Цифровой индикатор глубины сверления на Arduino Nano и гироскопе GY-521 (MPU-6050)

Компоненты и материалы

• Arduino Nano R3 — 1 шт.
• GY-521 (MPU-6050) — акселерометр/гироскоп — 1 шт.
• 7-сегментный дисплей 8 разрядов (MAX7219, SPI) — 1 шт.
• Тактильная кнопка — 1 шт. (фиксация стоп-позиции)
• Выключатель питания — 1 шт.
• Питание: 6×AA батареи (9В) или Power Bank 5V — 1 комплект
• Неодимовый магнит (для крепления к станку) — 1 шт.
• 3D-печатный держатель под гайку SW17 (STL в проекте) — 1 шт.

Инструменты

• 3D-принтер (Anycubic i3 Mega / любой FDM)
• Паяльник, клей (горячий/эпоксидный)

ПО

• Arduino IDE
• Библиотека LedControl (для MAX7219) — через менеджер библиотек.
• Библиотека Wire (встроена) — для I2C MPU-6050.

Идея и принцип

Станочный сверлильный станок имеет ручное колесо регулировки глубины (поворот ~270°). Вместо неудобной шкалы с риской — электронный индикатор. MPU-6050 крепится прямо на вал ручки (через 3D-держатель на гайке SW17) и измеряет угол наклона акселерометром. Arduino пересчитывает угол в глубину (мм) и показывает на 8-значном дисплее. Кнопка запоминает целевую глубину («Стоп»), при достижении — показывает «StOP».

Подключение

Модуль	Arduino Nano
MPU-6050 VCC	5V
MPU-6050 GND	GND
MPU-6050 SCL	A5
MPU-6050 SDA	A4
MAX7219 VCC	3.3V (или 5V, если модуль 5V-толерантен)
MAX7219 GND	GND
MAX7219 DIN	D12
MAX7219 CS	D10
MAX7219 CLK	D11
Кнопка	D9 (INPUT_PULLUP)

Корпус и монтаж

• Корпус с магнитом клеится в корпус станка (металл).
• Держатель MPU-6050 надевается на гайку SW17 ручки глубины. Выровняйте его горизонтально (на дисплее 0.0).
• Провода проложите через крышку корпуса.

Алгоритм обработки данных MPU-6050

1. Инициализация: пробуждение из сна (рег. 0x6B=0), настройка диапазона ±8g (рег. 0x1C=0x10). Критично: delay(1000) после пробуждения — без этого при автономном питании датчик не выдает данные.
2. Калибровка смещения (offset): при старте 100 измерений, усреднение ошибки угла X.
3. Чтение raw данных: регистры 0x3B–0x40 (6 байт: Ax, Ay, Az).
4. Угол Roll (X) по акселерометру:

   AccAngleX = atan2(AcY, sqrt(AcX² + AcZ²)) * RAD_TO_DEG - AccAngleErrorX;
   

5. Сглаживание (комплементарный фильтр 50/50):

   TotalAngleX = 0.5 * TotalAngleX + 0.5 * AccAngleX;
   

6. Приведение к 0–360°: акселерометр дает -90..+90°. Используем знаки Ax, Ay, Az для определения квадранта:

   
   delta = 0;
   if (AccZ < 0) delta = 180.0 - TotalAngleX * 2.0;
   if (AccZ > 0 && AccY < 0) delta = 360.0;
   DrillingMachineAngle = TotalAngleX + delta;
   if (DrillingMachineAngle > 350) DrillingMachineAngle = 0;
   

7. Перевод в глубину (мм): измерьте макс. угол ручки (у автора 316°) при макс. глубине (50 мм).

   currentPos = 50.0 / 316.0 * DrillingMachineAngle;
   

Логика работы (loop)

• Отображает текущую глубину слева (4 разряда, 1 знак после запятой).
• Нажатие кнопки → сохраняет stopPos = currentPos, показывает «8888» 1 сек.
• Если стоп установлена:
  • currentPos >= stopPos → справа «StOP» (маленькая 't' через setRow B00001111).
  • Иначе → справа остаток stopPos - currentPos (мм).
• Если стоп не установлена — правые 4 разряда пусты.
• Обновление ~5 Гц (delay 200 мс).

Полный скетч (drilling-depth.ino)

/* drilling-depth.ino - Thomas Angielsky, 2021-03-20
 * https://techpluscode.de/bohrtiefenanzeige-mit-gyro-sensor/ */
#include <Wire.h> #include <math.h> #include "LedControl.h"
#define MPU 0x68
char txt[8]; String s;
float currentPos, stopPos;
float rad_to_deg = 180.0/PI;
float AccX, AccY, AccZ;
float AccAngleX, AccAngleErrorX;
float TotalAngleX;
float DrillingMachineAngle, delta;
LedControl lc = LedControl(12, 11, 10, 1); // DIN, CLK, CS, 1 device

void setup() {
  stopPos = 0.0; currentPos = 0.0;
  Wire.begin();
  Wire.beginTransmission(MPU);
  Wire.write(0x6B); Wire.write(0x00); Wire.endTransmission(true); // wake up
  delay(1000); // КРИТИЧНО для автономной работы!
  Wire.beginTransmission(MPU);
  Wire.write(0x1C); Wire.write(0x10); Wire.endTransmission(true); // ±8g

  // Калибровка offset
  for(int a=0; a<100; a++) {
    Wire.beginTransmission(MPU); Wire.write(0x3B); Wire.endTransmission(false);
    Wire.requestFrom(MPU, 6, true);
    AccX = (Wire.read()<<8 | Wire.read()) / 4096.0;
    AccY = (Wire.read()<<8 | Wire.read()) / 4096.0;
    AccZ = (Wire.read()<<8 | Wire.read()) / 4096.0;
    AccAngleErrorX += atan2(AccY, sqrt(AccX*AccX + AccZ*AccZ)) * rad_to_deg;
  }
  AccAngleErrorX /= 100.0;

  pinMode(9, INPUT_PULLUP); // кнопка
  lc.shutdown(0,false); lc.setIntensity(0,8); lc.clearDisplay(0);
}

void loop() {
  // Чтение акселерометра
  Wire.beginTransmission(MPU); Wire.write(0x3B); Wire.endTransmission(false);
  Wire.requestFrom(MPU, 6, true);
  AccX = (Wire.read()<<8 | Wire.read()) / 4096.0;
  AccY = (Wire.read()<<8 | Wire.read()) / 4096.0;
  AccZ = (Wire.read()<<8 | Wire.read()) / 4096.0;

  AccAngleX = atan2(AccY, sqrt(AccX*AccX + AccZ*AccZ)) * rad_to_deg - AccAngleErrorX;
  TotalAngleX = 0.5 * TotalAngleX + 0.5 * AccAngleX;

  delta = 0;
  if (AccZ < 0) delta = 180.0 - TotalAngleX * 2.0;
  if (AccZ > 0 && AccY < 0) delta = 360.0;
  DrillingMachineAngle = TotalAngleX + delta;
  if (DrillingMachineAngle > 350) DrillingMachineAngle = 0;

  currentPos = 50.0 / 316.0 * DrillingMachineAngle; // калибровка под СВОЙ станок!

  // Кнопка - установка стопа
  if (digitalRead(9) == LOW) {
    stopPos = currentPos;
    lc.setChar(0,3,'8',false); lc.setChar(0,2,'8',false);
    lc.setChar(0,1,'8',false); lc.setChar(0,0,'8',false);
    delay(1000);
  }

  // Правый дисплей (4 разряда): стоп или остаток
  if (stopPos > 0) {
    if (currentPos >= stopPos) {
      lc.setChar(0,3,'5',false); // 'S' не встроен, используем '5' похоже
      lc.setRow(0,2,B00001111);   // маленькая 't'
      lc.setChar(0,1,'0',false);
      lc.setChar(0,0,'P',false);
    } else {
      dtostrf(stopPos - currentPos, 4, 1, txt);
      s = " " + String(txt);
      lc.setChar(0,0,s.charAt(s.length()-1),false);
      lc.setChar(0,1,s.charAt(s.length()-3),true); // точка
      lc.setChar(0,2,s.charAt(s.length()-4),false);
      lc.setChar(0,3,s.charAt(s.length()-5),false);
    }
  } else {
    lc.setChar(0,3,' ',false); lc.setChar(0,2,' ',false);
    lc.setChar(0,1,' ',false); lc.setChar(0,0,' ',false);
  }

  // Левый дисплей (4 разряда): текущая глубина
  dtostrf(currentPos, 4, 1, txt);
  s = " " + String(txt);
  lc.setChar(0,4,s.charAt(s.length()-1),false);
  lc.setChar(0,5,s.charAt(s.length()-3),true); // точка
  lc.setChar(0,6,s.charAt(s.length()-4),false);
  lc.setChar(0,7,s.charAt(s.length()-5),false);

  delay(200);
}

Тестирование и результат

1. Подайте питание. Выровняйте держатель MPU до показа «0.0».
2. Поверните ручку — цифры должны плавно меняться.
3. Установите нужную глубину кнопкой. Сверлите — при достижении загорится «StOP».
4. Точность ±0.1 мм, реакция мгновенная. Большие цифры — читать без очков до 85 лет!

Видео работы: techpluscode.de

Полезные ссылки

• Работа с MPU-6050: Medium, Arduino Playground, CircuitDigest
• Библиотека GY-521 (Rob Tilaart): GitHub
• Книга Paul Akers «2 Second Lean»: paulakers.net
• Немецкая версия статьи: techpluscode.de

Схема и 3D-модель

STL-файл держателя: drilling-depth-3d-model_Yn2q0MSNa4.zip (прикреплен к проекту).