Отладочная плата для Arduino Nano

На данный момент плата используется как учебная, тестер модулей для различных микроконтроллеров (МК) и для создания законченных конструкций с минимальным изменением топологии печатной платы. В общем, достаточно универсальная. Как всегда универсальность - это компромисс, который, считаю, был достигнут.

На плате имеется:

• одно место используется для E01-ML01DP5 2,4ГГц или LoRa-01 433МГц. Одновременно их можно подключить используя вариант «на проводках».
  
• SIM800L + конвертер уровней 5 <-> 2.7 В для него,
  
• LCD ST7735S 128x128 или 128x160,
  
• МСР23017/ MCP23S17 - расширитель на 16 портов с широкими возможностями конфигурирования направления, прерываний и с вариантами шин IIC (TWI) и SPI,
  
• часы на DS3231 + 24С32 (можно заменить на FM24C32 или FM24C64),
  
• гнездо под микро-SD с конвертером уровней 5 <-> 3,3В на LVC125A «Catalex vl.0»,
  
• стабилизатор AMS1117 на 3.ЗВ для плат Arduino Nano без оного,
  
• зажимы KF141R-2.54 питания 4В для SIM800,
  
• 5В - питание от стабилизированного напряжения и зажимы для напряжения 7-9В,
  
• зажимы для питания дополнительных модулей на 5 и 3.ЗВ
  
• 16 зажимов расширителя портов, 2- для ADC и 4 - для портов от самой
  Arduino Nano.
  
• Каждый порт имеет свой «общий» зажим соединённый с минусом
  
• DIP-переключатели DS1040-XXX (ВДМ-1-ХХ) выбора адреса МСР23х17 и выводов прерываний МК от различных источников.
  

Перемычка J1 используется для подключения стабилизатора 3.3 В установленного на плате Arduino Nano к другим потребителям, в случае использования внешнего U1 она не требуется.

J2 и J3 дают 2 варианта подключения цепи сброса GSM модуля, через конвертер уровня и напрямую соответственно.
J4 обходит ключ ШИМ-управления яркостью ST7735 на транзисторе VT1.
J5 подключает вход ADC6 для контроля напряжения питания GSM модуля SIM800L.
J6 подключает вывод опорного напряжения к 3.3 В.
C1 и R3 - внешняя цепь сброса.
D1 - защита от ошибочной смены полярности при использовании БП с напряжением выше требуемых 5 В.

Входные цепи 16-ти портов расширителя и 4 от платы СО-С4 служат для подавления помех для защиты от повреждений и ложных сигналов. Туда входят, на примере 1-го входа расширителя XS1, R4, 5, 6, 68, С36, стабилитрон D7. Для защиты аналоговых входов служит сборка PRTR5V0U2X.

DIP- переключатели:
SW1 - подключает сигнал прерывания от порта А расширителя (вывод ITA) на вектор прерываний О (D2 Nano)
SW2 - подключает сигнал прерывания от порта В расширителя (вывод ITB) на вектор прерываний 1 (D3 Nano)
SW3, 4, 5 - выбор адреса расширителя если он с шиной IIC, A2, A1, A0 соответственно
SW6, 7, 8, 9 - подключают шину расширителя, если он с шиной SPI, MISO, SS, MOSI, SCK
SW10, 11 - подключают шину IIC, SCL, SDA соответственно
SW12, 13 - подключают сигнал прерывания от E01-ML01DP на 1 (D3) и 0 (D2) соответственно
SW14, 15 - подключают сигнал прерывания от DS3231 на 1 (D3) и 0 (D2) соответственно

Модуль LoRa-01 с шагом выводов 2 мм, предназначен для поверхностного монтажа, был распаян на переходной плате с конвертером уровней TXS0108 в корпусе TSSOP-20 и антенным разъёмом IPX (U.FL).



Конвертер «Catalex vl.О» c LVC125A для использования «из коробки» не пригоден , была произведена доработка. Оторван вывод 13 и припаян к выводу 8 или можно к SMD-резистору R1 что подключен к выводу 9, разницы в работе не замечено.

На фото со всеми модулями платы вверху виден разъём SMA с гайкой, накрученный на антенный выход. Так вот, между центральным выводом и корпусом разъёма припаяны параллельно 2 сопротивления SMD типоразмера 1206 по 100 Ом каждый, что даст в сумме 50 Ом и 0,5 Вт рассеиваемой мощности. Это служит эквивалентом антенны и позволит не сжечь транзистор выходного усилителя. При работе на передачу в постоянном режиме с мощностью даже 100 мВт без нагрузки грозит выходом из строя модуля, а ведь ещё бывают и 500 мВт. При экспериментах приём-передача стабильно работает в пределах стола при минимальном уровне мощности.

Концепция повторного использования предыдущих наработок подтвердила свою эффективность. Сокращение времени до получения рабочего устройства, стало возможно быстро и малозатратно удовлетворять дополнительные требования. Удобно настраивать несколько модулей за раз используя разъёмное соединение. Свойства важные в условиях дефицита ресурсов.

Были разработаны и изготовлены GSM/ радиосигнализация, система сбора и логирования информации, учёт времени работы технологического оборудования. В работе многоканальная гирлянда, электрические защиты электродвигателей, технический учёт расхода электроэнергии, управление отоплением и освещением промышленных объектов, технологическим оборудованием.

Печатная плата рисовалась в Sprint Layout для изготовления методом ЛУТ, со стороны деталей используется 37 перемычек, несколько из них устанавливаются по мере надобности. Сначала сверловка плат выполнялась вручную. С помощью Anet A6 с минимальной доработкой получилось добиться приемлемого качества автоматического сверления. Процесс изготовления печатной платы до запаянной занял примерно сутки. Ширина зазора между дорожками в некоторых местах 0,2 мм и 0,3 мм и более в остальных. Ширина дорожек 0,5 мм минимум, в основном 0,7 и 0,8 мм.



Компоновка элементов исходя из размеров фольгированного стеклотекстолита FR-4 продаваемого в интернет-магазинах 100x150 мм. На модули запаиваются не квадратные шпильки 0,8 мм в «родном» исполнении, а занимающие меньшую площадь круглые, диаметром 0,5 мм. Они не мешают проходить проволочным перемычкам между ними со стороны деталей, легче провести дорожку между их площадками для пайки и сразу же дают возможность снять и запаять проверенный - настроенный -модуль в рабочую плату.



Нижний левый угол платы перегружен слоем шелкографии из-за расположенного под модулем SIM800L преобразователя уровня. Для лучшего рассмотрения подробностей можно переключаться между изображениями модулей. Как это сделать. Ставим переключатель активного слоя в положение M2 и выключаем отображение слоя K1. Теперь если навести стрелку указателя на контактные площадки и нажать, будут выделены контрастным цветом все элементы относящиеся к модулю. Размещаю фотографию платы без модулей которые можно снять без пайки.



На фотографии платы отсутствуют элементы входных защитных цепей и зажимы питания 5 и 3,3В. Но печатная плата нового варианта их содержит, они присутствуют и на принципиальной схеме. Стеклотекстолит лучше брать потолще. Во всяком случае не страшно брать с собой на выезд, 2 мм - самое то. В случае если зажимы будут не KF141R-2.54 где усилие прилагается параллельно плате, а KF141V-2.54 где нужно нажать на защёлку сверху, стоит использовать текстолит 2,5 мм и дополнительные упоры снизу. KF141V требуют небольшой корректировки платы, у них заглушка-пустышка с другой стороны.

Далее фото модуля конвертера уровней для SIM800L. Отдельный стабилизатор для питания низковольтной части собран прямо на этой же плате конвертера. Он простейший параметрический и состоит из сопротивления 200 Ом и стабилитрона 2,7 В запаянных в отверстия для входного напряжения 5В и «общий» соответственно . Другие два вывода вместе запаяны в отверстие для питания меньшего напряжения.



Теперь о перемычках. Как видно на фотографии они залиты «соплями» — это клей БФ-6. После запайки плата отмывается от флюса спиртом, можно изопропилом, можно этиловым и наносится слой клея до растекания по расположению перемычек . Ускорять процесс сушки нагревом не стоит, запузырится. В качестве флюса используется спирто-канифольная смесь, наносится кисточкой на дорожки и высушивается. Категорически не советую паять с применением паяльных паст, например АМТЕ С RMA-223, BS-10 и с прочими достижениями китайского химпрома. Первой паять страшно: «...может вызывать рак, врожденные дефекты или другие репродуктивные заболевания. Только для промышленного использования. Не для продажи, несанкционированного распространения или личного использования», а вторую не отмоет спирто- бензо- ацетонохрен знает какая смесь. Причём BS-10 в круглых баночках имеет не стабильный в массе состав и периодически вызывает взаимные утечки на местах пайки. Перемычки из жилок монтажного многожильного провода d 0,3-0,4 мм, можно не лужёные, но свежеизготовленные. Отверстия под них со стороны без дорожек раззенковываются для увеличения радиуса изгиба и большей натяжки без обрыва при пайке. Вот так:



На плате внизу осталось свободное место, оно предназначено для схем контроллера аккумулятора, зарядного устройства и преобразователя на напряжение 5 В из 3,7-4,2 В. На данный момент схема питания не отработана до конца, испытываются различные варианты.

За время написания продолжения статьи возникла проблема с модулями часов на DS3231 (схема модуля ниже). С новыми модулями новые батарейки начали вздуваться. Сами модули начинали спешить или отставать, вызывать сбои. По схеме цепь подзаряда содержит диод и сопротивление 200 Ом, что явно предназначено для использования аккумуляторов LIR2032. Резистор пришлось выпаять. Сама микросхема часов потребляет не более 70 мкА при питании от батареи. Надёжнее плановая периодическая замена CR2032.



Модуль Ra-01 пришлось запаять на промежуточную плату (есть в архиве) с конвертером тоже изготовленную ЛУТ. Фото модуля без крышки на плате показана выше . Рисунок дорожек нужно перевернуть зеркально. Плата имеет дополнительный штырёк питания 5 В для конвертера TXS0108, на самой плате есть подсказки как поменяется назначение штырьков по сравнению с E01-ML01DP5.

Источник: Домашняя лаборатория №11 2020

Скачать: Отладочная плата для Arduino Nano (печатная плата)