Digitalmessschieber für den Hobbykeller mit großem Display ausstatten

Digitalmessschieber werden von Hobbybastlern zur Positionsanzeige an Drehmaschinen, Fräsen, Bohrmaschinen und an diversen Holzbearbeitungsmaschinen verwendet. Seit 1996 beschäftige ich mich mit dem Auslesen preiswerter Messschieber und der Messwertausgabe auf großen LED-Anzeigen. Seit 2013 werden neben dem ältere 2x 24 bit Datenformat auch das 7 BCD und das 6x 4 bit (= 1x 24 bit) Protokoll unterstützt. 2017 erweiterte ich die Treibersoftware für preiswerte, fertig aufgebaute China 7-Segmentanzeigen, die den Bastelaufwand und den Systempreis erheblich senken. Wer möchte, kann den programmierten Chip und die Platine bei mir erwerben und sich ohne Programmierkenntnisse selbst so eine Anzeige aufbauen. Ich zeige hier wie alles funktioniert.

Leistungsmerkmale der hier vorgestellten Schaltung von Rainer Radow

Signalanschluss: geschirmte 4-Draht Leitung (0 Volt, Takt, Daten, 1.6 Volt)
Datenformate: 2x 24 bit, 7 BCD, 6x 4 bit (= 1x 24 bit), China-Messchieber 2018 mit externer Anzeige
Anzeigeformat: -000.00 = Vorzeichen, 3 Stellen vor dem Komma, Komma, 2 Stellen hinter dem Komma
Vorzeichenwechsel: wenn der Messschieber "verkehrt herum" eingebaut werden muss
Messwertverdoppelung: für den Einsatz an der Drehmaschine
Displayarten: LED-Displays mit verschiedenen Ziffernhöhen möglich - DOGM-LCD-Displays
Speicherfunktion: speichern von 3 Wegpositionen, z.B. für verschiedene Stahl- und Werkzeughalter
Spannungsversorgung 5 Volt Steckernetzteile, stabilisiert, z.B. USB-Steckernetzteil
Batterieersatz Schaltung versorgt den Messschieber mit 1,6 Volt - Batterie im Schieber kann entfallen

Welche Typen von Anbaumessschiebern sind geeignet und wie erkenne ich diese?

1. Wo finde ich die Anschlusskontakte?

Die digitalen Messschieber und auch die speziellen Anbaumessschieber müssen einen Datenausgang besitzen. Dieser liegt immer oben rechts über der Anzeige unter einer kleinen Klappe. Nur Digitalmessschieber mit 4 Kontakten können von meiner Schaltung ausgewertet werden. Mitutoyo verwendet z.B. eine 5 Draht Leitung, die ich in naher Zukunft nicht unterstützen werde..

Die 4 Kontakte des Datenanschluss

Die 4 Kontakte des Datenanschluss

Manche Schieber haben zwar Anschlüsse, geben hier aber kein Signal aus. Manche Schieber ohne Klappe besitzen diese Kontakte im Verborgenen. Hier solch einer von TCM (Tschibo China Management oder wie sich das nennt?)

Digitalmessschieber mit Datenausgang

Digitalmessschieber mit Datenausgang

Tschibo: Keine Klappe und geht doch - dieser aktuelle Schieber sendet im 2x 24 bit Format.
Beim Fotografieren habe ich das LCD während des Umschaltens von 6 auf 7 in der letzten Stelle erwischt - die LED-Anzeige ist noch nicht aktualisiert...

Digitalmessschieber mit Datenausgang

Digitalmessschieber mit Datenausgang

2. Wie stelle ich den Kontakt zum Messschieber her?

Für No-Name Messschieber findet man oft keine passenden Stecker. Spezialstecker sind manchmal teurer als einfache Messschieber. Ich löte die Anschlussdrähte daher immer fest an die vier Kontakte auf der Platine - siehe Bild oben. Mit einer Lötstation, einer ruhigen Hand und etwas Geduld schafft das jeder. Wenn man nicht minutenlang auf einem Kontakt herum lötet, kann hier auch nichts beschädigt werden. Vor dem Löten bitte die Batterie entfernen.

Spezialstecker für die Datenleitung

Spezialstecker für die Datenleitung

3. Wie unterscheide ich die verschiedenen Digitalmessschieber?

Für den ersten Test benötigt man einen gewöhnlichen Durchgangsprüfer. Damit kann man testen, ob der Plus-Pol oder der Minus-Pol der Batterie am Schiebergehäuse angeschlossen ist. Für einen unkomplizierter Aufbau sollten pro Werkzeugmaschine immer nur Schieber eines Typs verwendet werden.

3a. Batterie-Plus am Gehäuse (alte Messschieber - heute aber noch Handelsüblich!)

Bei meinen ersten Messschiebern von 1987 sind das metallene Schiebergehäuse und der Plus-Pol der Batterie miteinander verbunden. Das ganze Töpfchen der Knopfzellen liegt auf +. Man muss die Batterie also gar nicht heraus nehmen, um

Batterie + am Gebäuse

Batterie + am Gebäuse

Batterie + am Gehäuse - ältere Messschieber

Batterie + am Gehäuse - ältere Messschieber

3b. Batterie-Minus am Gehäuse (neuere Messschieber)

Bei den neueren Messschiebern sind meist das metallene Schiebergehäuse und der Minus-Pol der Batterie miteinander verbunden. Um an den Minus-Kontakt des Messschiebers zu gelangen, entfernt man die Batterie.

Batterie - am Gehäus, wie es sich gehört!

Batterie - am Gehäus, wie es sich gehört!

So sieht es heute unter der Haube aus. Die Batteriespannung wird mit den kleinen Ärmchen rechts im Bild abgegriffen. Dieser neue Batterieanschluss macht aber auch die Auswertung viel einfacher als früher, da Schieber und Mikrocontroller auf "der gleichen Seite" des Minuspols liegen.

Messschieber ohne Plastikverkleidung

Messschieber ohne Plastikverkleidung

4. Welche Protokolle zur Datenübertragung werden unterstützt?

Die üblichen Messschieber besitzen eine Takt- und einen Datenleitung. Freundlicherweise ist die Pinbelegung bei allen mir bekannten Digitalmessschiebern gleich - ob nun alte oder neue Batterieverschaltung und egal welches Protokoll.
Bei jedem Taktimpuls liegt an der Datenleitung - je nach Messergebnis - eine 0 oder 1 an. Aus der Kombination der Nullen und Einsen kann der Anzeigewert hergeleitet werden. Der Messschieber sendet seine Daten in regelmäßigen Zeitabständen, ohne dabei auf den Empfänger zu reagieren (unidirektionales Protokoll). Anmerkung 2018: Es ist ein bidirektionales Protokoll aufgetaucht und von mir entschlüsselt worden - hierbei wird das Taktsignal von der Anzeige ausgesendet.

Der von mir programmierte Chip ist in der Lage, die vier gängigen Protokolle bei beiden Batteriepolungen zu verarbeiten:
2x 24 bit Signale
7 BCD Protokoll
4x 6 bit Protokoll (= 1x 24 bit)
Bidirektionales Protokoll für Messschieber mit externer LCD Anzeige in 3 Volt Technik

Wer ein Oszilloskop besitzt, kann die verschiedenen Datenformate auf den zwei Leitungen erkennen. Mit meiner Schaltung probiert man die verschiedenen Einstellungen einfach so lange, bis der richtige Wert angezeigt wird - dabei kann nichts kaputt gehen!

Sollte jemand ein weiteres Protokoll auf der 4-Draht Leitung kennen, arbeite ich das gerne mit ein.

5. Kann ich verschiedene Messschiebertypen an einer Fräse oder Drehbank verwenden?

Es ist kein Problem, Schieber mit 7 BCD, 4x 6 bit oder 24 bit Protokoll an einer Maschine zu betreiben. Die Batterie-Masse aller Schieber muss aber entweder nur auf Plus oder nur auf Minus liegen! Wer unbedingt beide Schieberbauformen kombinieren möchte, den Berate ich gerne per Mail...

Welche LED- und LCD-Anzeigen kann ich anschließen?

13 mm LED 7-Segmentanzeigen
Ich habe meine Schaltung mit 13 mm hohen roten LED 7-Segmentanzeigen aufgebaut. Man kann natürlich auch gelbe, grüne oder blaue LED-Segmente verwenden. Um alles auf einer Platine unter bringen zu können, müssen hier einige SMD Bauteile aufgelötet werden - das kann aber jeder, der eine ruhige Hand hat. Auf diesem Bild ist das LCD Display wieder vor dem LED-Display im Hundertstel-Bereich umgesprungen. Für das Auge ist diese Verzögerung im Normalbetrieb nicht wahrnehmbar.

LED-Anzeige und Auswerteelektronik auf einer Platine

LED-Anzeige und Auswerteelektronik auf einer Platine

9.5 mm LED 7-Segmentanzeigen
Wer es lieber klein mag, kann auch eine fertige LED-Anzeige aus Fernost an meinen Prozessor stecken. Ein Vorteil: für den Schaltungsaufbau benötigt man dann nur eine kleine Lochrasterplatine. Wer es ganz einfach haben möchte, bestellt bei mir dazu noch eine gefräste und gebohrte Prozesorplatine. Mit knapp 9.5 mm Ziffernhöhe muss man noch gute Augen haben oder die Anzeige nicht all zu weit entfernt montieren. Dafür kommt solch ein fertiges LED-Modul aber schon für 4 bis 6 Euro aus Fernost oder der Ebay. Passende Displays sollte so aussehen wie das hier abgebildete. Wichtig: Sie müssen mit einem MAXIM MAX 7219 Chip ausgestattet sei.

Fertig aufgebaute 7-Segmentanzeigen an meiner Schaltung

Fertig aufgebaute 7-Segmentanzeigen an meiner Schaltung

Über einen Jumper kann man dem Controller sagen, welches Display angeschlossen ist.

Hier noch ein kleines Video zu den verschiedenen LED Anzeigen.

LCD Anzeigen
Im Herbst 2014 habe ich auch das erste LCD-Display programmiert. Die DOGM 081 Module von Electonic Assembly verwende ich auch beruflich. Bei "nur" 12 mm Ziffernhöhe haben sie aber eine schicke moderne Optik. Dazu gibt es verschiedenfarbige Hintergrundbeleuchtungen!

Mit 8.50 Euro pro Modul plus 3.50 Euro für die Hintergrundbeleuchtung ist man dabei. Die Hintergrundbeleuchtung wird zwischen LCD-Glas und Platine gesetzt. Der Verdrahtungsaufwand hält sich in Grenzen: + und - sowie 4 Steuer-Leitungen zur Prozessorplatine.

Graphische LCD-Anzeige mit Hintergrundbeleuchtung

Graphische LCD-Anzeige mit Hintergrundbeleuchtung

Graphische LCD Anzeigen bringen für die bloße Darstellung der Zahlenwerte keinen Mehrwert. Eine Unterstützung ist daher aktuell nicht geplant.

Wie baue ich die Prozessorplatine auf?

Was "macht" die Prozessorplatine?
An die Prozessorplatine wird der Messschieber angeschlossen und mit Spannung versorgt (unten im Bild). Die Batterie im Messschieber entfällt dadurch. Das Datensignal wird auf dieser Platine verstärkt und an den Mikrocontroller übergeben. Dieser ermittelt den Anzeigewert, speichert bis zu 3 Messpositionen, unterstützt das Bedienfeld und gibt den Anzeigewert an das Display weiter. Auf der Prozessorplatine gibt es einige Jumper, mit denen man das Verhalten der Anzeige vorwählen kann.

Wie löte ich das zusammen?
Wer schon einmal eine Schaltung auf einer Lochrasterplatine aufgebaut hat, wird mit dieser Schaltung keine Schwierigkeiten haben. Mit dem programmierten Chip schicke ich Euch mein Lochrasterlayout, an dem Ihr Euch orientieren könnt. Neben dem Prozessor benötigt man für eine LED-Anzeige (= ein Schieber) lediglich 2 IC's mit 8 Polen, 1 Poti, 6 Widerstände, 5 Kondensatoren und einen Quarz. Für das Speichern der Positionen und die Menünavigation des Setups benötigt man noch 4 Taster und 4 LED'S mit Vorwiderstand.

Eine Testfunktion erleichtert die Inbetriebnahme und Fehlersuche beim ersten Aufbau:

Im Frühjahr 2017 habe ich ein paar Roh-Platinen in Fernost herstellen lassen. Eigentlich sind das 3 unabhängige Prozessorplatinen, die man trennen kann. An diese Platine kann man dann die 4 Drähte des Messschiebers, das Display und die Taster anschließen. Eine 5 Volt Spannungsversorgung muss extern aufgebaut werden. Vielleicht hat man soetwas noch herum liegen oder man kauft ein geregeltes 5 Volt Steckernetzteil. Je nach Displaytyp muss das Netzteil bis zu 2 A liefern!

Bei mir zu beziehende Platinen für die Auswerteelektronik

Bei mir zu beziehende Platinen für die Auswerteelektronik

So einfach geht's: 5 Kabel zum MAX 7219 Modul (links im Bild) oder 6 Kabel zum EA-DOGM Modul (rechts) verlegen.
(Achtung - Diagramm gilt erst ab Softwarestand r6.1)

Anschluss der MAX7219 und DOG-M Module an meine Elektronik

Anschluss der MAX7219 und DOG-M Module an meine Elektronik

Wie erhalte ich den programmierten Chip und die Schaltpläne?

Man benötigt einen Chip pro Messschieber, der dann eine LED Zeile "füttert".
1 Chip, der die vier Formate 24 bit, 7 BCD, 6x 4 bit und "China Bidirektional" verarbeiten kann kostet 10 Euro.

1 unbestückter Platinensatz, für 3 Chips kostet 13 Euro. Sie ist verzinnt und mit Lötstoplack ausgerüstet, damit beim Löten das Zinn nicht von einem Pin zum nächsten lauen kann. Damit gelingt der Aufbau viel schneller als mit den alten gefrästen Platinen. Man kann alles weiterhin auch auf der Lochrasterplatine aufbauen!

Die Chips kommen per Einwurfeinschreiben zu Euch - es geht also nichts verloren. Für Porto und Verpackung rechnet daher bitte 3,60 Euro pro Sendung dazu (außerhalb Deutschlands = 6 Euro).

Wenn jemand solch einen Chip ordern möchte, biete ich folgendes an
- Fragt bitte per Mail, ob es gerade Chips gibt: -> rainer @ radow . org
- Leistet Vorkasse per Banküberweisung.
(Wer möchte kann auch PayPal nutzen - das kostet dann den PayPal Zuschlag von 1.9% + 0,35 €)
=> 3 Chips = 33,60 € + 1 € PayPal Gebühren = 34,60 Euro
- Schreibt mir anschließend eine Mail, dass Ihr überwiesen habt.
- Unbedingt in dieser Mail Eure Anschrift mit angeben!
- Dann wartet ein bisschen - innerhalb von 2 Wochen solltet Ihr eine Sendung erhalten.
- Die Chips kommen per Einwurfeinschreiben zu Euch - es geht also nichts verloren.
- Die Chips werden von mir gleich nach dem Brennen getestet. Sie sind vom Umtausch ausgeschlossen!

Was kosten die anderen Bauteile für 3 Messschieberanzeigen?

1. Lochrasterplatine und 3 fertige 10 mm China 7-Segmentmodule
Die Low-Cost Variante:
9 € = 3 Module mit MAX7219 Chip bei Ebay: 3 x 3 €
2 € = Lochrasterplatine Hartpappe
7 € = Diverse Bauelemente für 3 Verstärker
5 € = Steckernetzteil 5 Volt 1000 mA - oder mehr.
23 € Summe - ohne Gehäuse und Taster.

2. Selber ätzen mit SMD

3. Jumbo LED-Anzeige von Wolfgang !! Achtung - 02.12.2013 auch Wolfgang ist noch am Basteln...
Die große Lösung für Nicht-SMD-Experten:
25,00 € = Wolfgangs Platine
x,xx € = LED- 7-Segmentanzeigen Ziffernhöhe 23 mm, 18 x xx €
7,50 € = Diverse Bauelemente für 3 Verstärker plus LED-Treiberbausteine
5,65 € = Steckernetzteil 5 Volt 1000 mA - oder mehr.
xx,xx € Summe - ohne Gehäuse und Taster.

4. Lochraster und DOGM 081 Modul
36 € = 3 Stück DOGM 081 Module mit Hintergrundbeleuchtung
7,50 € = Diverse Bauelemente für 3 Verstärker
5,65 € = Steckernetzteil 5 Volt 1000 mA - oder mehr.
~50 € Summe - ohne Gehäuse und Taster.

Solltet Ihr noch Fragen zum Thema haben, schreibt mir einfach!