Desenvolvimento de Produtos Eletrônicos e PCB com Arduino

Então vamos botar lá à mão na massa, primeiro vamos definir o nosso produto levando em consideração primeiramente aquele check list de verificação com o cliente, o produto que vamos fazer é um case CLP para arduino para podermos controlar equipamentos.

• Qual o custo máximo do projeto?

      R$250,00

• Quantas peças vamos fazer?

      10

• Existe alguma tecnologia exigida?

     É exigido o uso de um arduino como processador

• Quais são as entradas de informação, qual o tipo de sinal, qual o tipo de informação, como elas devem ser tratadas?

      O projeto deve conter entradas digitais para sensores indutivos fotoelétricos, fins de curso e botões

• Quais as saídas de informação, o que deve ser acionado, com o que deve se comunicar?

       O equipamento deve conseguir ligar relés acopladores a relés de estado sólido

• Quais as exigências dimensionais?

      O equipamento deve ser compacto e ser possível de fixação em trilho din para poder instalar diretamente em painéis elétricos

• quais as propriedades mecânicas?

   A placa deve estar dentro de um case, as entradas e saídas deve ser através de bornes com parafuso

• quais as exigências de segurança?

   Deve haver uma segurança para se a entrada de alimentação for ligada ao contrario não danificar o equipamento

Check list de segurança

• É impossível que alguém seja eletrocutado no meu equipamento, todas as partes eletrificadas estão isoladas, e devidamente sinalizadas.

    O case deve ser fabricado de material isolante sem contato com as partes eletrificadas

• É impossível que alguém se machuque no meu equipamento, não existem arestas cortantes ou peças pontiagudas expostas.

    O case deve ser isento de partes cortantes

• Caso o fornecimento de energia do meu equipamento seja interrompido ele não corre o risco de machucar alguém, por inércia de peças, ou falta de travamento.

    Ao ser desenergizado todas as saídas devem imediatamente serem desligadas

• Caso o equipamento tenha uma pane existem formas alternativas de interromper o funcionamento.

    Um botão de emergência deve ser adicionado a todo projeto para retirar a energia do sistema em caso de pane

• O equipamento é devidamente resistente mecânica e eletricamente.

    Para garantir a resistência mecânica, vamos escolher um case bem resistente, e vamos isolar todas as entradas e saídas do nosso clp com optoacopladores para garantir a resistência elétrica, vamos colocar um diodo para impedir que o clp seja ligado incorretamente.

Com essas informações já tem grandes chances de você entregar o produto que o cliente quer sem precisar voltar a falar com ele durante o projeto, mas é importante pegar o máximo de informação possível, então pergunte e anote além dessas informações tudo o que achar importante, assim fechamos essa primeira parte agora vamos definir as tecnologias que vão atendê-las, bora lá.

Uma coisa muito importante que você vai aprender nesse curso é quanto custa prototipar e até mesmo fabricar um projeto eletrônico, às vezes as pessoas veem meus vídeos no youtube das placas que eu faço e me pedem orçamentos de projetos exclusivos e logo percebem que o valor que elas estão dispostas a pagar é muito menor que o custo real do projeto, após o final deste curso você vai saber quanto custa o seu projeto e com isso quanto vai precisar cobrar para ter lucro.

A planilha financeira precisa ser começada agora pois antes do final da parte de definição das tecnologias ela já vai estar previamente preenchida com uma expectativa de custos do protótipo, e uma projeção para o custo do produto, é preciso disso para sabermos se o custo total vai atender o custo esperado pelo cliente.

A planilha tem 3 paginas e vão ser preenchidas conforme formos definindo os materiais,

A primeira página vai ser dos custo do protótipo

A segunda vai ser dos custos do produto

A a terceira vai ser somente para exibição do total

De agora em diante vamos usar essa planilha em quase toda aula um pouco.

A primeira coisa que eu gosto de considerar é aonde nós vamos colocar essa placa, eu vejo muita gente montando painéis elétricos com arduino e colocando dentro do painel um arduino com jumpers ligados em módulos relé para acionar máquina, e isso não é muito legal pois os jumpers podem se soltar e causar problemas, eu mesmo já fiz ligações assim para testar meus projetos e quem sabe você esteja aqui por esse motivo, para conseguir fazer os seus projetos terem uma aparência mais profissional, se é isso você está no lugar certo, vamos falar agora de algumas possibilidades de cases que temos disponíveis aqui no Brasil para você usar nos seus próximos projetos,

Case de mercado

Existem alguns cases prontos para comprar é uma empresa que é referência deste produtos no brasil é a Patola, para esse projeto a quantidade de entradas e saídas vai ser definida pelo case, como você pode ver aqui no site deles temos diversos cases que podem ser conectados no trilho din e oferecem local para bornes, esse possui 9 bornes cada lado com isso nós conseguimos fazer 9 entradas de um lado duas entradas de energia com o +24 e o 0 do outro e mais 7 saídas, aí você pode modificar isso para se adaptar ao seu projeto existe um com 6 bornes cada lado existem outros formatos como os que se parecem com relés de tempo, para equipamentos que será feito baixa quantidade eu sempre recomendo adaptar o projeto para um case desse.

Case de acrílico

Outra possibilidade é fazer um case de acrílico como tem vários na internet, eles não tem um visual muito profissional, mas se você tem algum conhecimento de desenho 3d você pode fazer um case personalizado e mandar cortar.

Case injetado

Você pode também projetar o case e mandar injetar, a questão aqui é a quantidade, pq o maior custo de um produto injetado é o molde de injeção que chega facilmente a 100 mil, então para ser um produto viável seria necessário fazer ao menos 5 mil peças, e ter disponível esse valor de investimento, o que pode limitar alguns projetos, principalmente no começo, mas cogite essa ideia caso o seu projeto escalar para algo maior, isso com certeza deixa muito mais profissional e exclusivo o seu trabalho.

Impresso 3D

Outra opção é imprimir o case em impressoras 3d, o valor vai ser um pouco mais alto que cases prontos em média o dobro, e você precisa saber desenhar em softwares 3d, o tempo de entrega também não é dos melhores, pois o processo de impressão 3d é lento.

então está certo temos o primeiro componente definido, esse case custa com o frete em torno de 45 reais você pode mandar uma mensagem para a patola e solicitar um orçamento do case que desejar ou então comprar em uma revenda, vamos adicionar esse valor na nossa planilha de custos e vamos para a definição do restante do projeto.

O nosso processador foi previamente definido, nós temos que fazer um clp com arduino, para isso vamos usar um arduino nano, mas caso o seu processador ainda não tivesse sido definido você deve usar as informações passadas pelo cliente para defini-lo, vamos ver as condições do cliente e ver se poderíamos usar outro processador.

nós precisamos ler entradas digitais e escrever saídas digitais, temos que nos comunicar com ihm e talvez com outros clps por algum protocolo de comunicação, e temos que ter a possibilidade de programar nosso processador

levando em consideração essas especificações me vem à mente ao menos 3 processadores.

o PIC que é um chip muito parecido com o atmel que é usado no arduino, mas tem a dificuldade de não possuir uma placa com o circuito de gravação integrado, isso poderia ser feito a parte, ou mesmo ser usado só o processador e o circuito de gravação ficar em outra placa e ser usado a parte.

Poderíamos usar também um nodeMCU que tem como chip o esp8266 que além de ter as mesmas facilidades do arduino ainda possibilita conectar com a internet via wifi, e eu realmente não consigo pensar em nenhum motivo para não fazer esse projeto com o esp8266 ou esp32, a não ser pq nós definimos no início que a tecnologia utilizada vai ser o arduino, então vamos optar por arduino e ao fim desse curso você já vai possuir os conhecimentos necessários para fazer com o esp e pode fazer essa melhoria por conta

Por fim temos o arduino que é uma placa que além de atender todas as nossas exigências possui muita documentação livre na internet, muitas bibliotecas, têm um preço bem acessível e disponibilidade no mercado melhor que as outras duas opções.

enquanto você está definindo o seu processador você deve abrir o datasheet dele e verificar algumas coisas como, a definição das portas de entrada e saída, como elas podem ser usadas, por exemplo o arduino possui algumas portas que só podem ser usadas como entradas, algumas que só podem ser analógicas, algumas que são para comunicação, é preciso ver também qual a tensão de operação, quais outros circuitos são necessários para fazer o ci trabalhar adequadamente, no nosso caso como vamos usar o arduino ele já possui alguns circuitos integrados na placa dele, então vamos tratar o arduino como o nosso processador e ver o que ele precisa para funcionar

o arduino já possui um regulador de energia então nós precisamos disponibilizar para ele uma tensão que pode variar de 12 a 6 volts, vamos definir que vamos usar 8,5Volts o +8,5 volts vai ser ligado no pino Vin e o gnd em qualquer pino gnd do arduino, o arduino nano tem 21 portas, vou passar alguns macetes aqui para você mas você consegue encontrar todos na internet e no datasheet do arduino.

-os pinos 2 e 3 são entradas rápidas, então é bacana deixar eles como entrada para o nosso circuito.

-os pinos A6 e A7 só podem ser usado como entrada analógica, eu uso como digital e depois faço via software ele funcionar como digital, mas não tem como você colocar um digitalread no A6 e no A0 até o A5 sim.

- o pino 13 tem um led ligado, por isso eu uso ele como entrada, as vezes quando você está gravando o arduino ele pisca esse led, e se for uma saída isso pode ser um problema

-A4 e A5 são também SDA e SCL que são os pinos usados para comunicação i2c entre outras, deixo esses pinos separados para ligar periféricos.

-RX e TX podem ser usados como portas digitais mas não recomendo, sempre deixo eles acessíveis na placa caso queira usar para algo

então temos para entradas os pinos

13, A0 , A1 ,A2 , A3, A6, A7, 2 ,3

e para saídas

11, 10, 9, 8, 7, 6, 5

para comunicação

A4 , A5 , RX , TX

Tem um bônus bem legal que vou fazer nesse projeto, vamos deixar aqui em cima na ligação do rx tx os bornes de uma forma que possa ser ligado um esp01, o esp01 é uma versão compacta do nodeMCU com isso nós vamos poder conectar esse projeto a internet, o que vai aumentar muito as possibilidades de uso.

Outro item importante é escolher como vamos alimentar cada componente do nosso circuito, para isso precisamos definir a tensão ea corrente que vamos precisar, a corrente consumida pelo arduino é de 47mA como vamos dar a possibilidade de ligar um esp01 e também uma ihm que pode ser ligada no arduino vamos disponibilizar 2 A na saída do nosso circuito 8,5v.

Outra coisa que você precisa levar em consideração é qual a tensão da entrada de energia, o nosso caso nós vamos ligar ele dentro de um painel elétrico, todo o circuito de controle em um painel é 24v corrente contínua então vamos usar como base esse valor.

Quando eu comecei a projetar placas eu sempre quis fazer minhas fontes, eu achava que iam ter menos ruídos, seriam mais baratas e a placa ficaria menos, mas isso não é verdade, hoje eu uso e recomendo colocar uma fonte de mercado eu vou mostrar qual eu uso e mais alguns modelos que existem na internet, essa aqui é a que eu isso hoje ela está 13,90 se você procurar na internet todos os componentes separados dela vai ver que é mais caro que comprar ela pronta, o regulador que usa nela já é com feedback e o circuito tá bem feito, e se você procurar por comentários desta placa na internet vai ver que ela funciona muito bem, eu posso alimentar ela com 3,5v até 40v, e regular em até 1,5v, e ela me fornece 2A, é o que nós precisamos para o nosso projeto,

Se você digitar regulador de tensão no Google vão aparecer vários modelos e você só precisa achar o que se adequa ao seu projeto, uma fonte que eu ainda não usei mas que está só esperando o momento certo são as fontes da hi-link tem vários modelos que são com entrada de 127 a 220 corrente alternada e saída 5vcc, elas tem um preço bem legal e se parecem com um rele, isso deixa a placa com um aspecto muito bom, e me parece um custo beneficio muito bom quando for preciso usar corrente alternada para outro componente e contínua para o processador, e por último já que eu falei dele, você pode usar um regulador de tensão que é um ci que regula a tensão, existem vários modelos e nos vamos usar um para ligar o nosso esp01, pois como nosso circuito trabalha com 5V e nosso esp01 com 3.3 vamos precisar baixar essa tensão para isso vamos usar um LM1117-3,3 com isso vemos um pouco dessas duas possibilidades que resolverão 80% dos seus casos, o datasheet do LM1117 recomenda a utilização de mais dois capacitores eletrolíticos de 10uf então vamos adicionar tudo isso na nossa planilha financeira.

1 X regulador 8,5v R$13,9

1 X LM1117 R$2,15

2 X Capacitor eletrolítico smd 10uf R$1,06 cada

Como falamos todo circuito possui entradas, desde o mais simples, um controle de nível de uma caixa d'água tem como entrada o sensor de nível, nós definimos com nosso cliente que nossas entradas devem ser capazes de ler botões, sensores e fins de curso, como nós estamos esperando usar essa placa em painéis elétricos e como falamos a tensão de trabalho neles é de 24V, então se eu quiser ler um senso ou um botão, vindo dele vai ter uma tensão de 24V, então nós temos que nossa entrada vai ser um pulso de baixa frequência 24V.

Sempre é muito importante isolar o máximo possível o circuito interno da nossa placa no meio externo, a forma mais viável para esse tipo de isolamento num projeto como esse é usar o um opto acoplador, o optoacoplador possui um encapsulamento e dentro dele um led e um fototransistor, quando você aciona o led o fototransistor permite a passagem de corrente assim nos podemos ler o acionamento de uma entrada sem qualquer ligação elétrica entre a porta do nosso processados e o equipamento que acionou.

fazer um optoacoplador ligar é um conceito muito simples você precisa ligar um led, para isso só precisamos de um resistor limitador de corrente

eu fiz um circuito no tinkercad vou deixar o link aqui para vocês

Posteriormente nos vamos montar esse circuito na protoboard para testar também na faze de prototipagem, mas por enquanto o tinkercad consegue exemplificar o uso.

outra coisa que não podemos esquecer é o resistor de pulldounw ele é muito importante para não termos flutuação de sinal no nosso sinal de entrada, ele esta aqui ligado ao gnd no nosso projeto.

Para as saídas nós vamos usar apenas um resistor e um transistor, é extremamente simples eu sei, mas eu vou explicar por que vai ser assim, colocando um resistor npn eu faço um regulador de corrente controlado por tensão, essa na verdade é a descrição de um transistor, isso vai fazer com que se eu tentar ligar um componente que puxe mais corrente que o transistor permite simplesmente não vai ligar o equipamento mas não vai danificar nosso circuito, e como esse transistor é npn nós vamos ligar todos os gnds juntos e você pode ligar reles 12v, 24v ou até 9v nesses transistor.

nos vamos usar um transistor smd BC817 ele nos permite uma corrente de saída que fica em torno de 110mA, é o suficiente para ligar um relé acoplador e um relé de estado sólido, mas caso você queira ligar um relé maior como aquele utilizados em carros você precisa ligar um relé acoplador antes e fazer esse relé ligar o próximo, como nosso intuito com esse projeto não é esse uso vamos manter assim, mas você pode desenvolver um com um transistor mais forte ou com uma saída relé, eu recomendo sempre que você for acionar algo procurar circuitos na internet, sempre tem alguém que já tentou fazer algo parecido e você pode pegar umas ideias.

Nesse circuito apesar de muito simples eu tenho muita confiança nele pois já testei em diversos projetos que fiz, sempre funcionou muito bem e atendeu minhas expectativas.

como antes fiz

como nas entradas fiz um circuito no tinkercad para você ver esse circuito agora com uma entrada e uma saída, eu vou ensinar a usar o tinkercad eu uma aula sobre prototipagem mais pra frente, aí você vai poder modificar e fazer as alterações que quiser, mas se você der uma olhada agora quando eu aciono aqui a entrada ele esta ligando a saída e esta acionando nossa lâmpada.

Comunicação é um assunto bem importante, muitas vezes você precisa se comunicar com outros equipamentos e para isso precisa saber qual protocolo de comunicação vai ser usado, no nosso caso vamos deixar disponíveis duas formas de comunicação, vamos deixar o rx e o tx disponíveis para conectar com um esp01 e vamos deixar o A4 e o A5 disponíveis para comunicar por i2c com outros equipamentos, como vamos utilizar esse equipamento na indústria seria interessante disponibilizar uma conexão RS485, mas para isso é necessário adicionar alguns componentes na placa, como esse não é o nosso objetivo caso queira conectar este equipamento com esse meio você pode usar as portas A4 e A5 para esse fim e adicionar uma placa para essa comunicação, e se o seu projeto exige esse tipo de comunicação é só adicionar os componentes ao seu circuito, vou colocar aqui a imagem de um circuito com o max485 que você pode usar e testar, vou dar um tempo para você fazer um print, nas próximas aulas vamos testar nossos circuitos e começar a fazer o projeto, você pode ir montando jundo e adicionando os componentes a mais que desejar ter no seu projeto, agora nos acabamos toda a parte teorica, as proximas aulas serão todas praticas, vamos primeiro testar e validar tudo, depois vamos começar a projetar nosso circuito.

Agora que nos temos o nosso projeto pronto eu recomendo muito fazer um protótipo, existem algumas formas de fazer o protótipo de uma placa de circuito, eu vou falar de alguns deles aqui suas vantagens e desvantagens.

vamos começar pelo prototipo em placa perfurada, é o protótipo mais rápido de se fazer pois é só você comprar uma placa perfurada que custa R$15,00 e ir soldando os componentes, mas esse método tem um grande defeito, o protótipo fica muito diferente da placa final, por esse motivo eu não uso essa forma de prototipagem, ele acaba tendo a mesma serventia que uma protoboard, da para testar somente o funcionamento, você não tem noção de dimensão ou da posição das trilhas reais.
uma outra forma é o método corroído, para isso é utilizado percloreto de ferro diluído em agua, e utilizado uma placa que tem o miolo de fibra de vidro ou de fenolite e uma camada bem fina de cobre em uma ou nas duas faces, quando você mergulha a placa no percloreto ocorre uma reação química que coroe o cobre da placa e o remove, você pode controlar a corrosão da placa, fazendo um desenho encima com tinta apropriada, você pode fazer esse desenho de diversas formas.

a mão livre com uma caneta permanente

difícil fazer o desenho e a qualidade da placa não fica boa, mas é rápido e barato

transferência térmica, você imprime em uma impressora laser e transfere atraves de calor a tinta apra a placa

dificuldade média, grande fidelidade ao projeto final investimento moderado

com tinta ou filme fotossensível

difícil requer mais investimento, alta fidelidade ao projeto

o investimento médio para fazer placas assim é de cem reais, o nosso protótipo eu vou ensinar fazer dessa forma, por que essa forma não requer muito investimento nem muita pratica, e entrega um resultado muito próximo ao projeto final.

e por ultimo temos o método por fresagem em uma cnc, esse é o método que eu uso hoje, ele requer um investimento maior, você precisa comprar uma cnc que custa em torno de 4 mil reais, mas o prototipo fica idêntico ao produto final, esse método tem uma curva de aprendizagem que para mim levou uma semana, esse foi o tempo que eu levei desde que chegou a maquina até conseguir fazer placas com agilidade e qualidade.