NFC Lock - Wenn eine Platine auch die Tasten, die Antenne und mehr ist - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:19

Sie können eines von zwei Dingen aus diesem Instructable nehmen. Sie könnten mitmachen und Ihre eigene Kombination aus einem Ziffernblock und einem NFC-Leser erstellen. Der Schaltplan ist hier. Das PCB-Layout ist da. Sie finden eine Stückliste, mit der Sie die benötigten Teile bestellen können. Ich habe den Code für die Programmierung des Mikrocontrollers bereitgestellt. Es gibt alles, was Sie brauchen, um dieses Projekt zu kopieren oder zu erweitern.

Ich vermute jedoch, dass sich die meisten Leser eher von einigen Aspekten inspirieren lassen. Dieses Instructable zeigt Ihnen, dass die Leiterplatte mehr ist als nur eine Möglichkeit, die Komponenten miteinander zu verdrahten. Dieses kleine Rechteck aus Glasfaser und Kupfer hat viele andere Verwendungszwecke - während es immer noch seine Hauptaufgabe der Herstellung elektrischer Verbindungen übernimmt. All diese Aspekte werde ich zunächst vorstellen, bevor ich sie zu einem abgeschlossenen Projekt zusammenführe. Ich wünsche Ihnen viel Spaß auf der Reise und vielleicht entscheiden Sie sich für ein oder zwei dieser Tricks in einem eigenen Projekt!

Schritt 1: Der Prozess

So viele Projekte nehmen den gleichen Weg auf dem Weg zum „fertigen“und so viele stolpern kurz vor der letzten Hürde.

Der Prototyp

Da ist zunächst der Prototyp. Sie haben eine Idee und aus der Schublade kommt Ihr bevorzugtes Mikrocontroller-Entwicklungsboard. Für viele wird dies ein Arduino sein, aber ich bin am glücklichsten mit der MSP430-Reihe von 16-Bit-Mikrocontrollern mit geringem Stromverbrauch von TI. Wie auch immer Sie sich entscheiden, es gibt normalerweise ein Entwicklungsboard, das Ihnen hilft. Das bedeutet, dass Sie nicht mit der Herstellung Ihrer eigenen Leiterplatte beginnen müssen und Theorien und potenzielle Peripheriegeräte testen können. Es gibt oft ein Booster Pack / Shield / Hat - oder wie auch immer ein seltsamer Name für ein Daughterboard ist, das sich der Hersteller ausgedacht hat. Keiner von Nutzen ist ein Steckbrett oder verirrter Draht fremd.

Sie können sehen, dass ich hier das CapTIvate-Entwicklungskit und das TRF7970A-NFC-Booster-Paket von TI verwendet habe, um zu beweisen, dass das Konzept wahrscheinlich funktioniert.

Sie werden auch einen Proof-of-Concept-Code erstellen. Es kann chaotisch sein. Es kann auf heruntergeladene Bibliotheken angewiesen sein, die Sie einen Teil des Weges dorthin bringen. Persönlich neige ich dazu, es ein wenig unvollkommen zu lassen, weil ich weiß, dass mir diese Wochen bevorstehen, in denen auf die Ankunft der Leiterplatten gewartet wird. Dann kann ich es aufräumen.

Das Design

Als nächstes kommt das Design. Starten Sie Ihre bevorzugte PCB-Design-Software. In meinem Fall ist es Eagle. Von der Idee bis zur Perfektion braucht es überraschend viel Zeit, und hier liegt unser Abenteuer! Die nächsten Schritte werden Ihnen dabei helfen, das Beste daraus zu machen.

Warten auf Ihre Leiterplatten

Sie können Ihre eigenen ätzen oder in Eile herstellen lassen, aber die meisten von uns bestellen bei einem Boardhouse in China und warten ein paar Wochen. Jetzt ist es an der Zeit, zu diesem Code zurückzukehren. Es wird nicht von selbst aufgeräumt!

Montage und Debugging

Holen Sie den Lötkolben oder den Toaster heraus. Dann können Sie sehen, ob es wie erwartet funktioniert. Gehe vielleicht 2 Schritte zurück. Vielleicht nicht.

Das Gehäuse und die Frontplatte

So sieht Ihre Leiterplatte professionell aus. Jetzt braucht es ein Gehäuse und eine Frontplatte. Vielleicht drucken Sie etwas in 3D. Es sieht OK-ish aus, aber es repräsentiert nicht ganz die Finesse der schönen Platine im Inneren. Nun, hier ist, wo dieser Leitfaden wirklich helfen wird!

Schritt 2: Ihre Leiterplatte als Frontplatte

Lötstopplack war früher nur grün. Siebdruck war eher funktional als dekorativ. Ein PCB war etwas, das versteckt war und nur Geeks wie wir würden daran interessiert sein, es zu sehen. Nun, nicht mehr!

Bei vielen Boardhouses können Sie jetzt aus einer Vielzahl von Farben wählen. Die Qualität des Siebdrucks hat sich stark verbessert. Funky Formen und Ausschnitte sind erlaubt. Warum also nicht davon profitieren? Wenn Sie die Leiterplatte sorgfältig erstellen, kann ein Boardhouse Ihre Frontplatten für Sie herstellen!

In meinem Beispiel habe ich alle Komponenten auf einer Seite platziert und sichergestellt, dass die andere Seite gut genug aussieht, um die Vorderseite meines Geräts zu sein. Sie müssen dies nicht tun. Vielleicht möchten Sie die Schönheit und den Verstand auf separaten Brettern haben. Es liegt an Ihnen.

Ich habe sogar eine Reihe von Leiterplatten gesehen, die zusammengelötet wurden, um das gesamte Gehäuse zu bilden, aber das ist ungewöhnlich. Wenn du denkst, du schaffst es trotzdem – warum nicht!

Mein Board ist ziemlich einfach - nur ein ordentlicher weißer Siebdruck über einem schwarzen Lötstopplack. Es passte zu dem Look, den ich suchte. Durch die Kombination von Siebdruck, Lötstopplack und Kupfer auf verschiedene Weise ist es möglich, eine ganze Reihe von Farben und Schattierungen zu erhalten. Ich überlasse Sie Google "PCB Art" und sehen Sie sich einige der erstaunlichen Kreationen an, die andere Leute erfunden haben! So beeindruckend sie auch sind, vielleicht sind nicht alle für eine Frontplatte geeignet.

Schritt 3: Ihre Leiterplatte als Tasten

Sie haben vielleicht bemerkt, dass die Siebdrucknummern einem Ziffernblock sehr ähnlich sehen, und das liegt daran, dass sie es sind. Genauer gesagt handelt es sich um kapazitive Touch-Buttons. Wenn Sie diesen Weg gehen, möchten Sie wahrscheinlich einen Mikrocontroller, der kapazitive Berührungen unterstützt, obwohl es möglich ist, Ihre eigene kapazitive Berührungserfassung zu "rollen", wenn Sie dies wirklich möchten.

Alle kapazitiven Touch-Tasten bestehen aus einigen PCB-Leiterbahnen, die so platziert sind, dass sie eine nachweisbare Kapazität entweder zur Erde (bekannt als Eigenkapazität) oder zu einer anderen Leiterbahn (bekannt als gegenseitige Kapazität) aufweisen.

Ich habe mein Design begonnen, indem ich dem CapTIvate-Leitfaden von TI für das MSP430FR2633-Gerät gefolgt bin, aber wenn Sie einen anderen Mikrocontroller verwenden, lohnt es sich wahrscheinlich, sich die Anleitungen und Referenzdesigns des Herstellers anzusehen. Es wird nicht nur eine Anleitung zum PCB-Layout bereitgestellt, sondern es gibt sogar das CapTIvate Design Center, das einige Vorlagencodes generiert, die zu Ihrer Hardware passen.

Sie werden feststellen, dass die Essenz des Knopfes nur aus zwei Kupferkreisen besteht, die ziemlich nahe beieinander liegen. Wenn Sie Ihren Finger in die Nähe bringen, verringert sich die Kapazität zwischen ihnen. Der MSP430 verwendet eine Konstantstromquelle, um diesen Kondensator aufzuladen und misst, wie schnell sich die Spannung an ihm ändert. Die CapTIvate-Bibliothek vereinfacht die Umwandlung in erkannte Tastendrücke.

Ich habe ein benutzerdefiniertes Teil in Eagle entworfen, um das Hinzufügen von zwölf dieser Schaltflächen zu vereinfachen und damit ich sie in zukünftigen Projekten verwenden kann.

Schritt 4: Ihre Leiterplatte als LED-Diffusor

Die Adleraugen unter euch haben vielleicht den kleinen runden Fleck bemerkt, bei dem die schwarze Lötstoppmaske auf beiden Seiten der Platine fehlt. Wie bei fast jedem elektronischen Design brauchte ich ein visuelles Feedback für den Benutzer. Ich ging mit einer RGB-LED und hatte ein paar Optionen dafür.

• Ich könnte eine Durchgangsloch-LED verwenden und ein Loch schneiden, damit es durchsteckt. Ich bin mir nicht sicher, wie ich es ohne eine andere Platine anschließen würde.
• Ich könnte eine oberflächenmontierte LED verwenden. Dann hätte ich ein paar Spuren und eine LED, die meine ordentliche Frontplatte durcheinander brachte.
• Ich könnte eine Reverse-Mount-LED verwenden.

Einige von Ihnen fragen sich vielleicht, was eine Reverse-Mount-LED ist. Nun, es ist eine "umgedrehte" Oberflächenmontage-LED, die auf die Platine zurückstrahlt, auf der sie montiert ist. Was?! Warum würdest du das tun? Nun, es schafft es auf der anderen Seite der Platine aus dem Weg. Die meisten Designs haben immer noch ein Loch in der Platine, damit diese LED durchscheinen kann, aber ich habe mich entschieden, nur das Kupfer und die Lötstopplacke zu entfernen und zu sehen, ob das Platinenmaterial durchscheinend genug war, damit die LED durchscheinen kann. Spoileralarm – das war es! Ich bin mir sicher, dass es stattdessen mit einem Loch etwas heller wäre, aber es reicht leicht aus, um im Sonnenlicht durch 1,6 mm FR4 sichtbar zu sein. Es ist auch schön diffus.

Es brauchte ein benutzerdefiniertes Teil, das von Eagle entworfen wurde, um sicherzustellen, dass sich darunter kein Kupfer oder Lötstopplack befand, aber dazu brauchte es nur ein paar Kreise auf den Restrict- und Keepout-Layern auf beiden Seiten. Sie finden dieses benutzerdefinierte Teil in der angehängten Eagle-Bibliothek.

Schritt 5: Ihre Leiterplatte als Antenne

Die Verwendung einer Leiterplattenspur als Antenne ist nichts Neues. Das NFC-Booster-Pack, das ich verwendet habe, hat eines. Die meisten kommerziellen NFC-Lesegeräte verwenden sie. Ein Problem, das ich festgestellt habe, ist, dass diese auf die gängigsten NFC-Tag-Formate abgestimmt sind – Karten und Schlüsselanhänger. Ich bin geeky genug, um mir ein kleines NFC-Tag in die Hand implantieren zu lassen. Details finden Sie hier, wenn Sie nicht zimperlich sind. Ich habe auch ein früheres Projekt mit einem drahtgewickelten Induktor als Antenne gemacht. Für dieses Projekt wollte ich sehen, ob es möglich ist, eine PCB-Antenne zu erstellen, die gut auf ein winziges implantiertes Tag abgestimmt ist.

Zuerst habe ich beschlossen, eine PCB-Spur zu erstellen, die physisch kleiner ist als die, die Sie normalerweise sehen. Die Induktivität ist wichtig beim Abstimmen der Antenne, daher verwende ich einen Online-PCB-Induktor-Rechner und strebte an, dass etwa 1 μH ungefähr gleich ist wie der zuvor verwendete Drahtgewickelte. Ich habe L_Calculate von TI verwendet und dies sagte mir, dass 7 Umdrehungen bei einer durchschnittlichen Größe von 9 mm x 6,5 mm mit einer Leiterbahnbreite von 0,1524 950 nH sein sollten. Nahe genug.

Als ich die Platinen zurückbekam, maß es 0,627μH - mit einem Widerstand von 0,867Ω. Es ist an der Zeit, herauszufinden, wie das passende Netzwerk aussehen sollte, damit der TRF7970A 50Ω sieht. Antennenanpassung ist ein ganzes Thema für sich, also werde ich jetzt nicht darauf abschweifen, aber wenn Sie interessiert sind, habe ich hier behandelt, wie man eine Antenne abstimmt, ohne einen teuren VNA zu benötigen.

Es genügt zu sagen, dass Ihre Leiterplatte verwendet werden kann, um eine kostenlose Antenne zu erstellen, egal ob es sich um eine Induktionsspule für RFID (nicht unbedingt eine Antenne) oder für WiFi, ZigBee, Sub-1 GHz usw. handelt. Noch einmal würde ich das vorschlagen Wenn Sie eine benötigen, beginnen Sie mit den Designnotizen für das von Ihnen verwendete Gerät. Der Hersteller möchte, dass Sie seine Komponenten kaufen, damit sie eine große Hilfe bei der Verwendung sind.

Schritt 6: Ihre Leiterplatte als Debug-Header

Sobald Sie Ihrem Projekt einen Mikrocontroller hinzufügen, haben Sie die Frage, wie Sie Ihren Code darauf bekommen. Häufig endet eine schöne Low-Profile-Platine mit einer klobigen Stiftleiste darauf. Häufig sind dies auch Durchsteckversionen, so dass Ihre schöne, saubere Platine auf beiden Seiten betroffen ist. Offensichtlich, da ich wollte, dass eine Seite meine Frontplatte ist, durch das Loch wie außen. SMD-Stiftleisten können das Risiko haben, dass sich Ihre Leiterbahnen ablösen – insbesondere, wenn Sie wahrscheinlich einige Male anschließen und trennen.

Zum Glück gibt es eine Alternative - Pogo-Pins. Diese federbelasteten Pins stellen einen guten elektrischen Kontakt mit Ihrem Board her. Es ist vielleicht nicht leise genug für eine dauerhafte Verbindung, aber es ist sicherlich zum Programmieren. Ich habe Pogo-Pins gesehen, die mit einer benutzerdefinierten Vorrichtung sowohl zum Programmieren als auch zum Testen einer Produktionsplatine verwendet wurden. Ich habe sie sogar auf eine Wäscheklammer geklebt für einen sehr hausgemachten Programmierer-Look gesehen. Ich habe jedoch ein kommerzielles Produkt verwendet, das für viele Mikrocontroller-Familien verfügbar ist - Tag Connect. Es erfordert ein paar winzige Ausrichtungslöcher in Ihrem Board, daher ist es möglicherweise nicht perfekt, wenn Sie eine wasserdichte Frontplatte benötigen, aber ich entschied, dass es für dieses Projekt in Ordnung wäre.

Alles, was Sie benötigen, ist ein PCB-Footprint und fertig! Die Löcher entsprechen gut den Anforderungen eines Boardhouses und vielleicht sogar einer Home-Etching.

Schritt 7: Die fertige Platine

Nachdem Sie alle diese PCB-Ideen in ein Projekt integriert haben, ist hier das Endergebnis. Es reagiert entweder auf den richtigen NFC-Tag oder Zugangscode und öffnet die Tür. Die Türbetätigung ist getrennt, da dadurch mehrere verschiedene Türen auf unterschiedliche Weise bedient werden. Die Tür zu meinem Haus wird ein elektromagnetischer Auslöser sein, ähnlich wie Sie es in einem Wohnblock mit einer Gegensprechanlage finden würden.

Ich bin Kitesurfer und finde mich so oft im Meer wieder und es ist immer schwierig zu wissen, was mit deinen Schlüsseln zu tun ist. Mit einem NFC-Tag in der Hand habe ich den Schlüssel immer dabei! Bei meinem Van wird es mit der Zentralverriegelung verbunden.

Für Ihre eigene Tür möchten Sie möglicherweise eine geeignete Methode zum Öffnen oder Entriegeln wählen.

In diesem GitHub-Repository finden Sie alles, was Sie zum Replizieren (oder Anpassen) dieses Projekts benötigen.https://github.com/FredMurphy/LockNFC

Ich hoffe, es hat Ihnen Spaß gemacht, über dieses Projekt zu lesen und dass es Sie inspiriert hat, einige der Ideen in Ihre eigenen Leiterplatten zu integrieren. Wenn Sie dies tun, lassen Sie es mich bitte in den Kommentaren unten wissen. Bitte werfen Sie auch einen Blick auf die Beiträge zum PCB-Wettbewerb und stimmen Sie ab, was Ihrer Meinung nach am besten ist. Ich hoffe, es wird mir gehören, aber ich bin mir sicher, dass es dort auch viele andere gute Einträge gibt.

Zweiter im PCB-Wettbewerb