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Lección #2: PCB #2 Diseño de una PCB para el control de un relevador por bluetooth usando Arduino

En el nivel II de este curso, se va a diseñar una PCB de dos capas, para ello se va a trabajar en un circuito que controle un relevador usando bluetooth y la popular plataforma Arduino, el relevador se usa para controlar cargas de corriente alterna o corriente directa, el control se va a realizar mediante un teléfono celular, recuerde el objetivo de esta lección es empezar con el diseño de la PCB de dos capas para el circuito en mención, así que el artículo se centra más en el diseño de la PCB que en los detalles técnicos del mismo proyecto, partimos de la imagen siguiente donde se muestra justo cuando se probó con éxito el proyecto en la protoboard.

Desde el teléfono se envía vía bluetooth la señal de activación, el módulo bluetooth recibe la señal la transfiere a la tarjeta Arduino UNO, este lo lee y activa o desactiva el relevador según el dato enviado, eso es todo.

Liberando el Atmega328P

En la imagen anterior se muestra el circuito final del proyecto, no es la mejor presentación que digamos, pues usa el Arduino, la protoboard y los componentes, todo por separado y con un montón de cables dupont, se puede mejorar y es por eso lo diseñaremos en la PCBs, como se menciona en nuestro articulo: 3 Razones para Hacer el Cambio de la “protoboard” a un Circuito Impreso o PCB

Además de todo eso, solo se usan unos pocos pines del Arduino (4 para ser exactos) así que por donde quiera que se le vea, es mejor hacer nuestra propia PCB, sin usar toda la tarjeta Arduino Uno, este articulo de la pagina oficial de Arduino, muestra los detalles de todos los componentes necesarios para tener Arduino en una protoboard: https://www.arduino.cc/en/Main/Standalone

Tomando como base lo anterior se pueden realizar pruebas y dejar listo el diseño para que, desde una protoboard podamos controlar el relevador, sin usar la tarjeta Arduino, solo sus componentes esenciales, la imagen siguiente muestra esto.

Aún sin Arduino, se notan un montón de cables,la presentación sigue siendo muy pobre, así que insistimos es mejor una PCB, el circuito se probo y dejo quedo 100% funcional, lo que sigue ahora es diseñar la PCB, como se verá a lo largo de las siguientes lecciones.

Componentes de la PCB y su librería de EAGLE

Para iniciar con el diseño de la PCB y más si apenas estamos aprendiendo, conviene identificar las librerías de los componentes, así que es lo que se hará enseguida, por facilidad se va a dividir el circuito en tres partes funcionales, como se observa en la imagen siguiente.

Fuente de Alimentación

Es la encargada de recibir el voltaje para alimentar el circuito (hasta 12Volts), se forma en esencia por un regulador lineal de voltaje, el popular 7805 para reducir el voltaje a 5 Volts y sus capacitores asociados (2), se agrega un LED con su respectiva resistencia, que enciende cuando se conecta la protoboard a voltaje. La imagen siguiente muestra esta parte.

Observe la imagen se remarca un cable que es el de voltaje de entrada de 12 Volts, que viene de la fuente de alimentación, este cable junto con el cable de tierra o GND que no se muestra en la imagen, alimentan al circuito, de alguna forma estos dos cables deben llegar a la PCB para recibirlos usaremos un conector de tornillo (bornera, clema, bloque de terminales o no se como lo conozcas) como los mostrados en la imagen siguiente.

Con lo anterior estaría lista la parte de alimentación de nuestra PCB, lo interesante es ubicar la librería de cada componente que se ve en la protoboard, como se entiende que apenase se está aprendiendo a usar EAGLE, vamos a agregar, a la tabla la librería a usar, recuerde que los componentes todos los que se usan en EAGLE están almacenados en librerías, basta con identificarlos para poder usarlos.

Componente Librería en EAGLE Nombre del componente
Regulador 7805 v-reg.lbr 78XXS
LED de 3mm Sparkfun-LED.lbr LED3MM
Conector de tornillo con-wago-508.lbr W237-02P
Resistor de 220 Ohm Sparkfun-Resistor.lbr 1KOHM-HORIZ-1/4W-5%
Capacitor de 100 uF SparkFun-Capacitors.lbr 10UF-POLAR-RADIAL-2.5MM
VCC SparkFun-PowerSymbols.lbr VCC
GND SparkFun-PowerSymbols.lbr GND

Se agregan también los símbolos de voltaje y tierra para usarlos en el diagrama esquemático.

Observaciones

  • La mayoría de las librerías usadas, son diseñadas por la empresa “SparkFun” no vienen incluidas en la instalación de EAGLE, pero se pueden descargar desde el siguiente enlace.

https://github.com/sparkfun/SparkFun-Eagle-Libraries

  • En la lección #4 del Nivel I, al final de la lección, se muestra como almacenar una librería que no viene incluida en EAGLE, por si el lector desea saber la ruta donde se recomienda guardar la librería descargada y como se hace para “activarla”.

Componentes Mínimos para el Arduino UNO

Siguiendo con la imagen del diseño, ahora se muestran los componentes mínimos usados para que el ATMEGA funcione en una protoboard.

Ahí se muestran todos los componentes necesarios, remarco con flechas como llegan cables ahí son los del programador del Arduino (convertidor USB-Serial) que sirve para transferir el programa al ATMEGA. Para la PCB que estamos diseñando vamos a usar una tira de pines para recibir ahí los cables del programador de Arduino, una tira como esta muy común.

En la siguiente tabla se enumeran cada uno de los componentes de esta parte del diseño, con su respectiva librería.

Componente Librería en EAGLE Nombre del componente
ATMEGA328P SparkFun-IC-Microcontroller.lbr ATMEGA328P_PDIP
Resistor de 10K Sparkfun-Resistor.lbr 1KOHM-HORIZ-1/4W-5%
Capacitor cerámico de 0.1 uF SparkFun-Capacitors.lbr 22PF-PTH-2.54MM
Cristal de cuarzo (16 MHz) SparkFun-Clocks.lbr CRYSTAL-16MHZPTH
Capacitores de 22 pF SparkFun-Capacitors.lbr 22PF-PTH-2.54MM
Conector para el programador SparkFun-Connectors.lbr CONN_05

Componentes para la Aplicación

Finalmente quedan los componentes para la aplicación, que consta del módulo Bluetooth, el relevador y sus componentes asociados, en la imagen siguiente se observan.

Sección de la aplicación

Se remarca con una flecha el Bluetooth, observe que usa pines macho para su conexión, para recibir el módulo en la PCB vamos a usar una tira de pines hembra como la de la siguiente imagen:

Tira de pines hembra

También en la imagen se remarcan dos cables y unos LEDS, se usaron para probar los contactos de salida del relevador,  eso implica pues que tenga que colocar un conector al relevador para llegar con la carga que deseamos controlar, en este caso fueron LEDs, así que se acostumbra usar un conector de tornillo de 3 pines para los contactos del relevador, uno como el mostrado en la imagen siguiente

conector de 3 posiciones

Con esos detalles ya se puede ver en la tabla las librerías necesarias para el diseño de esta parte de la PCB.

Componente Librería en EAGLE Nombre del componente
Conector para el Módulo Bluetooth SparkFun-Connectors.lbr CONN_05
Relevador Relay.lbr G5L
Transistor 2N2222 SparkFun-DiscreteSemi.lbr TRANS_NPN-2N3904
Diodo 1N4001 SparkFun-DiscreteSemi.lbr DIODE-1N4148
Resistor de 1K Sparkfun-Resistor.lbr 1KOHM-HORIZ-1/4W-5%
Bloque de terminales (3 posiciones) con-wago-508.lbr W237-3E

Con esta lección se deja todo listo para iniciar con el diseño del diagrama esquemático en EAGLE, para la PCB de dos capas que se desea realizar, se muestra exactamente la librería a usar para el diseño, no se detallan los datos técnicos de el por que se usa un componente u otro pues esta lección se centra mas en lo que nos interesa, que es el diseño de la PCB, aún así si se tienen dudas con todo gusto las resolvemos basta con dejar un comentario en la parte de abajo o enviarnos un correo a ventas@pcbcentral.com

En la siguiente lección se detalla las conexiones exactas del proyecto pues se realizará el diagrama esquemático del circuito.

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