NFC Lock - Wanneer een PCB ook de knoppen, de antenne en meer is - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

U kunt een van de twee dingen uit deze Instructable halen. Je zou kunnen volgen en je eigen combinatie van een numeriek toetsenbord en een NFC-lezer maken. Het schema staat hier. De PCB-layout is hier. U vindt een stuklijst waarmee u de benodigde onderdelen kunt bestellen. Ik heb de code gegeven voor het programmeren van de microcontroller. Er is alles wat je nodig hebt om dit project te kopiëren of uit te breiden.

Ik vermoed echter dat de meeste lezers zich eerder zullen laten inspireren door sommige aspecten ervan. Deze Instructable laat zien dat de PCB meer is dan alleen een manier om de componenten met elkaar te verbinden. Die kleine rechthoek van glasvezel en koper heeft tal van andere toepassingen - terwijl hij nog steeds zijn belangrijkste taak op zich neemt, namelijk het maken van elektrische verbindingen. Ik zal al deze aspecten eerst presenteren voordat ik ze samenvoeg tot een voltooid project. Ik hoop dat je geniet van de reis en misschien besluit om een of twee van deze trucs te gebruiken in een eigen project!

Stap 1: Het proces

Zoveel projecten volgen hetzelfde traject op het pad naar 'voltooid' en zovelen struikelen vlak voor de laatste hindernis.

Het prototype

Eerst is er het prototype. Je hebt een idee en uit de la komt je go-to microcontroller-ontwikkelbord. Voor velen zal dit een Arduino zijn, maar ik ben het gelukkigst met TI's MSP430-lijn van 16-bits low-power microcontrollers. Wat je keuze ook is, er is meestal een ontwikkelbord dat helpt. Zo hoef je niet te beginnen met het maken van je eigen printje en kun je theorieën en mogelijke randapparatuur uitproberen. Er is vaak een Booster Pack / Shield / Hat - of welke vreemde naam dan ook voor een dochterbord dat de fabrikant heeft bedacht. Geen van hen is vreemd aan een breadboard of verdwaalde draad.

Je kunt hier zien dat ik de CapTIvate-ontwikkelkit van TI en het TRF7970A NFC Booster-pakket heb gebruikt om te bewijzen dat het concept waarschijnlijk zal werken.

Je haalt ook wat proof of concept-code op. Het kan rommelig zijn. Het kan afhankelijk zijn van gedownloade bibliotheken die u een deel van de weg daarheen helpen. Persoonlijk heb ik de neiging om het een beetje onvolmaakt te laten, omdat ik weet dat ik die weken voor de boeg heb om te wachten tot de PCB's arriveren. Dan kan ik het opruimen.

Het ontwerp

Vervolgens komt het ontwerp. Start uw favoriete PCB-ontwerpsoftware. In mijn geval is het Eagle. Het kost verrassend veel tijd om van idee naar perfectie te gaan, en hier ligt ons avontuur! De komende stappen helpen je om hier het maximale uit te halen.

Wachten op uw PCB's

U kunt uw eigen etsen of ze snel laten maken, maar de meesten van ons bestellen bij een bordhuis in China en wachten een paar weken. Nu is het tijd om terug te gaan naar die code. Het zal zichzelf niet opruimen!

Assembleren en debuggen

Haal de soldeerbout of broodrooster eruit. Dan kun je zien of het werkt zoals verwacht. Misschien 2 stappen terug. Misschien niet.

De behuizing en het voorpaneel

Zo ziet uw printplaat er professioneel uit. Nu heeft het een behuizing en een voorpaneel nodig. Misschien ga je iets 3D-printen. Het ziet er goed uit, maar het vertegenwoordigt niet helemaal de finesse van de mooie PCB binnenin. Welnu, hier gaat deze gids echt helpen!

Stap 2: Uw PCB als frontpaneel

Soldeermasker was vroeger gewoon groen. Zeefdruk was eerder functioneel dan decoratief. Een PCB was iets dat verborgen was en alleen geeks zoals wij zouden geïnteresseerd zijn om het te zien. Nou, niet meer!

Bij veel boardhouses kun je nu kiezen uit een breed scala aan kleuren. De zeefdrukkwaliteit is enorm verbeterd. Funky vormen en uitsnijdingen zijn toegestaan. Dus waarom hier niet van profiteren? Als je de print zorgvuldig maakt, kan een boardhouse je frontpanelen voor je maken!

In mijn voorbeeld heb ik alle componenten aan één kant geplaatst en ervoor gezorgd dat de andere kant er goed genoeg uitzag als de voorkant van mijn apparaat. U hoeft dit niet te doen. Misschien wil je de schoonheid en de hersens op aparte borden hebben. Het is aan u.

Ik heb zelfs een aantal PCB's aan elkaar zien solderen om de hele behuizing te vormen, maar dat is ongebruikelijk. Als je denkt dat je het kunt, waarom niet!

Mijn bord is vrij eenvoudig - gewoon een nette witte zeefdruk over een zwart soldeermasker. Het paste bij de look die ik zocht. Door op verschillende manieren zeefdruk, soldeermasker en koper te combineren is een heel scala aan kleuren en tinten mogelijk. Ik laat je over aan Google "PCB-kunst" en bekijk enkele van de geweldige creaties die andere mensen hebben bedacht! Hoe indrukwekkend ze ook zijn, misschien zijn ze niet allemaal geschikt voor een frontpaneel.

Stap 3: Uw PCB als de knoppen

Het is je misschien opgevallen dat de gezeefdrukte cijfers veel op een numeriek toetsenbord lijken en dat is omdat ze dat zijn. Om precies te zijn zijn het capacitieve aanraakknoppen. Als je deze route volgt, wil je waarschijnlijk een microcontroller die capacitieve aanraking ondersteunt, hoewel het mogelijk is om "je eigen" capacitieve aanraakdetectie te "rollen" als je dat echt wilt.

Alle capacitieve aanraakknoppen bestaan uit enkele PCB-sporen die zijn geplaatst om een detecteerbare capaciteit te hebben, hetzij naar aarde (bekend als zelfcapaciteit) of naar een ander spoor (bekend als wederzijdse capaciteit).

Ik begon mijn ontwerp door de CapTIvate-handleiding van TI voor hun MSP430FR2633-apparaat te volgen, maar als je een andere microcontroller gebruikt, is het waarschijnlijk de moeite waard om de handleidingen en referentieontwerpen van de fabrikant te bekijken. Er wordt niet alleen een gids voor de PCB-layout meegeleverd, maar er is zelfs het CapTIvate Design Center dat een sjablooncode genereert die bij uw hardware past.

Je zult merken dat de essentie van de knop slechts twee cirkels van koper zijn die redelijk dicht bij elkaar liggen. Als u uw vinger dichterbij brengt, wordt de capaciteit ertussen kleiner. De MSP430 gebruikt een constante stroombron om deze condensator op te laden en meet hoe snel de spanning erover verandert. De CapTIvate-bibliotheek vereenvoudigt het omzetten hiervan in gedetecteerde druk op de knop.

Ik ontwierp een aangepast onderdeel in Eagle om het toevoegen van twaalf van deze knoppen te vereenvoudigen en zodat ik ze in toekomstige projecten kon gebruiken.

Stap 4: Uw PCB als LED-diffusor

De adelaarsogen onder jullie hebben misschien de kleine ronde vlek opgemerkt waar het zwarte soldeermasker aan beide zijden van de PCB ontbreekt. Zoals bij bijna elk elektronisch ontwerp, had ik wat visuele feedback nodig voor de gebruiker. Ik ging met een RGB-LED en had hier een paar opties voor.

• Ik zou een doorlopende LED kunnen gebruiken en een gat kunnen maken om er doorheen te prikken. Ik weet niet zeker hoe ik het zou aansluiten zonder een andere PCB.
• Ik zou een LED voor opbouwmontage kunnen gebruiken. Dan zou ik wat sporen hebben en een LED die mijn nette voorpaneel verpest.
• Ik zou een reverse-mount LED kunnen gebruiken.

Sommigen van jullie vragen zich misschien af wat een reverse mount LED is. Nou, het is een "omgekeerde" oppervlaktemontage-LED die terug schijnt op de PCB waarop hij is gemonteerd. Wat?! Waarom zou je dat doen? Nou, het haalt het uit de weg aan de andere kant van de PCB. De meeste ontwerpen hebben nog steeds een gat in de PCB waar deze LED doorheen kan schijnen, maar ik besloot om het koper en het soldeermasker te verwijderen en te kijken of het PCB-materiaal doorschijnend genoeg was om de LED door te laten schijnen. Spoiler alert - dat was het! Ik weet zeker dat het een beetje helderder zou zijn met een gat, maar het is gemakkelijk genoeg om zichtbaar te zijn in zonlicht door 1,6 mm FR4. Het is ook mooi verspreid.

Er was wel een aangepast onderdeel voor nodig, Eagle om ervoor te zorgen dat er geen koper of soldeermasker onder zat, maar het enige dat nodig was, waren een paar cirkels op de Restrict- en Keepout-lagen aan beide zijden. U vindt dit aangepaste onderdeel in de bijgevoegde Eagle-bibliotheek.

Stap 5: Uw PCB als antenne

Het gebruik van een PCB-tracering als antenne is niets nieuws. Het NFC Booster-pakket dat ik heb gebruikt, heeft er een. De meeste commerciële NFC-lezers die u zult vinden, gebruiken ze. Een probleem dat ik ontdekte, is dat deze zijn afgestemd op de meest voorkomende NFC-tagformaten - kaarten en keyfobs. Ik ben nerd genoeg om een kleine NFC-tag in mijn hand te laten implanteren. Details zijn hier als je niet preuts bent. Ik heb ook een eerder project gemaakt met een draadgewonden spoel als antenne. Voor dit project wilde ik kijken of het mogelijk was om een PCB-antenne te maken die mooi was afgestemd op een klein geïmplanteerd label.

Ten eerste besloot ik een PCB-spoor te maken dat fysiek kleiner is dan wat je normaal zult zien. De inductantie is belangrijk bij het afstemmen van de antenne, dus ik gebruik een online PCB-inductorcalculator en streefde naar ongeveer 1μH om ongeveer hetzelfde te zijn als de draadgewonden die ik eerder had gebruikt. Ik gebruikte L_Calculate van TI en dit vertelde me dat 7 windingen met een gemiddelde grootte van 9 mm x 6,5 mm met een spoorbreedte van 0,1524 950nH zouden moeten zijn. Goed genoeg.

Toen ik de PCB's terugkreeg, mat deze 0,627μH - met een weerstand van 0,867Ω. Het is tijd om uit te zoeken hoe het bijpassende netwerk eruit moet zien, zodat de TRF7970A 50Ω ziet. Antenne-afstemming is een heel onderwerp op zich, dus daar ga ik nu niet op in, maar als je geïnteresseerd bent, heb ik hier besproken hoe je een antenne kunt afstemmen zonder een dure VNA nodig te hebben.

Het volstaat te zeggen dat uw PCB kan worden gebruikt om een gratis antenne te maken, of het nu een inductieve spoel is voor RFID (niet strikt een antenne) of voor WiFi, ZigBee, Sub-1Ghz, enz. Nogmaals, ik zou willen voorstellen dat als je er een nodig hebt, begin je met ontwerpnotities voor welk apparaat je ook gebruikt. De fabrikant wil dat je hun componenten koopt, dus ze zijn een grote hulp bij het gebruik ervan.

Stap 6: Uw PCB als debug-header

Zodra u een microcontroller aan uw project toevoegt, heeft u de vraag hoe u uw code erop kunt krijgen. Vaak eindigt je mooie onopvallende PCB met een dikke pin-header erop. Vaak zijn dit ook through-hole versies, waardoor je mooie nette print aan beide kanten is aangetast. Het is duidelijk dat ik wilde dat één kant mijn voorpaneel was, door het gat als naar buiten. Op het oppervlak gemonteerde pin-headers kunnen het risico lopen dat uw sporen losraken, vooral als u waarschijnlijk een paar keer verbinding maakt en loskoppelt.

Gelukkig is er een alternatief - pogo-pinnen. Deze veerbelaste pinnen maken een mooi elektrisch contact met je board. Het is misschien niet stil genoeg voor een permanente verbinding, maar het is zeker voor programmeren. Ik heb pogo-pinnen gezien die worden gebruikt met een aangepaste mal voor zowel programmeren als ook voor het testen van een productiebord. Ik heb ze zelfs aan een wasknijper zien hangen voor een zeer zelfgemaakte programmeur-look. Ik heb echter gebruik gemaakt van een commercieel product dat beschikbaar is voor veel microcontrollerfamilies - Tag Connect. Er zijn wel een paar kleine uitlijngaatjes in je bord nodig, dus het is misschien niet perfect als je een waterdicht voorpaneel nodig hebt, maar ik besloot dat het goed zou zijn voor dit project.

Het enige dat nodig is, is een PCB-voetafdruk en je bent klaar! De gaten voldoen ruimschoots aan de eisen van een bordhuis en misschien zelfs thuisetsen.

Stap 7: De afgewerkte PCB

Dus, na het opnemen van al deze PCB-ideeën in één project, is hier het eindresultaat. Hij reageert op de juiste NFC-tag of toegangscode en opent de deur. De deurbediening is gescheiden omdat hierdoor een aantal verschillende deuren op verschillende manieren worden bediend. De deur naar mijn huis zal een elektromagnetische ontgrendeling zijn, net zoals je zou vinden in een flatgebouw met een intercomsysteem.

Ik ben een kitesurfer en bevind me zo vaak in de oceaan en het is altijd lastig om te weten wat je met je sleutels moet doen. Met een NFC-tag in mijn hand heb ik altijd de sleutel bij me! Voor mijn busje wordt het gekoppeld aan het centrale vergrendelingssysteem.

Voor uw eigen deur wilt u misschien een geschikte manier kiezen om deze te openen of te ontgrendelen.

Je vindt alles wat je nodig hebt om dit project te repliceren (of aan te passen) in deze GitHub-repository.https://github.com/FredMurphy/LockNFC

Ik hoop dat je het leuk vond om over dit project te lezen en dat het je heeft geïnspireerd om enkele van de ideeën in je eigen PCB's op te nemen. Als je dat doet, laat het me dan weten in de reacties hieronder. Bekijk ook de inzendingen voor de PCB-wedstrijd en stem op wat u het beste vindt. Ik hoop dat het van mij is, maar ik weet zeker dat er ook veel andere goede inzendingen zijn.

Tweede plaats in de PCB-wedstrijd