双轴数字水平仪 制作

以下是制作双轴数字水平仪所需的全部材料

接线原理图详细标注了各电子元件的连接方式：

1. 红色线：正极电压
2. 黑色线：接地（GND）
3. 黄色与绿色线：加速度计的数据信号线，以及连接 OLED 液晶显示屏的信号线

后续步骤将进一步展示这些元件的实际连接方式。

若拥有 3D 打印机，外壳可轻松打印（本文包含所需的 STL 文件）；若无 3D 打印机，可将 STL 文件上传至 3D 打印服务平台（如本文提及的平台）代为打印。

3D 打印参数参考：

1. 无边缘（brim）、无支撑（raft）、填充率 20%（可按个人习惯调整）；
2. 所有部件需单独平放打印，可能需将部件旋转 45° 以适配打印机床尺寸；
3. 作者使用的是 Monoprice Maker Select Plus 打印机（床尺寸 200mm×200mm），每个部件约需 12 小时打印；
4. 不建议缩放部件：否则电子元件的安装位将无法适配。

注意：若打印机床尺寸小于 200mm×200mm，部件可能无法容纳。

强烈建议在将元件安装到外壳前，先在面包板上连接核心元件，验证连通性是否正常。具体操作包括：

1. 将软件下载到 Arduino Nano（见下一步）；
2. 验证 OLED 液晶显示屏接线是否正确、能否正常工作；
3. 验证加速度计接线是否正确、能否向 Arduino Nano 传输数据；
4. （若安装）验证压电扬声器的工作状态。

注意：

本阶段无需连接电池与充电器；开关与电池的连接需在开关安装到外壳后进行。最后一张配图展示了接线前的元件摆放状态。

需通过 Arduino IDE 将软件加载到 Arduino Nano。加载时机可灵活选择，但最佳时机是在面包板连接元件后（见上一步），以便验证接线与电子元件的工作状态。

软件准备：

需安装 2 个库文件：

1. U8g2 库（作者：oliver）：在 Arduino IDE 中点击 “文件（Sketch）→ 导入库（Include Library）→ 管理库（Manage Libraries...）”，搜索 “U8g2” 后点击安装。
2. Sparkfun LSM9DS1 库
3. 初始化部分（setup）：初始化加速度计与 OLED 显示屏，显示开机界面后切换至主显示界面；若连接扬声器，将发出一声蜂鸣以确认开机。
4. 主处理循环（main loop）：
5. 读取加速度计数据，获取 X 轴与 Y 轴角度，以绝对值和图形化图表形式显示；
6. 显示加速度计检测到的温度（支持华氏度 / 摄氏度切换）；
7. 若水平仪从 “非水平状态” 恢复至 “水平状态”，扬声器（若连接）将发出两声蜂鸣；
8. 读取电池电压，判断并显示当前电量（作者提示：电量检测精度虽非极高，但足以显示满电状态及使用过程中的电量消耗）。

1. OLED 显示屏（1.3 英寸，128×64 分辨率）：
2. 使用 4 颗 M2×4 盘头自攻螺丝，将显示屏安装到外壳上半部分；
3. 建议先连接显示屏的导线，再进行安装 —— 这样能清晰看到引脚标注，避免接错；安装后将无法看到引脚标签；
4. 作者提示：可在显示屏背面标注引脚信息（作者首次制作时未标注，导致接线错误）。
5. 压电扬声器：
6. 功能：开机时发出短音（确认电池供电正常），水平仪从非水平切换至水平时发出双音（提供声音反馈）；
7. 安装：使用 2 颗 M2×4 盘头自攻螺丝，固定到外壳上半部分；
8. 可选性：无扬声器不影响水平仪核心功能，仅缺少声音反馈。

安装顺序：先装开关，后接线

需先将开关安装到外壳上，再连接导线 —— 若先接线，安装开关时需断开连接，较为繁琐。具体步骤：

1. 安装开关至外壳；
2. 安装预接线的 TP4056 充电器与锂电池；
3. 完成开关的接线。

TP4056 充电器接线细节：

TP4056 有 4 个接线焊盘：B+、B-、Out+、Out-，接线规则如下：

1. 电池正极接 B+，电池负极接 B-；
2. Out - 接 Arduino Nano 的接地（GND）；
3. Out + 接开关的一个引脚，开关的另一个引脚接 Arduino Nano 的 VIN 引脚。

接线方式选择：

1. 使用带杜邦接头的跳线接线；
2. 也可直接将导线焊接到引脚上（建议焊接后再安装加速度计，操作更便捷）。

需将所有电子元件连接到 Arduino Nano，建议在安装 Arduino Nano 前完成接线 —— 以便 USB 端口可用于后续校准及软件微调。

详细接线步骤：

1. 开关与 Arduino Nano 的连接：
2. 红线（正极）：从开关接至 Nano 的 VIN 引脚；
3. 黑线（负极）：从电池接至 Nano 的 GND 引脚；
4. 接地整合：Nano 有 2 个 GND 引脚，可将外壳下半部分的 2 条接地线合并为 1 条，接至其中 1 个 GND 引脚；外壳上半部分的 2 条接地线合并为 1 条，接至另 1 个 GND 引脚。
5. 加速度计（LSM9DS1）与 Nano 的连接：
6. LSM9DS1 的 VDD 引脚接 Nano 的 3V3 引脚（严禁接 5V 引脚，否则会损坏加速度计芯片）；
7. SDA 接 Nano 的 A4 引脚，SCL 接 Nano 的 A5 引脚；
8. GND 接 Nano 的 GND 引脚（与电池负极的接地线合并）。
9. OLED 显示屏与 Nano 的连接：
10. OLED 的 VCC 引脚接 Nano 的 5V 引脚；
11. SDA 接 Nano 的 D2 引脚，SCL 接 Nano 的 D5 引脚。
12. 压电扬声器与 Nano 的连接：
13. 红线（正极）接 Nano 的 D7 引脚；
14. 黑线（负极）接 Nano 的 GND 引脚（与 OLED 的接地线合并）。

软件下载完成后、安装 Arduino Nano 前，需对水平仪进行校准（确保加速度计安装平整，若有轻微偏差，校准可保证显示准确）。

校准步骤：

1. 将外壳下半部分放在已知水平的表面上（可使用气泡水平仪等工具确认）；
2. 读取显示屏上 X 轴（H）与 Y 轴（V）的数值；
3. 若任一数值非零，需在软件中修改校准变量：将xCalibration（X 轴校准值）或yCalibration（Y 轴校准值）设为显示屏显示的数值。

软件校准代码片段（需在 Arduino IDE 中修改）：

额外设置：

可在此阶段设置displayF的值，选择温度显示单位（true 为华氏度，false 为摄氏度）。

修改后重新将软件加载到 Nano，此时水平仪在已知水平表面上的读数应为 X=0、Y=0。

1. 安装 Arduino Nano：在外壳的导轨上涂抹热熔胶，将 Nano 放在导轨上（引脚朝上，USB 端口朝向壳内），固定即可。
2. 组装外壳：将外壳上下两部分合在一起，用 4 颗 M2×8 盘头自攻螺丝拧紧，完成组装。

1. 电池充电确认：确保 3.7V 锂电池已充满；组装后无法直接看到充电 LED 指示灯，但闭合外壳时可观察到红色微光（表示正在充电）。
2. 功能验证：打开电源，检查水平仪是否正常工作。若异常，优先排查以下两处：
3. 若显示屏无任何显示：检查 OLED 液晶显示屏的接线；
4. 若显示屏工作正常，但 H（X 轴）、V（Y 轴）均显示 0 且温度显示 0℃（或 32℉）：检查加速度计的接线。