Trava NFC - Quando um PCB também é os botões, a antena e mais : 7 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Você pode obter uma das duas coisas deste Instructable. Você pode acompanhar e criar sua própria combinação de teclado numérico e leitor de NFC. O esquema está aqui. O layout do PCB está aqui. Você encontrará uma lista de materiais para solicitar as peças de que precisa. Forneci o código para programar o microcontrolador. Há tudo que você precisa para copiar ou estender este projeto.

No entanto, suspeito que a maioria dos leitores está mais propensa a se inspirar em alguns aspectos dele. Este Instructable mostra que o PCB é mais do que apenas uma maneira de conectar os componentes. Esse pequeno retângulo de fibra de vidro e cobre tem muitos outros usos - embora ainda desempenhe seu trabalho principal de fazer conexões elétricas. Apresentarei todos esses aspectos antes de reuni-los em um projeto concluído. Espero que você goste da viagem e decida usar um ou dois desses truques em um projeto seu!

Etapa 1: O Processo

Muitos projetos seguem a mesma trajetória no caminho para "terminar" e muitos tropeçam antes do obstáculo final.

O protótipo

Primeiro, há o protótipo. Você tem uma ideia e da gaveta vem sua placa de desenvolvimento de microcontrolador. Para muitos, este será um Arduino, mas fico feliz com a linha MSP430 da TI de microcontroladores de baixa potência de 16 bits. Seja qual for sua escolha, geralmente há uma placa de desenvolvimento que ajuda. Isso significa que você não precisa começar a fazer seu próprio PCB e pode testar teorias e periféricos em potencial. Muitas vezes existe um Booster Pack / Shield / Hat - ou qualquer nome estranho para uma placa filha que o fabricante inventou. Nenhum de uso é estranho a um breadboard ou fio perdido.

Você pode ver que aqui eu usei o kit de desenvolvimento CapTIvate da TI e o pacote de reforço NFC TRF7970A para provar que o conceito provavelmente funcionará.

Você também criará um código de prova de conceito. Pode ser confuso. Ele pode depender de bibliotecas baixadas que o levam a parte do caminho até lá. Pessoalmente, tendo a deixá-lo um pouco imperfeito, porque sei que tenho essas semanas pela frente esperando os PCBs chegarem. Eu posso arrumá-lo então.

O design

Em seguida, vem o design. Abra seu software de design de PCB favorito. No meu caso é Eagle. Leva um tempo surpreendente para ir da ideia à perfeição, e é aqui que reside nossa aventura! As próximas etapas o ajudarão a obter o máximo disso.

Esperando por seus PCBs

Você pode gravar os seus próprios ou mandá-los fazer rapidamente, mas a maioria de nós faz o pedido em uma pensão na China e espera algumas semanas. Agora é a hora de voltar a esse código. Não vai se arrumar sozinho!

Montagem e depuração

Pegue o ferro de soldar ou a torradeira. Então você pode ver se funciona conforme o esperado. Talvez volte 2 passos. Talvez não.

O gabinete e o painel frontal

Portanto, seu PCB parece profissional. Agora ele precisa de um gabinete e painel frontal. Talvez você imprima algo em 3D. Parece OK, mas não representa bem a sutileza do adorável PCB interno. Bem, é aqui que este guia realmente vai ajudar!

Etapa 2: seu PCB como painel frontal

Soldermask costumava ser apenas verde. A tela de seda era mais funcional do que decorativa. Um PCB era algo que estava escondido e apenas geeks como nós estariam interessados em vê-lo. Bem, não mais!

Muitas casas de pensão agora permitem que você escolha entre uma ampla gama de cores. A qualidade da tela de seda melhorou muito. Formas e recortes funky são permitidos. Então, por que não tirar vantagem disso? Se você criar o PCB com cuidado, uma casa de tabuleiro pode fazer seus painéis frontais para você!

No meu exemplo, coloquei todos os componentes de um lado e certifiquei-me de que o outro lado parecia bom o suficiente para ser a frente do meu dispositivo. Você não tem que fazer isso. Talvez você queira ter a beleza e o cérebro em placas separadas. Você decide.

Eu até vi um número de PCBs soldados juntos para formar o gabinete inteiro, mas isso é incomum. Se você acha que pode fazer isso - por que não!

Minha prancha é bastante simples - apenas uma bela serigrafia branca sobre uma máscara de solda preta. Combinava com o visual que eu procurava. É possível obter uma grande variedade de cores e tonalidades combinando serigrafia, máscara de solda e cobre de várias maneiras. Vou deixar você no Google "arte PCB" e ver algumas das criações incríveis que outras pessoas fizeram! Por mais impressionantes que sejam, talvez nem todos sejam adequados para um painel frontal.

Etapa 3: Seu PCB como os botões

Você deve ter notado que os números serigrafados se parecem muito com um teclado numérico e isso é porque são. Para ser preciso, eles são botões de toque capacitivos. Se você está indo por esse caminho, provavelmente vai querer um microcontrolador que ofereça suporte ao toque capacitivo, embora seja possível "rolar seu próprio" sensor de toque capacitivo, se você realmente quiser.

Todos os botões de toque capacitivos consistem em alguns traços de PCB que são colocados para ter uma capacitância detectável para o aterramento (conhecido como autocapacitância) ou para outro traço (conhecido como capacitância mútua).

Comecei meu projeto seguindo o guia CapTIvate da TI para seu dispositivo MSP430FR2633, mas se você estiver usando outro microcontrolador, provavelmente vale a pena olhar os guias e os projetos de referência fornecidos pelo fabricante. Não é apenas fornecido um guia para o layout do PCB, mas também o CapTIvate Design Center que irá gerar algum código de modelo para combinar com o seu hardware.

Você notará que a essência do botão são apenas dois círculos de cobre bem próximos um do outro. Aproximar o dedo reduz a capacitância entre eles. O MSP430 usa uma fonte de corrente constante para carregar esse capacitor e mede a rapidez com que a voltagem muda. A biblioteca CapTIvate simplifica transformar isso em pressionamentos de botão detectados.

Eu projetei uma peça personalizada no Eagle para simplificar a adição de doze desses botões e para que eu pudesse usá-los em projetos futuros.

Etapa 4: seu PCB como um difusor de LED

Os olhos de águia entre vocês devem ter notado o pequeno remendo circular onde a máscara de solda preta está faltando em ambos os lados do PCB. Como acontece com quase qualquer design eletrônico, eu precisava de algum feedback visual para o usuário. Eu escolhi um LED RGB e tinha algumas opções para isso.

• Eu poderia usar um LED através de um orifício e fazer um orifício para ele passar. Não tenho certeza de como conectaria sem outro PCB.
• Eu poderia usar um LED de montagem em superfície. Então eu teria alguns rastros e um LED bagunçando meu painel frontal limpo.
• Eu poderia usar um LED de montagem reversa.

Alguns de vocês podem estar se perguntando o que é um LED de montagem reversa. Bem, é um LED de montagem em superfície "de cabeça para baixo" que brilha de volta no PCB em que está montado. O que?! Por que você faria isso? Bem, sai do caminho do outro lado do PCB. A maioria dos projetos ainda terá um orifício no PCB para o LED passar, mas decidi apenas remover o cobre e a máscara de solda e ver se o material do PCB era translúcido o suficiente para o LED brilhar. Alerta de spoiler - era mesmo! Tenho certeza de que ficaria um pouco mais claro com um orifício, mas é facilmente visível à luz do sol através de 1,6 mm de FR4. Também é bem difundido.

Precisava de uma peça personalizada projetada no Eagle para garantir que não houvesse cobre ou máscara de solda abaixo dela, mas tudo o que foi necessário foram alguns círculos nas camadas Restringir e Manter em ambos os lados. Você encontrará esta peça personalizada na biblioteca Eagle anexada.

Etapa 5: seu PCB como uma antena

Usar um traço de PCB como antena não é nenhuma novidade. O pacote NFC Booster que usei tem um. A maioria dos leitores NFC comerciais que você encontrará os utiliza. Um problema que descobri é que eles são ajustados para se adequarem aos formatos de tag NFC mais comuns - cartões e controles remotos. Sou geek o suficiente para ter uma pequena etiqueta NFC implantada na minha mão. Os detalhes estão aqui se você não tiver escrúpulos. Também fiz um projeto anterior usando um indutor de fio enrolado como antena. Para este projeto, eu queria ver se era possível criar uma antena PCB que combinasse bem com uma minúscula etiqueta implantada.

Em primeiro lugar, decidi criar um traço de PCB fisicamente menor do que aqueles que você normalmente verá. A indutância é importante ao sintonizar a antena, então eu uso uma calculadora de indutor PCB on-line e pretendo que cerca de 1μH seja o mesmo que o fio enrolado que usei antes. Eu usei o L_Calculate da TI e isso me disse que 7 voltas com um tamanho médio de 9 mm x 6,5 mm com uma largura de traço de 0,1524 deveriam ser 950 nH. Perto o suficiente.

Quando recebi os PCBs, ele media 0,627μH - com uma resistência de 0,867Ω. É hora de descobrir como a rede adequada deve ser para que o TRF7970A veja 50Ω. A combinação de antenas é um tópico inteiro por si só, então não vou divagar sobre isso agora, mas se você estiver interessado, falei sobre como sintonizar uma antena sem precisar de um VNA caro aqui.

Basta dizer que seu PCB pode ser usado para criar uma antena de custo zero, seja uma bobina indutiva para RFID (não estritamente uma antena) ou para WiFi, ZigBee, Sub-1Ghz, etc. Mais uma vez, sugiro que se precisar, comece com notas de design para qualquer dispositivo que estiver usando. O fabricante deseja que você compre seus componentes, portanto, eles são uma grande ajuda na hora de usá-los.

Etapa 6: seu PCB como um cabeçalho de depuração

Assim que você adiciona um microcontrolador ao seu projeto, você tem o problema de como colocar seu código nele. Freqüentemente, seu PCB de baixo perfil agradável acaba com um cabeçalho de pino robusto nele. Freqüentemente, essas são versões com orifícios também, então sua linda placa de circuito impresso foi afetada em ambos os lados. Obviamente, eu queria que um lado fosse meu painel frontal, através do orifício como para fora. Cabeçalhos de pino de montagem em superfície podem arriscar descascar seus rastros - especialmente se você for conectar e desconectar algumas vezes.

Felizmente, existe uma alternativa - pinos de pogo. Esses pinos com mola fazem um bom contato elétrico com sua placa. Pode não ser silencioso o suficiente para uma conexão permanente, mas certamente é para programação. Eu vi pinos de pogo usados com um gabarito personalizado para programação e também para testar uma placa de produção. Eu até os vi presos em um prendedor de roupa para um visual de programador bem caseiro. No entanto, usei um produto comercial que está disponível para muitas famílias de microcontroladores - o Tag Connect. Requer alguns orifícios de alinhamento minúsculos em sua placa, então pode não ser perfeito se você precisar de um painel frontal à prova d'água, mas eu decidi que seria bom para este projeto.

Tudo o que é necessário é uma pegada PCB e pronto! Os buracos estão dentro dos requisitos de uma casa de tabuleiro e talvez até mesmo de gravação doméstica.

Etapa 7: O PCB concluído

Então, depois de incorporar todas essas idéias de PCB em um projeto - aqui está o resultado final. Ele responde à etiqueta NFC correta ou ao código de entrada e abre a porta. A operação da porta é separada porque irá operar duas portas diferentes de duas maneiras diferentes. A porta da minha casa será uma liberação eletromagnética, como você encontraria em um prédio de apartamentos com sistema de intercomunicação.

Eu sou um kitesurfista tantas vezes que me encontro no oceano e é sempre complicado saber o que fazer com suas chaves. Com uma etiqueta NFC na mão, sempre tenho a chave comigo! Para minha van, ele se conectará ao sistema de travamento central.

Para sua própria porta, você pode escolher uma maneira apropriada de abri-la ou destrancá-la.

Você encontrará tudo que precisa para replicar (ou adaptar) este projeto neste repositório GitHub.https://github.com/FredMurphy/LockNFC

Espero que você tenha gostado de ler sobre este projeto e que ele o tenha inspirado a incorporar algumas das ideias em seus próprios PCBs. Se sim, por favor me avise nos comentários abaixo. Por favor, também dê uma olhada nas entradas do concurso PCB e vote no que você achar que é o melhor. Espero que seja meu, mas tenho certeza de que há muitos outros bons trabalhos lá também.

Vice-campeão no concurso PCB