"Киберскважина" - серия статей о разработке DIY контроллера управления скважинным насосом и мониторинга состояния оборудования кессона с доступом по WiFi на базе микроконтроллера ESP32 под управлением умного дома Home Assistant. Файлы проекта доступны на GitHub.
После разработки принципиальной схемы и макетирования отдельных узлов будущего устройства можно приступить к его изготовлению.
Конструктивно контроллер будет выполнен в форм-факторе din-реечного модуля для электрощитка. Корпус для изготовления такого устройства у меня давно валялся незадействованным. Эти корпуса продаются разных форм и размеров за вполне вменяемые деньги. Конкретно мой вот этот:
Удобен тем, что:
1. Внутри предусмотрены упоры и защёлки для крепления двух печатных плат - основной нижней и дополнительной под лицевой панелью.
2. Легко разбирается на части:
3. Рассчитан на установку популярных винтовых клеммников KF128:
Разводку печатной платы я выполнил в том же редакторе, в котором рисовал и принципиальную схему - EasyEDA. При трассировке я учитывал, что никакой металлизации отверстий не будет, поэтому максимально разводил по нижней стороне, где контакты деталей будут доступны для пайки. Сверху можно будет пропаять только резисторы, остальные элементы закроют свои верхние контактные площадки корпусом.
Там, где нужно выполнить переход с нижнего слоя на верхний, я закладывал в качестве переходных обычные отверстия, в которое при монтаже будет впаиваться проволочная перемычка. Такие отверстия я помечал кружком в слое шелкографии, чтобы при монтаже не забыть их все пропаять:
Слой шелкографии здесь только для наглядности и удобства монтажа, на реальной плате его не будет, да он там и не нужен. Нужные надписи я сделал сразу в слое меди.
Файл печатной платы в формате json для импорта в EasyEDA
Уже при отладке обнаружилась ошибка в разводке. Для удобства трассировки я подключил цепь, идущую от резистора R11, к ноге платы микроконтроллера IO12. Однако забыл учесть тот факт, что эта нога не простая, она задействована интерфейсом HSPI и требует притяжки у нулю во время загрузки, после чего её можно использовать как обычный порт IO. А в моей схеме так получилось, что притяжка этой цепи сделана к единице, и микроконтроллер, разумеется, не загрузился и не заработал.
Пришлось отрезать печатный проводник от IO12 и кинуть перемычку на свободный пин IO26. Вот это место:
Но это было потом, а сначала я принялся за изготовление платы.
Признаюсь честно, это первая моя плата, которую я делал по всем известной технологии ЛУТ (лазерно-утюжная технология). До этого я обычно обходился объёмным монтажом на слепышах, получалось иногда не очень красиво, но вполне работоспособно. Все эти устройства в настоящее время продолжают успешно эксплуатироваться без защиты лаком и без гермокорпусов, в том числе и в неотапливаемых условиях, уже по несколько лет:
А ещё раньше, в далёкое советское время, когда я всё же травил печатные платы, то рисовал дорожки вручную рейсфедером и лаком.
И вот наконец решил затестить ЛУТ. Чтобы более-менее нормально перевести отпечатанный рисунок на плату мне потребовалось четыре итерации. То недогрел, то слой съехал, то перегрел и весь тонер расплылся в стороны. На четвёртый раз получилось неплохо, но идеального совмещения слоёв всё же не получилось.
Хотя ЛУТ уже описана всеми, кому не лень, я тоже опишу свой опыт, мне тоже не лень. Тем более что вменяемого способа совмещения двух слоёв на плате я не нашёл и придумал свой.
Для начала из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1.5 мм и слоями меди по 35 микрон вырезал заготовку по форме слепыша, штатного для моего din-реечного корпуса. Резать стеклотекстолит очень просто - обычным канцелярским ножом сделать около десятка прорезов с каждой стороны так, чтобы была прорезана медь и часть стеклотекстолита, а затем просто сломать его по этому разрезу:
Затем рёбра платы и медные поверхности нужно обработать наждачкой, самой мелкой которая найдётся:
И вот теперь моё ноу-хау, на оригинальность не претендую, но выдумал сам.
Для совмещения слоёв необходимо выбрать какие-то четыре отверстия, расположенные максимально близко к углам платы и просверлить их на заготовке. Для этого из EasyEDA экспортирую в pdf и печатаю два слоя - верхнюю шелкографию и границы платы. На месте четырёх отверстий предварительно рисую перекрестия в слое шелкографии:
Обрезав распечатку по контуру, аккуратно закрепляю её на заготовке скотчем:
Затем шилом намечаю угловые отверстия на заготовке, делая это максимально точно в центрах перекрестий. Намечаю с достаточной силой, чтобы продавилась медь и сверло потом не съехало с точки кернения:
После засверливаю отверстия сначала минимальным диаметром (в моём случае 0.6 мм), а затем диаметром под канцелярскую кнопку. Для изготовления платы специально купил карбидно-вольфрамовые свёрла, вот такие. Очень классные, и хвостовик как раз под мой Dremel. Вообще Дремелем сверлить платы неудобно, но он у меня есть, а сверлильного станка нет, и покупать его ради таких разовых работ смысла тоже нет:
Теперь можно распечатать рисунок слоёв платы на принтере. Я использовал вот эту фотобумагу для струйных принтеров:
Лазерный принтер прекрасно печатает на её глянцевой стороне. В редакторе EasyEDA сделал экспорт верхнего и нижнего слоя в формат pdf. При этом надо не забывать включить зеркалирование для верхнего слоя, а для нижнего не нужно. Для экспорта выбрал слой меди, т.н. "многослойный" слой (это контактные площадки в переводе на русский в интерфейсе EasyEDA) и слой границ платы.
При печати pdf'а масштаб автоматически сохраняется правильным, за этим следить не нужно:
Затем обрезал лишнюю бумагу с запасом по периметру платы сантиметра три, на глазок:
Перед печатью в редакторе EasyEDA я намеренно уменьшил диаметр сверления угловых отверстий так, чтобы осталась только маленькая белая точка в центре контактной площадки.
Затем, положив лист на плотную но мягкую подложку (в моём случае это был фетр), очень аккуратно проколол канцелярской кнопкой бумагу в центрах этих угловых отверстий. Это самый ответственный этап, так как даже в процессе прокалывания игла может уехать в сторону. Должны получиться отверстия максимально симметричные с контактной площадкой, вот тут почти:
После этого тщательно обезжириваем плату спиртом с обеих сторон и пальцами больше к ней не прикасаемся. И собираем бутерброд на канцелярские кнопки:
Внимательно следим за тем, чтобы правильно совместить рисунки сторон платы между собой (не перевернуть вверх ногами):
Теперь скрепляем листы степлером:
Все фотки из разных итераций, поэтому немного отличается бумага (я пробовал разные типы бумаги). Скрепки сжимаем плоскогубцами, так как они немного толще платы и будут мешать утюжить:
Теперь аккуратно переворачиваем бутерброд и укладываем на ровное и жёсткое место для утюжения:
Нажимаем сверху на плату, кнопки вылезут сами:
С этого момента стараемся не прикасаться к бутерброду, чтобы случайно не сбить положение платы внутри него. Готовим утюг. Я не парился с температурой и просто выставил максимальную. Дождавшись полного прогрева, аккуратно приложил утюг на бутерброд и без движений прогрел плату несколько секунд, чтобы отпечаток прилип к плате. Теперь можно не боятся двигать, плата уже не съедет.
Первую сторону платы я утюжил две минуты, тщательно разглаживая её во все стороны, отдельное внимание уделяя углам, так как они прогреваются хуже всего. Затем перевернул плату на другую сторону и утюжил ещё полторы минуты. После чего оставил в покое остывать.
После полного остывания обрезал края бумаги со скрепками и пошёл отмачивать под струю воды:
Пробовал снимать бумагу насухую. Она снимается, но не вся, нижний слой не отлипает. Поэтому под водой пальцами отшелушивал бумагу со всей поверхности. По разным видео было непонятно насколько прочно держится тонер. Оказалось - прочно, даже очень, пальцами точно не сотрёшь. Получился вот такой результат:
По углам платы тонер не пристал (всё же недогрел), дорисовал маркером. По остальной площади огрехов никаких нет. Однако надписи расплылись, да и ширина дорожек тоже увеличилась с 1 мм до 1.3 мм. Возможно, слишком усердно давил на утюг. В каких-то предыдущих итерациях в этом плане результат получался лучше. Но я уже задолбался оттачивать техпроцесс, и решил что и так нормально.
Недостатки ЛУТ очевидны - нужно тщательно подбирать режимы работы, трудно обеспечить повторяемость результирующего качества. Однако для домашнего эпизодического изготовления результат отличный. Но всё же в следующий раз я рассмотрю вариант заказа изготовления печатной платы на производстве.
Осталось плату вытравить и засверлить отверстия. Тут всё по классике. Травил в растворе подогретого хлорного железа, непрерывно покачивая плату в растворе. Процесс занял около пяти минут. Так быстро потому, что я купил безводное хлорное железо и сделал раствор более концентрированным, чем рекомендуется, и перед травлением нагрел его в водяной бане (поставил банку с раствором в тазик и включил горячую воду минут на десять).
После травления смыл остатки хлорного железа проточной водой, а затем смыл тонер растворителем 647. Результат лично для меня, впервые воспользовавшегося ЛУТ, впечатляющий:
Честно, не ожидал такого качества, получил истинное эстетическое наслаждение:
Небольшие несущественные протравы образовались только по углам, под маркером. По остальной площади платы огрехов нет. Можно смело уменьшать ширину дорожек до 0.5 мм в следующий раз. Обнаружил всего одну залипуху, которую легко удалил ножом:
Засверливал все отверстия сначала диаметром 0.6, затем нужные рассверливал большим диаметром. Слои в итоге немного съехали, но не критично:
Всё. Плата готова. Можно паять.
