Khóa NFC - Khi PCB cũng là các nút, ăng-ten và hơn thế nữa : 7 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:34

Bạn có thể lấy một trong hai thứ từ Tài liệu hướng dẫn này. Bạn có thể làm theo và tạo sự kết hợp của riêng mình giữa bàn phím số và đầu đọc NFC. Sơ đồ ở đây. Bố cục PCB ở đây. Bạn sẽ tìm thấy một hóa đơn vật liệu để bạn đặt hàng các bộ phận bạn cần. Tôi đã cung cấp mã để lập trình vi điều khiển. Có mọi thứ bạn cần để sao chép hoặc mở rộng dự án này.

Tuy nhiên, tôi nghi ngờ rằng hầu hết người đọc có nhiều khả năng chỉ lấy cảm hứng từ một số khía cạnh của nó. Hướng dẫn này cho bạn thấy rằng PCB không chỉ là một cách để kết nối các thành phần lại với nhau. Hình chữ nhật nhỏ bằng sợi thủy tinh và đồng đó có rất nhiều công dụng khác - trong khi vẫn đảm nhận công việc chính là tạo kết nối điện. Tôi sẽ trình bày tất cả các khía cạnh này trước khi kết hợp chúng lại với nhau thành một dự án hoàn chỉnh. Tôi hy vọng bạn thích cuộc hành trình và có thể quyết định sử dụng một hoặc hai trong số những thủ thuật này trong một dự án của riêng bạn!

Bước 1: Quy trình

Có rất nhiều dự án đi theo cùng một quỹ đạo trên con đường đi đến "kết thúc" và rất nhiều lần vấp ngã ngay trước rào cản cuối cùng.

Nguyên mẫu

Đầu tiên là nguyên mẫu. Bạn có một ý tưởng và ra khỏi ngăn kéo là bảng phát triển vi điều khiển của bạn. Đối với nhiều người, đây sẽ là một Arduino, nhưng tôi hài lòng nhất về dòng vi điều khiển công suất thấp MSP430 16-bit của TI. Dù lựa chọn của bạn là gì, thường có một bảng phát triển giúp đỡ. Nó có nghĩa là bạn không cần phải bắt đầu với việc sản xuất PCB của riêng mình và bạn có thể kiểm tra các lý thuyết và các thiết bị ngoại vi tiềm năng. Thường có Gói tăng cường / Khiên / Mũ - hoặc bất kỳ cái tên lạ nào cho bảng con mà nhà sản xuất đã nghĩ ra. Không ai được sử dụng xa lạ với bảng mạch hoặc dây đi lạc.

Bạn có thể thấy rằng ở đây tôi đã sử dụng bộ phát triển CapTIvate của TI và gói TRF7970A NFC Booster để chứng minh rằng khái niệm này có khả năng hoạt động.

Bạn cũng sẽ gõ một số bằng chứng về mã khái niệm. Nó có thể lộn xộn. Nó có thể dựa vào các thư viện đã tải xuống giúp bạn tham gia vào quá trình đó. Cá nhân tôi có xu hướng để nó một chút không hoàn hảo bởi vì tôi biết rằng tôi có những tuần trước đó để chờ đợi PCB đến. Tôi có thể dọn dẹp nó sau đó.

Thiết kế

Tiếp theo là thiết kế. Khởi động phần mềm thiết kế PCB yêu thích của bạn. Trong trường hợp của tôi, đó là Eagle. Phải mất một khoảng thời gian đáng ngạc nhiên để đi từ ý tưởng đến hoàn thiện, và đây là nơi mà cuộc phiêu lưu của chúng ta nằm ở đó! Các bước sắp tới sẽ giúp bạn tận dụng tối đa điều này.

Đang chờ PCB của bạn

Bạn có thể khắc của riêng mình hoặc làm chúng trong thời gian gấp rút, nhưng hầu hết chúng tôi sẽ đặt hàng từ một nhà hội đồng ở Trung Quốc và đợi một vài tuần. Bây giờ là lúc để quay lại mã đó. Nó sẽ không gọn gàng chính nó!

Lắp ráp và gỡ lỗi

Lấy mỏ hàn hoặc lò nướng bánh mì ra ngoài. Sau đó, bạn có thể xem nếu nó hoạt động như mong đợi. Có thể quay lại 2 bước. Có thể không.

Bao vây và bảng điều khiển phía trước

Vì vậy, PCB của bạn trông chuyên nghiệp. Bây giờ nó cần một bao vây và bảng điều khiển phía trước. Có thể bạn sẽ in 3D thứ gì đó. Nó trông ổn, nhưng nó không hoàn toàn đại diện cho sự khéo léo của PCB đáng yêu bên trong. Chà, đây là nơi mà hướng dẫn này thực sự sẽ hữu ích!

Bước 2: PCB của bạn làm bảng điều khiển phía trước

Mặt nạ hàn từng chỉ có màu xanh lá cây. Màn hình lụa là chức năng hơn là trang trí. PCB là một thứ gì đó bị che giấu đi và chỉ những người đam mê công nghệ như chúng tôi mới quan tâm đến việc nhìn thấy nó. Không còn nữa!

Nhiều nhà hội đồng hiện nay cho phép bạn chọn từ nhiều màu sắc khác nhau. Chất lượng màn hình lụa đã được cải thiện rất nhiều. Các hình dạng và hình cắt vui nhộn được cho phép. Vậy tại sao không tận dụng điều này? Nếu bạn tạo ra PCB một cách cẩn thận thì một nhà hội đồng có thể tạo ra những tấm bảng phía trước cho bạn!

Trong ví dụ của tôi, tôi đã đặt tất cả các thành phần ở một bên và đảm bảo rằng mặt còn lại trông đủ đẹp để trở thành mặt trước của thiết bị của tôi. Bạn không cần phải làm điều này. Có thể bạn muốn có vẻ đẹp và bộ não trên những tấm bảng riêng biệt. Tuỳ bạn.

Tôi thậm chí đã thấy một số PCB được hàn lại với nhau để tạo thành toàn bộ vỏ máy, nhưng điều đó thật bất thường. Nếu bạn nghĩ rằng bạn có thể làm được - tại sao không!

Bảng của tôi khá đơn giản - chỉ là một vài tấm lụa trắng gọn gàng trên một tấm vải hàn đen. Nó phù hợp với giao diện mà tôi đang theo đuổi. Có thể có được khá nhiều màu sắc và sắc thái bằng cách kết hợp lụa, hồng hoa và đồng theo nhiều cách khác nhau. Tôi sẽ đưa bạn đến với Google "nghệ thuật PCB" và xem một số sáng tạo tuyệt vời mà người khác đã nghĩ ra! Mặc dù ấn tượng nhưng có lẽ không phải tất cả đều phù hợp với bảng điều khiển phía trước.

Bước 3: PCB của bạn dưới dạng các nút

Bạn có thể nhận thấy rằng các số được in lụa trông rất giống bàn phím số và đó là bởi vì chúng như vậy. Nói một cách chính xác, chúng là các nút cảm ứng điện dung. Nếu bạn đang đi theo con đường này thì bạn có thể sẽ muốn có một bộ vi điều khiển hỗ trợ cảm ứng điện dung mặc dù bạn có thể tự "cuộn" cảm ứng điện dung của riêng mình nếu bạn thực sự muốn.

Tất cả các nút cảm ứng điện dung bao gồm một số dấu vết PCB được đặt để có điện dung có thể phát hiện được với đất (được gọi là điện dung tự) hoặc đến một dấu vết khác (được gọi là điện dung tương hỗ).

Tôi bắt đầu thiết kế của mình bằng cách làm theo hướng dẫn CapTIvate của TI cho thiết bị MSP430FR2633 của họ nhưng nếu bạn đang sử dụng một bộ vi điều khiển khác, có lẽ bạn nên xem hướng dẫn và thiết kế tham khảo do nhà sản xuất cung cấp. Không chỉ cung cấp hướng dẫn về bố cục PCB mà còn có Trung tâm thiết kế CapTIvate sẽ tạo một số mã mẫu để phù hợp với phần cứng của bạn.

Bạn sẽ nhận thấy rằng bản chất của nút chỉ là hai vòng tròn bằng đồng khá gần nhau. Đưa ngón tay lại gần làm giảm điện dung giữa chúng. MSP430 sử dụng một nguồn dòng điện không đổi để sạc tụ điện này và đo điện áp trên nó thay đổi nhanh như thế nào. Thư viện CapTIvate đơn giản hóa việc biến điều này thành các lần nhấn nút được phát hiện.

Tôi đã thiết kế một phần tùy chỉnh trong Eagle để đơn giản hóa việc thêm mười hai nút này và để tôi có thể sử dụng chúng trong các dự án trong tương lai.

Bước 4: PCB của bạn như một bộ khuếch tán đèn LED

Đôi mắt đại bàng trong số bạn có thể đã nhận thấy một miếng vá hình tròn nhỏ, nơi thiếu dấu hàn màu đen ở cả hai mặt của PCB. Như với hầu hết mọi thiết kế điện tử, tôi cần một số phản hồi trực quan cho người dùng. Tôi đã sử dụng đèn LED RGB và có một vài tùy chọn cho việc này.

• Tôi có thể sử dụng một đèn LED xuyên lỗ và khoét một lỗ để nó xuyên qua. Tôi không chắc mình sẽ kết nối nó như thế nào mà không có PCB khác.
• Tôi có thể sử dụng đèn LED gắn trên bề mặt. Sau đó, tôi sẽ có một số dấu vết và một đèn LED làm rối tung bảng điều khiển phía trước gọn gàng của tôi.
• Tôi có thể sử dụng đèn LED gắn ngược.

Một số bạn có thể thắc mắc LED gắn ngược là gì. Đó là một đèn LED gắn trên bề mặt "lộn ngược" chiếu sáng trở lại PCB mà nó được gắn trên đó. Gì?! Tại sao bạn lại làm vậy? Chà, nó giúp nó thoát ra được ở phía bên kia của PCB. Hầu hết các thiết kế vẫn sẽ có một lỗ trên PCB để đèn LED này chiếu qua, nhưng tôi quyết định chỉ cần loại bỏ đồng và kim loại hàn và xem liệu vật liệu PCB có đủ mờ để đèn LED chiếu qua hay không. Cảnh báo spoiler - nó đã được! Tôi chắc chắn rằng nó sẽ sáng hơn một chút nếu có một cái lỗ, nhưng nó đủ dễ dàng để có thể nhìn thấy dưới ánh sáng mặt trời thông qua 1,6mm FR4. Nó cũng được khuếch tán độc đáo.

Nó cần một bộ phận tùy chỉnh được thiết kế cho nó Eagle để đảm bảo rằng không có đồng hoặc nhựa hàn bên dưới nó, nhưng tất cả những gì cần làm là một vài vòng tròn trên các lớp Restrict và Keepout ở cả hai bên. Bạn sẽ tìm thấy phần tùy chỉnh này trong thư viện Eagle đính kèm.

Bước 5: PCB của bạn như một ăng-ten

Sử dụng một dấu vết PCB làm ăng-ten không có gì mới. Gói NFC Booster mà tôi đã sử dụng có một gói. Hầu hết các đầu đọc NFC thương mại mà bạn sẽ thấy đều sử dụng chúng. Một vấn đề mà tôi nhận thấy là chúng được điều chỉnh để phù hợp với các định dạng thẻ NFC phổ biến nhất - thẻ và bàn phím. Tôi đủ đam mê để có một thẻ NFC nhỏ được cấy vào tay. Thông tin chi tiết có ở đây nếu bạn không khó hiểu. Tôi cũng đã thực hiện một dự án trước đây bằng cách sử dụng cuộn cảm dây quấn làm ăng ten. Đối với dự án này, tôi muốn xem liệu có thể tạo ra một ăng-ten PCB phù hợp độc đáo với một thẻ cấy ghép nhỏ hay không.

Đầu tiên, tôi quyết định tạo một dấu vết PCB về mặt vật lý nhỏ hơn những dấu vết bạn thường thấy. Độ tự cảm rất quan trọng khi điều chỉnh ăng-ten, vì vậy tôi sử dụng máy tính điện dẫn PCB trực tuyến và nhắm đến khoảng 1μH bằng với cuộn dây mà tôi đã sử dụng trước đây. Tôi đã sử dụng L_Calculate của TI và điều này cho tôi biết rằng 7 lần quay ở kích thước trung bình 9mm x 6,5mm với chiều rộng vết là 0,1524 sẽ là 950nH. Đủ gần.

Khi tôi nhận lại PCB, nó đo được 0,627μH - với điện trở 0,867Ω. Đã đến lúc tìm ra mạng phù hợp sẽ trông như thế nào để TRF7970A nhìn thấy 50Ω. Kết hợp ăng-ten là một chủ đề riêng của nó, vì vậy tôi sẽ không đi sâu vào vấn đề đó ngay bây giờ, nhưng nếu bạn quan tâm, tôi sẽ trình bày cách điều chỉnh ăng-ten mà không cần đến một VNA đắt tiền ở đây.

Đủ để nói rằng PCB của bạn có thể được sử dụng để tạo ra một ăng-ten không tốn kém cho dù đó là cuộn dây cảm ứng cho RFID (không hoàn toàn là ăng-ten) hay cho WiFi, ZigBee, Sub-1Ghz, v.v. Một lần nữa, tôi đề nghị rằng nếu bạn cần, bạn bắt đầu từ ghi chú thiết kế cho bất kỳ thiết bị nào bạn đang sử dụng. Nhà sản xuất muốn bạn mua các thành phần của họ để chúng là một trợ giúp đắc lực khi sử dụng chúng.

Bước 6: PCB của bạn làm tiêu đề gỡ lỗi

Ngay sau khi bạn thêm một bộ vi điều khiển vào dự án của mình, bạn sẽ gặp vấn đề về cách lấy mã của mình vào đó. Thông thường, bạn có PCB cấu hình thấp đẹp mắt kết thúc với một tiêu đề pin chunky trên đó. Thường thì đây là các phiên bản lỗ, vì vậy PCB gọn gàng đáng yêu của bạn đã bị ảnh hưởng ở cả hai mặt. Rõ ràng là như tôi muốn một bên là bảng điều khiển phía trước của tôi, xuyên qua lỗ. Các đầu ghim gắn trên bề mặt có thể có nguy cơ làm bong dấu vết của bạn - đặc biệt nếu bạn có khả năng kết nối và ngắt kết nối một vài lần.

May mắn thay, có một giải pháp thay thế - ghim pogo. Những chân cắm có lò xo này giúp tiếp xúc điện tốt với bo mạch của bạn. Nó có thể không đủ yên tĩnh để kết nối lâu dài nhưng chắc chắn là dành cho lập trình. Tôi đã thấy các chân pogo được sử dụng với một đồ gá tùy chỉnh cho cả lập trình và cũng để thử nghiệm một bo mạch sản xuất. Tôi thậm chí đã nhìn thấy chúng bị mắc kẹt trên một cái móc quần áo cho một lập trình viên trông rất tự sản xuất. Tuy nhiên, tôi đã sử dụng một sản phẩm thương mại có sẵn cho nhiều dòng vi điều khiển - Tag Connect. Nó yêu cầu một vài lỗ căn chỉnh nhỏ trên bảng của bạn vì vậy nó có thể không hoàn hảo nếu bạn cần một bảng điều khiển phía trước chống thấm nước nhưng tôi quyết định rằng nó sẽ ổn cho dự án này.

Tất cả những gì cần thiết là một dấu chân PCB và bạn đã hoàn tất! Các lỗ phù hợp với yêu cầu của một ngôi nhà hội đồng và thậm chí có thể khắc tại nhà.

Bước 7: PCB hoàn thiện

Vì vậy, sau khi kết hợp tất cả các ý tưởng PCB này vào một dự án - đây là kết quả cuối cùng. Nó phản hồi với thẻ NFC hoặc mã nhập chính xác và mở cửa. Việc vận hành cửa là riêng biệt vì thao tác này sẽ vận hành một vài cửa khác nhau theo một vài cách khác nhau. Cửa vào nhà tôi sẽ là nơi phát ra điện từ, giống như bạn thấy ở một khu chung cư có hệ thống liên lạc nội bộ.

Tôi là một tay lướt ván diều nên thường thấy mình ở trong đại dương và luôn khó biết phải làm gì với chìa khóa của bạn. Với thẻ NFC trên tay, tôi luôn mang theo chìa khóa bên mình! Đối với xe tải của tôi, nó sẽ liên kết với hệ thống khóa trung tâm.

Đối với cửa riêng của bạn, bạn có thể muốn chọn một cách thích hợp để mở hoặc mở khóa nó.

Bạn sẽ tìm thấy mọi thứ bạn cần để tái tạo (hoặc điều chỉnh) dự án này trong kho lưu trữ GitHub này.

Tôi hy vọng bạn thích đọc về dự án này và nó đã truyền cảm hứng cho bạn để kết hợp một số ý tưởng vào PCB của riêng bạn. Nếu bạn làm vậy, vui lòng cho tôi biết trong phần bình luận bên dưới. Hãy cũng xem các mục trong cuộc thi PCB và bình chọn cho cái nào bạn cho là tốt nhất. Tôi hy vọng nó sẽ là của tôi, nhưng tôi chắc rằng có rất nhiều mục hay khác ở đó.

Á quân trong Cuộc thi PCB