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Badge 2020 programable

Este proyecto ha sido posible gracias a la financiación de AMTEGA

COMPLEJIDAD: Croqueta de jamón

El objetivo de este proyecto es documentar el proceso de diseño y fabricación de un circuito que se pueda usar con fines educativos para la iniciación a la soldadura y la programación. Para el desarrollo se emplearán herramientas libres, procuraremos documentar todos los pasoa que puedan surgir durante el proceso. Toda la información sobre la placa y su documentación son de libre disposición con una licencia de código abierto tipo.

Los condicionantes técnicos de partida son los siguientes:

  • El esquema y la placa de circuito impreso se crearán con Kicad: un programa de diseño de circuitos (EDA) de código abierto.
  • El circuito será programable sin necesidad de usar herramientas hardware adicionales. A tal efecto se instalará en el microprocesador un bootloader micronucleus que implementa comunicación USB de baja velocidad sin necesitar hardware dedicado.
  • La programación se hará en en entorno de código abierto Arduino.
  • La placa tendrá una capa de diseño gráfico que sirva como recuerdo conmemorativo de la OSHWDem 2020. El diseño gráfico se hará integramente con la herramienta de código abierto InkScape.
  • Todos los componentes serán de agujero pasante para que sean fáciles de soldar para personas no iniciadas.
  • En conjunto se buscará un aspecto agradable y la posibilidad de progrmar aplicaciones atractivas.
  • El coste se mantendrá lo más contenido posible.

Inspiración

Documentos

Los documentos del proyecto están en https://gitlab.com/manolomira/badge-oshwdem-2020

El circuito

El circuito gira en torno a un ATTINY85-20PU, un pequeño microprocesador de sólo 8 patas, lo que lo hace ideal para un pequeño montaje con agujeros pasantes. Esto es lo que conectamos en cada una de sus “patas”

  • 5-PB0 conectamos una cadena de 4 ó 5 diodos LED tricolor programables modelo WS2812D. El color y el brillo de cada uno de los LEDes de la cadena se puede controlar con una única pata del microprocesador por medio de la biblioteca NEOPIXEL.
  • 6-PB1 un pulsador con su resistencia de pull-up para interactuar con el programa o cambiar la secuencia de luces.
  • 7-PB2 es una pata que puede funcionar como entrada analógica. Conectamos aquí un micrófono de tipo electrect con su resistencia de polarización. Cambiamos la resistencia de 2.200 Ω que indica la hoja de caracteríaticas por un valor de 10.000 Ω para forzar la ganancia al máximo, aún a riesgo de que se produzcan distorsión y recortes de señal. Este montaje debería funcionar con casi cualquier otro micrófono de tipo electrect, aunqe habrá que ajustar el punto de trabajo en el programa. Alternativamente podemos sustituir el micrófono por un transductor piezoeléctrico que emita sonidos.
  • 2-PB3 y 3-PB4 son los terminales D- y D+ del puerto USB. Ambas líneas tienen un resistencia de 68 Ω y un diodo zenner de 3,6V para proteger al puerto USB, tal y como se describe en https://www.obdev.at/products/vusb/index.html

La alimentación puede llegar desde una batería CR2032 o desde el puerto USB. La solución clásica sería con dos diodos configurados en una especie de puerta OR que permita sólo el paso de la fuente de alimentación con mayor tensión. De esta forma la alimentación sería desde el USB siempre que esté enchufado. El problema de este esquema clásico es que cuando se alimenta desde la pila hay un diodo en serie que reduce la tensión, ya muy baja, en unos 0,6V.

La solución que adoptamos en este montaje evita esa caída de tensión haciendo la conmutación por medio de un transistor MOSFET de canal-P.

  • Cuando la toma USB no está conectada, la tensión en la puerta (G) es suficientemente inferior a la tensión en la fuente (S). Esto hace que el transistor conduzca entre los terminales drenador (D) y fuente (S). El circuito queda alimentado por la batería con una caída de tensión mínima entre extremos del tranaistor.
  • Al conectar la toma USB, la tensión en la puerta (G) sube y el transistor deja de conducir, aislando a la batería. El circuito se aliemnta de la toma USB a través del diodo D1

badge_2020_sch.pdf

crear símbolos y huellas

Para este montaje fue necesario crear algunos símbolos y huellas que no están disponibles en la librería estandard de Kicad.

  • Interruptor SW2 con paso entre patas de 2,54 mm
  • Diodo LED WS2812D con cuatro pines en linea
  • Micrófono
  • Conector USB como elemento de la placa

Los símbolos y las huellas se crearon en librerías propias del proyecto. Para Crear las librerías el procedimiento es el siguiente:

Librería de símbolos

* En la pantalla principal de KiCad seleccionar en el menú Herramientas/Editar símbolos de esquema

* Seleccionar una de las librerías y pulsar con el botón derecho del ratón. Aparece la opción Nueva librería… Darle un nombre y ubicación a la nueva librería. Nos pedirá que elijamos si es una librería global (disponible para todos los diseños que hagamos en Kicad en nuestro ordenador) o local (sólo para este diseño). En este caso usé librerías locales para cada proyecto.

* Si vamos a crear un símbolo a partir de otro, lo primero es localizarlo y seleccionarlo.

  • A continuación pulsando el botón izquierdo del ratón seleccionar “Save a copy as…” En el menú que se abre seleccionar en qué librería queremos que se cree el nuevo símbolo, por ejemplo en la librería que acabamos de crear.
  • Una vez localizado el nuevo símbolo, lo seleccionamos y en el menú Editar seleccionamos Propiedades… para editar el nombre, huella o palabras clave, y Pin table… si queremos añadir o cambiar alguno de los pines.

El cableado de la placa

La placa se cablea con dos capas de pistas de cobre, sin que fueran necesarias vías de paso entre la superior y la inferior que KiCad denomina F.Cu (frontal) y B.Cu (trasera).

Vamos a querer que la parte frontal de la placa esté dominada por el dibujo que elaboraremos como conmemoración. Por eso desplazamos casi todos los componentes a la cara posterior de la placa. De esta forma la identificación de los componentes no se verá por la parte frontal, aunque los componentes sí estarán montados en el frente. Es un truco para mejorar la estética que esperamos no complique el montaje. No hay ningún problema ya que casi todos los componentes son simétricos y se pueden montar desde delante con las patas coincidiendo sin problemas con la serigrafía. Las únicas excepciones son el microprocesador y el micrófono que quedan montados en la cara frontal. La batería y su porta-baterías se montan en la parte trasera.

Las capas gráficas

Las capa gráficas fueron hechas con Inkscape.

La capa de corte Edge.Cut contiene la información sobre la forma de placa. tiene que ser un contorno cerrado. En este caso es una capa del diseño hecho en Inkscape exportada en formato DXF R12. Luego se importa en la herramienta Pcbnew de diseño de placas de KiCad con el comando Importar/Import Graphics… seleccionando la capa Edge.Cut en el cuadro de diálogo.

El diseño de la forma de la placa y de las pistas es complejo, ya que una depende mucho de la otra. En este caso hubo que modificar varias veces la capa de recorte para acomodar los componentes, y también modificar la ubicación de los componentes para que queden en el lugar previsto del dibujo.

El diseño de la serigrafía se exporta desde Inkscape en formato .png. Luego se importa con la herramienta Bitmap to Component Converter en la pantalla principal de KiCad o seleccionado Herramientas/Convertir Imagen

Al hacer esta plana comprobamos que la importación modifica ligeramente el tamaño de la línea de recorte. Una vez que el recorte coincidíó bien con los componentes modificamos ligeramente la escala del fichero de la serigrafía frontal F.SilkS de forma experimental.

Soldando los componentes

La placa es sencilla y tiene pocos componentes, pero también alguna pecualiaridad:

  • Para salvar la imagen conmemorativa (silkscreen) las huellas de los componentes están en la parte posterior, pero todos los componentes excepto la pila se introducen por la cara frontal. Esto nos puede confundir con el Attiny, con el micrófono, y sobre todo con el transistor Q1.
  • Los diodos D4-D8 tienen las patas muy juntas. Es importante soldarlos aportando poco estaño. D8 es opcional. En general podemos hacer todo el montaje con poco estaño, el suficiente para cubrir los puntos dorados es suficiente.

Como siempre soldamos primero los componentes que sobresalen menos de la placa. En este caso las resistencias. Las introducimos por delante teniendo en cuenta la posición que viene marcada por la parte posterior de la placa. Abriendo un poco las patas evitamos que se nos puedan caer al dar la vuelta a la placa. Una buena idea es soldar un extremo de cada resistencia dejando el otro extremo libre hasta haber comprodabo que queda bien pegada a la placa. Luego soldamos el otro extremo de cada resistencia y cortamos los cables con un alicate de corte oblicuo o con un corta-uñas, teniendo cuidado de que no el resto de los cables no nos salten a los ojos.

A continuación podemos soldar los diodos D1, D2 y D3, teniendo en cuenta la posición de la franja negra tal y como se indica en el lado posterior de la placa. La referencia de cada diodo está impresa en su cuerpo, aunque quizá necesites una lupa. Los diodos BAT42 que facilitamos son azules.

El siguiente paso son el interruptor, el micrófono y el pulsador. Sólo caben de una forma, por lo que no hay duda. Siempre es mejor soldar un terminal y comprobar que queda bien pegado a la placa antes de soldar los otros terminales.

Ahora viene la parte más delicada:

  • El zócalo del microprocesador ATTINY-85 tiene una muesta que debe quedar orientada como se indica en la foto. La flecha marca la posición de la muestca. Luego también tendremos en cuenta la muesta que tiene el circuito integrado a la hora de colocarlo. En este caso es muy importante soldar un terminal y comprobar que queda bien pegado a la placa antes de soldar los otros. Es difícil ajustar la posicición con todas las patas soldadas.
  • El transistor también debe estar colocado como en la imagen. La parte metálica apunta hacia el conector USB. Si queremos que quede derecho vuelve a ser un buen truco soldar solo un terminal y comprobar la posición antes de soldar los otros dos.

En la parte frontal sólo nos queda soldar los diodos LED programables WS2812D. Son los que vienen marcados como D4 a D7. [D8 es opcional]. Los diodos tienen una pata más larga que las demás: es la alimentación positiva. En cada una de sus posiciones en la placa hay 4 agujeros muy juntos. En uno de ellos la zona dedorada de soldadura es bastante más grande que los otros: en ese agujero debe ir el terminal más largo. El tamaño de los agujeros y de toda la huella es muy justo, por lo que a veces hay que haya que hacer un poco de fuerza para introducir alguno de los diodos o incluso pasar una lima por la zona más ancha de las patas. Una vez más, lo mejor es soldar un terminal de cada diodo y comprobar la posición antes de soldar los otros terminales. Al haber tan poco espacio es muy importante aportar poco estaño en cada soldadura.

En la parte trasera de la placa soldamos el soporte para la pila. Tiene unas pequeñas marcas + y 2 en el lado conectado al terminal positivo de la pila; L y I en el lado conetado a negativo o GND. Para soldar este componente procedemos de otra manera: en primer lugar aplicamos una pequeña cantidad de estaño en cada uno de los terminales de la placa de circuito impreso. Luego colocamos el porta-pila en su posición y calentamos con el soldador uno de los terminales presionando para que se funda el estaño que depositamos antes y quede sujeto y bien pegado a la placa. Luego calentamos el otro terminal.

Ya sólo nos queda colocar el microprocesador ATTINY-85 en su zócalo. hay que tener cuidado con que todas las patas entren en el zócalo. A veces es necesario juntarlas un poco. Debemos tener en cuenta su orientación fijándonos en el punto que corresponde con la pata 1. La pata 1 debe quedar cerca de la muesta del zócalo, como se ve en la la imagen.

Programación

Producción

Montaje

Instalar ficheros en el IDE de Arduino

Instalar el bootloader

Programación

A disfrutar…

Licencia

Badge_2020 programable by Bricolabs is licensed under CC BY-SA 4.0 CC

proyectos/badge_2020_programable.txt · Última modificación: 2020/12/08 18:32 por Manuel Miramontes