Adăugați un tahometru optic bazat pe Arduino la un router CNC: 34 de pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:45

Construiți un indicator RPM optic pentru routerul dvs. CNC cu un Arduino Nano, un senzor IR LED / IR Photodiode și un afișaj OLED pentru mai puțin de 30 USD. M-am inspirat din Measure RPM - Tachometer Optical Instructable eletro18 și am vrut să adaug un tahometru la routerul meu CNC. Am simplificat circuitul senzorului, am proiectat un suport personalizat tipărit 3D pentru routerul meu CNC Sienci. Apoi am scris o schiță Arduino pentru a afișa atât un cadran digital, cât și analog pe un ecran OLED

Câteva părți simple și câteva ore din timpul dvs. și puteți adăuga un afișaj digital și analogic RPM la routerul dvs. CNC.

Iată lista pieselor disponibile pentru expediere în 2 zile. Probabil puteți obține mai puțin piesele dacă sunteți dispus să așteptați mai mult.

Lista de componente

6,99 dolari Arduino Nano

Fotodiodă IR LED / IR 5,99 USD (5 perechi)

Afișaj OLED de 7,99 USD 0,96 I2C galben / albastru

Sârme jumper de 4,99 USD

1,00 dolari Sârmă cu 3 conductori de 30 inci (75 cm). Poate fi achiziționat de la magazinul dvs. local de aprovizionare (Home Depot, Lowes) din secțiunea de cumpărare

0,05 USD rezistență de 220 ohmi (6,99 USD dacă doriți 750 de rezistențe asortate)

0,50 USD Tub termocontractabil (5,99 USD dacă doriți un sortiment complet)

Paranteze tipărite 3D

IDE Arduino (gratuit)

Notă: Am adăugat inițial un condensator.01μF după ce am securizat toate firele și am observat câteva valori RPM neregulate când CNC-ul se deplasa. Condensatorul a funcționat bine pentru RPM-uri mai mici <20K, dar a netezit semnalul prea mult pentru ceva mai mare. Am urmărit zgomotul până la alimentarea Nano și afișarea directă de pe ecranul CNC. O alimentare separată funcționează pentru toate RPM. Am lăsat pașii în acest moment, dar ar trebui să utilizați o sursă de alimentare USB separată.

Pasul 1: Imprimați suportul 3D

Imprimați suportul 3D pentru a ține LED-ul IR și fotodiodele IR. Fișierele 3D sunt aici și pe Thingiverse.

www.thingiverse.com/thing:2765271

Pentru Sienci Mill, suportul unghiular este utilizat pentru a monta senzorul pe barele unghiulare din aluminiu, dar suportul plat poate fi mai bun pentru proiectul dvs.

Pasul 2: Opțional, imprimați 3D suportul afișajului OLED și carcasa electronică

Aleg să atașez OLED la un suport de afișare unghiular pe care l-am înșurubat pe partea superioară a unei carcase Sienci Electronics.

Iată linkurile către părțile imprimate 3D pe care le-am folosit.

Sienci Electronics Enclosure 3D Part

Suport de montare a ecranului OLED de 0,96"

Carcasa a fost un loc frumos pentru a monta suportul afișajului OLED și ține frumos Arduino Nano, plus că se potrivește pe spatele morii Sienci. Am forat câteva găuri pe partea superioară a incintei pentru a atașa suportul OLED.

De asemenea, am forat câteva găuri în partea de jos pentru a rula o mică cravată cu fermoar pentru a atașa ferm cablajul de sârmă

Pasul 3: Construiți ansamblul firului senzorului IR

Cablul cu 3 conductori va fi utilizat pentru a conecta senzorul. Un fir va fi o bază comună atât pentru LED-ul IR, cât și pentru fotodioda IR, fiecare dintre celelalte două mergând la componenta lor respectivă.

Pasul 4: Adăugați un rezistor de limitare a curentului pentru LED-ul IR

LED-ul IR necesită un rezistor de limitare a curentului. Cel mai simplu mod este de a încorpora rezistorul în ansamblul firului.

Îndoiți vârfurile fiecăruia în formă de U și blocați-le. Sertizați cu o clește și apoi lipiți-le împreună.

Pasul 5: Îmbrăcați cablurile jumperului

Puteți îmbina firele jumper pentru a le conecta la pinii antet Arduino.

Tăiați o bucată de tub termocontractabil și glisați peste fir înainte de a le conecta.

Glisați tubul termocontractabil înapoi peste conexiune (sau întregul rezistor) și micșorați tubulatura folosind un pistol de căldură sau trecând rapid o flacără peste tub până când acesta se micșorează. Dacă utilizați o flacără, mențineți-o în mișcare rapidă sau poate începe să se topească.

Pasul 6: Determinați LED-ul IR și cablurile fotodiodelor

Atât LED-ul IR cât și fotodioda IR arată similar, fiecare având un cablu lung (anodic sau pozitiv) și unul scurt (catodic sau negativ).

Pasul 7: Introduceți diode în suport

Luați LED-ul IR (diodă clară) și introduceți-l într-una dintre orificiile suportului LED-ului. Rotiți LED-ul astfel încât cablul lung să fie în exterior. În fotografie, puteți vedea LED-ul clar în gaura superioară, cu plumbul lung în partea de sus.

Luați fotodioda IR (diodă întunecată) și introduceți-o în cealaltă gaură. Rotiți fotodioda astfel încât lungimea sa lungă să fie în centru.

După cum se arată în fotografie, cablul scurt al LED-ului și cablul lung al fotodiodei vor fi ambele în centru. Aceste două cabluri vor fi îmbinate la un fir comun înapoi la arduino. (Vedeți notele tehnice la final dacă doriți mai multe detalii)

Luați o bucată mică de filament de 1,75 și introduceți-o în spatele diodelor. Acest lucru va bloca diodele în poziție și le va împiedica să se rotească sau să iasă.

Am trecut prin mai multe iterații de modele înainte de a mă stabili pe acesta. Făcând diodele să iasă puțin mai mult, toleranța a fost îmbunătățită atunci când o aliniați cu piulița de fixare.

Pasul 8: Conectați filamentul de blocare la suport

Veți dori să tăiați bucata de filament de blocare la puțin mai mult decât lățimea suportului.

Încălziți un cui pentru câteva secunde în menghină sau țineți-l cu clești.

Pasul 9: Apăsați capetele filamentului împotriva capului încălzit al unghiilor

Țineți degetul pe capătul opus al filamentului și apăsați pentru a topi și fuziona știftul de blocare din suport.

Pasul 10: Suport de diodă finalizat

Flush și îngrijit

Pasul 11: Atașați cablajul la diode

Tăiați firul la lungime pentru aplicația dvs. Pentru Moara Sienci, veți avea nevoie de aproximativ 30 inci (~ 75cm) în total (sârmă + jumperi) și veți avea libertate pentru ca routerul să se miște.

Îndoiți firele și vârfurile de plumb în formă de U pentru a le bloca și a ușura lipirea.

Luați niște tuburi subțiri termocontractabile și tăiați două bucăți scurte și două bucăți puțin mai lungi. Glisați piesele mai scurte peste cablurile diodei exterioare. Glisați piesele mai lungi peste cele două fire centrale.

Având două lungimi diferite compensează îmbinările de îmbinare și compensează îmbinările mai groase una de alta, astfel încât diametrul cablajului să fie redus. De asemenea, previne orice scurtcircuit între diferitele îmbinări de sârmă

Tăiați trei bucăți de tuburi termocontractibile cu diametru puțin mai mare și așezați-le peste fiecare dintre cele trei fire din cablajul.

Este important să vă asigurați că există un mic spațiu între capetele tubului termocontractibil de pe fire și punctul de îmbinare. Sârmele se vor încălzi și, dacă tubul termocontractabil este prea aproape, vor începe să se micșoreze la final, făcându-le potențial prea mici pentru a aluneca peste articulație.

Pasul 12: Asigurați-vă că firul cu rezistorul este atașat la cablul lung al LED-ului IR

Rezistorul de limitare a curentului (220 ohmi) încorporat în cablajul trebuie să fie conectat la cablul lung (anodic) al LED-ului clar IR. Cablul care conectează cele două cabluri comune va fi conectat la masă, deci poate doriți să utilizați un cablu negru sau gol pentru acea conexiune.

Lipiți conexiunile pentru a le face permanente.

Pasul 13: micșorați tubulatura termocontractabilă

După ce îmbinările au fost lipite, folosiți mai întâi un chibrit sau brichetă pentru a micsora mai întâi tubulatura de pe cablurile diodei. Mai întâi mutați tubulatura termocontractibilă pe fire cât mai departe de căldură.

Păstrați flacăra în mișcare rapidă pe măsură ce se micșorează și rotiți pentru a obține toate părțile în mod egal. Nu zăbovi sau tubulatura se va topi în loc să se micșoreze.

După ce cablurile diodei au fost micșorate, glisați tubulele termocontractabile puțin mai mari de pe fire, peste articulații și repetați contracția.

Pasul 14: Pregătiți blocul de montare

În funcție de aplicația dvs., alegeți blocul de montare care se potrivește aplicației dvs. Pentru From Mill, selectați blocul de montare unghiular.

Luați o piuliță M2 și un șurub M2. Înșurubați piulița abia pe capătul șurubului.

Întoarceți blocul de montare și testați montarea piuliței M2 în gaură.

Scoateți și încălziți piulița ușor cu un chibrit sau o flacără și apoi introduceți-o rapid în spatele blocului de montare.

Deșurubați șurubul, lăsând piulița încorporată în blocul de montare din plastic. Pentru o rezistență suplimentară, aplicați o picătură de super-adeziv pe marginea piuliței pentru a atașa în siguranță piulița la bloc.

Pasul 15: Asigurați-vă că șurubul M2 are lungimea corectă

Asigurați-vă că șurubul nu este prea lung sau că senzorul nu se va strânge de blocul de montare. Pentru blocul de montare unghiular, asigurați-vă că șurubul M2 este de 9 mm sau puțin mai scurt.

Pasul 16: Atașați blocul de montare la routerul CNC

Pentru Moara Sienci, atașați blocul de montare unghiular la partea inferioară a interiorului șinei Z cu câteva picături de super adeziv.

Pasul 17: Atașați senzorul la blocul de montare

Așezați brațul reglabil în blocul de montare

Introduceți șurubul M2 cu o șaibă prin fanta din brațul de montare reglabil și înșurubați-l în piuliță.

Glisați brațul reglabil până când LED-ul și fotodiodele sunt uniforme cu piulița de fixare a routerului

Strângeți șurubul

Pasul 18: Adăugați bandă reflectorizantă pe o parte a piuliței

Utilizați o bandă mică de bandă de aluminiu (utilizată pentru conductele cuptorului) și atașați-o la o fațetă a piuliței de fixare. Această bandă reflectorizantă va permite senzorului optic IR să capteze o singură rotație a fusului.

Pasul 19: Asigurați-vă că banda reflectorizantă nu depășește marginea fațetelor adiacente

Banda trebuie să fie doar pe o parte a piuliței. Banda este suficient de subțire și ușoară încât să nu interfereze cu cheia pentru a schimba morile de capăt sau pentru a afecta echilibrul axului.

Pasul 20: Rulați firul senzorului de-a lungul interiorului șinei Z

Folosind benzi de bandă adezivă din aluminiu, atașați firul la interiorul șinei Z. Cel mai bine este să rulați banda lângă marginea șinei unghiulare pentru a degaja ansamblul piuliței șurubului de plumb.

Pasul 21: Atașați senzorul la Arduino Nano

Conectați firele la Arduino după cum urmează:

• LED IR (cu rezistor integrat) -> Pin D3
• Fotodiodă IR -> Pin D2
• Sârmă comună -> Pin GND

Pasul 22: Atașați cablurile Jumper la afișajul OLED

Scoateți un set de 4 fire de cabluri jumper

Conectați firele la cei 4 pini ai interfeței I2C:

• VCC
• GND
• SCL
• SDA

Pasul 23: Atașați afișajul OLED la Arduino

Atașați firele jumperului la următorii pini. Notă: Aceste fire nu se atașează la pinii adiacenți și nici în aceeași ordine.

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

Pasul 24: Atașați afișajul OLED la suportul său

Folosind parantezele pe care le-ați imprimat mai devreme, atașați afișajul OLED la suportul său

Apoi atașați afișajul la cadrul CNC.

Pasul 25: Pregătiți IDE-ul Arduino pentru încărcarea schiței Arduino

Un program pentru un Arduino se numește schiță. Mediul de dezvoltare integrat (IDE) pentru Arduinos este gratuit și trebuie utilizat pentru a încărca programul pentru a detecta senzorul și a afișa RPM.

Dacă nu îl aveți deja, iată un link pentru a descărca ID-ul Arduino. Alegeți versiunea descărcabilă 1.8.5 sau mai mare.

Pasul 26: Adăugați bibliotecile OLED necesare

Pentru a rula afișajul OLED, veți avea nevoie de câteva biblioteci suplimentare, biblioteca Adafruit_SSD1306 și biblioteca Adafruit-GFX. Ambele biblioteci sunt gratuite și disponibile prin linkurile furnizate. Urmați tutorialul Adafruit despre cum să instalați bibliotecile pentru computer.

Odată instalate bibliotecile, acestea sunt disponibile pentru orice schiță Arduino pe care o creați.

Bibliotecile Wire.h și Math.h sunt standard și sunt incluse automat în instalarea IDE.

Pasul 27: Conectați Arduino la computer

Folosind un cablu USB standard, conectați Arduino Nano la computerul dvs. cu Arduino IDE.

1. Lansați IDE-ul
2. Din meniul Instrumente, selectați Board | Arduino Nano
3. Din meniul Instrumente, selectați Port |

Acum sunteți gata să încărcați schița, să o compilați și să o încărcați pe Nano

Pasul 28: Descărcați schița Arduino

Codul Arduino Sketch este atașat și este disponibil și pe pagina mea GitHub unde vor fi postate orice îmbunătățiri viitoare.

Descărcați fișierul OpticalTachometerOledDisplay.ino și plasați-l într-un director de lucru cu același nume (minus.ino).

Din IDE Arduino, alegeți Fișier | Deschis…

Navigați la directorul de lucru

Deschideți fișierul OpticalTachometerOledDisplay.ino.ino.

Pasul 29: Compilați schița

Faceți clic pe butonul „Verificați” sau alegeți Schiță | Verificați / Compilați din meniu pentru a compila schița.

Ar trebui să vedeți zona de compilare în partea de jos, cu o bară de stare. În câteva secunde va fi afișat mesajul „Compilare finalizată” și câteva statistici despre câtă memorie ocupă schița. Nu vă faceți griji cu privire la mesajul „Memorie redusă disponibilă”, nu afectează nimic. Cea mai mare parte a memoriei este utilizată de biblioteca GFX necesară pentru a desena fonturile pe afișajul OLED și nu schița propriu-zisă.

Dacă vedeți unele erori, acestea sunt cel mai probabil rezultatul lipsei bibliotecilor sau a unor probleme de configurare. Verificați de două ori dacă bibliotecile au fost copiate în directorul corect pentru IDE.

Dacă problema nu rezolvă problema, verificați instrucțiunile despre cum să instalați o bibliotecă și încercați din nou.

Pasul 30: încărcați pe Nano

Apăsați butonul „Săgeată” sau alegeți Schiță | Încărcați din meniu pentru a compila și încărca schița.

Veți vedea același mesaj „Compilare..”, urmat de un mesaj „Încărcare..” și în final un mesaj „Încărcare finalizată”. Arduino începe să ruleze programul de îndată ce încărcarea este finalizată sau imediat ce alimentarea este alimentată după aceea.

În acest moment, afișajul OLED ar trebui să prindă viață cu un afișaj RPM: 0 cu cadranul la zero.

Dacă ați pus routerul la loc, puteți porni comutatorul și puteți vedea afișajul citind RPM în timp ce reglați viteza.

Felicitări!

Pasul 31: utilizați o sursă de alimentare dedicată

NOTĂ: Aceasta a fost sursa zgomotului de semnal care a provocat afișările RPM neregulate. Cercetez să pun niște capace de filtrare pe jumperii de putere, dar pentru moment va trebui să-l alimentați printr-un cablu USB separat.

Puteți rula afișajul conectat la computer cu ajutorul cablului USB, dar în cele din urmă veți dori o sursă de alimentare dedicată.

Aveți câteva opțiuni, puteți obține un încărcător de perete USB standard și puteți rula Arduino de pe acesta.

Sau puteți rula Arduino direct de la electronica routerului CNC. Afișajul Arduino / OLED atrage doar 0,04 amperi, deci nu va suprasolicita electronica existentă.

Dacă aveți electronice Arduino / CNC Router Shield (cum ar fi Sienci Mill), atunci puteți utiliza câțiva pini neutilizați pentru a atinge necesarul de 5 volți de putere.

În partea stângă sus a ecranului routerului CNC, puteți vedea că există câțiva pini neutilizați etichetați 5V / GND. Atașați o pereche de cabluri jumper la acești doi pini.

Pasul 32: Conectați Arduino la Power Jumpers

Acesta este ușor, dar nu la fel de frumos etichetat.

Pe Arduino Nano, există un set de 6 pini la capătul plăcii. Nu sunt etichetate, dar am inclus diagrama pin out și puteți vedea că cei doi pin externi care sunt cei mai apropiați de LED-urile indicatoare sunt etichetați GND și 5V pe diagramă.

Conectați jumperul de la pinul de 5V de pe ecranul CNC la pinul cel mai apropiat de cel etichetat VIN (nu îl conectați la VIN, ci la pinul de colț interior al grupului cu 6 pini). VIN este pentru alimentarea Nano cu putere de 7V-12V.

Conectați jumperul de la pinul GND de pe ecranul CNC la pinul cel mai apropiat de pinul TX1.

Acum, când porniți componentele electronice ale routerului CNC, va apărea și afișajul OLED RPM.

Pasul 33: Note tehnice despre circuit

Circuitul senzorului folosește o pereche IR LED / IR Photodiode.

LED-ul IR funcționează ca orice LED obișnuit. Conductorul pozitiv (cel mai lung sau anodic) este conectat la tensiunea pozitivă. Pe un Arduino Nano, este un pin de ieșire setat la HIGH. Conductorul negativ (mai scurt sau catod) este conectat la masă pentru a finaliza circuitul. Deoarece LED-urile sunt sensibile la prea mult curent, un rezistor mic este plasat în serie cu LED-ul pentru a limita cantitatea de curent. Acest rezistor poate fi oriunde în circuit, dar are cel mai mult sens să îl așezați pe partea pozitivă a circuitului, deoarece cablul negativ împarte o conexiune la masă cu fotodioda.

Fotodioda IR se comportă ca orice altă diodă (inclusiv LED-uri cu diode emițătoare de lumină) prin aceea că conduc electricitatea doar într-o singură direcție, blocând electricitatea în direcția opusă. De aceea, este important ca polaritatea să funcționeze corect.

Diferența importantă cu fotodiodele este că atunci când detectează lumina, fotodiodele vor permite electricității să circule în ambele sensuri. Această proprietate este utilizată pentru a face un detector de lumină (în acest caz lumină cu infraroșu sau IR). Fotodioda IR este conectată într-o polaritate opusă (denumită polarizare inversă) cu 5V pozitiv pe pinul Arduino conectat la cablul negativ al fotodiodei, iar cablul pozitiv este conectat printr-un fir comun împreună cu LED-ul IR la masă.

Fără lumină IR, fotodioda IR blochează electricitatea, permițând pinului Arduino cu rezistența sa de tragere internă să fie la starea HIGH. Când fotodioda IR detectează lumina IR, aceasta permite curgerea electricității, împământând știftul și provocând scăderea valorii ÎNALTĂ a știftului fotodiodă către sol, provocând o margine FALLING pe care Arduino o poate detecta.

Această schimbare de stare pe pinul Arduino este utilizată în schiță pentru a număra revoluțiile.

Banda de bandă de aluminiu de pe piulița de prindere reflectă lumina IR de la LED-ul IR mereu pornit înapoi la fotodiodă IR de fiecare dată când se rotește pe lângă senzor.

Pasul 34: Note tehnice despre schița Arduino

Schița Arduino conduce afișajul OLED și reacționează simultan la senzorul IR LED / IR Photodiode.

Sketch inițializează afișajul OLED pe întreg protocolul I2C (Circuit inter-integrat). Acest protocol permite mai multor afișaje / senzori să partajeze o conexiune și poate citi sau scrie pe un anumit dispozitiv conectat cu un minim de fire (4). Această conexiune reduce numărul de conexiuni între Arduino și afișajul OLED.

Apoi pornește LED-ul IR setând acel pin HIGH oferind 5V necesari pentru LED.

Atasează o funcție de întrerupere la un pin care este apelat atunci când detectează o modificare a stării acelui pin. În acest caz, funcția incrementRevolution () este apelată ori de câte ori este detectată o margine FALLING pe pinul 2.

O funcție de întrerupere face exact ceea ce implică, întrerupe orice se face în prezent, execută funcția și apoi reia acțiunea exact acolo unde a fost întreruptă. Funcțiile de întrerupere ar trebui să fie cât mai scurte posibil, în acest caz doar adaugă una la o variabilă de contor. Micul Arduino Nano rulează la 16Mhz - 16 milioane de cicluri pe secundă - suficient de rapid pentru a face față întreruperii de 30 000 RPM, care este de numai 500 de rotații pe secundă.

Funcția Loop () este funcția principală de acțiune pentru orice schiță Arduino. Este apelat continuu, iar și iar, atâta timp cât Arduino are putere. Obține ora curentă, verifică dacă a trecut un interval specificat (1/4 secundă = 250 milisecunde). Dacă da, apelează funcția updateDisplay () pentru a afișa noua valoare RPM.

Funcția buclă va diminua, de asemenea, afișajul după 1 minut și va opri afișajul după 2 minute - complet configurabil în cod.

Funcțiile updateDisplay () apelează funcția calculateRpm (). Această funcție ia numărul de rotații, funcția de întrerupere a crescut constant și calculează RPM determinând rata de rotații pe interval de timp și extrapolând aceasta la numărul de rotații pe minut.

Afișează valoarea numerică și folosește câteva declanșări de liceu pentru a desena un cadran analogic și brațul indicator pentru a reflecta aceleași valori.

Constantele din partea de sus a schiței pot fi modificate, dacă doriți un cadran RPM cu valori majore și minore diferite.

Intervalul de actualizare și intervalul mediu pot fi, de asemenea, modificate.