От идеи до прибора

В наше время очень много информации в интернете посвящено «Arduino» и другим подобным платам. Для Arduino выпускаются много различных готовых модулей. Мы же будем учиться делать приборы из самых хороших модулей — микросхем!

Сделать прибор в домашних условиях на базе микросхем не на много сложнее, чем собрать из готовых модулей. Нужно только разработать схему, сделать плату и все спаять. Он будет очень компактный, его функциональность будет сопоставима с лучшими образцами, которые можно купить на рынке.

Вы научитесь в домашних условиях самостоятельно делать двусторонние печатные платы очень хорошего качества (почти бесплатно, без специального оборудования). В свободной продаже можно приобрести почти любые микросхемы, корпуса, любые кнопки. Открытый бесплатный софт позволят программировать микроконтроллеры, моделировать схемы, разрабатывать платы любой сложности. Это все, что нужно.

Мы покажем как рождается прибор от идеи до финального его вида. По окончанию обучения вы сможете сделать такие сложные приборы как: mp3 плеер, bluetooth колонка, автосигнализация, гпс трекер, диктофон, плату дистанционного управления оборудованием на даче, квадракоптер, сотовый телефон с голосовым управлением, bluetooth громкую связь в машину и многие другие.

Если у вас есть собственные приборы — присылайте нам - мы сделаем их доступными всем. Наш девиз — не покупай не нужную электронику — лучше сделай сам. Opensource в программирование — open hardware в приборостроении.

Как пользоваться сайтом

Сайт делится на два больших раздела: Теория и Приборы.

Раздел Теория обязателен к прочтению. Сведения приведённые в этом разделе не повторяются в статьях о приборах и предполагается, что вы освоили необходимые статьи теории.

Раздел Приборы содержит все приборы размещённые на сайте. Каждый прибор содержит ссылки на разделы теории, которые необходимы для его реализации. Рекомендуется прочитать их еще раз перед изготовлением прибора. Везде, где это возможно прилагается открытый исходный код — который вы можете модернизировать под свои нужды. Все чертежи, схемы, платы можно скачать. В каждой статье про прибор есть самостоятельные задания - очень рекомендуем их сделать — это повысит ваш уровень знаний — ЛУЧШЕ самостоятельной практики ничего нет.

Все приборы размещены в определённом порядке — от простого к сложному. Рекомендуется делать их именно в этом порядке. Есть приборы, которые потом используются для изготовления следующих приборов — они указаны в статье на специальной закладке. Если вы решили какие-то приборы не делать, то рекомендуется прочитать статью про прибор и освоить теоретический материал в каждой статье. Каждая статья про прибор содержит в себе часть теории напрямую связанную с прибором и в дальнейшем не повторяется и не дублируется. Считается, что вы сделали все предыдущие приборы (ну или хотя бы прочитали все предыдущие статьи по приборам). Также порядок изготовления приборов выбран таким образом, чтобы можно было начать с минимальными вложениями — вначале нужен только паяльник. Далее из него мы делаем паяльную станцию, потом первый простой прибор — велокомпьютер и т.д. Первые приборы совсем недорогие и легкие в изготовлении.

Зачем делать приборы самому?

Электроника сейчас повсюду. Мусорное ведро с процессорным управлением, электронный градусник, датчик алкоголя — все что хотите — это все электронные приборы. Электроника повсюду.

Рыночная экономика требует от производителей как можно быстрее выпускать изделие на рынок, делать его как можно дешевле. В итоге много приборов которые нас окружают имеют низкое качество, небольшой набор функций, слишком дорогие, а зачастую они просто неудобны в обращении.

На текущий момент более 60% всех электронных устройств которые нас окружают можно произвести в домашних условиях. Имея компьютер, в них можно заложить необходимые функции путем программирования. Грамотно подбирая компоненты можно получить более качественные устройства чем есть на рынке, более дешевые, обладающие нужными функциями.

Таким образом, первый ответ на вопрос — чтобы получить прибор с нужными параметрами.

Для того чтобы сделать прибор необходимо обладать многими навыками — уметь программировать, уметь паять, уметь читать и составлять электрические схемы, уметь разрабатывать печатные платы, быть дизайнером.

Второй ответ на ответ вопрос - научится всем этим навыкам. Знания — сила.

Чтобы разработать прибор, необходимо понять основные принципы его работы. Понять механизмы работы различных датчиков. Знать возможности и ограничения электроники на данный момент.

Третий ответ на вопрос — лучше разбираться в предлагаемых на рынке изделиях и делать правильный выбор при покупке готовых изделий.

Продолжать можно бесконечно. Думаю, что уже этих ответов достаточно, чтобы заняться этой интересной, многогранной темой. Путь от идеи до конечного прибора безусловно долгий, сложный и сопряжён с большими рисками. Наш ресурс поможет сделать данный путь проще и короче. Сделав несколько устройств, которые мы разбираем на данном ресурсе — вы уже сможете делать самостоятельно простые приборы. Дойдя до конца — до самых сложных устройств — вы сможете делать оригинальные приборы, которые смело можно выставлять на KickStarter или другую площадку.

На этой позитивной ноте начнём погружение.

Какие приборы мы будем делать?

Время в которое мы живём - можно смело назвать цифровым. Нас окружает множество электронных устройств. Начиная от наручных часов и заканчивая автомобилем, компьютером. В каждом устройстве находятся процессоры. Большие, маленькие — разные. Мы будем делать цифровые приборы на основе микроконтроллеров.

Все приборы, которые мы будем делать достойны производства и выглядят как законченные изделия - имеют корпус, кнопки, современную начинку — li-ion аккумуляторы, различные высокоточные датчики, современный функционал. Делая каждый прибор, вы постигаете различные навыки, методики и осваиваете разные стороны приборостроения. Пользуясь ими, вы видите все их минусы и недостатки. Только так можно сделать качественную вещь.

Каждый прибор мы будем разбирать максимально подробно — от идеи и его основных функций - до конечного вида. Именно в этом направлении должны идти и ваши мысли. Читая статьи, у вас будет складываться правильная модель мышления, и этот процесс в дальнейшем позволит вам реализовывать самые смелые идеи — быстро, качественно, эффективно.

Каждый прибор — это опыт. Каждый необходимо сделать — пощупать, увидеть, попробовать на зуб. Собирая устройство — вы проходите весь цикл от идеи до конечного вида. Понимаете как удобнее делать плату в будущем, где размещать разъёмы, как правильно организовать питание. Пройти этот путь только в теории невозможно. Только когда вы сами начнёте пользоваться прибором — придут мысли как его сделать лучше. Даже если предложенный прибор кажется не интересным, не нужным — все равно его надо сделать, и например, подарить другу (подруге) — мало ли применений можно найти. Опыт, который вы получите — стоит очень дорого — его нельзя купить — его надо заработать.

Ограничения домашнего производства

В настоящее время электронные приборы достигли очень высокой сложности. Например процессор в ноутбуке имеет более 1000 выводов и при этом размер 3х3 см. Работать с такими элементами в домашних условиях не возможно.

Основное ограничение домашнего производства — это печатная плата. Конечно его можно обойти — и заказать печатные платы на заводе. Но к сожалению сделать печатные платы в России очень дорого, в Китае — долго ждать. Так что, мы ограничимся домашними печатными платами. Какую же печатную плату можно сделать дома:

• двух сторонние платы

• толщина дорожек — 0.2 мм

• расстояние между дорожками — 0.2 мм

• диаметр переходного отверстия — 1.4мм - а лучше 1.6мм

• расположение переходных отверстий не под компонентами

Второе не маловажное ограничение — это размер компонент и корпуса микросхем. В домашних условиях можно паять паяльником следующие корпуса элементов:

• SSOP

• QFP

• резисторы и кондецаторы лучше не меньше 0603 — хотя можно 0402

• все выводные компоненты - DIP корпуса

• естественно корпуса большего размера

С помощью паяльного фена можно запаять корпуса:

• QFN

• LGA (однорядные)

Практически не реально паять корпуса:

• BGA

• многорядные LGA

Итак, практически все можно паять кроме многорядных корпусов. Вот наши «враги»:

А это наши друзья (их гораздо больше) :

Таким образом можно паять практически все однорядные копоненты. Например очень легко запаивается датчик УФ (он у нас будет в приборах) размером 2х3 мм VEML6075, увеличенно смотрится ничего так себе

а вот его размер на плате:

когда его берёшь в руки немного страшно — зато когда он работает — дух захватывает.

Также хочется отметить, что практически не реально в домашних условиях делать высокочастотные платы — с частотой больше 1 ГГц. Это как правило радио передатчики и приемники на частоте 2.4 ГГЦ например (можно только брать готовые модули). Также все возможные ТВ приставки, тюнеры, радио усилители и частотные фильтры, работа с памятью DDR2 и т.д.. Все это требует специального оборудования для настройки, сложного расчёта при проектировании плат — необходимо учитывать емкости и импеданс переходных отверстий и дорожек.

Можно сказать, что практически все микроконтроллеры с выводами не более 200 ног можно использовать в домашних приборах, а также большинство выпускаемых датчиков. На начальных этапах можно использовать готовые мини платы с датчиками на борту, которые массово продаются в китае на Aliexpress.

Какие микроконтроллеры мы будем использовать

Так как мы будем учиться делать приборы, то важно сразу усвоить простую истину — не надо ни в коем случае себя ограничивать каким то одним микроконтроллером. Многие пишут — ATMEGA от ATMEL — лучшие микроконтроллеры. Другие — STM32 — самые мощные и дешевые. Наша основная задача сделать прибор — дешевый, компактный и т. д. И мы будем выбирать микроконтроллер под прибор. В каких то приборах лучше использовать ATMEGA, в каких то STM32, где то NPC, где то NUVOTON.

Практически все микроконтроллеры очень похожи между собой, все их можно программировать на «Си». Среды программирования также очень похожи. Таким образом у нас будут проекты на:

• Stm8

• ATMEGA

• Nuvoton

• Stm32

Вы увидите, что между всеми ими много общего. Код очень похож. Так что, не надо бояться выбирать незнакомый микроконтроллер. Если у него есть нужная периферия, он имеет больше памяти, нужные электрические параметры — то он НАМ подходит. В статье про микроконтроллеры мы будем подробно рассматривать какую основную периферию имеют разные микроконтроллеры, какие параметры важны для проекта, как выбирать микроконтроллер под проект.

Начнём мы с самых недорогих и довольно мощных микроконтроллеров — STM8S003. Первые проекты будут именно на этом микроконтроллере. Почему именно он?

• Цена — он очень дешевый, не жалко испортить

• У него отличный для ручной пайки корпус — TSSOP20

• Минимальная обвязка для работы — пару конденсаторов и все

• Он имеет отличный программатор, отладчик — который мы сами сделаем (STLink)

• Среда программирования имеет симулятор — что иногда очень полезно

• У него не плохие параметры — широкий выбор напряжения — от 3в до 5в, высокая частота — до 24Мгц, широкая периферия UART, SPI, I2C, ADC

• Различные режимы энергопотребления — в том числе спящий режим с потреблением 5мкА

В дальнейшем в более сложных приборах — будут очень мощные микроконтроллеры. Например в Квадрокоптере будем использовать STM32F405 — 1024kB FLASH, 192kb RAM, частота 168Мгц, FPU модуль.

Основные стадии разработки прибора

При разработке любого прибора мы будем проходить следующие основные стадии. Перечислим их здесь и разберём для чего они нужны.

Ну что же - теперь мы можем начать. Пройдём все эти стадии на практике.