Präzise Bohrtiefen-Anzeige mit Gyro-Sensor (GY-521) & Arduino Nano

Komponenten und Zubehör

• 1× Arduino Nano R3
• 1× GY-521 / MPU-6050 Gyro-/Beschleunigungssensor (I2C)
• 1× 7-Segment-Display 8-stellig mit MAX7219 (SPI)
• 1× Taster
• 1× Ein-/Ausschalter
• Stromversorgung: 6× AA-Batterien (oder Powerbank)
• 1× Neodym-Magnet (zur Befestigung am Bohrmaschinen-Gehäuse)
• 1× 3D-gedrucktes Gehäuse (STL im Projekt)

Benötigte Werkzeuge

• 3D-Drucker (z. B. Anycubic i3 Mega)

Software

• Arduino IDE
• Bibliothek: LedControl.h (für MAX7219)

Motivation

Die eingebaute Skala an der Säulenbohrmaschine ist bei schlechter Lichtverhältnissen und altersbedingt schlechteren Augen schwer ablesbar. Eine elektronische Anzeige direkt am Handrad löst das Problem – und macht Spaß beim Basteln.

Messprinzip

Das Handrad der Bohrmaschine dreht ca. 270° (keine volle Umdrehung). Ein Gyro-Sensor (Beschleunigungsmesser) am Handrad misst den Neigungswinkel zur Schwerkraft → direkter Rückschluss auf die Bohrspindel-Position. Vorteile: Keine Mechanik (Seilzug, Zahnrad), keine Kabelverdrehung, nur ein kleiner Sensor.

Konzept

1. Bohrer an Werkstück ansetzen (Nullpunkt).
2. Taster drücken → aktuelle Position als „Stopp-Position“ (Zieltiefe) speichern.
3. Während des Bohrens: Aktuelle Tiefe links, Resttiefe bis Stopp rechts anzeigen.
4. Zieltiefe erreicht → „StOP“ auf rechtem Display.

Sensor wird in einen 3D-gedruckten Adapter gesteckt, der auf die SW17-Sechskantmutter der Bohrspindel passt. Hauptgehäuse (Display, Arduino, Batterien) per Neodym-Magnet am Maschinengehäuse – schnell abnehmbar.

Verdrahtung

GY-521 (I2C)

• VCC → 5V
• GND → GND
• SCL → A5
• SDA → A4
• XDA, XCL, ADO, INT → nicht verbunden

7-Segment MAX7219 (SPI, beliebig wählbare Pins)

• VCC → 3,3 V
• GND → GND
• DIN → D12
• CS → D10
• CLK → D11

Taster

• Eingang → D9 (interner Pullup genutzt)

Stromversorgung

6× AA-Batterien in Reihe (9 V) → Ein-/Ausschalter → VIN/GND des Nano (oder 5V-Regler).

Gehäuse

In Autodesk Fusion 360 entworfen, auf Anycubic i3 Mega gedruckt. Neodym-Magnet eingeklebt. Sensor-Adapter separat druckbar (STL-Datei im Projekt: drilling-depth-3d-model_Yn2q0MSNa4.zip).

Arduino-Sketch (Kernlogik)

Keine fertige MPU-6050-Bibliothek verwendet – direkte I2C-Kommunikation über Wire.h. Nur Beschleunigungsdaten genutzt.

Initialisierung & Kalibrierung

Wire.begin();
Wire.beginTransmission(0x68); Wire.write(0x6B); Wire.write(0x00); Wire.endTransmission(true); // Wake up
delay(1000); // KRITISCH: Ohne Delay liefert Sensor nach externer Stromversorgung keine Daten!
Wire.beginTransmission(0x68); Wire.write(0x1C); Wire.write(0x10); Wire.endTransmission(true); // +/- 8g Range

// Offset-Kalibrierung: 100 Messungen mitteln
for(int a=0; a<100; a++) { ... AccAngleErrorX += atan2(AccY, sqrt(AccX²+AccZ²)) * RAD_TO_DEG; }
AccAngleErrorX /= 100;

Winkelberechnung & Glättung

AccAngleX = atan2(AccY, sqrt(AccX*AccX + AccZ*AccZ)) * RAD_TO_DEG - AccAngleErrorX;
TotalAngleX = 0.5 * TotalAngleX + 0.5 * AccAngleX; // Komplementärfilter (50/50)

// Umrechnung -90..+90° → 0..360° mittels Vorzeichen von AccZ, AccY
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;

Tiefe berechnen

Maximaler Handrad-Winkel (per Serial-Monitor ermittelt): 316°. Maximale Bohrtiefe: 50 mm.

currentPos = 50.0 / 316.0 * DrillingMachineAngle; // mm

Taster-Logik & Anzeige

• Taster gedrückt: stopPos = currentPos, Anzeige „8888“ 1 s lang.
• Stopp gesetzt: Rechte Seite zeigt Resttiefe (stopPos - currentPos) mit 1 Nachkommastelle.
• Zieltiefe erreicht: „5t0P“ (kleines ‚t‘ via setRow(0,2,B00001111)).
• Linke Seite: Immer aktuelle Tiefe (currentPos).
• Anzeige via dtostrf() → String → zeichenweises lc.setChar().

Montage & Test

Sensor mit Heißkleber punktfixieren, Kabel durch Gehäusedeckel führen. Erste Inbetriebnahme: Sensorhalter drehen, bis Display „0.0“ anzeigt. Dann Testbohrung – Reaktionszeit und Genauigkeit exzellent.

Gesamtfazit: Große LED-Anzeige gut ablesbar bis ins hohe Alter. Paul Akers („2 Second Lean“): „Fix what bugs you!“

Hilfreiche Links

• MPU-6050 Tutorial (Medium)
• Arduino Playground MPU-6050
• CircuitDigest MPU-6050
• GY-521 Library (Rob Tillaart)
• Paul Akers: 2 Second Lean
• Deutscher Originalartikel: techpluscode.de

Schaltplan

Code (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/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; currentPos=0;
  Wire.begin();
  Wire.beginTransmission(MPU); Wire.write(0x6B); Wire.write(0x00); Wire.endTransmission(true);
  delay(1000); // WICHTIG!
  Wire.beginTransmission(MPU); Wire.write(0x1C); Wire.write(0x10); Wire.endTransmission(true);
  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;
  pinMode(9, INPUT_PULLUP);
  lc.shutdown(0,false); lc.setIntensity(0,8); lc.clearDisplay(0);
}

void loop() {
  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;

  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); }

  if(stopPos>0) {
    if(currentPos>=stopPos) { lc.setChar(0,3,'5',false); lc.setRow(0,2,B00001111); 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); 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); }

  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);
  lc.setChar(0,6,s.charAt(s.length()-4),false); lc.setChar(0,7,s.charAt(s.length()-5),false);
  delay(200);
}