Bloqueo NFC: cuando una PCB también son los botones, la antena y más : 7 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

Puede tomar una de dos cosas de este Instructable. Puede seguir y crear su propia combinación de un teclado numérico y un lector NFC. El esquema está aquí. El diseño de PCB está aquí. Encontrará una lista de materiales para que solicite las piezas que necesita. Proporcioné el código para programar el microcontrolador. Hay todo lo que necesita para copiar o ampliar este proyecto.

Sin embargo, sospecho que es más probable que la mayoría de los lectores se inspiren en algunos aspectos. Este Instructable le muestra que la PCB es más que una forma de conectar los componentes. Ese pequeño rectángulo de fibra de vidrio y cobre tiene muchos otros usos, mientras sigue realizando su trabajo principal de hacer conexiones eléctricas. Presentaré todos estos aspectos primero antes de reunirlos en un proyecto completo. ¡Espero que disfrutes del viaje y que decidas usar uno o dos de estos trucos en un proyecto propio!

Paso 1: el proceso

Tantos proyectos toman la misma trayectoria en el camino hacia la "terminación" y muchos tropiezan justo antes del obstáculo final.

El Prototipo

Primero está el prototipo. Tienes una idea y del cajón sale tu placa de desarrollo de microcontroladores. Para muchos, este será un Arduino, pero estoy más feliz con la línea MSP430 de TI de microcontroladores de baja potencia de 16 bits. Cualquiera que sea su elección, generalmente hay una placa de desarrollo que ayuda. Significa que no tiene que comenzar con la fabricación de su propia PCB y puede probar teorías y posibles periféricos. A menudo hay un Booster Pack / Shield / Hat, o cualquier nombre extraño para una placa secundaria que se le haya ocurrido al fabricante. Ninguno de los usos son ajenos a una placa de pruebas o un cable perdido.

Puede ver que aquí he usado el kit de desarrollo CapTIvate de TI y el paquete de refuerzo NFC TRF7970A para demostrar que es probable que el concepto funcione.

También creará un código de prueba de concepto. Puede ser complicado. Puede depender de las bibliotecas descargadas que le llevarán parte del camino. Personalmente, tiendo a dejarlo un poco imperfecto porque sé que tengo esas semanas por delante esperando que lleguen los PCB. Entonces puedo arreglarlo.

El diseño

Luego viene el diseño. Encienda su software de diseño de PCB favorito. En mi caso es Eagle. Se necesita una sorprendente cantidad de tiempo para pasar de la idea a la perfección, ¡y aquí es donde radica nuestra aventura! Los siguientes pasos le ayudarán a sacar el máximo provecho de esto.

Esperando sus PCB

Puede grabar los suyos propios o hacerlos rápidamente, pero la mayoría de nosotros ordenamos en una casa de huéspedes en China y esperaremos unas semanas. Ahora es el momento de volver a ese código. ¡No se arregla solo!

Ensamblaje y depuración

Saca el soldador o el horno tostador. Entonces puede ver si funciona como se esperaba. Quizás retroceda 2 pasos. Tal vez no.

El recinto y el panel frontal

Para que su PCB se vea profesional. Ahora necesita una caja y un panel frontal. Tal vez imprimas algo en 3D. Se ve bien, pero no representa la delicadeza de la encantadora PCB en su interior. Bueno, ¡aquí es donde esta guía realmente te ayudará!

Paso 2: su PCB como panel frontal

Soldermask solía ser verde. La pantalla de seda era más funcional que decorativa. Un PCB era algo que estaba escondido y solo los geeks como nosotros estarían interesados en verlo. Bueno, ¡ya no más!

Muchas casas de madera ahora le permiten elegir entre una amplia gama de colores. La calidad de la pantalla de seda ha mejorado mucho. Se permiten formas y recortes originales. Entonces, ¿por qué no aprovechar esto? Si crea la PCB con cuidado, ¡una casa de placas puede hacer sus paneles frontales por usted!

En mi ejemplo, coloqué todos los componentes en un lado y me aseguré de que el otro lado se viera lo suficientemente bien como para ser la parte frontal de mi dispositivo. No tienes que hacer esto. Tal vez quieras tener la belleza y el cerebro en tableros separados. Tu decides.

Incluso he visto varios PCB soldados entre sí para formar todo el recinto, pero eso es inusual. Si crees que puedes hacerlo, ¿por qué no?

Mi tablero es bastante simple: solo una bonita serigrafía blanca sobre una máscara de soldadura negra. Se adaptaba a la apariencia que buscaba. Es posible obtener una amplia gama de colores y matices combinando serigrafía, máscara de soldadura y cobre de varias formas. ¡Te dejo en Google "PCB art" y veas algunas de las increíbles creaciones que han creado otras personas! Por impresionantes que sean, tal vez no todos sean adecuados para un panel frontal.

Paso 3: su PCB como botones

Es posible que haya notado que los números serigrafiados se parecen mucho a un teclado numérico y eso es porque lo son. Para ser precisos, son botones táctiles capacitivos. Si va por esta ruta, probablemente querrá un microcontrolador que admita el toque capacitivo, aunque es posible "rodar su propio" sensor táctil capacitivo si realmente lo desea.

Todos los botones táctiles capacitivos constan de algunas pistas de PCB que se colocan para tener una capacitancia detectable ya sea a tierra (conocida como autocapacidad) o a otra pista (conocida como capacitancia mutua).

Comencé mi diseño siguiendo la guía CapTIvate de TI para su dispositivo MSP430FR2633, pero si está usando otro microcontrolador, probablemente valga la pena mirar las guías y los diseños de referencia proporcionados por el fabricante. No solo se proporciona una guía para el diseño de PCB, sino que incluso existe el Centro de diseño CapTIvate que generará algún código de plantilla para que coincida con su hardware.

Notarás que la esencia del botón son solo dos círculos de cobre bastante cerca uno del otro. Acercar el dedo reduce la capacitancia entre ellos. El MSP430 utiliza una fuente de corriente constante para cargar este condensador y mide la rapidez con que cambia el voltaje a través de él. La biblioteca CapTIvate simplifica convertir esto en pulsaciones de botones detectadas.

Diseñé una pieza personalizada en Eagle para simplificar la adición de doce de estos botones y poder usarlos en proyectos futuros.

Paso 4: su PCB como difusor LED

Los ojos de águila entre ustedes pueden haber notado el pequeño parche circular donde falta la máscara de soldadura negra en ambos lados de la PCB. Como ocurre con casi cualquier diseño electrónico, necesitaba algunos comentarios visuales para el usuario. Fui con un LED RGB y tenía algunas opciones para esto.

• Podría usar un LED de orificio pasante y cortar un orificio para que se asome. No estoy seguro de cómo lo conectaría sin otra PCB.
• Podría usar un LED de montaje en superficie. Entonces tendría algunos rastros y un LED estropeando mi ordenado panel frontal.
• Podría usar un LED de montaje inverso.

Algunos de ustedes se estarán preguntando qué es un LED de montaje inverso. Bueno, es un LED de montaje en superficie "al revés" que brilla en el PCB en el que está montado. ¡¿Qué?! ¿Por qué harías eso? Bueno, lo saca del camino en el otro lado de la PCB. La mayoría de los diseños todavía tendrán un agujero en la PCB para que este LED brille, pero decidí quitar el cobre y la máscara de soldadura y ver si el material de la PCB era lo suficientemente translúcido para que el LED brillara. Alerta de spoiler: ¡lo fue! Estoy seguro de que sería un poco más brillante con un agujero, pero es lo suficientemente fácil como para ser visible a la luz del sol a través de 1,6 mm de FR4. También está muy bien difundido.

Necesitaba una pieza personalizada diseñada por Eagle para asegurarse de que no hubiera cobre o máscara de soldadura debajo, pero todo esto requirió un par de círculos en las capas Restrict y Keepout en ambos lados. Encontrará esta pieza personalizada en la biblioteca Eagle adjunta.

Paso 5: su PCB como antena

Usar una traza de PCB como antena no es nada nuevo. El paquete NFC Booster que usé tiene uno. La mayoría de los lectores NFC comerciales que encontrará los utilizan. Un problema que encontré es que están ajustados para adaptarse a los formatos de etiquetas NFC más comunes: tarjetas y llaveros. Soy lo suficientemente geek como para tener una pequeña etiqueta NFC implantada en mi mano. Los detalles están aquí si no eres escrupuloso. También hice un proyecto anterior usando un inductor bobinado como antena. Para este proyecto, quería ver si era posible crear una antena de PCB que se adaptara bien a una pequeña etiqueta implantada.

En primer lugar, decidí crear una traza de PCB que sea físicamente más pequeña que las que verá normalmente. La inductancia es importante al sintonizar la antena, por lo que utilizo una calculadora de inductores de PCB en línea y apunté a que aproximadamente 1μH fuera aproximadamente el mismo que el cable enrollado que había usado antes. Usé L_Calculate de TI y esto me dijo que 7 vueltas con un tamaño promedio de 9 mm x 6.5 mm con un ancho de traza de 0.1524 deberían ser 950nH. Suficientemente cerca.

Cuando recuperé los PCB, medía 0.627μH, con una resistencia de 0.867Ω. Es hora de averiguar cómo debería verse la red correspondiente para que el TRF7970A vea 50Ω. La coincidencia de antenas es un tema en sí mismo, por lo que no me desviaré en eso ahora, pero si está interesado, cubrí cómo sintonizar una antena sin necesidad de un VNA costoso aquí.

Basta decir que su PCB se puede usar para crear una antena de costo cero, ya sea una bobina inductiva para RFID (no estrictamente una antena) o para WiFi, ZigBee, Sub-1Ghz, etc. Una vez más, sugiero que si necesita uno, comience con notas de diseño para cualquier dispositivo que esté usando. El fabricante quiere que compres sus componentes por lo que son de gran ayuda a la hora de hacer uso de ellos.

Paso 6: su PCB como encabezado de depuración

Tan pronto como agregue un microcontrolador a su proyecto, tendrá el problema de cómo incluir su código en él. Con frecuencia, su agradable PCB de bajo perfil termina con un encabezado de pin grueso. Con frecuencia, estas también son versiones de orificio pasante, por lo que su hermosa PCB ordenada se ha visto afectada en ambos lados. Obviamente, quería que un lado fuera mi panel frontal, a través del orificio como fuera. Los cabezales de clavija de montaje en superficie pueden correr el riesgo de que se despeguen los rastros, especialmente si es probable que se conecte y desconecte varias veces.

Afortunadamente, existe una alternativa: los pines pogo. Estos pines cargados por resorte hacen un buen contacto eléctrico con su tablero. Puede que no sea lo suficientemente silencioso para una conexión permanente, pero ciertamente lo es para la programación. He visto pines de pogo utilizados con una plantilla personalizada tanto para la programación como para probar una placa de producción. Incluso los he visto pegados en una pinza de ropa para un look de programador muy casero. Sin embargo, utilicé un producto comercial que está disponible para muchas familias de microcontroladores: Tag Connect. Requiere unos pequeños orificios de alineación en su tablero, por lo que puede que no sea perfecto si necesita un panel frontal impermeable, pero decidí que estaría bien para este proyecto.

¡Todo lo que se requiere es una huella de PCB y listo! Los agujeros cumplen con los requisitos de una casa de madera y tal vez incluso un grabado casero.

Paso 7: PCB terminado

Entonces, después de incorporar todas estas ideas de PCB en un proyecto, aquí está el resultado final. Responde a la etiqueta NFC correcta o al código de entrada y abre la puerta. La operación de la puerta es separada porque esto operará un par de puertas diferentes de un par de formas diferentes. La puerta de mi casa será una liberación electromagnética, muy parecida a la que encontraría en un bloque de apartamentos con un sistema de intercomunicación.

Soy un kitesurfista muy a menudo me encuentro en el océano y siempre es complicado saber qué hacer con tus llaves. Con una etiqueta NFC en la mano, ¡siempre tengo la llave conmigo! Para mi furgoneta, se conectará al sistema de cierre centralizado.

Para su propia puerta, es posible que desee elegir una forma adecuada de abrirla o desbloquearla.

Encontrarás todo lo que necesitas para replicar (o adaptar) este proyecto en este repositorio de GitHub.https://github.com/FredMurphy/LockNFC

Espero que hayas disfrutado leyendo sobre este proyecto y que te haya inspirado a incorporar algunas de las ideas en tus propios PCB. Si es así, hágamelo saber en los comentarios a continuación. Por favor, también eche un vistazo a las entradas en el concurso de PCB y vote por la que crea que es mejor. Espero que sea mío, pero estoy seguro de que también hay muchas otras buenas entradas allí.

Finalista en el Concurso de PCB