CAPÍTULO 6. PLACAS DE CIRCUITO IMPRESO.

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
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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.
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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.
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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.
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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:
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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
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Fig 21.-Parte superior de la caja
Fig 22.-Detalle del conexionado entre ambas partes de la caja
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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
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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.
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