基于陀螺仪传感器与 Arduino Nano 的精准钻床钻深显示器

核心硬件

设计缘起

台钻手轮旋转约 270° 对应 0~50 mm 钻深，原厂刻度尺读数费眼且需记忆目标深度。利用 MPU-6050 加速度计测量手轮转角，经 Arduino 换算实时显示当前钻深与目标深度，到达目标自动提示“StOP”，免去老花眼困扰，且断电数据不丢失（下次开机需重新归零）。

安装结构设计

1. 传感器座：Fusion 360 设计，内孔套钻床手轮轴端 SW17 六角螺母，外壳卡扣固定 GY-521，确保 Z 轴垂直于手轮平面。STL 文件见 CAD 栏。
2. 主机盒：磁吸固定于钻床铸铁机身侧面，随时拆卸不妨碍操作。
3. 接线：

核心算法

1. 唤醒 MPU-6050：写寄存器 0x6B=0，必须 delay(1000) 等待稳定，否则外部供电时传感器无数据（作者踩坑最久处）。
2. 零偏校准：开机采样 100 次 X/Y/Z 加速度，计算静态角度误差均值 AccAngleErrorX。
3. 实时角度融合：
   AccAngleX = atan2(Ay, sqrt(Ax²+Az²)) * RAD2DEG - AccAngleErrorX
TotalAngleX = 0.5 * TotalAngleX + 0.5 * AccAngleX（一阶互补滤波）
4. 映射至 0~360°：利用 Ax/Ay/Az 符号判断象限，修正 TotalAngleX 到 DrillingMachineAngle（0~360°），近 360° 时归零显示。
5. 角度→钻深换算：实测手轮最大转角 316° 对应 50 mm，currentPos = 50.0/316.0 * DrillingMachineAngle。
6. 目标设定：按键按下瞬间锁存 stopPos = currentPos，右侧 4 位显示“8888”确认 1 秒。
7. 到达判定：currentPos >= stopPos 时右侧显示 “5t0P”（小写 t 用 setRow(0,2,B00001111) 拼凑），否则显示剩余深度 stopPos - currentPos（1 位小数）。

完整 Arduino 代码

/* drilling-depth.ino  关键片段 */
#include <Wire.h> #include <math.h> #include <LedControl.h>
#define MPU 0x68
LedControl lc(12,11,10,1); // DIN,CLK,CS,devices
float AccAngleErrorX, TotalAngleX, currentPos, stopPos;
const float RAD2DEG = 180/PI;

void setup() {
  Wire.begin();
  Wire.beginTransmission(MPU); Wire.write(0x6B); Wire.write(0); Wire.endTransmission(true);
  delay(1000); // 关键！
  Wire.beginTransmission(MPU); Wire.write(0x1C); Wire.write(0x10); Wire.endTransmission(true); // ±8g
  // 校准零偏
  for(int i=0;i<100;i++){ readAccel(); AccAngleErrorX += atan2(Ay,sqrt(Ax*Ax+Az*Az))*RAD2DEG; }
  AccAngleErrorX /= 100;
  pinMode(9,INPUT_PULLUP);
  lc.shutdown(0,false); lc.setIntensity(0,8); lc.clearDisplay(0);
}

void loop() {
  readAccel();
  float AccAngleX = atan2(Ay,sqrt(Ax*Ax+Az*Az))*RAD2DEG - AccAngleErrorX;
  TotalAngleX = 0.5*TotalAngleX + 0.5*AccAngleX;
  // 象限修正
  float delta = 0;
  if (Az < 0) delta = 180 - TotalAngleX*2;
  else if (Ay < 0) delta = 360;
  float angle = TotalAngleX + delta;
  if (angle > 350) angle = 0;
  currentPos = 50.0/316.0 * angle;

  if (digitalRead(9)==LOW) { stopPos=currentPos; show8888(); delay(1000); }
  if (stopPos>0) {
    if (currentPos >= stopPos) showSTOP();
    else showRemain(stopPos - currentPos);
  } else showBlankRight();
  showCurrent(currentPos);
  delay(200);
}

完整代码含 readAccel()、showCurrent()、showRemain()、showSTOP() 等函数，见 Code 栏下载。

实测效果

视频演示：钻深显示器实测。传感器响应极快，显示值与机械刻度尺误差 < 0.2 mm，亮度在车间强光下清晰可读。

经验总结

• delay(1000) 是外部供电下 MPU-6050 正常工作的关键，切勿省略。
• 加速度计单轴测角仅适用于缓慢旋转、无剧烈振动场景；高速/冲击环境需融合陀螺仪或改用磁编码器。
• MAX7219 驱动 8 位共阴数码管，电流约 120 mA（亮度 8/15），6 节 AA 电池可续航 20+ 小时。
• 3D 打印件建议 PETG 耐热，PLA 夏季车间可能软化变形。

原理图与 3D 模型

CAD 文件：drilling-depth-3d-model_Yn2q0MSNa4.zip（含传感器座、主机盒、电池盖 STL）。