Stargate สำหรับเดสก์ท็อปของคุณ - การออกแบบ PCB: 6 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:04

โครงการฟิวชั่น 360 »

หากคุณชอบโปรเจกต์นี้ โปรดพิจารณาโหวตใน PCB Contest (ที่ด้านล่างของหน้า)

Stargate SG-1 เป็นรายการทีวีที่ฉันโปรดปรานที่สุดตลอดกาล ในช่วงสองสามเดือนที่ผ่านมา ฉันบังคับแฟนให้ดูซีรีส์ทั้งหมด เราอยู่ประมาณซีซัน 4 เมื่อฉันเห็นว่า Instructables กำลังจัดการประกวด PCB และดูเหมือนว่าเป็นโอกาสที่ดีในการออกแบบ Stargate ของฉันเองที่ฉันสามารถวางไว้บนโต๊ะทำงานของฉันได้

โครงการนี้เป็นสิ่งที่ฉันคิดขึ้นมา เป็น PCB Stargate ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 4 นิ้วพร้อม DHD (นั่นคือ Dial-Home Device สำหรับคนธรรมดา) ที่วางอยู่บนโต๊ะทำงานของคุณและสว่างขึ้น! แตะทัชแพดแบบ capacitive บน DHD และบั้งแต่ละตัวจะสว่างขึ้นตามลำดับ ไปที่บั้งที่ 7 และรูหนอนก็สว่างขึ้น!

PCB ได้รับการออกแบบให้เป็นชิ้นเดียวและแยกออกจากกัน DHD อยู่ตรงกลาง และมุมด้านนอกรองรับ Stargate และ DHD ใช้แบตเตอรี่ AA สองก้อน และที่ใส่แบตเตอรี่ทำหน้าที่เป็นฐานของ DHD

ลอจิกมีให้โดย ATtiny85 ซึ่งเปิดไฟ LED ผ่านการลงทะเบียนกะ 74HC595 อ่านต่อไปเพื่อดูว่าฉันออกแบบมันอย่างไร และสำหรับคำแนะนำในการประกอบมัน!

ขั้นตอนที่ 1: การสร้างต้นแบบ

ถ้าเป็นไปได้ คุณต้องการสร้างต้นแบบการออกแบบ PCB ของคุณบนเขียงหั่นขนมก่อนที่จะประดิษฐ์อะไรขึ้นมาจริงๆ ทุกวันนี้ การทำ PCB ที่มีราคาไม่แพงมาก แต่คุณก็ยังไม่อยากเสียเวลาหรือเงินไปเปล่าๆ

ในกรณีของฉัน ฉันไม่เคยทำงานกับ shift register มาก่อน ดังนั้นนั่นคือสิ่งที่ฉันต้องมีสมาธิกับการทดสอบ ฉันอาศัยบทช่วยสอนที่สอนได้นี้อย่างมากเพื่อเรียนรู้วิธีการทำงาน:

ฉันทำผิดพลาดในการสั่งซื้อ PCB ก่อนทำการทดสอบอย่างละเอียด การออกแบบดั้งเดิมของฉันใช้ไฟ LED WS2812B ที่ระบุแยกกันได้ สิ่งเหล่านี้ไม่ได้ผลดีนักด้วยเหตุผลสองสามประการ และฉันเสียเวลาและเงินไปมาก การออกแบบใหม่นั้นเรียบง่ายและราคาไม่แพง

ในการสร้างต้นแบบการออกแบบ shift register ของฉันสำหรับการแก้ไข PCB ครั้งที่สอง ฉันนำทุกอย่างออกมาบนเขียงหั่นขนม ATtiny85, shift register, ตัวต้านทานและไฟ LED ทั้งหมดอยู่ที่นั่น นอกจากนี้ยังมีส่วนที่สองสำหรับการเขียนโปรแกรม ATtiny85 ผ่าน Arduino (Google วิธีทำเช่นนั้นมีแบบฝึกหัดมากมาย)

รายการชิ้นส่วนทั้งหมดสำหรับโครงการนี้:

• 1x ATtiny85-20PU
• 1x 74HC595 Shift Register
• 7x ไฟ LED สีแดง 3 มม.
• 1x LED สีน้ำเงิน 3 มม
• ตัวต้านทาน 2x 120ohm
• 1x 1P2T สวิตช์ SPDT
• 1x ที่ยึดแบตเตอรี่

สิ่งที่แนบมาคือรหัส ATtiny85 (แฟลชโดยใช้ Arduino) หลังจากทดสอบแล้ว ฉันก็เปลี่ยนไปใช้การออกแบบ PCB

ขั้นตอนที่ 2: การออกแบบ PCB

หากคุณต้องการสร้าง PCB โดยใช้การออกแบบของฉัน คุณสามารถใช้โฟลเดอร์ StargatePlots.zip ที่แนบมาได้ มันมีไฟล์ Gerber เพื่อสร้างสิ่งเหล่านี้

การออกแบบทางกายภาพของ PCB นั้นสำคัญมากสำหรับผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากมันแยกออกจากกันและมีการใช้ชิ้นส่วนของ PCB เป็นตัวรองรับ ด้วยเหตุผลนั้น ฉันจึงเริ่มต้นใน CAD ฉันใช้ Autodesk Fusion 360 เพื่อออกแบบ PCB รวมถึงแท็บต่างๆ

โครงร่าง PCB ใน Fusion 360

เมื่อคุณออกแบบ PCB ใน CAD แล้ว คุณต้องมีวิธีนำสิ่งนั้นมาไว้ในซอฟต์แวร์การออกแบบ PCB ของคุณเพื่อเพิ่มการตัดขอบ สิ่งที่คุณต้องทำใน Fusion 360 คือสร้างภาพสเก็ตช์ใหม่บนพื้นผิวของชิ้นส่วน และฉายขอบทั้งหมด จากนั้นเพียงแค่บันทึกภาพร่าง ในพื้นที่เบราว์เซอร์คอมโพเนนต์ (ทางด้านซ้ายของหน้าต่าง) ให้เลือกภาพร่างใหม่และส่งออกเป็น DXF เก็บไว้ดูทีหลัง

KiCAD Schematic

ฉันออกแบบ PCB จริงใน KiCAD ฉันจะใช้ Autodesk Eagle แต่ฉันกำลังตัดมันให้ใกล้ถึงเส้นตายการแข่งขันและไม่มีเวลาเรียนรู้วิธีใช้ Eagle ใน KiCAD ขั้นตอนแรกคือการสร้างแผนผัง PCB ของคุณ แผนผังคือแผนภาพบล็อกแบบง่ายสำหรับการออกแบบของคุณ และจุดประสงค์หลักคือการบอก KiCAD ว่าหมุดของส่วนประกอบใดบ้างที่เชื่อมต่อเข้าด้วยกัน

ส่วนประกอบที่กำหนดเอง

KiCAD มีส่วนประกอบเกือบทั้งหมดที่ฉันใช้อยู่ในตัว ดังนั้นฉันจึงเพิ่มส่วนประกอบและเชื่อมต่อหมุด ข้อยกเว้นใหญ่คือทัชแพดแบบ capacitive ซึ่งกำหนดเองได้อย่างสมบูรณ์ นอกจากนี้ ฉันต้องสร้างรอยเท้า PCB ใหม่

ขั้นแรก ฉันวาดรูปร่างของทัชแพดใน InkScape จากนั้นฉันก็ใช้ตัวแปลงบิตแมปของ KiCAD เพื่อเปลี่ยนเป็นรอยเท้าสำหรับองค์ประกอบใหม่ ที่ถูกเพิ่มเข้าไปในแผนผังของฉันแล้ว

KiCAD PCB

เมื่อคุณสร้างแผนผังเสร็จแล้ว คุณสามารถสร้างเค้าโครง PCB จริงได้ KiCAD จะทิ้งรอยเท้าทั้งหมดไว้บนแผ่นงาน และขึ้นอยู่กับคุณที่จะวางตำแหน่ง ก่อนอื่น คุณต้องการนำเข้า DXF ของเค้าร่าง PCB ของคุณ

สลับไปที่เลเยอร์ Edge Cuts แล้วเลือกนำเข้า DXF เลือกร่าง DXF แล้ววางลงบนแผ่นงาน จากนั้นคุณสามารถวางตำแหน่งรอยเท้าของคุณได้ตามความจำเป็น ขั้นตอนเหล่านี้ครอบคลุมอย่างดีในคำแนะนำโดยละเอียดเกี่ยวกับ KiCAD สุดท้ายให้เติมทองแดงบางส่วนเติมด้วยพื้นที่กันไม่ให้ออกจากพิลึก

ซิลค์สกรีนแบบกำหนดเอง

ไม่มี Stargate ใดที่สมบูรณ์แบบหากไม่มีร่ายมนตร์ ซึ่งหมายความว่าจำเป็นต้องมีซิลค์สกรีนแบบกำหนดเอง ฉันเริ่มต้นด้วยการค้นหาภาพประกอบบน Google ของ Stargate ที่แสดงร่ายมนตร์อย่างชัดเจน จากนั้นฉันใช้ GIMP เพื่อลบภาพทั้งหมดยกเว้นร่ายมนตร์และทำให้เป็นขาวดำ ฉันนำสิ่งนั้นไปไว้ใน InkScape แล้วแปลงเป็นภาพเวกเตอร์ และปรับขนาดให้เป็นขนาดที่เหมาะสม

จากนั้น กระบวนการก็คล้ายกับการสร้างรอยเท้าแบบกำหนดเอง แต่แทนที่จะใช้รูปภาพเป็นรอยเท้า ฉันใช้มันสำหรับเลเยอร์ซิลค์สกรีน จากนั้นฉันก็ย้ายไปยัง PCB และวางตำแหน่ง กระบวนการนั้นซ้ำแล้วซ้ำอีกสำหรับร่ายมนตร์ DHD

ขั้นตอนที่ 3: รับ PCB ของคุณประดิษฐ์

มีบริการประดิษฐ์มากมายที่คุณสามารถใช้เพื่อผลิต PCB ของคุณได้ OSH Park เป็นตัวเลือกยอดนิยมที่ใช้งานง่ายมากและมีคุณภาพดี แต่ราคาก็ค่อนข้างแพง - PCB ก็มีสีม่วงเช่นกัน

สำหรับโครงการนี้ ฉันใช้บริการ Seeed Studio Fusion PCB มันมีราคาที่ถูกกว่าอย่างเห็นได้ชัด คุณภาพก็ยอดเยี่ยมเช่นกัน และพวกมันให้การปรับแต่งที่มากกว่านั้นอีกมาก ตัวอย่างเช่น ฉันสามารถทำสิ่งเหล่านี้เป็นสีดำได้ และมีตัวเลือกสีให้เลือกหลายแบบ

คุณมีทางเลือกในการจัดส่งสองสามทาง แต่ฉันเลือก DHL ฉันสั่งซื้อสินค้าเมื่อวันที่ 11 มกราคม และได้รับบอร์ดของฉันในวันที่ 22 มกราคม ค่าใช้จ่ายทั้งหมดรวมค่าขนส่งอยู่ที่ 51.94 ดอลลาร์สำหรับบอร์ด 101.6 x 101.6 มม. จำนวน 10 ชิ้น ถ้าฉันสั่งกระดานด้วยสีเขียวเริ่มต้น พวกมันจะถูกกว่า แต่ 5.20 ดอลลาร์ต่อบอร์ดนั้นค่อนข้างสมเหตุสมผลเมื่อพิจารณาจากขนาดที่ใหญ่

จากทั้งหมดที่กล่าวมา คุณสามารถใช้บริการใดก็ได้ที่คุณต้องการ ตัวเลือกยอดนิยมอื่นๆ ได้แก่ JLCPCB และ PCBWay สิ่งที่คุณต้องทำคือพล็อตไฟล์ Gerber จาก KiCAD หรือ Eagle เพื่ออัปโหลดการออกแบบของคุณไปยังบริการเหล่านี้ หากคุณใช้ OSH Park คุณสามารถอัปโหลดโครงการ KiCAD ของคุณได้โดยตรง

ขั้นตอนที่ 4: ประกอบบอร์ด

หากคุณออกแบบบอร์ดของคุณเอง คุณควรทราบวิธีการประกอบ แต่ถ้าคุณใช้การออกแบบ PCB ของฉัน นี่คือวิธีรวมเข้าด้วยกัน:

ส่วนประกอบทั้งหมดเป็นรูทะลุและติดฉลากบนบอร์ด ดังนั้นการประกอบควรง่าย ส่วนประกอบแต่ละชิ้นถูกวางไว้ที่ด้านข้างของบอร์ดพร้อมฉลาก ตำแหน่ง ATtiny85 และ 74HC595 ต่างก็ถูกทำเครื่องหมายว่าควรวางตำแหน่งอย่างไร ชิปมีจุดทำเครื่องหมาย Pin 1 ซึ่งอยู่ถัดจากรอยบากในโครงร่างชิปบนกระดาน

LED มีขั้ว ดังนั้นคุณต้องระวังเมื่อใส่เข้าไป ขั้วลบ (ขาสั้น) ของ LED จะผ่านรูสี่เหลี่ยม และขั้วบวกบวก (ขายาว) จะผ่านรูกลม ขั้นแรกให้ประสานไฟ LED สีแดงเจ็ดดวงสำหรับบั้งแล้วพลิกกระดาน

ไฟ LED สีฟ้าจะต้องโค้งงอเป็นมุม 90 องศาโดยชี้ลงสู่ศูนย์กลางของสตาร์เกท ใส่เพียงครึ่งทางแล้วงอลงก่อนบัดกรี

ถัดมาเป็นสาย DHD ประสานด้านหนึ่งของลวดแต่ละเส้นเข้ากับส่วน DHD ของ PCB จากนั้นประสานปลายอีกด้านเข้ากับส่วน Stargate ไม่สำคัญว่าสายใดจะเข้าไปในรูใด ทัชแพดแบบ capacitive จะไม่มีขั้ว

สุดท้ายประสานสายแบตเตอรี่ หากคุณมีการแก้ไขครั้งแรกของกระดาน จะมีการทำเครื่องหมายที่ไม่เหมาะสมและระบุว่าช่องด้านล่างคือ "+" สำหรับค่าบวก นั่นเป็นความผิดพลาดในส่วนของฉัน รูด้านล่าง (ด้านนอก) เป็นลบ ดังนั้นให้บัดกรีสายแบตเตอรี่บวกเข้ากับรูด้านบน (ด้านใน) และลวดลบเข้ากับรูด้านล่าง (ด้านนอก)

ขั้นตอนที่ 5: 3D พิมพ์ชิ้นส่วนของคุณ

โปรเจ็กต์นี้มีชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิติทั้งหมดเก้าชิ้น: บั้งบั้งเจ็ดอัน และชิ้นส่วนด้านหน้าและด้านหลังของดิฟฟิวเซอร์ LED รูหนอน

บั้งนั้นตรงไปตรงมาและติดกาวร้อนเหนือไฟ LED บั้งเพื่อสไตล์ที่พิเศษ ควรพิมพ์ด้วยสีดำหรือสีเทา

ตัวกระจายแสง LED แบบรูหนอนแบ่งออกเป็นสองส่วนเพื่อให้พิมพ์ได้ง่ายขึ้น และมีประสิทธิภาพมากขึ้น ส่วนด้านหน้าพิมพ์ด้วยเส้นใยโปร่งแสงเพื่อให้แสงส่องผ่าน ส่วนด้านหลังพิมพ์ด้วยเส้นใยสีขาวเพื่อช่วยสะท้อนแสงกลับออกมาทางด้านหน้า

ชิ้นส่วนเหล่านี้ทั้งหมดสามารถพิมพ์ได้โดยไม่ต้องรองรับ ฉันแนะนำให้ใช้ความสูงของชั้นที่ 0.15 มม. ส่วนเติมควรเป็นประมาณ 20%

ขั้นตอนที่ 6: การประกอบขั้นสุดท้าย

ในการประกอบ Stargate ให้เสร็จ คุณต้องประกอบชิ้นส่วนเข้าด้วยกันด้วยกาวร้อน ขั้นแรก เราขอแนะนำให้คุณใช้กระดาษทรายหรือเดรเมลเพื่อทำให้แถบบนชิ้นส่วน PCB เรียบ

จากนั้น ใช้กาวร้อนหรือกาวซุปเปอร์กาวเล็กน้อยเพื่อติดส่วนดิฟฟิวเซอร์ด้านหน้ากับด้านหลังของดิฟฟิวเซอร์ ควรมีศูนย์กลาง (ศูนย์กลาง)

ถัดไป เติมบั้งด้วยกาวร้อน แล้วกดลงบนไฟ LED บั้ง ทำซ้ำกับ LED บั้งอีกหกดวง ไปข้างหน้าและใช้กาวร้อนเพิ่มเติมเพื่อติดตั้ง diffuser LED แบบรูหนอนบน PCB มีรูเล็กๆ สำหรับใส่ LED เข้าไป ดังนั้นเพียงแค่เสียบเข้าไปแล้วใช้ส่วนที่หนาของดิฟฟิวเซอร์เป็นพื้นผิวในการติดกาวร้อนกับ PCB

พันสาย DHD รอบสายแบตเตอรี่สองสามครั้งเพื่อให้เป็นระเบียบเรียบร้อย DHD PCB ออกแบบมาเพื่อวางบนที่วางแบตเตอรี่ ดังนั้นควรติดกาวร้อนไว้ที่นั่น (เพื่อให้สายแบตเตอรี่อยู่ด้านล่าง) จากนั้นใช้กาวร้อนติดส่วนรองรับ (ไม่มีรอยบาก) เข้ากับด้านข้างของที่ใส่แบตเตอรี่เพื่อให้ตั้งตรงและมั่นคง

สุดท้าย ดันส่วนรองรับที่มีรอยบากเข้าไปในรอยบากที่สอดคล้องกันบน Stargate PCB ใช้กาวร้อนเล็กน้อยเพื่อให้เข้าที่

และคุณทำเสร็จแล้ว! เพียงแค่เปิดสวิตช์ รอสองสามวินาที จากนั้นคุณสามารถแตะทัชแพดเพื่อยึดบั้งแต่ละตัวและสร้างรูหนอนได้!