[3/3] Do hardware à nuvem: Projetando uma placa de circuito impresso

No artigo anterior , descrevi o teste realizado com o sensor magnético MMC5883MA e expliquei os resultados obtidos medindo o campo magnético com e sem a presença de um veículo. No entanto, antes de testar os outros sensores (como planejei anteriormente), decidi encarar um desafio que todo desenvolvedor de hardware enfrenta em algum momento: projetar e produzir uma placa de circuito impresso (PCB) .

As placas de ensaio são ferramentas fundamentais para a prototipagem de hardware. Elas permitem alterar e testar o projeto do circuito quantas vezes forem necessárias, até se obter a melhor configuração. Apesar disso, esses tipos de circuitos não são destinados ao desenvolvimento de produtos finais. As conexões elétricas fornecidas pelas placas de ensaio são temporárias por natureza, o que significa que são frágeis e pouco confiáveis. Além disso, tendem a ocupar mais espaço do que o necessário.

Ao utilizar PCBs, conseguimos implementar o projeto final de um projeto de hardware com conexões confiáveis ​​e maior robustez, além de reduzir o espaço necessário, permitindo o uso de componentes menores, geralmente com tecnologia de montagem em superfície (SMT) .

Hoje em dia, existe uma grande variedade de softwares para projeto de PCBs . Decidi usar o Eagle , que é um dos mais populares. O protótipo a ser implementado na PCB é baseado no circuito construído no artigo anterior , projetado para testar o sensor magnético MMC5883MA . No entanto, desta vez, utilizei a SODAQ ONE em vez do NodeMCU ESP8266 , com o objetivo de testar facilmente o sensor magnético LSM303AGR , atualmente integrado nesta placa.

Além disso, eu já havia comprado um sensor infravermelho de montagem em superfície, com a IS31SE5000 , que não pude testar antes no protótipo em placa de ensaio devido à sua embalagem. Então, quis aproveitar esse projeto e incluir também o circuito de aplicação típico para esse sensor infravermelho, a fim de poder testar seu comportamento e avaliar sua capacidade de detecção de veículos.

Em resumo, para esta etapa do projeto, meu objetivo era integrar os três sensores mencionados em uma placa de circuito impresso simples e transmitir suas medições via LoRaWAN utilizando o RN2903 , também integrado na placa SODAQ ONE. Além disso, considerei apropriado adicionar um estágio de regulação de energia para controlar a tensão de entrada e proteger os componentes.

Diagrama de blocos

Vale ressaltar que a placa de circuito impresso foi projetada para usar um sensor por vez. Para isso, foi adicionada uma "lógica de seleção de sensor" ao projeto, que consiste em um conector macho de uma única fileira com 6 pinos e dois jumpers, para selecionar as entradas SCL e SDA da porta I2C da placa SODAQ. Além disso, foi adicionado um interruptor DIP para desabilitar a alimentação do sensor não utilizado, a fim de reduzir o consumo de energia. O diagrama de blocos que descreve a composição do circuito é mostrado abaixo.

O estágio de regulação de energia é baseado no regulador de tensão LM317T . O circuito foi construído com a ajuda da folha de dados do LM317 e configurado para fornecer 3,3 V, a tensão necessária para o SODAQ e os sensores.

Águia

O Eagle é um software de Automação de Projeto Eletrônico (EDA), desenvolvido pela Autodesk, que oferece ferramentas úteis e intuitivas para projetar placas de circuito impresso (PCBs). Além disso, possui uma enorme comunidade mundial, o que significa que você pode encontrar facilmente documentação, exemplos e respostas para suas dúvidas.

Um projeto no Eagle pode ser dividido em duas partes principais: o esquema e o layout da placa de circuito impresso (PCB). O esquema é a parte onde os componentes do circuito são selecionados e as conexões entre eles são feitas. O layout da PCB refere-se à distribuição e ao posicionamento físico dos componentes.

Antes de explicar como o esquema e o layout da placa de circuito impresso (PCB) do meu projeto foram feitos, é necessário explicar um dos conceitos mais importantes no projeto com o Eagle: as bibliotecas.

Bibliotecas

Uma biblioteca é a representação completa de um componente eletrônico no Eagle. Ela contém todas as suas informações, desde os nomes dos pinos até as medidas físicas. Se você deseja usar um componente em um projeto do Eagle, é obrigatório ter a biblioteca correspondente. Por padrão, o Eagle inclui uma grande quantidade de bibliotecas dos componentes mais comuns usados ​​em circuitos. No entanto, em algum momento, você pode precisar de um componente que não esteja incluído. Nesse caso, existem duas opções: procurar a biblioteca do componente (há uma grande variedade disponível na internet graças à comunidade do Eagle) ou criá-la você mesmo.

No meu caso, precisei usar três componentes específicos que não estavam incluídos nas bibliotecas do Eagle: os dois sensores e a placa SODAQ ONE. Como minhas pesquisas foram infrutíferas, decidi criá-los por conta própria. Para criar uma biblioteca, basta acessar o Painel de Controle do Eagle, clicar no menu Arquivo Novo " e, por fim, em " Biblioteca ".

Uma nova janela será aberta. Nela, você encontrará quatro campos chamados Dispositivo, Pegada, Pacote 3D e Símbolo. O primeiro passo é criar um " Símbolo ", ou seja, o diagrama simbólico que representará o dispositivo no esquema. Para isso, clique no botão " Adicionar Símbolo... " ou no ícone na parte superior marcado com o " 1 " na imagem abaixo.

Em seguida, é necessário criar uma " Footprint ", que corresponde à representação do dispositivo físico e deve conter as dimensões precisas do componente, bem como a distribuição correta dos pinos. Isso pode ser feito clicando no botão " Adicionar Footprint... " na parte inferior ou no ícone na parte superior marcado como " 2 " na imagem abaixo.

A etapa final é adicionar um " Dispositivo ". Este elemento é uma junção entre o Símbolo e a Pegada, onde deve ser especificado quais partes do Símbolo correspondem a qual parte física do dispositivo. Para fazer isso, clique no botão " Adicionar Dispositivo... " ou no ícone na parte superior marcado com o " 3 ".

A pré-visualização dos resultados é mostrada no painel direito da janela. No meu caso, como a placa SODAQ tinha conectores macho nos pinos para facilitar a montagem em uma placa de ensaio, a criação da biblioteca para o SODAQ ONE foi muito simples, pois precisei adicionar apenas dois conectores fêmea de 12 pinos cada (eu queria que a placa SODAQ fosse removível). Algo semelhante aconteceu com o sensor magnético, já que comprei a placa de avaliação MMC5883MA-B, que também possui conectores macho.

No entanto, o desenvolvimento da biblioteca para o sensor infravermelho foi muito difícil para mim, pois nunca havia trabalhado com componentes de superfície. É um componente muito pequeno e eu precisava ser extremamente preciso com as dimensões e distâncias.

Após algumas horas de trabalho, estas foram as bibliotecas resultantes:

• SODAQ ONE:

• Sensor magnético (placa de avaliação) MMC5883MA-B:

• Sensor infravermelho IS31SE5000:

É importante notar que as bibliotecas criadas pelo usuário podem ser encontradas no menu Bibliotecas/bibliotecas, no painel esquerdo do Painel de Controle do Eagle.

Esquema

Após ter todas as bibliotecas necessárias preparadas, é hora de integrar os componentes em um esquema. Para criar um novo esquema, acesse o Painel de Controle do Eagle e clique no menu " Arquivo ", depois em " Novo " e, em seguida, em " Esquema ".

Na janela do diagrama esquemático, para adicionar um componente, acesse a barra de ferramentas (geralmente à esquerda) e utilize a ferramenta " Adicionar peça ", clicando no ícone marcado com " 1 " na imagem abaixo. Para fazer as conexões entre os pinos dos componentes, utilize a ferramenta " Rede ", clicando no ícone marcado com " 2 ".

Após adicionar todos os componentes do meu projeto e fazer as respectivas conexões, este foi o resultado:

Placa de circuito impresso

Após finalizar o esquema, o próximo passo é criar uma nova " Placa ". Para isso, clique no ícone " Gerar/alternar para placa " na parte superior da janela do esquema (marcado com o quadrado vermelho na imagem abaixo).

Isso abrirá uma nova janela, onde você encontrará todos os componentes usados ​​no esquema, com pequenas linhas conectando-os e representando as ligações feitas no esquema. Você também encontrará um espaço em branco que representa a placa física da PCB. Todos os componentes devem ser organizados e distribuídos da melhor forma possível nesse espaço em branco. Em seguida, as pequenas linhas devem ser convertidas em rotas, que são as conexões físicas entre os componentes na PCB. Para rotear o circuito, é necessário usar a ferramenta " Roteamento Airwire ", que pode ser encontrada no painel esquerdo.

É importante mencionar que o roteamento pode ser feito em uma ou várias camadas. Além disso, existem muitos parâmetros que devem ser levados em consideração nesta etapa do projeto da placa de circuito impresso (PCB). Alguns deles são: a espessura das trilhas, a distância mínima entre componentes, a distância mínima entre trilhas consecutivas, a largura dos furos, etc. Todos esses parâmetros de projeto devem ser suportados pelo fabricante de PCB escolhido. Por último, mas não menos importante, é preciso ter muito cuidado com a camada utilizada.

Após algumas horas de trabalho adicional, alcancei meu objetivo de rotear todos os meus componentes em uma única camada. Como estava trabalhando com um componente superficial, precisei colocá-lo na mesma camada das rotas. Este foi o resultado:

Arquivos Gerber

A etapa final para produzir uma placa de circuito impresso (PCB) é enviar o projeto para fabricação. Embora também seja possível imprimir o circuito por conta própria, neste caso eu queria fazer de forma mais profissional, então procurei fabricantes locais. Para poder enviar o projeto, é necessário gerar os arquivos Gerber do circuito. Para aprender como fazer isso, segui este tutorial. Depois de exportar os arquivos correspondentes, enviei-os para o fabricante.

Alguns dias depois, recebi seis cópias da minha placa de circuito impresso. Devo admitir que fiquei muito animado ao ver que o que eu havia criado estava lentamente ganhando vida. Honestamente, esses avanços são os que mais motivam quando se está desenvolvendo um projeto de hardware do zero.

Eu estava ansioso para comprovar se meu projeto estava correto e se o circuito funcionaria. Então, sem mais delongas, comecei a soldar todos os componentes. Infelizmente, quando estava prestes a soldar o sensor infravermelho (a parte mais difícil), percebi que havia cometido um erro com o footprint: os pinos estavam invertidos. Fiquei preocupado com o meu erro, mas sabia que essa primeira experiência com componentes de superfície me ajudaria muito em projetos futuros. Eis como ficou a placa de circuito impresso depois que terminei de soldar os componentes:

Finalmente, estava pronto para testar o resto do circuito. Então, adicionei uma bateria e liguei meu gateway . Após alguns segundos, recebi os dados das medições do campo magnético na minha conta Ubidots ! Isso significava que o comportamento da placa de circuito impresso era o esperado.

O projeto de PCBs é um vasto mundo onde as técnicas, softwares e ferramentas são aprimorados a cada dia. Neste artigo, tentei descrever o processo básico para levar seu circuito do protótipo à placa de circuito impresso, mas ainda há muito a explorar. Espero que minha experiência possa servir de guia para aqueles que estão começando. No entanto, o mais importante é não desistir ao primeiro erro e nunca parar de explorar e aprimorar suas habilidades para produzir circuitos cada vez melhores.

Fiquem atentos às próximas publicações para saberem o resto do processo!