NFC -lås - När ett kretskort också är knapparna, antennen och mer : 7 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:45

Du kan ta en av två saker från denna instruerbara. Du kan följa med och skapa din egen kombination av ett numeriskt tangentbord och en NFC -läsare. Schemat är här. PCB -layouten är här. Du hittar en faktura för att beställa de delar du behöver. Jag har angett koden för programmering av mikrokontrollern. Det finns allt du behöver för att kopiera eller förlänga detta projekt.

Jag misstänker dock att de flesta läsare är mer benägna att bara ta inspiration från vissa aspekter av det. Denna instruktionsbok visar dig att kretskortet är mer än bara ett sätt att koppla ihop komponenterna. Den lilla rektangeln av glasfiber och koppar har många andra användningsområden - medan den fortfarande tar på sig sitt huvudsakliga jobb med att göra elektriska anslutningar. Jag ska presentera alla dessa aspekter först innan jag tar ihop dem till ett färdigt projekt. Jag hoppas att du gillar resan och kanske bestämmer dig för att använda ett eller två av dessa knep i ett eget projekt!

Steg 1: Processen

Så många projekt tar samma bana på vägen till "färdig" och så många snubblar precis före det sista hindret.

Prototypen

Först är det prototypen. Du har en idé och ur lådan kommer din gå till mikrokontroller utvecklingskort. För många kommer detta att vara en Arduino, men jag är lyckligast kring TI: s MSP430-serie med 16-bitars lågeffektsmikrokontroller. Oavsett vad du väljer, det finns vanligtvis en utvecklingstavla som hjälper. Det betyder att du inte behöver börja med att göra ditt eget PCB och att du kan testa teorier och potentiella kringutrustning. Det finns ofta ett Booster Pack / Shield / Hat - eller vilket konstigt namn som helst för en dotterbräda som tillverkaren har kommit på. Ingen av dem är främmande för en brödbräda eller lösa tråd.

Du kan se att här har jag använt TI: s CapTIvate -utvecklingssats och TRF7970A NFC Booster -paket för att bevisa att konceptet sannolikt kommer att fungera.

Du kommer att slå upp några bevis på konceptkoden också. Det kan vara rörigt. Det kan förlita sig på nedladdade bibliotek som tar dig en bit dit. Personligen tenderar jag att lämna det lite ofullkomligt eftersom jag vet att jag har dessa veckor framför mig som väntar på att PCB: erna ska komma. Jag kan städa upp det då.

Designen

Därefter kommer designen. Starta din favorit PCB -designprogramvara. I mitt fall är det Eagle. Det tar förvånansvärt mycket tid att gå från idé till perfektion, och här ligger vårt äventyr! De kommande stegen hjälper dig att få ut det mesta av detta.

Väntar på dina kretskort

Du kan etsa dina egna eller få dem gjorda bråttom, men de flesta av oss kommer att beställa från ett styrelsehus i Kina och vänta några veckor. Nu är det dags att återgå till den koden. Det kommer inte städa sig själv!

Montering och felsökning

Ta ut lödkolven eller brödrostugnen. Då kan du se om det fungerar som förväntat. Kanske gå två steg tillbaka. Kanske inte.

Skåp och frontpanel

Så ditt kretskort ser professionellt ut. Nu behöver den ett hölje och frontpanel. Kanske kommer du att skriva ut något i 3D. Det ser OK ut, men det representerar inte riktigt finessen hos det härliga kretskortet inuti. Tja, det är här den här guiden verkligen kommer att hjälpa!

Steg 2: Din kretskort som frontpanelen

Lödmask var förr bara grön. Silk screen var funktionell snarare än dekorativ. Ett kretskort var något som var dolt bort och bara nördar som vi skulle vara intresserade av att se det. Tja, inte längre!

Många styrelsehus låter dig nu välja bland ett brett utbud av färger. Sidenskärmskvaliteten har förbättrats mycket. Funkiga former och utskärningar är tillåtna. Så varför inte dra nytta av detta? Om du skapar kretskortet noggrant kan ett styrelsehus göra dina frontpaneler åt dig!

I mitt exempel har jag placerat alla komponenter på ena sidan och sett till att den andra sidan såg tillräckligt bra ut för att vara framsidan av min enhet. Du behöver inte göra det här. Kanske vill du ha skönheten och hjärnorna på separata brädor. Det är upp till dig.

Jag har till och med sett ett antal kretskort som lödts ihop för att bilda hela höljet, men det är ovanligt. Om du tror att du kan göra det - varför inte!

Mitt bräde är ganska enkelt - bara en snygg vit silkesduk över en svart lödmask. Det passade utseendet jag var ute efter. Det är möjligt att få ganska många färger och nyanser genom att kombinera silkscreen, lödmask och koppar på olika sätt. Jag lämnar dig till Google "PCB art" och ser några av de fantastiska skapelser som andra människor har kommit på! Imponerande trots att de är, kanske inte alla är lämpliga för en frontpanel.

Steg 3: Ditt kretskort som knapparna

Du kanske har lagt märke till att de silkscreenade siffrorna liknar en numerisk knappsats och det är för att de är det. För att vara exakt är de kapacitiva touchknappar. Om du går den här vägen kommer du förmodligen att vilja ha en mikrokontroller som stöder kapacitiv beröring även om det är möjligt att "rulla din egen" kapacitiva beröringsavkänning om du verkligen vill.

Alla kapacitiva touchknappar består av några PCB-spår som är placerade för att ha en detekterbar kapacitans antingen till jord (känd som självkapacitans) eller till ett annat spår (känt som ömsesidig kapacitans).

Jag började min design med att följa TI: s CapTIvate -guide för deras MSP430FR2633 -enhet, men om du använder en annan mikrokontroller är det förmodligen värt att titta på guiderna och referensdesignerna från tillverkaren. Det finns inte bara en guide till PCB -layouten, det finns till och med CapTIvate Design Center som kommer att generera en mallkod som matchar din maskinvara.

Du kommer att märka att essensen av knappen bara är två cirklar av koppar ganska nära varandra. Att föra fingret nära minskar kapacitansen mellan dem. MSP430 använder en konstant strömkälla för att ladda denna kondensator och mäter hur snabbt spänningen över den ändras. CapTIvate -biblioteket förenklar förvandlingen till detekterade knapptryckningar.

Jag konstruerade en anpassad del i Eagle för att förenkla att lägga till tolv av dessa knappar och så att jag kunde använda dem på framtida projekt.

Steg 4: Din kretskort som en LED -diffusor

De örnögda bland dig kanske har lagt märke till den lilla cirkulära lappen där den svarta lödmasken saknas på båda sidor av kretskortet. Som med nästan vilken elektronisk design som helst behövde jag lite visuell feedback för användaren. Jag gick med en RGB LED och hade några alternativ för detta.

• Jag kan använda en genomgående hål-LED och klippa ett hål för att den ska sticka igenom. Jag är inte säker på hur jag skulle ansluta det utan ett annat kretskort.
• Jag kan använda en ytmonterad LED. Då skulle jag ha några spår och en LED som förstör min snygga frontpanel.
• Jag kan använda en omvänd monterad LED.

Några av er kanske undrar vad en omvänd monterad LED är. Det är väl en "upp och ner" ytmonterad LED som lyser tillbaka på kretskortet den är monterad på. Vad?! Varför skulle du göra det? Tja, det tar det ur vägen på andra sidan av kretskortet. De flesta mönster kommer fortfarande att ha ett hål i kretskortet för att denna LED ska lysa igenom, men jag bestämde mig bara för att ta bort koppar och lödmask och se om PCB -materialet var tillräckligt genomskinligt för att lysdioden skulle lysa igenom. Spoiler alert - det var det! Jag är säker på att det skulle vara lite ljusare med ett hål istället, men det är lätt nog att vara synligt i solljus genom 1,6 mm FR4. Det är fint spritt också.

Det behövdes en anpassad del som designade den Eagle för att säkerställa att det inte fanns någon koppar- eller lödmask under den, men allt detta tog var ett par cirklar på Restrict och Keepout -lagren på båda sidor. Du hittar den här anpassade delen i det bifogade Eagle -biblioteket.

Steg 5: Din kretskort som antenn

Att använda ett kretskort som antenn är inget nytt. NFC Booster -paketet jag använde har ett. De flesta kommersiella NFC -läsare du hittar använder dem. En fråga jag hittade är att dessa är inställda för att passa de vanligaste NFC -taggformaten - kort och fjärrkontroller. Jag är nördig nog att ha en liten NFC -tagg inplanterad i min hand. Detaljer finns här om du inte är tjatig. Jag har också gjort ett tidigare projekt med en trådlindad induktor som antenn. För det här projektet ville jag se om det var möjligt att skapa en PCB -antenn som passade fint till en liten implanterad tagg.

Först bestämde jag mig för att skapa ett PCB -spår som är fysiskt mindre än de du normalt ser. Induktansen är viktig när du ställer in antennen så jag använder en online PCB -induktorkalkylator och syftar till att ungefär 1μH ska vara ungefär samma som den trådlindade jag hade använt tidigare. Jag använde TI: s L_Calculate och detta berättade att 7 varv vid en genomsnittlig storlek på 9 mm x 6,5 mm med en spårbredd på 0,1524 bör vara 950nH. Nära nog.

När jag fick tillbaka kretskorten mätte den 0,627μH - med ett motstånd på 0,867Ω. Det är dags att räkna ut hur det matchande nätverket ska se ut så att TRF7970A ser 50Ω. Antennmatchning är ett helt ämne för sig, så jag tänker inte gå in på det nu, men om du är intresserad täckte jag hur jag ställer in en antenn utan att behöva ett dyrt VNA här.

Det räcker med att säga att ditt kretskort kan användas för att skapa en kostnadsfri antenn oavsett om det är en induktiv spole för RFID (inte enbart en antenn) eller för WiFi, ZigBee, Sub-1Ghz, etc. Återigen skulle jag föreslå att om du behöver en utgår du från designanteckningar för vilken enhet du än använder. Tillverkaren vill att du köper deras komponenter så de är till stor hjälp när det gäller att använda dem.

Steg 6: Ditt kretskort som ett felsökningsrubrik

Så snart du lägger till en mikrokontroller till ditt projekt har du frågan om hur du får din kod till den. Ofta hamnar din snygga lågprofil -kretskort med en tjock stifthuvud på den. Ofta är dessa också genomgående hålversioner, så din vackra snygga kretskort har påverkats på båda sidor. Uppenbarligen som jag ville att ena sidan skulle vara min frontpanel, genom hålet som ut. Ytmonterade stifthuvuden kan riskera att skala upp dina spår - särskilt om du sannolikt kommer att ansluta och koppla bort några gånger.

Lyckligtvis finns det ett alternativ - pogo pins. Dessa fjäderbelastade stift gör en fin elektrisk kontakt med ditt bräde. Det kanske inte är tillräckligt tyst för en permanent anslutning men det är verkligen för programmering. Jag har sett pogo -pins som används med en anpassad jigg för både programmering och även för att testa en produktionskort. Jag har till och med sett dem fastna på en klädpinne för en mycket hemgjord programmerarlook. Jag använde dock en kommersiell produkt som är tillgänglig för många mikrokontrollerfamiljer - Tag Connect. Det kräver några små inriktningshål i din bräda så det kanske inte är perfekt om du behöver en vattentät frontpanel men jag bestämde mig för att det skulle vara bra för det här projektet.

Allt som krävs är ett PCB -fotavtryck och du är klar! Hålen ligger väl inom kravet på ett styrelsehus och kanske till och med hemetsning.

Steg 7: Det färdiga kretskortet

Så, efter att ha integrerat alla dessa PCB -idéer i ett projekt - här är det slutliga resultatet. Den svarar antingen på rätt NFC -tagg eller inmatningskod och öppnar dörren. Dörrhandhavandet är separat eftersom detta kommer att styra ett par olika dörrar på ett par olika sätt. Dörren till mitt hus kommer att vara en elektromagnetisk utlösning, ungefär som du skulle hitta på ett flerfamiljshus med ett porttelefonsystem.

Jag är en kitesurfer så ofta befinner mig i havet och det är alltid knepigt att veta vad jag ska göra med dina nycklar. Med en NFC -tagg i handen har jag alltid nyckeln med mig! För min skåpbil kommer den att länka upp till centrallåset.

För din egen dörr kanske du vill välja ett lämpligt sätt att öppna eller låsa upp den.

Du hittar allt du behöver för att replikera (eller anpassa) detta projekt i detta GitHub -arkiv.

Jag hoppas att du har tyckt om att läsa om det här projektet och att det har inspirerat dig att införliva några av idéerna i dina egna kretskort. Om du gör det, låt mig veta i kommentarerna nedan. Ta också en titt på bidragen i PCB -tävlingen och rösta på det du tycker är bäst. Jag hoppas att det blir mitt, men jag är säker på att det finns många andra bra inlägg där också.

Tvåa i PCB -tävlingen