NFC zámek - když jsou PCB také tlačítky, anténou a dalšími : 7 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Z tohoto Instructable si můžete vzít jednu ze dvou věcí. Můžete pokračovat a vytvořit si vlastní kombinaci numerické klávesnice a čtečky NFC. Schéma je zde. Rozložení DPS je zde. Najdete zde kusovník materiálu k objednání potřebných dílů. Poskytl jsem kód pro programování mikrokontroléru. Je tu vše, co potřebujete ke zkopírování nebo rozšíření tohoto projektu.

Domnívám se však, že většina čtenářů se spíše inspiruje některými aspekty. Tento Instructable vám ukazuje, že PCB je více než jen způsob, jak spojit součásti dohromady. Tento malý obdélník ze skelných vláken a mědi má spoustu dalších využití - přičemž stále přebírá hlavní úkol při vytváření elektrických připojení. Všechny tyto aspekty nejprve představím, než je spojím do dokončeného projektu. Doufám, že se vám cesta líbí a můžete se rozhodnout použít jeden nebo dva z těchto triků ve vlastním projektu!

Krok 1: Proces

Tolik projektů má stejnou trajektorii na cestě k „dokončení“a tolik klopýtá těsně před poslední překážkou.

Prototyp

Nejprve je tu prototyp. Máte nápad a ze zásuvky vychází vaše vývojová deska pro mikrokontrolér. Pro mnohé to bude Arduino, ale já jsem nejšťastnější z řady 16bitových mikrořadičů s nízkým výkonem TI MSP430. Ať už si vyberete cokoli, obvykle existuje vývojová deska, která vám pomůže. To znamená, že nemusíte začínat s výrobou vlastní desky plošných spojů a můžete vyzkoušet teorie a potenciální periferie. Často existuje Booster Pack / Shield / Hat - nebo jakýkoli podivný název pro dceřinou desku, kterou výrobce vymyslel. Žádní z nich nejsou cizinci na prkénku nebo zbloudilém drátu.

Můžete vidět, že zde jsem použil vývojovou sadu Captivate společnosti TI a posilovací balíček TRF7970A NFC, abych dokázal, že koncept pravděpodobně bude fungovat.

Získáte také nějaký důkaz o koncepčním kódu. Může to být nepořádek. Může se spoléhat na stažené knihovny, které vás tam dostanou. Osobně mám tendenci to nechat trochu nedokonalé, protože vím, že mám ty týdny dopředu čekání na příchod PCB. Pak to můžu uklidit.

Design

Následuje design. Spusťte svůj oblíbený software pro návrh DPS. V mém případě je to Eagle. Od nápadu k dokonalosti trvá překvapivě dlouho, a tady leží naše dobrodružství! Následující kroky vám pomohou vytěžit z toho maximum.

Čekání na vaše DPS

Můžete vyleptat vlastní nebo si je nechat vyrobit ve spěchu, ale většina z nás si objedná v čínském penzionu a počká několik týdnů. Nyní je čas se vrátit k tomuto kódu. Nebude se to uklízet samo!

Montáž a ladění

Vyjměte páječku nebo toustovač. Pak můžete zjistit, zda funguje podle očekávání. Možná se vrátit o 2 kroky zpět. Možná ne.

Skříň a přední panel

Vaše PCB tedy vypadá profesionálně. Nyní potřebuje skříň a přední panel. Možná něco vytisknete 3D. Vypadá to dobře, ale nepředstavuje to docela jemnost krásné PCB uvnitř. Tady je to, kde tento průvodce opravdu pomůže!

Krok 2: Vaše PCB jako přední panel

Soldermask bývala jen zelená. Sítotisk byl spíše funkční než dekorativní. Deska plošných spojů byla něco, co bylo skryto a zajímat by to mohli jen geekové jako my. No, už ne!

Mnoho deskových domů vám nyní umožňuje vybírat ze široké škály barev. Kvalita hedvábné obrazovky se hodně zlepšila. Funky tvary a výřezy jsou povoleny. Proč toho tedy nevyužít? Pokud pečlivě vytvoříte desku plošných spojů, pak vám přední panely může vyrobit přední panel!

V mém příkladu jsem umístil všechny komponenty na jednu stranu a ujistil se, že druhá strana vypadá dostatečně dobře, aby byla přední částí mého zařízení. Nemusíte to dělat. Možná chcete mít krásu a mozek na samostatných deskách. Je to na tobě.

Dokonce jsem viděl několik desek plošných spojů pájených dohromady, aby vytvořily celé pouzdro, ale to je neobvyklé. Pokud si myslíte, že to dokážete - proč ne!

Moje deska je poměrně jednoduchá - jen úhledná bílá sítotisk přes černou vojsku. Vyhovovalo to vzhledu, po kterém jsem toužil. Je možné získat celou řadu barev a odstínů kombinací silkscreen, soldermask a mědi různými způsoby. Nechám vás na Google „PCB art“a podívám se na některé úžasné výtvory, které ostatní lidé vymysleli! I když jsou působivé, možná ne všechny jsou vhodné pro přední panel.

Krok 3: Vaše PCB jako tlačítka

Možná jste si všimli, že čísla na sítotisku vypadají hodně jako numerická klávesnice, a to proto, že jsou. Abychom byli přesní, jsou to kapacitní dotyková tlačítka. Pokud se vydáte touto cestou, pak pravděpodobně budete chtít mikrokontrolér, který podporuje kapacitní dotyk, i když je možné „rolovat vlastní“kapacitní dotykové snímání, pokud opravdu chcete.

Všechna kapacitní dotyková tlačítka se skládají z několika tras PCB, které jsou umístěny tak, aby měly detekovatelnou kapacitu buď k zemi (známé jako vlastní kapacita), nebo k jiné stopě (známé jako vzájemná kapacita).

Svůj návrh jsem zahájil sledováním průvodce TTI CapTIvate pro jejich zařízení MSP430FR2633, ale pokud používáte jiný mikrokontrolér, pravděpodobně stojí za to podívat se na průvodce a referenční návrhy poskytnuté výrobcem. Nejen, že je k dispozici průvodce rozvržením desky plošných spojů, ale existuje dokonce i CapTIvate Design Center, které vygeneruje nějaký kód šablony odpovídající vašemu hardwaru.

Všimnete si, že podstatou tlačítka jsou jen dva kruhy mědi, které jsou poměrně blízko sebe. Přiblížením prstu snížíte kapacitu mezi nimi. MSP430 používá zdroj konstantního proudu k nabíjení tohoto kondenzátoru a měří, jak rychle se napětí na něm mění. Knihovna CapTIvate zjednodušuje přeměnu na detekované stisknutí tlačítek.

Navrhl jsem vlastní část v Eagle, abych zjednodušil přidání dvanácti těchto tlačítek a abych je mohl použít v budoucích projektech.

Krok 4: Vaše DPS jako LED difuzor

Orlí oči mezi vámi jste si možná všimli malé kruhové skvrny, kde na obou stranách desky plošných spojů chybí černá soldermask. Stejně jako u téměř jakéhokoli elektronického designu jsem potřeboval nějakou vizuální zpětnou vazbu pro uživatele. Šel jsem s RGB LED a měl jsem pro to několik možností.

• Mohl bych použít LED s průchozím otvorem a vyříznout mu díru, aby prošla. Nejsem si jistý, jak bych to připojil bez dalšího PCB.
• Mohl bych použít LED pro povrchovou montáž. Pak bych měl nějaké stopy a LED diodu, která by narušila můj čistý přední panel.
• Mohl bych použít reverzní LED.

Někteří z vás se možná ptají, co je LED dioda pro reverzní montáž. Je to LED dioda pro povrchovou montáž „vzhůru nohama“, která svítí zpět na desku plošných spojů, na které je namontována. Co?! Proč bys to dělal? Na druhé straně desky plošných spojů to překáží. Většina návrhů bude mít stále díru v desce plošných spojů, aby mohla tato LED prosvítat, ale rozhodl jsem se jen odstranit měď a masku a zjistit, zda je materiál desky plošných spojů dostatečně průsvitný, aby LED mohla prosvítat. Upozornění na spoiler - to bylo! Jsem si jistý, že by to místo toho bylo o něco jasnější, ale je to dost snadné na to, aby bylo vidět na slunci přes 1,6 mm FR4. Je to také pěkně rozptýlené.

Vyžadovalo to vlastní část navrženou jako Eagle, aby se zajistilo, že pod ní nebude žádná měď nebo prodaná maska, ale to vše trvalo jen pár kruhů na vrstvách Restrict a Keepout na obou stranách. Tuto vlastní část najdete v připojené knihovně Eagle.

Krok 5: Vaše PCB jako anténa

Použití stopy PCB jako antény není nic nového. Balíček NFC Booster, který jsem použil, jeden má. Většina komerčních čteček NFC, které najdete, je používá. Jeden problém, který jsem našel, je, že jsou vyladěny tak, aby vyhovovaly nejběžnějším formátům značek NFC - kartám a klíčenkám. Jsem dost drzý na to, abych si nechal do ruky implantovat malou značku NFC. Podrobnosti najdete zde, pokud nejste hákliví. Také jsem vytvořil předchozí projekt s použitím drátové cívky jako antény. U tohoto projektu jsem chtěl zjistit, zda je možné vytvořit anténu PCB, která by byla pěkně sladěna s malou implantovanou značkou.

Nejprve jsem se rozhodl vytvořit stopu PCB, která je fyzicky menší než ty, které běžně uvidíte. Indukčnost je důležitá při ladění antény, takže používám online kalkulačku indukčních desek plošných spojů a zaměřuji se na to, aby asi 1 μH byla přibližně stejná jako ta, kterou jsem použil předtím. Použil jsem L_Calculate od TI a to mi řeklo, že 7 otáček při průměrné velikosti 9 mm x 6,5 mm se šířkou stopy 0,1524 by mělo být 950 nH. Dost blízko.

Když jsem dostal PCB zpět, měřilo to 0,627μH - s odporem 0,867Ω. Je načase zjistit, jak by měla vypadat odpovídající síť, aby TRF7970A viděl 50Ω. Shoda antén je celé téma samo o sobě, takže se tomu nyní nebudu věnovat, ale pokud vás to zajímá, zabýval jsem se tím, jak naladit anténu, aniž byste potřebovali drahou VNA.

Stačí říci, že vaši desku plošných spojů lze použít k vytvoření antény s nulovými náklady, ať už je to indukční cívka pro RFID (nikoli pouze anténa) nebo pro WiFi, ZigBee, Sub-1Ghz atd. Ještě jednou bych navrhl, že pokud ho potřebujete, začněte od poznámek k návrhu pro jakékoli zařízení, které používáte. Výrobce chce, abyste si koupili jejich součásti, takže jsou velkou pomocí, pokud jde o jejich použití.

Krok 6: Vaše PCB jako hlavička ladění

Jakmile do projektu přidáte mikrokontrolér, budete mít problém, jak do něj dostat kód. Často máte pěkný nízkoprofilový plošný spoj s robustním pinovým záhlavím. Často se jedná také o verze s otvorem, takže vaše krásná čistá PCB byla ovlivněna na obou stranách. Zjevně jsem chtěl, aby jedna strana byla mým předním panelem, skrz otvor jako ven. Kolíkové hlavičky pro povrchovou montáž mohou riskovat odlupování vašich stop - zvláště pokud se pravděpodobně několikrát připojíte a odpojíte.

Naštěstí existuje alternativa - pogo piny. Tyto pružinové kolíky vytvářejí pěkný elektrický kontakt s vaší deskou. Možná to není dost tiché pro trvalé připojení, ale určitě je to pro programování. Viděl jsem piny pogo používané s vlastním přípravkem jak pro programování, tak pro testování produkční desky. Dokonce jsem je viděl přilepené na kolíčku na oblečení pro velmi domácí vzhled programátora. Použil jsem však komerční produkt, který je k dispozici pro mnoho rodin mikrokontrolérů - Tag Connect. Vyžaduje několik malých zarovnávacích otvorů ve vaší desce, takže nemusí být perfektní, pokud potřebujete vodotěsný přední panel, ale rozhodl jsem se, že by to bylo pro tento projekt v pořádku.

Vše, co je potřeba, je stopa PCB a máte hotovo! Otvory jsou v rámci požadavku na deskový dům a možná i na domácí leptání.

Krok 7: Hotový PCB

Takže po začlenění všech těchto nápadů na PCB do jednoho projektu - zde je konečný výsledek. Reaguje buď na správnou značku NFC nebo na vstupní kód a otevře dveře. Ovládání dveří je oddělené, protože to bude fungovat s několika různými dveřmi několika různými způsoby. Dveře do mého domu budou elektromagnetické spouštění, stejně jako byste to našli na bytovém domě s interkomovým systémem.

Jsem kitesurfer, takže se často ocitám v oceánu a je vždy obtížné vědět, co dělat s vašimi klíči. Se štítkem NFC v ruce mám vždy klíč u sebe! U mé dodávky se propojí se systémem centrálního zamykání.

Pokud vlastníte dveře, možná budete chtít zvolit vhodný způsob, jak je otevřít nebo odemknout.

V tomto úložišti GitHub najdete vše, co potřebujete k replikaci (nebo přizpůsobení) tohoto projektu.

Doufám, že jste si o tomto projektu užili čtení a že vás inspirovalo k začlenění některých myšlenek do vašich vlastních PCB. Pokud ano, dejte mi prosím vědět v níže uvedených komentářích. Podívejte se také na příspěvky v soutěži PCB a hlasujte pro to, co považujete za nejlepší. Doufám, že bude moje, ale jsem si jistý, že je tam i spousta dalších dobrých příspěvků.

Runner Up v PCB Contest