Verrouillage NFC - Quand un PCB est aussi les boutons, l'antenne et plus : 7 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

Vous pouvez prendre l'une des deux choses de ce Instructable. Vous pouvez suivre et créer votre propre combinaison d'un clavier numérique et d'un lecteur NFC. Le schéma est ici. La disposition du PCB est ici. Vous trouverez une nomenclature pour vous permettre de commander les pièces dont vous avez besoin. J'ai fourni le code pour programmer le microcontrôleur. Il y a tout ce dont vous avez besoin pour copier ou étendre ce projet.

Cependant, je soupçonne que la plupart des lecteurs sont plus susceptibles de s'inspirer de certains aspects de celui-ci. Ce Instructable vous montre que le PCB est plus qu'un simple moyen de câbler les composants ensemble. Ce petit rectangle de fibre de verre et de cuivre a de nombreuses autres utilisations - tout en assumant sa tâche principale de faire des connexions électriques. Je vais d'abord présenter tous ces aspects avant de les rassembler dans un projet achevé. J'espère que vous apprécierez le voyage et que vous déciderez peut-être d'utiliser une ou deux de ces astuces dans votre propre projet !

Étape 1: Le processus

Tant de projets empruntent la même trajectoire sur le chemin du "terminé" et tant de projets trébuchent juste avant le dernier obstacle.

Le Prototype

Il y a d'abord le prototype. Vous avez une idée et du tiroir sort votre carte de développement de microcontrôleur incontournable. Pour beaucoup, ce sera un Arduino, mais je suis le plus heureux autour de la gamme MSP430 de TI de microcontrôleurs 16 bits basse consommation. Quel que soit votre choix, il existe généralement une carte de développement qui vous aide. Cela signifie que vous n'avez pas besoin de commencer par créer votre propre PCB et que vous pouvez tester des théories et des périphériques potentiels. Il y a souvent un Booster Pack / Shield / Hat - ou n'importe quel nom étrange pour une carte fille que le fabricant a proposé. Aucun d'entre eux n'est étranger à une planche à pain ou à un fil égaré.

Vous pouvez voir qu'ici, j'ai utilisé le kit de développement CapTIvate de TI et le pack TRF7970A NFC Booster pour prouver que le concept est susceptible de fonctionner.

Vous créerez également du code de preuve de concept. Cela peut être désordonné. Il peut s'appuyer sur des bibliothèques téléchargées qui vous permettent d'y accéder en partie. Personnellement, j'ai tendance à le laisser un peu imparfait parce que je sais que j'ai ces semaines à attendre pour que les PCB arrivent. Je peux le ranger alors.

La conception

Vient ensuite la conception. Lancez votre logiciel de conception de PCB préféré. Dans mon cas, c'est Eagle. Il faut un temps surprenant pour passer de l'idée à la perfection, et c'est là que se situe notre aventure ! Les étapes à venir vous aideront à en tirer le meilleur parti.

En attente de vos PCB

Vous pouvez graver les vôtres ou les faire fabriquer à la hâte, mais la plupart d'entre nous commanderont auprès d'une maison de planche en Chine et attendrons quelques semaines. Il est maintenant temps de revenir à ce code. Il ne se rangera pas tout seul !

Assemblage et débogage

Sortez le fer à souder ou le grille-pain. Ensuite, vous pouvez voir si cela fonctionne comme prévu. Peut-être revenir 2 étapes en arrière. Peut être pas.

Le boîtier et le panneau avant

Ainsi, votre PCB a l'air professionnel. Maintenant, il a besoin d'un boîtier et d'un panneau avant. Peut-être que vous imprimerez quelque chose en 3D. Cela semble correct, mais cela ne représente pas tout à fait la finesse du joli PCB à l'intérieur. Eh bien, voici où ce guide va vraiment vous aider!

Étape 2: Votre PCB en tant que panneau avant

Soldermask était juste vert. La sérigraphie était fonctionnelle plutôt que décorative. Un PCB était quelque chose qui était caché et seuls les geeks comme nous seraient intéressés à le voir. Eh bien, plus maintenant !

De nombreuses maisons en planches vous permettent désormais de choisir parmi une large gamme de couleurs. La qualité de la sérigraphie s'est beaucoup améliorée. Les formes et les découpes funky sont autorisées. Alors pourquoi ne pas en profiter ? Si vous créez le PCB avec soin, une maison de panneaux peut fabriquer vos panneaux avant pour vous !

Dans mon exemple, j'ai placé tous les composants d'un côté et je me suis assuré que l'autre côté était suffisamment beau pour être l'avant de mon appareil. Vous n'êtes pas obligé de faire ça. Peut-être que vous voulez avoir la beauté et l'intelligence sur des tableaux séparés. C'est à vous.

J'ai même vu un certain nombre de PCB soudés ensemble pour former l'ensemble du boîtier, mais c'est inhabituel. Si vous pensez que vous pouvez le faire, pourquoi pas !

Mon tableau est assez simple - juste une sérigraphie blanche soignée sur un masque de soudure noir. Cela correspondait au look que je recherchais. Il est possible d'obtenir toute une gamme de couleurs et de nuances en combinant de diverses manières la sérigraphie, le masque de soudure et le cuivre. Je vais vous laisser sur Google "PCB art" et voir quelques-unes des créations étonnantes d'autres personnes ! Aussi impressionnants soient-ils, peut-être que tous ne conviennent pas pour un panneau avant.

Étape 3: Votre PCB en tant que boutons

Vous avez peut-être remarqué que les chiffres sérigraphiés ressemblent beaucoup à un pavé numérique et c'est parce qu'ils le sont. Pour être précis, ce sont des boutons tactiles capacitifs. Si vous optez pour cette voie, vous voudrez probablement un microcontrôleur prenant en charge le toucher capacitif, bien qu'il soit possible de "rouler votre propre" détection tactile capacitive si vous le souhaitez vraiment.

Tous les boutons tactiles capacitifs sont constitués de traces de PCB qui sont placées pour avoir une capacité détectable soit à la terre (appelée auto-capacité) soit à une autre trace (appelée capacité mutuelle).

J'ai commencé ma conception en suivant le guide CapTIvate de TI pour leur appareil MSP430FR2633, mais si vous utilisez un autre microcontrôleur, cela vaut probablement la peine de consulter les guides et les conceptions de référence fournis par le fabricant. Non seulement un guide de la disposition des circuits imprimés est fourni, mais il existe même le centre de conception CapTIvate qui générera un code de modèle pour correspondre à votre matériel.

Vous remarquerez que l'essence du bouton n'est que deux cercles de cuivre assez proches l'un de l'autre. Approcher votre doigt réduit la capacité entre eux. Le MSP430 utilise une source de courant constant pour charger ce condensateur et mesure à quelle vitesse la tension à ses bornes change. La bibliothèque CapTIvate simplifie la transformation de cela en pressions de bouton détectées.

J'ai conçu une partie personnalisée dans Eagle pour simplifier l'ajout de douze de ces boutons et pour que je puisse les utiliser sur de futurs projets.

Étape 4: Votre PCB en tant que diffuseur LED

Les yeux d'aigle d'entre vous ont peut-être remarqué le petit patch circulaire où le masque de solde noir manque des deux côtés du PCB. Comme pour presque toutes les conceptions électroniques, j'avais besoin d'un retour visuel pour l'utilisateur. Je suis allé avec une LED RVB et j'avais quelques options pour cela.

• Je pourrais utiliser une LED à trou traversant et découper un trou pour qu'elle puisse passer à travers. Je ne sais pas comment je le connecterais sans un autre PCB.
• Je pourrais utiliser une LED à montage en surface. Ensuite, j'aurais des traces et une LED qui gâcherait mon joli panneau avant.
• Je pourrais utiliser une LED à montage inversé.

Certains d'entre vous se demandent peut-être ce qu'est une LED à montage inversé. Eh bien, c'est une LED à montage en surface "à l'envers" qui brille sur le PCB sur lequel elle est montée. Quoi?! Pourquoi ferais-tu ça? Eh bien, il l'écarte de l'autre côté du PCB. La plupart des conceptions auront toujours un trou dans le PCB pour que cette LED brille, mais j'ai décidé de retirer le cuivre et le masque de soudure et de voir si le matériau du PCB était suffisamment translucide pour que la LED brille à travers. Alerte spoiler - c'était le cas ! Je suis sûr que ce serait un peu plus lumineux avec un trou à la place, mais il est assez facilement visible au soleil à travers 1,6 mm de FR4. C'est bien diffusé aussi.

Il avait besoin d'une pièce personnalisée conçue par Eagle pour s'assurer qu'il n'y avait pas de cuivre ou de masque de soudure en dessous, mais tout cela a pris quelques cercles sur les couches Restrict et Keepout des deux côtés. Vous trouverez cette pièce personnalisée dans la bibliothèque Eagle ci-jointe.

Étape 5: Votre PCB en tant qu'antenne

L'utilisation d'une trace PCB comme antenne n'a rien de nouveau. Le pack NFC Booster que j'ai utilisé en a un. La plupart des lecteurs NFC commerciaux que vous trouverez les utilisent. Un problème que j'ai trouvé est que ceux-ci sont réglés pour s'adapter aux formats de balises NFC les plus courants - cartes et télécommandes. Je suis assez geek pour avoir une petite étiquette NFC implantée dans ma main. Les détails sont ici si vous n'êtes pas dégoûté. J'ai également réalisé un projet précédent en utilisant un inducteur enroulé comme antenne. Pour ce projet, je voulais voir s'il était possible de créer une antenne PCB qui corresponde bien à une minuscule étiquette implantée.

Tout d'abord, j'ai décidé de créer une trace de PCB physiquement plus petite que celles que vous verrez normalement. L'inductance est importante lors du réglage de l'antenne, j'utilise donc un calculateur d'inductance PCB en ligne et vise environ 1μH pour être à peu près le même que celui enroulé que j'avais utilisé auparavant. J'ai utilisé L_Calculate de TI et cela m'a dit que 7 tours d'une taille moyenne de 9 mm x 6,5 mm avec une largeur de trace de 0,1524 devraient être de 950 nH. Assez proche.

Lorsque j'ai récupéré les PCB, ils mesuraient 0,627μH - avec une résistance de 0,867Ω. Il est temps de déterminer à quoi devrait ressembler le réseau correspondant pour que le TRF7970A voie 50Ω. La correspondance d'antenne est un sujet à part entière, donc je ne m'étendrai pas là-dessus maintenant, mais si cela vous intéresse, j'ai expliqué comment régler une antenne sans avoir besoin d'un VNA coûteux ici.

Qu'il suffise de dire que votre PCB peut être utilisé pour créer une antenne à coût zéro que ce soit une bobine inductive pour RFID (pas strictement une antenne) ou pour WiFi, ZigBee, Sub-1Ghz, etc. Encore une fois, je suggère que si vous en avez besoin, vous commencez à partir des notes de conception pour l'appareil que vous utilisez. Le fabricant souhaite que vous achetiez ses composants, ils sont donc d'une grande aide pour les utiliser.

Étape 6: Votre PCB en tant qu'en-tête de débogage

Dès que vous ajoutez un microcontrôleur à votre projet, vous avez le problème de savoir comment y intégrer votre code. Souvent, votre joli circuit imprimé à profil bas se retrouve avec un gros en-tête de broche dessus. Ce sont souvent des versions à trous traversants, de sorte que votre joli PCB soigné a été affecté des deux côtés. Évidemment, comme je voulais qu'un côté soit mon panneau avant, à travers le trou comme à l'extérieur. Les en-têtes de broches à montage en surface peuvent risquer d'écailler vos traces - surtout si vous êtes susceptible de vous connecter et de vous déconnecter plusieurs fois.

Heureusement, il existe une alternative - les épingles pogo. Ces broches à ressort font un bon contact électrique avec votre carte. Ce n'est peut-être pas assez silencieux pour une connexion permanente, mais c'est certainement pour la programmation. J'ai vu des broches pogo utilisées avec un gabarit personnalisé à la fois pour la programmation et pour tester une carte de production. Je les ai même vues collées sur une pince à linge pour un look de programmeur très fait maison. Cependant, j'ai utilisé un produit commercial disponible pour de nombreuses familles de microcontrôleurs - Tag Connect. Cela nécessite quelques petits trous d'alignement dans votre carte, donc ce n'est peut-être pas parfait si vous avez besoin d'un panneau avant étanche, mais j'ai décidé que ce serait bien pour ce projet.

Tout ce qu'il vous faut, c'est une empreinte PCB et le tour est joué ! Les trous sont bien dans les exigences d'une maison en planches et peut-être même d'une gravure à la maison.

Étape 7: Le PCB fini

Donc, après avoir intégré toutes ces idées de PCB dans un seul projet, voici le résultat final. Il répond à la bonne étiquette NFC ou au code d'entrée et ouvre la porte. Le fonctionnement de la porte est séparé car il actionnera deux ou trois portes différentes de différentes manières. La porte de ma maison sera un déclencheur électromagnétique, un peu comme dans un immeuble avec un système d'interphone.

Je suis un kitesurfeur, je me retrouve donc souvent dans l'océan et c'est toujours difficile de savoir quoi faire avec ses clés. Avec un tag NFC en main j'ai toujours la clé avec moi ! Pour ma camionnette, il se connectera au système de verrouillage centralisé.

Pour votre propre porte, vous voudrez peut-être choisir une manière appropriée de l'ouvrir ou de la déverrouiller.

Vous trouverez tout ce dont vous avez besoin pour répliquer (ou adapter) ce projet dans ce référentiel GitHub.https://github.com/FredMurphy/LockNFC

J'espère que vous avez apprécié la lecture de ce projet et qu'il vous a inspiré à intégrer certaines des idées dans vos propres PCB. Si vous le faites, faites-le moi savoir dans les commentaires ci-dessous. Jetez également un œil aux candidatures au concours PCB et votez pour celui que vous pensez être le meilleur. J'espère que ce sera le mien, mais je suis sûr qu'il y a aussi beaucoup d'autres bonnes entrées là-bas.

Finaliste du concours PCB