Como fabricei e vendi crachás eletrônicos - Parte 1: Projetando e prototipando o quadro

Escrevi esta série de posts principalmente para mim, ou pelo menos para alguém que está tentando fazer algo eletrônico para vender. Se for você, espero que isso o ajude em sua jornada! Se você quiser apenas ver o produto final, poderá encontrá-lo em https://hortus.dev/products/social-battery .

Este é um post longo, então o dividi em partes para facilitar a digestão. Estes são:

1. Projetando e prototipando a placa (este artigo)
2. Vendendo os protótipos online
3. Do protótipo à produção

Introdução

Eu queria experimentar o serviço de montagem de PCB da JLC - embora eu tenha projetado e fabricado PCBs simples antes de colocar e soldar componentes manualmente, tenho alguns projetos futuros em mente que serão impraticáveis de soldar manualmente devido à quantidade e tamanho dos componentes.

É incrível como esse serviço é barato quando você pensa no que está envolvido, mas ainda é caro o suficiente para que possa ser um pouco assustador entregar seu dinheiro e depois esperar para descobrir se você cometeu algum erro que arruinará o resultado final.

Decidi começar com algo simples, algo que pudesse testar não apenas a montagem de PCB, mas também o comércio eletrônico. Meu plano era criar um item pequeno que eu pudesse projetar de forma realista e enviar para fabricação em menos de um dia e, com sorte, vender com razoável facilidade em um mercado como o Etsy.

Eu esperava que o lado do design e da fabricação fosse a parte difícil e listar o produto no Etsy fosse fácil, mas foi exatamente o contrário, como você verá se continuar lendo!

O produto

Fiz uma rápida varredura no Etsy para ver os tipos de coisas que as pessoas estavam vendendo com sucesso e que eu poderia fazer. Encontrei alguns exemplos de pessoas fazendo crachás eletrônicos - o projeto perfeito! Eles consistiam principalmente em LEDs com um padrão de flash aleatório ou predefinido em uma placa em formato de novidade.

Pareciam bons para mim, mas eu queria tentar algo um pouco mais interativo e significativo que pudesse vender por dinheiro suficiente para obter uma margem razoável em um pequeno número de unidades iniciais.

Olhando para os crachás normais vendidos no Etsy, vi um monte de alfinetes esmaltados de 'Bateria Social' com um indicador deslizante. Isso imediatamente me chamou a atenção como algo com o qual a) eu poderia me identificar pessoalmente (as pessoas fazem piadas intermináveis sobre minha bateria social...), b) seria muito divertido como uma versão eletrônica, ec) seria fácil de projetar - apenas um alguns LEDs, um interruptor e um microcontrolador para unir tudo!

Projetando e prototipando a placa

Confiante em minhas habilidades, criei um diagrama de circuito rápido no Kicad. Decidi usar um ATtiny13A - principalmente porque tinha alguns em mãos de um projeto anterior e porque tenho uma boa experiência com chips semelhantes.

Se você não estiver familiarizado com ele, o ATtiny13A é um pequeno microprocessador de 8 bits com 6 pinos IO e faz parte da família AVR de MCUs. É semelhante aos chips ATmega que historicamente estiveram no centro da maioria dos Arduinos, exceto que seus recursos são muito mais limitados.

A vantagem é que a linha de chips ATtiny é menor e mais barata, então se você não precisa de muita memória ou periféricos, eles são ótimos! (embora possivelmente um pouco desatualizado agora com a infinita variedade de chips ARM disponíveis).

Eu coloquei o PCB para o meu circuito no KiCad, depois fiz com que ele cuspisse os gerbers e os arquivos de perfuração (que são usados para fabricar o PCB), e a lista de materiais e os arquivos de posicionamento (que são usados para montar componentes nos PCBs) . Enviei-os ao JLC PCB para ver se eles conseguiam processá-los corretamente.

Os arquivos BoM e de posicionamento precisaram de alguns ajustes em relação ao padrão para colocá-los no formato correto (acontece que fiz isso da maneira mais difícil e há um plugin muito mais fácil para KiCad que faz tudo perfeitamente com um único clique).

JLC PCB mantém uma biblioteca bastante grande de componentes que mantém em estoque para pedidos de montagem. No entanto, no meu caso, o ATtiny13a não estava disponível, então tive que encomendá-los. Isso foi bastante simples usando o serviço de fornecimento global. Consegui encontrar o fornecedor com o melhor preço para a quantidade que eu precisava e então deixei a JLC PCB encomendá-los para seu armazém em meu nome.

Enquanto esperava, pensei que seria melhor montar meu design e começar a trabalhar no código, e estou feliz por ter feito isso, porque descobri imediatamente um problema! Meu projeto usou cinco dos pinos IO disponíveis no ATtiny13a para acionar os LEDs diretamente (sendo o sexto usado para monitorar o botão).

O que não percebi/lembro da última vez que cometi esse erro (sim, já aconteceu antes), foi que um desses IOs também é o pino de reset. Você pode usá-lo, mas ele não é capaz de fornecer muita corrente e, ao amarrá-lo ao terra por meio de um LED, mantive o chip em estado de reinicialização permanente.

Uma maneira de contornar isso é queimar um fusível no chip que desativa permanentemente a funcionalidade de redefinição do pino, transformando-o em um IO normal. O problema com isso é que você só pode programar o chip uma vez (a menos que você possua um programador de alta voltagem, o que eu não possuo), e dada a minha propensão para aprender as coisas da maneira mais difícil, isso parecia potencialmente um desperdício!

A outra opção é encontrar uma maneira de fazer mais com menos pinos, para que o pino de redefinição possa ser deixado de lado. Isso pode ser conseguido usando uma técnica chamada charlieplexing , que permite endereçar muito mais LEDs do que o número de pinos disponíveis.

Você pode então examinar esses LEDs, ligando-os e desligando-os individualmente em alta velocidade para fazer parecer que vários estão ligados ao mesmo tempo por meio da persistência da visão .

No meu caso, estou acionando os quatro LEDs verdes de 3 pinos e o LED vermelho com um pino dedicado. Este não é o exemplo mais eficiente de charlieplexing, já que eu poderia acionar todos os LEDs dos três pinos, mas manter o vermelho em um pino dedicado permite um código mais simples quando se trata de programação.

Revisei meu diagrama de circuito e design de PCB, depois reexportei os arquivos necessários e os enviei para a JLC PCB para fabricar e montar um conjunto inicial de cinco protótipos.

Pouco mais de uma semana depois, recebi meus protótipos e fiquei muito satisfeito com eles! Havia algumas coisas que percebi que precisava mudar:

1. Eu realmente não tinha planejado como iria programar as placas. Eu tinha acabado de quebrar os pinos de programação do AVR e esperava pelo melhor. Isso funcionou para cinco protótipos, pois eu poderia prender os fios de programação com um pouquinho de solda, mas isso se tornaria muito tedioso rapidamente em escala.

   
   

2. A ponta do fixador na parte traseira foi soldada em uma base de aterramento. Isso teria sido bom, exceto que a massa térmica da ponta e o plano de aterramento da placa dificultavam uma boa junção. Ele também se destaca muito perto da gaiola de metal positiva do suporte da bateria, o que significa que havia uma boa chance de ocorrerem curtos-circuitos acidentais se as pessoas colocassem/fixassem o crachá em/em superfícies condutoras.

   
   

3. O contato negativo da bateria não era proeminente o suficiente, então tive que adicionar um pouco de solda para fazer uma boa conexão. Novamente - não é o fim do mundo para um pequeno número de protótipos, mas seria uma dor se eu tivesse que fazer isso por muitos.

   
   

Todas essas foram soluções simples de implementar. Eu adicionei um cabeçalho de programação adequado que poderia ser usado com um gabarito pogo pin para uma programação rápida e repetível.

Desconectei a ponta do plano de aterramento para que fosse sua própria pequena ilha desconectada de cobre que esquentaria mais facilmente e não causaria curtos-circuitos.

E ampliei o contato negativo da bateria para que ela tivesse mais área de superfície para fazer uma conexão sólida.

O código é bem simples. Eu acompanho o modo em que o crachá está representado por um número inteiro que é decrementado toda vez que o botão é pressionado. Em seguida, faço um loop e pisco cada LED conforme determinado pelo modo. Quando o modo 0 é alcançado, eu o redefini para o número original e coloco o ATtiny no modo de suspensão.

Pressionar o botão novamente aciona a interrupção que desperta o chip e inicia todo o processo novamente.

No geral, fiquei muito satisfeito com os resultados, o que significava que era hora de ver se conseguia vendê-los!

Você pode ler sobre minha experiência fazendo isso no próximo post desta série .