Aprenda a diseñar una PCB con forma personalizada con las herramientas en línea de EasyEDA: 12 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Siempre quise diseñar un PCB personalizado, y con herramientas en línea y prototipos de PCB baratos, ¡nunca ha sido tan fácil como ahora! Incluso es posible montar los componentes de montaje en superficie de forma económica y sencilla en un volumen pequeño para evitar la difícil tarea de soldadura. He pedido 10x PCB con ensamblaje por menos de 50 dólares estadounidenses. Si bien los PCB cumplen una función importante, el diseño de los componentes es una parte importante de su apariencia. He rotado los componentes del tablero para alinearlos con las puntas de la estrella.

Este instructivo te enseñará:

• Cómo dibujar la forma de PCB personalizada en InkScape (herramienta de gráficos de código abierto y gratuita)
• Cómo usar las herramientas de diseño de circuitos y PCB EasyEDA (gratis y en línea, ¡no requiere instalación!)
• Cómo importar el SVG en EasyEDA para personalizar la forma de PCB y serigrafía
• Cómo diseñar un diseño de MCU programable simple 'Arduino'
• Cómo usar el ensamblaje de montaje en superficie JLCPCB para hacer y ensamblar las placas

Características de "The Star"

• PCB personalizado en forma de estrella de 5 puntos
• Iluminación animada: 10 LED por lado, de doble cara
• microelectroller programable arduino ATMEGA328P
• 2x botones para interactividad: podrías hacer un juego simple
• alimentado por micro USB (opción)
• Conecta múltiples estrellas para animaciones más grandes (opción) con comunicaciones en serie

ACTUALIZADO 02ABR2020 después de que se recibieron las placas.

Suministros

Consulte el archivo BOM (Lista de materiales) y el PDF esquemático adjunto.

Ver esquema completo adjunto.

Aquí hay un enlace al proyecto EasyEDA de un paso posterior:

Paso 1: cree el diseño en InkScape

Primero, diseñemos la forma del PCB y cualquier arte de serigrafía para colocarlo en el PCB.

1. Descargue e instale inkscape
2. Crea un documento nuevo
3. Utilice la herramienta Rectángulo para crear un rectángulo de 100x100 mm. JLCPCB ofrece PCB más baratos por debajo de este tamaño.
4. Utilice la herramienta polígono para crear una forma de estrella que se ajuste al rectángulo

5. Agregue otros detalles, p. Ej. pequeños gráficos de estrellas dentro del contorno que es donde colocaré los LED

   1. Comience agregando las formas para un punto de la estrella, p. Ej. la parte superior
   2. Agregue una esquina redondeada (¡por seguridad!) Usando una curva Bézier
   3. Seleccione todas las formas en este punto y agrúpelas

   4. Luego podemos copiar y rotar este grupo a los otros puntos de la estrella.

      "Editar -> Clonar -> Crear clones en mosaico"

6. Si redondeó las esquinas, entonces debemos eliminar los puntos que ya no son necesarios.

   1. Para hacer esto, dibujé manualmente las líneas rectas que conectan las curvas
   2. Luego, quita la estrella original

Guarde 2 versiones de esta imagen

• A: serigrafía: imagen completa con todos los detalles que se utilizarán para la serigrafía
• B: contorno de la placa - como arriba, pero elimine todos los detalles en el centro dejando solo el contorno. Esto definirá la forma de la PCB.

Guarde las versiones. DXF de ambos archivos

• archivo -> Guardar como ->.dxf
• Usa los detalles

Ejemplos de archivos inkscape.svg y.dxf adjuntos.

Paso 2: Importe el.dxf a EasyEDA para crear la forma personalizada

Este paso creará un nuevo proyecto en la herramienta en línea EasyEDA e importará el.dxf para establecer la forma del PCB y la pantalla de seda. EasyEDA es un editor de esquemas y PCB en línea gratuito. Elegí esto porque era más fácil que descargar e instalar una de las muchas herramientas disponibles. Parece ser excelente para mis necesidades y se integra bien con JLCPCB para prototipos de PCB y piezas LCSC.

Crear proyecto y PCB

1. Visite https://easyeda.com/ y cree una cuenta gratuita.

2. Crea un nuevo proyecto en tu espacio de trabajo

   Archivo guarda el esquema

3. Haga clic derecho en el nombre del proyecto y "Nueva PCB"

   1. Aceptar los valores predeterminados (100x100 mm)
   2. Nota: podemos volver y editar el esquema más tarde y agregar componentes
4. Importar el contorno de la placa
   1. Archivo -> importar DXF
   2. Seleccione el archivo de esquema de placa.dxf de inkscape
   3. Compruebe que Layer esté configurada en 'BoardOutLine'
   4. Haga clic en 'Importar'
   5. Colóquelo dentro del rectángulo existente de 100x100
   6. Elimina el rectángulo, la nueva forma de estrella es BoardOutLine
   7. Compruebe que está en la capa rosa BoardOutLine, si no, selecciónela y cambie la capa en el panel de la parte superior derecha
5. Importar la imagen de la pantalla de seda
   1. Archivo -> importar DXF
   2. Seleccione el archivo de serigrafía.dxf de inkscape
   3. Compruebe que la capa esté configurada en 'TopSilkLayer'
   4. Haga clic en 'Importar'
   5. Colóquelo en la parte superior del contorno del tablero (acerque con la rueda del mouse para mayor precisión)

6. Verifique los resultados obteniendo una vista previa de la vista previa en 3D

   Haga clic en el icono 'cámara' y 'vista 3d'

Siguiente paso: agregue componentes:)

Paso 3: planifique los componentes que utilizará, incluido el ensamblaje SMD

Ahora que tenemos una forma personalizada, podemos comenzar a agregar componentes.

Simplemente puede colocar los componentes directamente en el editor de PCB, pero es mejor agregarlos a la vista esquemática y luego presionar 'Actualizar PCB' para agregarlos a la PCB.

Nota: para aprovechar los servicios de ensamblaje de PCB que ofrece JLCPCB (https://jlcpcb.com/smt-assembly), es importante utilizar componentes de una lista específica que tienen.

• Descargue la lista de piezas XLS

  • Actualmente -
  • Que está vinculado desde:

Elección de piezas:

• base

  La opción más barata es utilizar piezas de su lista "base", ya que ya están cargadas en sus máquinas de selección y colocación

• ampliar

  Hay piezas 'extendidas' adicionales, pero hay un costo incremental para cada una. p.ej. los LED y el ATMEG328P que utilizo en este proyecto están extendidos, sin embargo, todas las resistencias discretas, los condensadores y el resonador cerámico son piezas estándar

• otro - agregado manualmente al tablero más tarde

  Elegí agregar el conector USB, los botones pulsadores y el encabezado de programación manualmente

La imagen adjunta es una captura de pantalla del subconjunto de piezas que he usado en el proyecto. Agregué una columna "MyProject" para ayudarme a filtrar los componentes que me interesan. Elegí principalmente huellas 0805 para facilitar la soldadura. El resonador de cristal / cerámica puede ser difícil de soldar a mano.

El número de pieza LCSC, p. Ej. C14877, se puede utilizar directamente en el editor de esquemas (y PCB).

Resumen de la lista de materiales

• C84258. - LED blanco frío, muy brillante (incluso con 2x LED que comparten una resistencia de 150R en 5v) y un bonito difusor construido
• C7171 - Tapón de desacoplamiento 10uF x2
• C17444 - Resistencia de 12K para reiniciar pin pull-up x1
• C17471 - Resistencia 150R en serie con LED x10
• C21120 - Tapón de desacoplamiento 220nF x2
• C13738 - Resonador cerámico de 16MHz con tapas integradas
• C14877 - MCU ATMEGA328P

Paso 4: construya el esquema, hágalo programable por Arduino

En el corazón de este diseño se encuentra un ATMEGA328P que se utiliza en muchos Arduinos, incluidos Uno, Nano y Pro Mini. Esto significa que es posible utilizar el IDE de Arduino para escribir el código y programar la placa.

Diseñé esta placa para usar un número mínimo de componentes para reducir el costo y mantener la placa simple, pero aún así permitir que se programe a través del encabezado 'Programación en el sistema' del ISP como si fuera un Arduino Nano.

Entender el pinout

Consulte el diagrama de distribución de pines adjunto desde https://github.com/MCUdude/MiniCore para ver cómo los pines físicos del MCU se asignan a los nombres de los pines de arduino. p.ej. El pin 1 del MCU físico (arriba a la izquierda) también es el pin 3 de arduino (etiquetado como D3 en un nano), controlado por PD3 dentro del MCU. Desde el punto de vista del IDE de arduino, solo necesita conocer el pin arduino '3'.

Componentes mínimos para imitar un nano:

• El ATMEGA328P
• Condensadores de desacoplamiento para suavizar la fuente de alimentación

• Encabezado ISP 'In System Programming' en lugar de programación USB

  • Cabecera de 6 pines que se puede programar desde otro arduino con la imagen del programador ISP
  • Nota: la programación USB / serie no es posible sin un convertidor de USB a serie
• Ver

• Resonador cerámico de 16 MHz

  • Esto es necesario si está imitando un Nano, ya que siempre son resonadores externos de 5V y 16MHz.
  • Tenga en cuenta que la mayoría de los resonadores de 3 o 4 pines no necesitan los condensadores separados que requiere un cristal

Conjunto de componentes alternativo, incluso más mínimo, con MiniCore

Si no quiere, o no tiene el cristal o el resonador, puede usar el osciallador interno de 8MHz dentro del ATMEGA328P. Necesita cargar un cargador de arranque diferente para habilitar esto, p. Ej. el cargador de arranque MiniCore, consulte GitHub para obtener más información.

https://github.com/MCUdude/MiniCore

Ahora comience a agregar los componentes:

• Haga clic con el botón derecho en "colocar componente"
• En el cuadro de búsqueda, ingrese el número de pieza de la hoja de cálculo / LCSC, p. Ej. C14877 para ATMEGA328P-AU
• Colóquelo en el esquema

• Repita para los otros componentes: tapas, resistencias, LED

  uno de cada componente inicialmente, luego cópielos y péguelos alrededor del diseño según sea necesario

Paso 5: agregue estos componentes a la PCB con "Actualizar PCB"

Una característica interesante del editor en línea EasyEDA es la capacidad de realizar cambios en el esquema y luego actualizar la PCB.

• En el editor de esquemas, presione guardar archivo

• Luego, el botón "Actualizar PCB" en la barra de herramientas

  • Aparece una ventana para decirte qué ha cambiado
  • 'Aplicar cambios'
• Los nuevos componentes ahora se colocan en la esquina inferior derecha.

• Muévelos a donde los quieras

  • presione el espacio para rotar 90 grados
  • Utilice la rueda del ratón para hacer zoom

• Observe las 'líneas de rata' que muestran dónde deben conectarse los componentes

  Utilice la rotación de componentes para facilitar el cableado

• Para colocar componentes en la parte inferior, haga clic en un componente y en la esquina superior derecha cambie TopLayer a Bottom Layer

Paso 6: enrute los componentes en la PCB

Ahora conecte los componentes como lo indican las líneas de rata.

• Utilice el botón 'pista' en la barra de herramientas
• Haga clic en un componente, luego en el siguiente
• Utilice vías para conectarse entre capas
• Agregue un plano de tierra en toda la capa superior para conectar automáticamente todos los pines de tierra
  • Utilice el botón 'área de cobre' para dibujar un rectángulo que cubra todo el tablero. La herramienta llenará automáticamente el área correcta y se conectará a la red GND de forma predeterminada
  • Agregue otro plano en la capa inferior para VCC
• Abra la vista 3D para comprobar su progreso

Elegí mantener el enrutamiento muy directo y ordenado. Observé el diseño de la PCB para elegir qué pin de la MCU conectar a cada LED para simplificar el enrutamiento y hacerlo parte del proceso de diseño.

Es fácil volver al visor esquemático y agregar un nombre de red al pin, p. Ej. El pin 23 de U1 se conecta al LED de red 4. Coloque la misma etiqueta de red en el LED, actualice la PCB y enrute la pista.

** Aquí hay un enlace al proyecto en el sitio web de EasyEDA:

easyeda.com/neil.parris/thestar-instructab…

Paso 7: agregue más componentes hasta que el diseño esté completo, gírelos según sea necesario

Siga agregando LED, botones, etc.

Puede rotar cada componente de forma personalizada, p. Ej. para una estrella de 5 puntas, cada punto está a 72 grados de distancia. Para obtener los ángulos correctos para los LED y otros componentes, escriba 72 en el cuadro de rotación y presione la barra espaciadora para girar 90 grados a la vez hasta obtener el resultado que está buscando. A veces necesitas otros ángulos relacionados con 72, p. Ej. 90 - 72 = 18. O 2x 18 = 36. Con 18/36/72 y las rotaciones de 90 grados se puede alinear con todos los ejes principales de la estrella.

Consulte el PDF adjunto del esquema completo [tenga en cuenta que este es un diseño ligeramente diferente a las capturas de pantalla anteriores, pero los mismos principios]

Paso 8: Solicite la PCB y, opcionalmente, agregue la compilación SMD

Una vez que haya completado el diseño, lo haya revisado y verificado que no hay errores, continúe y genere los archivos Gerber. Le pedirá que realice Verificaciones de reglas de diseño (DRC). Compruebe que no haya errores y guarde los archivos Gerber para su fabricación, o abra JLCPCB directamente desde el editor.

Si desea utilizar los servicios de fabricación SMD, guarde también la lista de materiales (BOM) y el archivo de selección y colocación (esto le indica a las máquinas dónde colocar sus componentes)

Realice el proceso de pedido y verifique dos veces la orientación de cualquier componente polarizado como LED, condensadores, resonadores y el MCU en sí.

Para 10 placas ensambladas (sin el USB y el encabezado de programación) tuve un costo de alrededor de GBP £ 35 enviadas (aproximadamente USD $ 45 dependiendo del tipo de cambio).

Esté atento al correo electrónico actualizado y rastree su tablero y compile a través del sitio web de JLCPCB.

Paso 9: Prototipo del software (archivo.ino adjunto)

Mientras espera que lleguen las placas, es hora de comenzar a escribir el software:)

Coloqué un Arduino Nano en una placa de pruebas y conecté los LED en el mismo lugar y las mismas conexiones para imitar la PCB. Entonces debería ser posible cargar este mismo software directamente en la PCB, aunque con un programador ISP Arduino.

El código usa matrices para simplificar la programación. También importé la biblioteca "FastLED.h" ya que tiene algunas funciones de ayuda útiles como sin8 ()

He aquí algunos aspectos destacados:

Esta matriz asigna los pines de Arduino al LED1 hasta 10. El LED1 está conectado al equivalente de Arduino A2 y el LED10 está conectado a D4

• // crea una matriz de los nombres de los pines físicos conectados a LED1, LED2, etc. a LED10
• ledpins de byte constante = {A2, A3, A1, A0, 9, 10, 6, 5, 3, 4};

El bucle principal es una rutina PWM de software simple que compara 'pwm_now' con el valor actual de 'led_brightness'.

Este es actualmente un código de prueba para experimentar con algunos patrones de iluminación.

Paso 10: ¡Desempaquete y admire sus nuevos PCB! Opcional - Soldar piezas adicionales

Disfruta del desempaquetado y admira tu propia PCB personalizada:)

Con el ensamblaje SMD tenía todos los componentes importantes soldados en un lado para darme un dispositivo de trabajo.

Opcional - soldar componentes adicionales:

• Conector micro-USB para alimentación (no programación)
• Pulsadores: para hacerlo interactivo
• LED en el reverso: ¡hazlo de doble cara!

Paso 11: programe la placa con un programador ArduinoISP

Esta es la parte divertida. ¡Cargando el gestor de arranque Arduino y el código en la PCB!

Un par de días después de escribir este instructivo, ¡llegaron las tablas! Tableros 10x, todos fantásticamente bien hechos, y los componentes soldados cuidadosamente, y todo funcionando perfectamente.

Conecte un Arduino de repuesto como programador ArduinoISP

Utilizo un Arduino Nano en una pequeña placa de pruebas conectada como programador ArduioISP. Esto significa que se conecta desde el IDE a través de USB a nano, que luego se conecta al dispositivo de destino a través del conector de programación de 6 pines.

El pinout es el mismo que el de un conector nano IP, básicamente solo MISO / MOSI / RST / SCK / 5V / GND

Consulte este enlace para obtener más detalles:

1 - MISO

2 - + 5V

3 - SCK

4 - MOSI

5 - RST => impulsado desde el Pin 10 del Arduino nano

6 - TIERRA

Cargue el boceto de ArduinoISP en el programador

• Ejemplos -> 11. ArduinoISP -> ArduinoISP
• Nota: al cargar esta imagen en el programador, es necesario quitar el condensador entre los pines RST y GND. Vuelva a colocar esto antes de usar el programador.

Sube el código y el bootloaded a la placa de destino

• Conecte el programador al objetivo con el conector de 6 pines

  Puede sujetar un cabezal de clavija de 6x a la PCB sin soldar manteniéndolo en ángulo para que haga un buen contacto

• Si tiene el resonador cerámico de 16MHz en la placa y está feliz de asignar el pinout para que coincida con el arduino nano, simplemente programe la placa como un Arduino nano pero con la siguiente configuración:

  • Tablero: "Arduino Nano"
  • Procesador: "ATmega328P"
  • Programador: "Arduino como ISP"

• Sube el cargador de arranque

  Esto establece los fusibles en la MCU para habilitar el cristal o resonador externo de 16MHz. Si no tiene esto, utilice un gestor de arranque alternativo, p. Ej. minicore

• Sube tu código

  Importante: debido a que estamos descargando el código con el programador, debe presionar MAYÚS cuando presione el botón SUBIR (=>). Esto cambia la programación de la 'carga' normal a través del puerto serie, para usar en su lugar 'cargar con el programador' en los pines del ISP

Si lo anterior tuvo éxito, ¡ahora debería tener muchos LED parpadeando!:

Paso 12: ¡Disfrute de su proyecto

Espero que hayas encontrado útil este instructivo. He pasado muchas horas experimentando con estas herramientas para hacer PCB interesantes y he encontrado las herramientas en línea muy convenientes.

Este diseño en particular es relativamente simple en términos de circuito, pero interesante en términos de diseño físico. ¡También sería una buena decoración para la temporada navideña!

Segundo premio en el PCB Design Challenge