Mirley - Elektronika i Programowanie

Opis ten ma na celu pomóc w zrobieniu płytki i uruchomieniu układów elektronicznych. Jest przeznaczony dla początkujących ale nie tylko, zawiera informacje mówiące o zasilaniu układów elektronicznych i ich montażu. Postaram się także napisać kilka wskazówek na temat pierwszego uruchomienia układu elektronicznego, co może pomóc uniknąć strat związanych z uszkodzonymi elementami oraz troszkę na temat mikrokontrolerów AVR. Opis ten jest oparty tylko i wyłącznie na doświadczeniu i własnych błędach a nie na żadnym podręczniku.

1. Wykonanie płytki

Absolutnie na samym początku należy sprawdzić skalę wykonanej płytki, najlepiej oczywiście jeszcze przed jej wykonaniem, żeby nie okazało się iż wydruk zrobiony jest w powiększeniu na przykład 95% lub coś podobnego (Dwa pierwsze zdjęcia pokazują zły wydruk, wykonany w złej skali. Kolejne dwa zdjęcia pokazują wydruk w poprawnej skali wydrukowany "bez dopasowywania wydruku do strony", opcja ta ma być odznaczona w Adobe Reader). Jeśli wykonamy płytkę w takich rozmiarach to wlutowanie układu scalonego będzie niemożliwe i cała robota pójdzie do kosza. To samo dotyczy strony wydruku, a mianowicie jeśli wykonujemy płytkę prasując wydruk z drukarki laserowej to ma on być zrobiony bez odbicia lustrzanego (tak jak widać ścieżki od strony elementów gdyby laminat był przezroczysty :)). Niedopilnowanie tego zabiegu także spowoduje że cała praca pójdzie na marne.

2. Przed lutowaniem

Przed przystąpieniem do lutowania własnoręcznie wykonanej płytki warto ją dobrze pooglądać ze wszystkich stron. Należy zwrócić szczególną uwagę na podtrawione ścieżki (rysunek 1), które mogą być przerwą w obwodzie, lub na niedotrawione kropki (rysunek 2) występujące na płytce, jeśli taka kropka zostanie między blisko położonymi ścieżkami to na bank będzie tam zwarcie, a z uruchomieniem układu będą poważne problemy. Jeśli widzimy że na płytce ścieżki idą bardzo blisko siebie możemy oglądnąć płytkę pod lampką i sprawdzić czy nie ma zwarcia. Wszystkie niedoskonałości (zwarcia) na tym etapie można łatwo usunąć za pomocą noża do tapet (rysunek 3). Jeżeli płytkę wierciliśmy samodzielnie to dobrze jest skontrolować czy wszystkie dziury na pewno są wywiercone i czy mają dobre średnice. Szczególnie jest to ważne przy elementach z grubymi wyprowadzeniami takimi jak mostek prostowniczy, złącza ARK, triaki i tranzystory w obudowach TO-220. Ważne są także punkty do których mamy zamiar wlutować bezpośrednio przewody, ponieważ jak nie trudno zgadnąć przewód musi się zmieścić w otwór w całości, obcinania kilku drucików z przewodu linkowego nie są dobrym pomysłem. Dobrze jest także od razu na samym początku przewidzieć otwory montażowe w płytce i wywiercić je przed lutowaniem. Kombinowanie z wiertarką na gotowej płytce jest przeważnie utrudnione i sprowadza się w większości przypadków do wiercenia trzymając płytkę w powietrzu, co nie jest bezpieczne, a dodatkowo precyzją nie grzeszy :)

3. Lutowanie płytki

Płytkę można zlutować na wiele sposobów ale najlepiej zrobić to tak aby było jak najłatwiej. Montaż rozpoczynamy w większości przypadków od elementów najmniejszych, w konstrukcjach amatorskich najmniejszym elementem często stosowanym na płytkach jednostronnych jest zwora. Taki niepozorny element a bez niego na pewno nic nie będzie działać. W drugiej kolejności najłatwiej zamontować rezystory "leżące", można włożyć do płytki od razu więcej i przylutować po jednej nóżce każdego, a jak już się będą trzymać, to wtedy pozostałe wyprowadzenia (Spoiwo lutownicze powinno dobrze przylegać do płytki i oblewać nóżkę elementu równo dookoła (rysunek 1)). Kolejne elementy montujemy od najmniejszych do największych, uważając w międzyczasie na biegunowość takich elementów jak dioda lub tranzystor. Jeśli nie jesteśmy pewni wyprowadzeń to używamy google wpisując nazwę elementu (np. BC546 +pdf). Ważna jest także biegunowość kondensatorów elektrolitycznych ("-" jest zaznaczony na obudowie w formie paska, lub po prostu minusem)(rysunek 2) oraz ich napięcie pracy które musi być większe od napięcia na nich panującego w normalnych warunkach. Pod układy scalone warto stosować podstawki, a pod układy programowalne (mikrokontrolery) jest to konieczne (wyjątkiem są układy SMD). Podczas programowania można skutecznie unieruchomić mikrokontroler i wtedy wylutowanie wielonóżkowego układu nie jest prostą sprawą. Układy scalone wkładamy do podstawek dopiero po wstępnym uruchomieniu układu. Na samym końcu przykręcamy (do złącz typu ARK) lub lutujemy przewody i przystępujemy do uruchomienia układu.

4. Pierwsze uruchomienie układu

Przed podłączeniem zasilania kolejny raz należy sprawdzić poprawność montażu, a przynajmniej pooglądać dobrze płytkę. Można nawet skontrolować zwarcia za pomocą miernika. Jeśli na płytce nie mamy napisane gdzie jest masa (GND) a gdzie + to śledzimy ścieżki na płytce do momentu napotkania na kondensator filtrujący lub inny element dla którego ważna jest polaryzacja napięcia i o ile nie popełniliśmy błędu wcześniej to dowiemy się gdzie jest + i - (równie dobrze można skorzystać ze schematu, na którym zaznaczony jest przeważnie + za pomocą nazwy VCC, VDD, +5V itp, oraz masa GND). Gdy mamy wszystko sprawdzone na płytce to kontrolujemy poprawność napięcia zasilania za pomocą miernika, a następnie podłączamy nasz układ do napięcia (bez układów scalonych, powinny być wyjęte z podstawek). Wykonujemy teraz szereg testów począwszy od sprawdzenia temperatury układu (czy np. stabilizator nam się nie odlutowywuje sam z płytki lub elektrolit nie pęcznieje). Dobrze jest mieć amperomierz w zasilaczu albo podłączyć na chwilę układ przez amperomierz aby zobaczyć czy pobór prądu mieści się w sensownych granicach dla danej konstrukcji (np. układ z mikrokontrolerem i kilkoma migającymi diodami nie powinien pobierać 1A więc jak tyle płynie to znaczy że coś jest nie tak). Jeśli wszystko wygląda w porządku to mierzymy napięcia w obwodzie, głownie na podstawkach dla układów scalonych (rysunek 1 i 2), czy są poprawne i występują na dobrych pinach. W pierwszym kroku dobrze jest zmierzyć napięcie na wyjściu stabilizatora jeśli mamy go w obwodzie (szczególnie jeśli pochodzi on z demontażu).

Po tych czynnościach wyłączamy napięcie zasilania i wkładamy w podstawki układy scalone (jeśli występują w obwodzie). Po ponownym włączeniu zasilania wszystko powinno działać bez problemu o ile sercem układu nie jest mikrokontroler, bo w takim przypadku musimy go jeszcze zaprogramować.

5. Najczęstsze problemy z działaniem układu

Najczęściej problemy z działaniem pojawiają się gdy chcemy bardzo szybko zrobić układ i lutujemy go byle jak. Zawsze warto dobrze kontrolować na bieżąco co się lutuje i w którym miejscu. Jeśli mamy już gotowy układ a on jednak nie działa to w pierwszym ruchu sprawdzamy czy zasilanie jest poprawne. Mierzymy napięcie w charakterystycznych punktach obwodu aby porównać z tym co powinno tam się znajdować. W drugiej kolejności kontrolujemy wszystkie punkty lutownicze dobrze je oglądając i poprawiając (z użyciem pasty lutowniczej i cyny) te które wyglądają podejrzanie (rysunek 1 i 2). Jednocześnie sprawdzamy czy nie ma zwarć między blisko położonymi punktami lutowniczymi, wprowadzamy poprawki. Kolejnym problemem są wartości elementów, szczególnie małych rezystorów z kodem paskowym. W kiepskim świetle paski o różnych kolorach mogą wyglądać bardzo podobnie. Może się zdarzyć że zamiast np. 10R wlutujemy 1R lub 180R a to na pewno sprawi problem (rysunek 3).

6. Programowanie uC i problemy z wykrywaniem mikrokontrolera przez programator

Jeśli u wkładzie mamy mikrokontroler to musimy go jakoś zaprogramować, najprostszym sposobem ale również dość kłopotliwym jest włożenie procesora do specjalnego programatora i zaprogramowanie. Sposób ten jest dobry tylko w momencie gdy chcemy wgrać gotowy program, ponieważ każda modyfikacja programu pociąga za sobą konieczność przekładania uC. Drugim sposobem, najczęściej przeze mnie wykorzystywanym jest programowanie za pomocą szeregowego programatora bezpośrednio w budowanym układzie (Mikrokontrolery AVR). Programowanie polega najczęściej na dołączeniu do specjalnego złącza lub dolutowania od spodu płytki 5 przewodów (MOSI, MISO, SCK, RESET, GND) do odpowiednich pinów mikrokontrolera (wyprowadzenia do znalezienia w karcie katalogowej mikrokontrolera, przeważnie na drugiej stronie lub na schemacie budowanego urządzenia) oraz kilku kliknięć w specjalnym programie komputerowym (np. BASCOM AVR, BURN-O-MAT itp.). Nie wystarczy podłączyć samego programatora (chyba że jest bardziej zaawansowany i ma możliwość zasilania programowanego układu) ponieważ procesor musi być zasilany podczas programowania napięciem 5V. Na rysunku 1 i 2 pokazano wyprowadzenia mikrokontrolera, które należy podłączyć do programatora (na przykładzie ATTiny2313 i ATMega16). Dodatkowo programatory na port LPT, działające na podobnej zasadzie co STK200/300 muszą same być zasilane z programowanego układu, więc wtedy linia VCC programatora musi być podpięta do zasilania procesora, a on sam podłączony do zasilania 5V (można wykorzystać zasilacz na płytce budowanego układu). Inne programatory jak np. USBASP podłączane na USB zasilane są z tego portu i wtedy ich linia VCC jest źródłem zasilania dla programowanego procesora, jeśli ją podłączymy. To że programator ma swoje zasilanie nie znaczy że procesor i układ programowany nie mogą być zasilane z innego źródła, należy tylko pamiętać o podłączeniu wspomnianych 5 pinów a w szczególności masy (GND).

Główną przyczyną problemów z wykrywaniem procesora przez programator jest brak podłączenia masy między programatorem a programowanym układem (Podłączone tylko MISO, MOSI, SCK i RESET a GND już nie), drugim problemem jest brak zasilania mikrokontrolera podczas programowania. A najtrudniej z pozoru do wykrycia jest niepodłączone zasilanie do programatora STK200/STK300, przez co jego bufor sygnałowy nie działa i nie przenosi sygnału. Przy wszystkich tych zabiegach należy uważać aby nie podłączyć zasilania z dwóch miejsc naraz, bo np. port USB w komputerze może nie wytrzymać gdy podłączy się do niego 5V z zewnątrz.

7. Testowanie Wyświetlacza LED

Gdy budujemy układ mikroprocesorowy z wyświetlaczem LED (wielosegmentowym, multipleksowanym) to warto sprawdzić czy wszystkie segmenty świecą prawidłowo, zanim rozpoczniemy kombinowanie z programem. Najprostszy sposób sprawdzenia wyświetlacza przedstawię na podstawie układu Uniwersalnego Wyłącznika Czasowego. Na początku korzystając ze schematu ideowego identyfikujemy wyprowadzenia mikrokontrolera do których został podłączony wyświetlacz. Na rysunku 1 wyprowadzenia te zostały zaznaczone kolorem niebieskim (sterowanie anod za pomocą tranzystorów) oraz czerwonym (katody wyświetlaczy). Jak nietrudno zauważyć stanem aktywnym w tym przypadku jest zero logiczne i zwarcie do masy jednej z katod (lub większej liczby katod naraz), równocześnie z jedną z linii sterujących powoduje zaświecenie odpowiedniego znaku na jednym z wyświetlaczy. Na przykład zwarcie linii 28 w podstawce procesora do masy włączy czwarty wyświetlacz i po podaniu jednocześnie masy na piny 3 i 4, zaświeci się na nim 1 (segmenty b i c).

Po wyjęciu procesora identyfikujemy na płytce wyprowadzenia w podstawce procesora do których został podłączony wyświetlacz. Rysunek 2 pokazuje podstawkę z zaznaczonymi pinami, kolor niebieski (sterowanie anod za pomocą tranzystorów) oraz czerwony (katody wyświetlaczy). Za pomocą dwóch cienkim przewodów dołączonych do masy układu zwieramy w podstawce odpowiednie piny(jeden przewód zwiera do masy sterowanie anod a drugi katodę wyświetlacza). Po podłączeniu (jak na rysunku 3) nóżki 28 i 12 do masy powinniśmy zobaczyć taki sam efekt, czyli świecący segment g na czwartym wyświetlaczu. Wyświetlacz testujemy dotykając przewodem (podłączonym do masy) po kolei do każdej z katod, przy jednoczesnym zwarciu jednej z linii sterującej anodami do masy. Gdy każdy z segmentów zaświeci, podłączamy masę do kolejnej linii sterującej anodami (w tym przypadku pin 27) i sprawdzamy czy wszystkie segmenty świecą na wyświetlaczu trzecim. Czynności powtarzamy aż nie sprawdzimy wszystkich wyświetlaczy. Rysunek 4 przedstawia odpowiedź wyświetlacza na inne stany na pinach w podstawce. Gdy wszystko świeci jak powinno, możemy zająć się programowaniem i mieć pewność że tranzystory sterujące są sprawne, a wartości rezystorów odpowiednie.