrar el código en mi Github: aquí

Deberá instalar las siguientes bibliotecas manualmente o utilizando el administrador de bibliotecas de Arduino IDE:

• Desarrollo I2C
• Biblioteca SSD1306 de Adafruit
• Referencia de voltaje

Doy crédito por el trabajo realizado por Adafruit, Roberto Lo Giacco y Paul Stoffregen en la producción de estas bibliotecas, sin las cuales, es casi seguro que no hubiera podido completar este proyecto.

Para cargar el código, deberá conectar un cable de programación FTDI al encabezado de seis pines sobre el Arduino pro-mini. El cable FTDI debe tener un cable negro o algún tipo de marcador de orientación. Cuando inserte el cable en el cabezal, el cable negro debe encajar sobre el pin etiquetado "blk" en la PCB del nivel. Si lo obtiene de la manera correcta, el LED de encendido del Arduino debería encenderse; de lo contrario, tendrá que invertir el cable.

Alternativamente, puede cargar el código usando un Arduino Uno como se describe aquí.

Al usar cualquiera de los métodos, debería poder cargar el código como lo haría con cualquier otro Arduino. Asegúrese de seleccionar Arduino Pro-Mini 5V como placa en el menú de herramientas al cargar. Antes de cargar mi código, debe calibrar su MPU6050 ejecutando el ejemplo "IMU_Zero" (que se encuentra en el menú de ejemplos para el MPU6050). Usando los resultados, debe cambiar las compensaciones cerca de la parte superior de mi código. Una vez que se establecen las compensaciones, puede cargar mi código y el nivel debería comenzar a funcionar. Si no está utilizando el láser de líneas cruzadas, debe establecer "crossLaserEnable" en falso en el código.

El modo de nivel se cambia usando el botón "M". Al presionar el botón "Z" se pondrá a cero el ángulo o se encenderá uno de los láseres, según el modo. Cuando esté en modo rollo o nivel x-y, al presionar dos veces el botón "Z" se encenderá el láser cruzado si está habilitado. El porcentaje de carga de la batería se muestra en la parte superior derecha de la pantalla.

Si no puede cargar el código, es posible que deba configurar la placa como Arduino Uno usando el menú de herramientas.

Si la pantalla no se enciende, verifique su dirección I2C con quien se la compró. Por defecto en el código es 0x3C. Puede cambiar cambiando DISPLAY_ADDR en la parte superior del código. Si esto no funciona, tendrá que quitar la PCB del nivel de la carcasa y confirmar que los pines de la pantalla coinciden con los de la PCB del nivel. Si es así, probablemente tengas una pantalla rota (son bastante frágiles y pueden romperse durante el envío) y tendrás que quitarla.

Paso 12: Ensamblaje láser de líneas cruzadas:

Si no está utilizando un láser de líneas cruzadas, puede omitir este paso. Si es así, tome el módulo láser e insértelo en la caja como se muestra en la imagen, debe encajar en los recortes redondeados para el láser.

A continuación, tome los cables del láser y colóquelos debajo de la pantalla en el puerto del láser 1 en la PCB del nivel. Pele y suelde los cables en las posiciones +/- como se muestra en la imagen. El cable rojo debe ser positivo.

Ahora, para que el láser de líneas cruzadas sea útil, debe alinearse con la caja del nivel. Para hacer esto, utilicé una tarjeta de índice doblada en ángulo recto. Coloque tanto el nivel como la ficha en la misma superficie. Encienda el láser cruzado y apúntelo a la tarjeta de índice. Con un par de pinzas o alicates, gire la tapa de la lente frontal estriada del láser hasta que la cruz del láser esté alineada con las líneas horizontales de la tarjeta de índice. Una vez que esté satisfecho, asegure tanto la tapa de la lente como el módulo láser de líneas cruzadas con pegamento caliente.

Paso 13: Montaje final

Tome la "parte superior principal" de la caja y presiónela en la parte superior de la "base principal" de la caja. Puede que tenga que inclinarlo ligeramente para que rodee la pantalla.

Actualización 2/1/2021, cambió la parte superior para sujetar con cuatro tornillos M2 de 4 mm. Debería ser sencillo.

¡En este punto tu nivel está completo! A continuación, repasaré cómo construir el trineo de precisión, que puede hacer opcionalmente.

Si se detiene aquí, espero que encuentre útil el nivel y ¡gracias por leer! Si tiene alguna pregunta, deje un comentario e intentaré ayudarlo.

Paso 14: Montaje del trineo de precisión Paso 1:

Ahora repasaré los pasos de montaje del trineo de precisión. El trineo está diseñado para usarse junto con el modo de nivel X-Y. Sus tres perillas de ajuste le brindan un control preciso sobre el ángulo del nivel, lo cual es útil cuando se trata de superficies irregulares. El trineo también incluye espacio para una tuerca de 1/4 -20, que le permite montar el nivel en un trípode de cámara.

Siendo imprimiendo un "Precision Sled.stl" y tres de ambos "Adjustment Knob.stl" y "Adjustment Foot.stl" (a la imagen de arriba le falta un botón de ajuste)

En la parte inferior del trineo, inserte tres tuercas M3 como se muestra en la imagen y péguelas en su lugar.

Paso 15: Montaje del trineo de precisión Paso 2:

Tome tres pernos M3 de 16 mm (no dos como se muestra en la imagen) e insértelos en las perillas de ajuste. La cabeza del perno debe estar alineada con la parte superior de la perilla. Esto debería ser un ajuste por fricción, pero es posible que deba agregar un poco de pegamento para unir las perillas y los pernos.

A continuación, enrosque los pernos M3 a través de las tuercas M3 que insertó en el trineo en el paso 1. Asegúrese de que el lado con la perilla de ajuste esté en la parte superior del trineo como se muestra en la imagen.

Pegue un pie de ajuste en el extremo de cada uno de los pernos M3 con superpegamento.

Después de hacer esto para los tres pies, ¡el trineo de precisión está completo!:)

Opcionalmente, puede insertar una tuerca de 1/4 -20 y dos imanes redondos de 1x6 mm en los orificios del centro del trineo (asegúrese de que las polaridades del imán sean opuestas a las de la parte inferior del nivel). Esto le permitirá montar el trineo y nivelar en un trípode de cámara.

Si has llegado hasta aquí, ¡gracias por leer! Espero que haya encontrado esto informativo / útil. Si tiene alguna pregunta, deje un comentario.

Finalista en el concurso Build a Tool