Как превратить концепт-проект на Arduino в финальный прототип

Предыстория

Некоторое время назад я описал процесс изготовления "коробки от прокрастинации ^[1]" – запирающейся коробочки, в которую нужно прятать смартфон, чтобы не отвлекаться на него. По поводу статьи мне пришло следующее письмо:

Привет! Мне очень понравилась твоя коробка от прокрастинации. Я веб-разработчик, и ищу кого-нибудь, кто сможет сделать мне прототип продукта, очень похожего на описанный тобою.

Я, конечно, обрадовался. Но потом подумал: я ведь не инженер. Одно дело – играться с доской для прототипирования, а другое – изготовить коммерческий продукт. К счастью, я был не первым новичком, стремящимся стать профессионалом, поэтому где-то через месяц я изготовил рабочий прототип (Cloister ^[2]), и написал текст на 4 странички с пояснениями по информации, нарытой в сети.

Здесь я хочу собрать эту информацию воедино и структурировать её. Это не будет всеобъемлющая инструкция по прототипированию – я всё-таки новичок.

Наш прототип: the MoodCube

В педагогических целях мы с вами вместе изготовим простой прототип. Лично я всегда верил в обучение через примеры. Мы разработаем контур, чтобы получить плату специально для нашего проекта. Затем мы сделаем ей корпус и stl-файлы для распечатки его на 3д-принтере.

Уникальный продукт, который мы будем делать, и который принесёт нам богатство и славу – это MoodCube. Пластиковый кубик с RGB-светодиодами на 5 из 6 сторон. Управляться он будет с пульта.

От Arduino до самостоятельной платы

Сейчас у нас есть рабочий концепт, состоящий из приёмника VS1838B IR, прототипа Adafruit smartpixel, Arduino Uno и какой-то первый попавшийся пульт. Код ^[3]взят из обучающего материала от Adafruit ^[4], и немного подправлен для работы с моим пультом.

Сначала нужно определиться: каков простейший вариант нашего контура? Каковы необходимые компоненты, и есть ли то, от чего можно избавиться. Здесь можно найти инструкцию ^[5]по тому, как использовать отдельный чип ATMega на доске для прототипирования. Также секция «проекты» сайта AVRFreaks ^[6]является прекрасным источником вдохновения.

В нашем случае нужен, по меньшей мере, один микроконтроллер, поскольку расшифровка ИК-сигналов требует быстрой работы. Я мог бы использовать ATtiny, но у меня в запасе были только ATMega328. Добавим несколько конденсаторов для стабилизации. Что насчёт питания? Подойдёт и 9-вольтовая батарейка, но нам потребуется регулятор напряжения, поскольку наш MCU будет кушать 5 В (Arduino уже не будет заниматься преобразованием напряжений для нас). Ну и у меня ещё был под рукой L7800.

Теперь мы проверяем, что наш голый контур работает именно так, как нам надо – перед тем, как переходить к разработке платы.

Разработка и изготовление платы

Теперь, определившись с дизайном контура, пора изготовить красивую схемку посредством Eagle. После разработки схемы можно будет приступать к изготовлению платы. На ресурсе Sparkfun есть инструкции по тому, как это делается:

• Как сделать схему ^[7]
• Как разработать плату ^[8]

Здесь есть несколько советов ^[9], а тут – инструмент для подсчёта ^[10] оптимальной ширины дорожек.

Стоит спросить себя: какими требованиями будет ограничена наша плата? Нужен ли нам штырьковый монтаж компонентов, или их можно будет монтировать на поверхности? Последний вариант означает уменьшение стоимости сборки для больших объёмов. Робот-сборщик, будучи однажды настроенным, сможет сделать любое количество плат. А штырьковый монтаж – это обычно ручная работа. С другой стороны, если у вас нету специальной печи для пайки, и вы просто хотите изготовить несколько плат чисто для себя, вам проще будет выбрать штырьковый монтаж. Также этот вариант подойдёт для распространения вашего изделия в виде набора для самостоятельной пайки.

Кроме того, следует помнить об общей компоновке вашего устройства, которая может иметь значение для размера и форм-фактора платы (или наоборот).

Итак, мы ответили на все вопросы, у нас есть схема и раскладка платы. Файлы тут ^[11].

Теперь нужно делать плату. Справитесь сами или отдадите на производство? По поводу самостоятельного изготовления плат можно почитать эту статью ^[12].

В случае стороннего производства возникает другой вопрос – выбрать местных производителей или обратиться в Китай? Всё зависит от того, есть ли спешка. Местные сделают быстрее, но дороже. К примеру, я отдал $140 канадских компании APCircuits ^[13]за 4 платы. Они прибыли через 5 дней, и получились очень качественными. В Китае мне бы сделали 10 плат за $14, и они пришли бы через 2-3 недели. Да, имейте в виду, что китайцы в любом случае сделают копию ваших схем — просто на случай, если они вдруг смогут продавать их самостоятельно.

Теперь ссылки.

• Ladyada — список производителей ^[14]
• PCB Shopper ^[15]– сравнение цен
• OSH Park ^[16]– один из изготовителей. Принимают схемы в Eagle
• Seedstudio ^[17]– компания-посредник, связывает вас с производителями в Шэньчжэне. Предлагают прототипирование плат, пайку и услуги 3д-принтера
• Dirty PCBs ^[18] – дешёвые платы из Китая

Для поверхностного монтажа вам потребуется шаблон. Он нужен для нанесения припойной пасты на контур. Компоненты размещаются на плате, она идёт в печку, где паста плавится. И тут тоже придётся выбирать между качеством и ценой. Можно заказать тонкий пластиковый шаблон от OSH за $10 ^[19] или шаблон из нержавейки за $125 ^[20].

Теперь, когда с платой всё в порядке – займёмся разработкой корпуса!

Разработка и 3д-печать корпуса

Для создания проекта корпуса мы будем использовать Sketchup ^[21], а для проверки правильности .stl-файла – Meshlab ^[22].

Сначала нужно сделать экспорт модели вашей платы из Eagle, чтобы можно было строить корпус вокруг неё. Для этого пригодится расширение Eagle Up ^[23]. На виртуальном складе Sketchup можно найти компоненты для заполнения платы. Учтите, что часто размер виртуальных предметов указывается в метрах, и всё необходимо масштабировать. Это происходит из-за того, что Sketchup используется для архитектурного моделирования, и не оптимизирован для точной разработки в размерах меньше метра. Поэтому принято разрабатывать всё в метрах, а затем уменьшать до нужного размера.

Затем можно приступать непосредственно к корпусу. Вот некоторые полезные ресурсы:

• видео с объяснением ^[24]использования Sketchup для 3д-принтеров
• строим корпус в Sketchup ^[25]
• как проверить модель на водонепроницаемость ^[26]
• советы ^[27] и подсказки ^[28] по поводу инструмента move ^[29]в Sketchup (а там реально сложно разобраться, это уж точно)
• где найти текстуры ^[30]для моделей

Вернёмся к нашему MoodCube. Нам нужна база для размещения контура и элемента питания, и кубик-рассеиватель сверху. Идеально для данной задачи подошёл бы акрил, но и стандартные пластики PLA/PBS тоже должны подойти.

Низ крепится к верху единственным винтом и небольшим кусочком пластика, входящим в щель вверху.

С держателем элемента питания я не особо заморачивался и взял вот эту модель ^[31].

И вот результат. Когда вас всё будет устраивать, вы можете применить инструмент Solid Inspector ^[32]для проверки целостности модели. Если тест пройдёт, можно экспортировать её в .stl благодаря ещё одному расширению ^[33], и затем сделать последнюю проверку на водонепроницаемость в Meshlab (или где вам удобнее).

Все файлы лежат тут ^[34].

Советую чаще обращаться к функциональности «Make component». Тогда если некоторые части вашей модели будут копиями других частей, вам нужно будет поменять одну из них, и все остальные поменяются также. Как и в программировании, модульность и возможность повторного использования – ключевые моменты, облегчающие жизнь.

Теперь нам надо распечатать модель. Если у вас нет своего 3д-принтера, придётся воспользоваться чьими-нибудь услугами. Если цены на подобные услуги покажутся вам большими, то учтите, что вы оплачиваете не только пластик, но и время машины, время оператора и амортизацию принтера. К тому же, часто оператору принтера приходится дорабатывать модель.

С другой стороны, модели обычно не печатают со 100% плотностью. Если, допустим, объём вашей модели составляет 100 см³, а стоимость кубика пластика будет $1, то вы не заплатите $100. Обычно плотность бывает от 15 до 40% (чем больше плотность, тем прочнее), и вы заплатите от $15 до $40.

Можно попробовать обратиться в Shapeway – это игрок крупный, но и цену они ломят. Я предпочитаю заходить на 3dHubs и искать местные компании. Судя по всему, предложение на 3д-печать сильно превышает спрос, поэтому можно хорошенечко поторговаться.

Засим мой полезный опыт кончается. Надеюсь, что вы нашли для себя нечто полезное и интересное.

Дополнительные ресурсы

EEVblog video ^[35]: разработка плат для производства
Как пройти от прототипа на ардуино до продукта ^[36]
Как пройти от прототипа на ардуино до массового производства ^[36]
От ардуино до производства ^[37]
Если ардуино – для прототипирования, то как сделать реальный продукт ^[38]?
От прототипа к производству ^[39]
От прототипа через кикстартер и к производству ^[40]
Как новичку пойти в производство ^[41]
Как наладить промышленное производство ^[42]электроники
Информативные комментарии ^[43]к посту

Автор: SLY_G

Источник ^[44]