CAPÍTULO 6.- PLACAS DE CIRCUITO IMPRESO Antonio Ragel Morales CAPÍTULO 6. PLACAS DE CIRCUITO IMPRESO. Durante la realización del proyecto se implementaron dos placas distintas, una placa de pruebas y la placa definitiva del prototipo. Veamos por separado cada una de ellas. 6.1. PLACA DE PRUEBAS. Para su implementación se uso una placa de prototipazo rápido, de forma que se pudieran ir añadiendo o quitando componentes conforme fuera necesario y facilitando de este modo el poder desarrollar el sistema paso a paso. Con esta primera placa se testó tanto los distintos componentes como cada parte del código, para finalmente hacer una prueba del sistema completo funcionando plenamente. Una imagen de esta placa se puede ver en la figura: Fig 15.-Placa de desarrollo Esta placa se hizo de forma que todos los componentes pudieran unirse o sacarse de la placa de forma independiente para poder probar en cada momento componentes individuales o la comunicación entre ellos según fuera necesario. De esta forma se usaron zócalos para cada componente, así por Proyecto fin de carrera: Sistema portátil para medida distribuida de temperatura utilizando el microcontrolador PIC 65 CAPÍTULO 6.- PLACAS DE CIRCUITO IMPRESO Antonio Ragel Morales ejemplo para los sensores de temperatura se disponían de muestras de montaje superficial, por lo que se usó una pequeña placa de conversión a “through hole”, para poder “pincharlos” en la placa a voluntad. Un detalle de la placa de conversión para los sensores de tempera se puede ver en la siguiente imagen: Fig 16.-Detalle de los sensores de temperatura Se intentó también que esta placa se asemejara lo más posible a la placa final del proyecto, para ir probando así algunas ideas en cuanto al rutado y ahorro de espacio y que resultara más simple el diseño del PCB. Así se situó el PIC debajo de la pantalla para intentar hacer el sistema lo más compacto posible, de forma que el circuito obtenido resultó ser muy reducido. En la siguiente fotografía se observa como el microcontrolador se encuentra debajo de la pantalla, y si comparamos con el tamaño de las clavijas de alimentación nos podemos hacer una idea del tamaño que tendrá el circuito final, que será solo un poco más grande que la pantalla LCD. Proyecto fin de carrera: Sistema portátil para medida distribuida de temperatura utilizando el microcontrolador PIC 66 CAPÍTULO 6.- PLACAS DE CIRCUITO IMPRESO Antonio Ragel Morales Fig 17.-Placa de desarrollo sin LCD ni sensores de temperatura Observar por último como se incluyó un cable de alimentación para poder conectar fácilmente el circuito a una fuente de alimentación en el laboratorio. Proyecto fin de carrera: Sistema portátil para medida distribuida de temperatura utilizando el microcontrolador PIC 67 CAPÍTULO 6.- PLACAS DE CIRCUITO IMPRESO Antonio Ragel Morales 6.1. PROTOTIPO FINAL. Una vez probado el sistema en la placa de pruebas se procedió a hacer una PCB definitiva incluyendo partes no presentes en la placa anterior, como son los conectores para los sensores o la circuitería de alimentación para que el sistema sea portátil. En cuanto al conector para los sensores se eligió un RJ11 de 6 vías. Aunque los sensores solo necesitan 2 líneas para su funcionamiento se eligió el conector de 6 vías por 2 motivos: 1. Disponer de líneas libres para la posible inclusión de sensores analógicos, que se podrían conectar al mismo cable de los sensores de temperatura sin necesidad de cables o puertos adicionales. 2. Tener accesibles en el conector las líneas de programación del PIC, de forma que en el caso de que fuera necesario el sistema sería totalmente reprogramable en placa sin necesidad de extraer el microcontrolador. Para realizar la placa final se utilizó ORCAD, que nos ofrece una amplia gama de huellas de circuitos y nos permite incluir huellas nuevas diseñadas a medida por el usuario de forma bastante sencilla. Para reducir el número de cables necesarios se hizo una placa a doble cara, lo que nos permite además reducir el tamaño del circuito. En cuanto a los componentes usados se usaron tanto de “through hole” como de montaje superficial, en función tanto de la disponibilidad de los componentes como de la necesidad de los mismos para zonas concreta del circuito. Para que el prototipo fuera lo más versátil posible se han incluido varios tipos de programación para el PIC : 1. Programación externa: Se PIC se colocó sobre un zócalo, de forma que se puede extraer en cualquier momento y realizar la programación de forma externa al circuito usando un programador. 2. Programación vía RJ-11: Se puede programar el PIC sin necesidad de extraerlo a través del mismo conector que se usa para los sensores sin más que desconectar un jumper. Para ello bastaría con hacer un cable que lo uniera a un programador con las conexiones adecuadas. 3. Programación por cable plano: Dado que el circuito programador que hemos usado disponía de un conector de 5 pines para programar, se ha incluido también esta opción de programación. Proyecto fin de carrera: Sistema portátil para medida distribuida de temperatura utilizando el microcontrolador PIC 68 CAPÍTULO 6.- PLACAS DE CIRCUITO IMPRESO Antonio Ragel Morales Una vez visto los detalles más característicos de la placa pasemos a ver su diseño a nivel tanto de esquemático como de layout, para por último ver el resultado final una vez terminado todo el proceso. El esquemático realizado se puede observar en la siguiente imagen, donde se aprecia claramente todos los elementos que se usan. VDD5V C1 U1 100 n VDD5V 1 VSS E J2 1 SW PUSHBUTTON 3 2 4 DB7 5 DB6 6 DB5 7 JUMPER RA0 RA4 RA3 RC5 RA1 RA2 RC0 RC4 RC1 RC3 RC2 VSS 14 CON6 13 12 SW2 VSS 11 VSS VDD5V 10 R/W 9 R/S 8 DB4 SW PUSHBUTTON J3 VSS PIC16F676 VDD5V SW MAG-SPST + C2 10 u VIN VOUT G 1 2 VDD5V U3 DB7 14 JUMPER TC55RP/SOT +C3 C4 100 n DB5 12 10 u BT1 BATTERY J5 1 2 3 4 5 CON5 J4 GND U2 D S SW3 6 5 4 3 2 1 10 VSS 8 E 6 R/S 4 DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 E R/W R/S Vo VDD5V 2 VSS 11 DB4 9 7 5 R/W POT_R_S VR1 3 1 VSS C5 100 n LCD VSS VDD C6 100 n 13 DB6 VDD5V SW1 VSS RA5 PIC16F676 2 R1 10K VDD Fig 18.-Esquemático Para asegurar la estabilidad de la tensión de alimentación se incluyeron capacidades que evitaran posibles rizados, además, se incluyeron capacidades lo más cerca posible del PIC y el LCD para disminuir los efectos de posibles tirones en la alimentación debido al funcionamiento de dichos componentes. Puesto que los componentes que utilizamos funcionan a 5 V se eligió una pila de 9 V como alimentación del sistema, generando los 5 V con un regulador de tensión. En cuanto al layout de la placa a escala real se puede ver a continuación, donde se observa el reducido tamaño del sistema: Proyecto fin de carrera: Sistema portátil para medida distribuida de temperatura utilizando el microcontrolador PIC 69 CAPÍTULO 6.- PLACAS DE CIRCUITO IMPRESO Antonio Ragel Morales Fig 19.-Layout Una vez fabricada la placa se procedió a recubrir con estaño todo el cobre de la misma, para evitar así posibles problemas de oxidación del cobre que nos dificultaría la tarea de soldar los componentes. Puesto que el sistema ira dentro de una caja se montaron tanto la pantalla como los pulsadores y el interruptor de encendido en panel, para que permanecieran fijos en todo momento. Puesto que será necesario abrir y cerrar la caja para poner la pila se usaron cables con conectores adecuados para unir los elementos de panel con la placa en si, permitiendo de esta forma una fácil apertura de la caja sin que se dañe ningún componente. En las siguientes imágenes puede observarse tanto la parte inferior de la caja como la superior, así como un detalle de la conexión entre ambas parte. Fig 20.-Parte inferior de la caja Proyecto fin de carrera: Sistema portátil para medida distribuida de temperatura utilizando el microcontrolador PIC 70 CAPÍTULO 6.- PLACAS DE CIRCUITO IMPRESO Antonio Ragel Morales Fig 21.-Parte superior de la caja Fig 22.-Detalle del conexionado entre ambas partes de la caja Proyecto fin de carrera: Sistema portátil para medida distribuida de temperatura utilizando el microcontrolador PIC 71 CAPÍTULO 6.- PLACAS DE CIRCUITO IMPRESO Antonio Ragel Morales Para hacer una prueba completa del sistema se implementó también un cable con 2 sensores y un conector RJ-11 que puede verse en la fotografía : Fig 23.-Cable con sensores A la hora de hacer el cable es importante conocer la conexión exacta asociada a los terminales del conector RJ-11, de forma que la línea de datos y la de alimentación lleguen correctamente a los sensores. El orden asociado a dichos pines se puede ver en el siguiente diagrama, donde se muestra una vista frontal del conector macho RJ-11 de 6 hilos: RA3 VDD(5V) DATOS/RA0 GND ANALOG/RA1 Fig 24.-Identificación de pines del RJ-11 En el caso de que solo se usen los sensores de temperatura no necesitaremos más que usar las líneas de DATOS y GND. La línea de ANALOG permite conectar sensores analógicos al sistema si se desea, disponiendo también de una línea de alimentación en el caso de que dichos sensores la necesiten. Las líneas etiquetadas como RA0, RA1 y RA3 se usan para la programación del PIC junto con las líneas GND y VDD. Estás líneas se Proyecto fin de carrera: Sistema portátil para medida distribuida de temperatura utilizando el microcontrolador PIC 72 CAPÍTULO 6.- PLACAS DE CIRCUITO IMPRESO Antonio Ragel Morales corresponden con la entrada de datos de programación, el reloj y la tensión de programación respectivamente. Disponemos además de una línea adicional libre que podría usarse para futuras expansiones del sistema. Finalmente se hizo una pruba final del sistema comprobando que el funcionamiento era el esperado. Una imagén del sistema funcionando se puede ver a continuación. Fig 25.-Sistema completo funcionando El interruptor de la derecha sirve para encender y apagar el sistema, mientras que los 2 botones sirven para iniciar la configuración del sistema el de la izquierda y para gestionar la memoria el de la izquierda. Proyecto fin de carrera: Sistema portátil para medida distribuida de temperatura utilizando el microcontrolador PIC 73