L'Hardware

Stazione Meteorologica

La stazione meteorologica è un gruppo di strumenti che permettono di monitorare le condizioni dell'atmosfera e tutto ciò che riguarda la meteorologia; rileva varie grandezze come la temperatura che viene rilevata dal termometro, la pressione rilevata dal barometro, etc.

Questa stazione meteorologica consente di rilevare in modo preciso la direzione del vento, la velocità del vento, la temperatura, l'umidità relativa e la piovosità.

Gli strumenti incorporati nella stazione meteorologica sono:

• Termometro (a minima e massima) per misurare la temperatura;

• Barometro per misurare la pressione dell'aria;

• Igrometro per misurare l'umidità atmosferica;

• Anemometro per misurare la velocità del vento;

• Pluviometro per misurare la quantità di pioggia caduta.

Progettazione dell'hardware

Si possono distinguere le seguenti parti che compongono la stazione:

- Circuiti di trasformazione delle grandezze fisiche d'interesse in segnali elettrici: sono costituiti da trasduttori di temperatura, di pressione assoluta, di velocità angolare e di pressione differenziale, in grado di trasformare la grandezza fisica presente nell’ambiente interessato in segnali elettrici da cui è possibile ottenere i dati e gli obbiettivi che si vogliono raggiungere;
- Circuiti di condizionamento: elaborano i segnali elettrici trasformati dai sensori in modo tale da renderli compatibili con i successivi blocchi del sistema;
- Conversione analogico/digitale: è un convertitore che ha il compito di trasformare il segnale analogico presente al suo ingresso in un segnale digitale a n bit;
- Elaborazione e visualizzazione dati digitali: questo processo necessita di un dispositivo che elabori le serie di dati che escono dall’ADC, per mezzo di un software applicativo, che in seguito permetta la visualizzazione dei dati ottenuti tramite un dispositivo di output (LCD).

Scheda realizzata

Schemi elettrici e Realizzazione Circuito Stampato

Disegnare lo schema elettrico con Orcad Capture

Prima di iniziare la realizzazione del circuito stampato occorre disegnare lo schema. Per questa tesina il programma utilizzato è OrCad Capture 10.5. L'uso del pacchetto Capture è piuttosto intuitivo se si utilizzano solo gli strumenti di base. Di seguito è illustrato brevemente il principio di funzionamento di questo programma.           

Iniziare un disegno da zero     

Procedimento                                                             

Cliccare sul menu File > New > Project della schermata iniziale di Capture ed iniziare un nuovo progetto. Dedicare una cartella per ciascun disegno, specificandole nel momento della creazione. Il file .opj ,che viene creato, conterrà tutte le informazioni sul disegno in forma gerarchica. In questa fase sono anche richieste le librerie dei componenti da utilizzare, anche se è sempre possibile aggiungerne altre in un secondo momento.  Lo schema vero e proprio (che verrà salvato in un file separato) è creato in modo analogo, dopo aver creato il progetto (cliccare sul menu File > New > CaptureDesign).Si è utilizzata la libreria Layout di Capture invece che Device per i dispositivi generici in quanto crea minori problemi nella fase successiva a causa dell'esatta corrispondenza nella nomenclatura dei pin. Si sono create proprie librerie con i componenti più usati.                                       Per disegnare i componenti occorre selezionare Place > Part, scegliere nelle librerie il dispositivo cercato. Ciascun componente è identificato da un PartReference e da un Value. Il PartReference è opportuno che non sia modificato manualmente o addirittura cancellato in quanto ciò potrebbe creare problemi nelle fasi successive. Per i collegamenti elettrici è usato lo strumento Place>Wire (attenzione a collegare esattamente i fili ai pin dei componenti, operazione enormemente facilitata dall'uso della griglia, attiva per definizione. Nel caso di collegamento di tre fili o pin è necessario utilizzare lo strumento Place>Junction (il punto che indica la connessione è piazzato automaticamente). È  opportuno dare un nome ai collegamenti, almeno a quelli più importanti, con il comando Place > NetAlias. Accertarsi che l'effettivo collegamento dipende dal nome del simbolo e non dal formato grafico utilizzato. In particolare i circuiti integrati digitali TTL (oppure CMOS) utilizzano per le alimentazioni e la massa Vcc (Vdd) e GND (Vss) e quindi è necessario utilizzare questi  nomi.                                                  In seguito salvare il file contenente lo schema (.dsn), specificando la directory (Capture propone l'ultima utilizzata).

I tools

Prima di proseguire occorre assegnare il PartReference di ciascun componente, cioè la numerazione progressiva di ciascun componente (per esempio R1, R2, R3…), utilizzando il comando Tools > UpdatePartReference. Questo comando permette anche di numerare correttamente i pin nel caso in cui un singolo integrato contenga più componenti dello stesso tipo. Se si aggiungono nuovi componenti è possibile utilizzare nuovamente tale comando lasciando invariata la numerazione dei componenti già aggiornati. Un secondo tool utilizzato è Tools > DesignRulesCheck che permette di verificare l'esistenza di errori formali (pin o fili non collegati, cortocircuiti, componenti duplicati...).

Generazione della Netlist

Per generare la netlist (cioè l'insieme dei collegamenti necessari per la creazione del circuito stampato) si è selezionato il comando Tools > CreateNetList. Occorre scegliere la cartella Layout (il file generato ha estensione .mnl) ed evidenziare le opzioni RunEcoToLayout (serve per segnalare a Layout eventuali modifiche allo schema e per ricaricare automaticamente la netlist) e UserPropertiesAreInInch.Il file viene generato nella directory in cui si trova il disegno.

La creazione del circuito stampato

Il circuito è ottenuto stampando, su un foglio lucido, la netlist, cioè il disegno delle connessioni dei componenti, ottenendo il master.

La stampa del master

Per poter realizzare il circuito è necessario stampare separatamente i vari layer del circuito. Per far ciò si è cliccato sull'icona Post_processing > Set_up_batch.                                                                                                                                Di seguito è riportato lo spreadsheet di post-processing, cioè i layer che compongono il circuito stampato sulle varie righe ed il settaggio dei parametri di output sulle colonne. Dopo aver selezionato una delle righe (bottom_layer nell'esempio qui riportato), cliccare con il tasto destro del mouse e scegliere: modify, ed appare la finestra che permette di impostare i vari parametri:
 
•    il tipo di output richiesto . L'uscita su stampante è adeguata per la produzione di master per la fotoincisione;
•    l'opzione per mantenere aperti i fori;
•    l'eventuale possibilità di spostare o ruotare l'immagine che verrà stampata;
•    la scala,  da lasciare 1:1 se si stampa su un supporto per la fotoincisione;
•    la possibilità di Mirror; attivare L'opzione Top in quanto permette di usare il foglio che verrà stampato, cioè con l'inchiostro di stampa rivolto verso il rame;
•    l'opzione per attivare o meno la stampa del layer. Normalmente è attiva per i soli layer Bottom, Top ed assembly. Per ciascun layer è stampato un foglio separato. Potrebbe essere utile stampare anche il piano di foratura.
Cliccare con il tasto destro su una riga dello spreadsheet di post-processing e scegliere preview.
•    I fori al cento delle piazzole non appaiono aperti anche se si è attivata l'apposita opzione. In realtà la stampa sarà corretta.
•    Le piste appaiono spesso di colori vari (in genere rosse o verdi).
Editare il layer Assembly, cioè quello che contiene il disegno dei componenti ed i rispettivi valori oltre a scritte varie. In particolare è necessaria la corretta rotazione e lo spostamento delle scritte che si sovrappongono. È utile anche l'aggiunta di scritte, anche se non saranno presenti sullo stampato.                                                                                                   Per stampare i layer attivati si utilizza il comando Post_processing > Run_batch. Ogni layer è stampato su un foglio diverso ed ovviamente per ciascuno di essi sarà necessario introdurre il supporto adeguato, lucido.                                                     Un metodo alternativo per la stampa in scala di un singolo layer è quello di evidenziarlo nello spreadsheet di Post_process e, dopo aver cliccato con il tasto destro del mouse, selezionare  Plot_to_print_manager.                                                        Di seguito quattro viste del circuito di esempio scelte tra le molte disponibili, stampate non in scala. Nell'ordine:
1.    La finestra con lo stampato al termine delle operazioni di sbroglio
2.    La stampa del lato saldature. Notare che il colore è stato correttamente forzato a nero e che la stampa è simmetrica rispetto a quanto si dovrà vedere sullo stampato se guardato dal lato saldature
3.    La disposizione dei componenti (nel classico colore blu scuro)
4.    Il piano di foratura (normalmente inutile per l'hobbista)   

La tecnica della foto incisione

Per realizzare un circuito stampato seguire le istruzioni di seguito elencate.                                                                   Dopo aver creato la net-list e il footprint in capture layout, quindi aver posizionato le resistenze in modo ordinato con le relative piste, e aver stampato le piste su foglio lucido ;prendere una parte di stampa ramata, la si taglia nelle dimensioni del proprio circuito, togliere la pellicola protettiva della lacca e posare su di essa il foglio lucido precedentemente stampato, fissandoli con del nastro adesivo; si mette la stampa ramata nel bromografo per qualche secondo, il quale azionato, consente grazie ai raggi ultraviolette, di impressionare la lacca nelle parti non coperte dal disegno del lucido. Successivamente questo passaggio, si va in laboratorio di chimica, dove si andrà a formare il circuito stampato,cioè si farà lo sviluppo della foto incisione; si mette la stampa ramata prima in una soluzione NaOH+H2O, la quale è istantanea e successivamente, dopo essersi formato il disegno, si immette la stampa in soluzione Fe2Cl3+H2O, la quale per reagire impiegherà circa due ore;dopo le due ore, si toglie la stampa ramata e si noterà che il rame si è sciolto dove non è presente il disegno, lasciando solo le piste di  rame.                                                Durante questo operazione svolta in laboratorio, ricordarsi di usare le protezioni opportune, in quanto si fa uso di acidi corrosivi e di lavorare sotto cappa.

La realizzazione del circuito (montaggio)

Il circuito è stato ottenuto seguendo questi semplici passaggi.                                                                                        Per realizzare il circuito stampato, per prima cosa prendere la carta vetrata, che consente di togliere i residui della lacca sulle piste, andando a terminare la parte stampata del circuito.                                                                                  Successivamente, con il trapano a colonna, si creano i fori, dove si andranno a posizionare i vari componenti costituenti il circuito; questi fori si eseguono alle estremità di ogni pista, cioè dove è presente l’attaccatura dei componenti, questi segnalati da dei “pallini, questa operazione è realizzata utilizzando lo schema dei componenti e delle piste che compongono il circuito, per rimanere fedeli al lavoro realizzato tramite OrCad Capture_Layout. Durante questa operazione, ricordarsi di legare i capelli, nel caso siano lunghi, o di non essere in possesso di vestiti o accessori ingombranti e/o fastidiosi, in quanto possono impigliarsi nella macchina o dare fastidio durante la lavorazione; questo passaggio deve avvenire in modo preciso. Eseguiti tutti i fori, prendere tutti gli elemento e posizionarli sulla piastra, utilizzando, sempre, la stampa del circuito ottenuta da orcad layout.

Per fissare questi  al circuito stampato, prendere un saldatore a stagno di bassa potenza, il quale, grazie ad un stabilizzatore di potenza, è possibile regolare la temperatura; poi prendere un sottile filo, di pochi millimetri, di stagno per realizzare il collegamento dei componenti al circuito e, quindi, per consentire il passaggio della corrente. Il motivo per cui si utilizza lo stagno per saldare gli elementi al circuito, è dato dal fatto che questo elemento diventa un superconduttore al di sotto dei 3.72 K e anche perchè questo è uno dei più conosciuti ed utilizzati. Questo passaggio richiede molta cura e pazienza, in quanto bisogna essere abbastanza precisi ed avare, come si dice, “la mano ferma”, perché è molto frequente che durante questa operazione la mano incominci a tremare, rischiando di fare delle sbavature o di fondere le parti plastiche di alcuni elementi; ricordarsi inoltre di pulire l’estremità del saldatore( questo ha una forma molto piccola, per usi che richiedono precisione), perché durante lo scioglimento dello stagno possono rimanere dei residue sulla sua estremità; se non viene eseguita questa operazione, si può rischiare di non far avvenire il contatto dei componenti al circuito; il saldatore si pulisce utilizzando una spugna umida.                                                                                                                                                                 Infine si verificano che tutti i collegamenti siano presenti, attraverso un semplice multimetro, il quale se è presente il contatto emette un suono o segnala la presenza di tensione, quando il circuito è alimentato.