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.

Seit 2020 kann man bei mir diese bewährte Technik als fertig bestückte SMD Platine erhalten. Für den Einsatz an den eigenen Maschinen muss man jetzt nur noch "Strippen ziehen" und ein Gehäuse selber bauen. Ich zeige hier wie alles funktioniert.

Leistungsmerkmale meiner hier vorgestellten Schaltung

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..

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?)

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...

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.

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

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.

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.

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, nach Rücksprache!

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
! ! Aktuell nicht verfügbar ! !
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.

9.5 mm LED 7-Segmentanzeigen
Wer es einfach mag, kann eine fertige LED-Anzeige aus Fernost an meine Platine stecken. Solch ein LED-Modul bekommt man für ca. 4 Euro aus Fernost, von AMAZON oder von Ebay. Passende Displays sollten so aussehen, wie hier abgebildet. Wichtig: Sie müssen mit einem MAXIM MAX 7219 Chip ausgestattet sei. Die letzten zwei Stellen des Displays werden nicht verwendet.

Aus Fernost sind auch 6-Stellige Anzeigen mit 9,5 Ziffernhöhe erhältlich. Diese sind natürlich platzsparender. Sie sind mit einem TM1637 Chip ausgestattet.

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

Wie baue ich die Anzeige 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 Tasten-Bedienfeld und gibt den Anzeigewert an das Display weiter.

Wie löte ich das zusammen?
Seit 2020 gibt es nur noch die fertig bestückte Platine. Das spart Euch Zeit und Kosten für die Einzelteilbeschaffung und den Aufbau. Man muss nur Stiftleisten einlöten und Kabel zu allen Komponenten ziehen. Die Auswertesoftware ist die gleiche, wie oben beschrieben.

Die 5 Volt Betriebsspannung führt man oben oder unten der Platine über 5V1/GN1 bzw. 5V2/GN3 zu. Bei normaler Anzeige werden incl. LED-Anzeige ca. 350 mA benötigt. Ein 1A Netzteil fängt die Spannungsspitzen beim Einschalten gut ab. Das Netzteil sollte unbedingt stabilisiert nicht mehr als 5,0 Volt ausgeben. Manche Steckernetzteile geben 5,3 Volt aus. Das ist nicht zulässig und kann zur Zerstörung der Schaltung führen!

Bitte die Polung der Versorgungsspannung nicht vertauschen!

Der Messschieber wird rechts an 1V6/TA1/DA1/GN2 geschlossen. Gegenüber dem Anschluss am Messchieber sind Takt und Daten hier vertauscht anzuschließen. Das ändere ich im nächsten Layout. Man kann beim Anschließen nichts kaputt machen - also zur Not einfach ausprobieren! Bei Bedarf kann man die 1,6 Volt Versorgungsspannung des Messschiebers über R12 ein wenig anheben - fragt mich dazu einfach.

Das LED Display wird oben an die Pins GN5 bis Di1 verdrahtet. Di4 wird nicht benötigt.
GN5/5V3 versorgen das Display mit 5 Volt.
Beim MAX7219 bedeutet Di3 = DIN, Di2 = CS, Di1 = CLK.
Für ein Display mit TM1637 gilt: Di3 = DIO, Di2 = CLK.

Zur Auswahl des Displaytyps dient die Brücke BR1.
BR1 offen = MAX7219,
BR1 geschlossen = TM1637.

4 Taster zur Menüsteuerung und Positionsspeicherung sind für erste Tests bereits auf der Platine verlötet. An die darüber befindlichen Lötpunkte W12 bis GN8 kann man später zusätzliche Taster schließen, die dann im eigenen Gehäuse verbaut werden. Bei geschickter Gehäusebauweise kann man auch direkt auf der Platinenrückseite 4 Taster auflöten und diese mit handelsüblichen Tastenverlängerungen von außen betätigen. Die Parallelschaltung von Taster stört generell nicht.

Für die 4 Leuchtdioden zur Statusanzeige verwendet man die Anschlüsse We1 bis Lp1. Ein 1 kOhm Vorwiderstand befindet sich bereits auf der Platine - für Tests kann man die LEDs auch mit etwas mechanischer Vorspannung lose in die Lötaugen stecken.

Bedienung der Anzeige

Generelle Bedeutung der LED Stati:
AUS: kein Wert auf Position hinterlegt.
BLINKT: Gespeicherte Position ist aktiv.
AN: Wert auf Position gespeichert, aber nicht aktiv.

Die drei LEDs Lp1 - Lp3 zeigen den Staus der drei Speicher an.

LED Wp1 repräsentiert den Originalwert aus dem Schieber.
LED Wp1 leuchtet oder blinkt, ist aber nie AUS.
LED Wp1 wählt man am besten in einer anderen Farbe als Lp1 - Lp3.

Anschluss der Taster zur Positionsauswahl und Menüführung
Weiter = W11/W13
Positionsspeicher 1 = P11/P13
Positionsspeicher 2 = P21/P23
Positionsspeicher 3 = P31/P33

Funktion der Positionsspeicher:
Der originale Wert im Messschieberfenster bleibt bei allen diesen Aktionen immer unverändert!

Beliebige Positions-Taste bei LED = AUS drücken.
- LED der Position fängt an zu blinken.
- Messwert auf der Anzeige zeigt 0.00.
- Aktuelle Position wurde gespeichert.

Beliebige Positions-Taste bei LED = BLINKT kurz drücken:
- LED der Position erlischt.
- Die Position ist permanent gelöscht.
- Originalwert aus dem Messschieberfenster wird angezeigt.
- Wp1 blinkt, da jetzt der Originalwert angezeigt wird.

Beliebige Positions-Taste bei LED = BLINKT lange drücken:
- Positionsspeicher wird an aktueller Position des Messschieber gesetzt.
- Messwert auf der Anzeige wird zu 0.00.
- LED der entsprechenden Position fängt an zu blinken.
- Aktuelle Position wurde gespeichert.

Tastenfunktion Weiter
Hat man mindestens einen Messwert gespeichert, kann man mit Weiter zwischen den Speicherwerten und dem Originalwert aus dem Schieber hin und her schalten. Nach jedem Drücken wird immer die nächste gespeicherte Position als aktuelle Position gewählt - angezeigt durch Blinken der zugehörigen Positions LED.

Wert im Messschieberfenster auf 0,00 stellen (nicht nötig)
Wer unbedingt den Wert im Messschieberfenster auf 0,00 stellen möchte, der kann das durch Kurzschließen der 1,6 Volt Messschieberleitung über einen zusätzlichen Taster machen. Oder man unterbricht die Stromzufuhr zum Schieber kurz. Nicht elegant, aber es geht.

Menüfunktion:
Positionsspeicher 1 lange drücken: man gelangt in das Menü.
Weiter drücken: Weiter zum nächsten Menüpunkt, nachdem man eine Einstellung gewählt hat.
Positionsspeicher 2 drücken: Einstellung verkleinern bzw untergeordneten Auswahlpunkt anspringen.
Positionsspeicher 3 drücken: Einstellung vergrößern bzw. übergeordneten Auswahlpunkt anspringen.

Menüpunkte: - werden über Weiter nacheinander durchgetaktet

1) Protokollauswahl -> Protokoll 2x 24 bit, 7 BCD oder 6x 4 bit für die Datenverarbeitung wählen.
→ Anschließend Weiter drücken.

2) Messabstand (Ab) -> Abstand zwischen den Signalen, um ein sauberes, stabiles Signal zu bekommen. Je kleiner desto besser. Alte Schieber benötigen hier 80, gute neuere einen Wert um 5. Ein großer Wert schadet erst mal nicht.


3) Wert halbieren oder verdoppeln (do) -> 0 = halbieren, 1 = normal, 2 = verdoppeln. Manchmal auch 0 = normal!
→ Anschließend Weiter drücken.

4) positiv oder negativ (nE) -> 0 = Wert wie auf Schieber ausgeben, 1 = Wert negieren.
→ Anschließend Weiter drücken.

5) Starttext ein oder ausschalten (St) -> 0 = aus, 1 = ein. Wer es eilig hat, kann hierüber den Info-Text am Programmstart abschalten.
→ Anschließend Weiter drücken.

6) Sonderfunktion (So) - nur bei MAX7219 realisiert -> 0 = aus, 1 = ein.
Zum Messen der Messwertaktualisierung. Links im Display werden die Stellen xx.x des Messwerts angezeigt, um zu überprüfen, ob er noch stabil ausgelesen wird. Rechts wird die Wiederholfrequenz in x.xxx Sekunden angezeigt. 0.1 bedeutet z.B. das der Messwert 10x pro Sekunde wiederholt wird. Durch Variation des Wertes Ab kann man versuchen, die Anzeige „schneller“ zu machen.
→ Anschließend Weiter drücken.

7) Helligkeit der Anzeige einstellen - technisch bedingt nur möglich bei:
MAX7219: Wertebereich 0 - 15
TM1637: Wertebereich 0 - 7
→ Anschließend drücken.

Alle eingestellten Parameter werden dauerhaft auch stromlos im EEPROM des Prozessors gespeichert und beim Hochlaufen des Systems geladen.

Leider schaffe ich es aktuell (05/2021) nicht, diese Platinen anzubieten!!!!
Wie erhalte ich die fertig aufgebaute Platine?

Man benötigt eine Platine pro Messschieber, der dann eine LED Zeile "füttert".
1 fertig bestückte Platine kostet 15 Euro.

Die Platinen kommen per Einwurfeinschreiben zu Euch - es geht also nichts verloren. Für Porto und Verpackung berechne ich 4 Euro pro Sendung (außerhalb Deutschlands abweichend!!). Wer der Post und mir traut, dem sende ich es für 2 Euro als normalen Brief.

Wenn jemand solch eine Platine ordern möchte, biete ich folgendes an
- Fragt bitte per Mail, ob es gerade Platinen gibt: -> rainer @ radow . org
- Leistet Vorkasse per Banküberweisung.
- Wer möchte kann auch PayPal nutzen - das kostet dann den PayPal Zuschlag von 2% + 0,35 €)
- Schreibt mir anschließend eine Mail, dass Ihr überwiesen habt.
- Unbedingt in dieser Mail Eure Anschrift mit angeben!
- Des ist mein Hobby - innerhalb von 2 Wochen solltet Ihr Eure Sendung aber erhalten haben.
- Die Platinen kommen per Einwurfeinschreiben zu Euch - es geht also nichts verloren.
- Die Platinen werden von mir gleich nach dem Bestücken getestet. Sie sind vom Umtausch ausgeschlossen! - Achtung, es werden nur die oben beschriebenen Messschieberprotokolle in 4-Draht-Technik unterstützt. - Ich helfe Euch per Mail gerne so lange, bis es funktioniert - versprochen...

Was benötige ich sonst noch?

MAX7219 7-Segmentanzeigen gibt es bei den üblichen Quellen. Als Taster funktionieren beliebige einpolige Ein-Taster. Das 5 Volt Netzteil sollte auch tatsächlich nur max. 5,0 Volt ausgeben - 4,5 Volt genügen auch noch - 1A genügen für eine Anzeige. Bei drei Anzeigen würde ich ein 2A Netzteil verwenden - es gibt große Qualitätsunterschiede - einfach mal ausprobieren.

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