Le circuit imprimé principal

La carte électronique qui supporte le microcontrôleur.

Contrairement à un développement à partir de zéro où il vaut mieux commencer par placer des composants sur une plaquette de connections rapides pour élaborer progressivement les circuits qui seconderont NANO Arduino, vous pouvez opter pour commencer directement par la réalisation matérielle, motivation d’autant plus justifiée que l’on peut très facilement téléverser les programmes directement sur site. Toutefois, avant d’engager la concrétisation matérielle, prenez au moins la précaution de vérifier que votre afficheur OLED est compatible et n’imposera pas l’intervention d’un opérateur NAND sous forme d’un circuit SN7400.
Au risque de rabâcher, surtout n’abusez pas de la miniaturisation à outrance. Ne présumez-pas de vos aptitudes d’horlogers. Le plus important, c’est d’arriver à finaliser votre petite station météo sans exaspérations ni énervements. Il s’agit d’un loisir de détente, il faut se faire plaisir.
Dans ce qui suit, je vais vous présenter au mieux les petits détails du prototype qui, une fois n’est pas coutume, n’a révélé aucune mauvaise surprise durant sa réalisation.
Naturellement, nous allons commencer par le circuit imprimé principal. Comme pour tous les croquis et les images qui concernaient les variantes des petits laboratoires de mesure, les macrophotographies et les dessins des circuits imprimés sont trompeurs. Ils donnent des fausses impressions de grandeur. Tous les éléments sont petits, presque minuscules pour certains. Dans le boitier les espaces sont calculés au plus juste. La solution globale toutefois ne rend aucune manipulation scabreuse. Par contre, un minimum de méthode s’impose. C’est parti, concrétisons :

La Fig.8 présente le circuit imprimé très agrandi vu côté composants avec les conventions déjà adoptées dans les chapitres précédents. Pour ceux qui prendraient le train en marche, c’est à dire que non directement concernés par les petits laboratoires sont passé directement à ce volet, le dessin montre les pistes cuivrées comme si le support était transparent. Les bandes de cuivre sont coloriées facilitant l’interprétation de leur affectation et mettant en évidences certaines coupures de pistes peu repérables. Les fils rigides servant de ponts sont coloriés en fonction de leur utilisation. Bleu pour GND, rouge pour le +5Vcc, orange pour l’alimentation extérieure sur le petit connecteur HE14 repéré 2. Comportant trois broches pour mieux supporter l’élément femelle qui y sera branché, sa broche centrale n’est pas soudée pour « augmenter l’isolement électrique » entre les deux extrémités. Les ponts violets sont relatifs à des entrées ou des sorties. Si des ponts de liaison sont tracés en mode filaire, c’est qu’ils sont placés sur le dessous coté cuivre. En L nous avons les quatre trous de liaison entre le circuit et le coffret. Comme pour PICOLAB, les petits boulons sont de diamètre ø 2 mm. En V ont trouve les vis qui supportent le petit clavier. C’est entre ces boulons solidaires du circuit imprimé et isolés coté pistes cuivrées par les rondelles coloriées en rouge, que l’on intercale l’Inverseur à bascule et le petit connecteur HE14 à six broches en 7 qui va assurer la liaison électrique amovible avec les capteurs. En S se trouve le connecteur femelle HE14 qui supporte le petit module NANO Arduino. Le type utilisé est un peu haut pour laisser entre les deux lignes de contacts assez d’espace verticalement pour loger le Buzzer B représenté en mode filaire. En 1 nous avons les deux petits connecteurs HE14 mâles recevant les straps qui répartissent sur le connecteur 3 de l’afficheur OLED les polarités de l’alimentation. Les couleurs affectées aux broches sont les mêmes que celles utilisées sur la Fig.6 avec en jaune celles pour ALIM. Comme on peut le constater sur la Fig.8 des liaisons sont soudées sous le Buzzer B. Il est un peu surélevé du circuit imprimé et n’est mis en place que lorsque les fils souples tels que ceux repérés 4 sont soudés coté pistes. Les trous d’implantation des liaisons filaires sont représentés par les petits cercles sur le dessins. Les trois coloriés en jaune en 4 relient les trois trous également jaunes en 10. Ces trois liaisons assurent le pilotage des trois petites LED de ø 3 mm du clavier. Comme ce dernier est trop petit pour contenir les trois résistances de limitation de courant 8, ces dernières sont « déportées » sur le circuit principal. Se sont les trois fils souples 9 qui vont vers le petit module du clavier. Les autres liaisons souples qui vont jusqu’au clavier sont repérées par les petits cercles bleus 5. Les cinq petits fils souples soudés tels que 6 vont vers le connecteur HE14 du codeur incrémental rotatif. La Fig.9 expose les particularités du coté cuivre, à comparer avec la Fig.10 qui présente la plaquette coté cuivre quand les bandes conductrices ont été correctement séparées. La photographie a été un peu retouchée pour mettre plus en évidence les trous de passage des diverses vis.

Effectuer le câblage et les soudures devra se faire dans un ordre « logique » et avec méthode. Sur la Fig.11 on a commencé par les ponts conducteurs en petits fils électriques rigides, ainsi que les quatre résistances et certains fils souples. Quand à gauche on a terminé, et que les trois connecteurs HE14 sont en place, comme visible sur la Fig.12 on peut souder le Buzzer qui est légèrement surélevé pour ne pas écraser les fils. Vue plongeante en Fig.13, de l’autre coté du module en cours d’élaboration, on constate nettement que le buzzer est situé au-dessus des deux petits fils rigides. Quand vous assemblez celui qui est coudé cinq fois et qui saute les deux fils bleu et blanc, intercalez un petit carton rigide entre les trois conducteurs pour ne pas risquer de faire fondre l’isolant au moment de la soudure.
Un autre petit détail important doit attirer votre attention : Bien que ressemblant à de gros câbles EDF véhiculant 500A sur les macrophotographies, les fils de liaison souples sont vraiment très fins puisqu’ils sont détachés de nappes de fils employées pour constituer des limandes d’ordinateurs. On passe son temps coté pile pour insérer les fils et les composants, puis coté face pour réaliser les soudures. Au raz des implantations, ces longs fils souples sont particulièrement vulnérables à la torsion. Pour les protéger durant ces nombreuses manipulations, au fur et à mesure de l’avancement des opérations, les torons sont provisoirement tenus à l’extrémité droite en 1 par du petit fil rigide replié coté cuivre pour l’immobiliser en place. (Voir la Fig.14)

Courage, le bébé se porte bien. On continue résolument sans s’énerver, avec calme et bonne humeur. Quand tous les fils souples sont soudés, qu’il ne manque plus que les connecteurs HE14 supports de l’afficheur OLED et du microcontrôleur, ainsi que le petit inverseur latéral, on prend une quelconque sonnette ou un ohmmètre et l’on réuni en deux torons bien distincts ceux qui iront vers le clavier et ceux qui seront branchés sur le codeur incrémental rotatif. Puis, comme le montre la Fig.15 on les sépare mécaniquement en les « compactant » par de la gaine thermo-rétractable. Notez que ces lignes sont coudées assez proche du buzzer pour leur octroyer de la souplesse ce qui sera impératif lors des opérations de maintenance ou d’améliorations éventuelles. Souder l’inverseur latéral ne présente strictement aucune difficulté. Pour les connecteurs restant non plus du reste, en revanche il faut s’y prendre avec méthode car les trois éléments exigent un positionnement précis.

L‘assemblage des deux lignes de contacts A et B qui supportent la carte NANO Arduino doit présenter une orientation verticale soignée. Pour assurer la correspondance parfaite avec les picots du connecteur de la carte électronique, personnellement je commence par en vérifier l’alignement rigoureux des trente broches. Puis j’insère les deux connecteurs A et B qui sont ensuite positionnés sur notre circuit imprimé. On retourne le tout et l’on soude les quatre picots d’extrémité. Les deux lignes A et B étant alors parfaitement placées, on enlève la carte électronique NANO Arduino et l’on achève le soudage des autres broches. Pour toutes les étapes de la réalisation de ce circuit, chaque soudure est vérifiée avec une loupe à fort pouvoir grossissant pour s’assurer qu’il n’y a pas de contact interdit avec les éléments voisins, et que la soudure présente un aspect visuel correct. Un contrôle permanant à chaque étape est le gage d’un fonctionnement « immédiat » et fiable. Les deux lignes A et B de connecteurs femelle HE14 présentent une hauteur H moyenne. Il faut impérativement que la petite carte électronique entièrement enfichée, il reste entre ses composants situés sur le dessous et le Buzzer une place suffisante. Les torons de fils aussi doivent bénéficier d’un certain confort. Pour vous donner une idée plus précise, la hauteur H des éléments sélectionnés pour équiper le prototype fait presque 9mm.

Le connecteur HE14 qui supporte l’afficheur OLED.

Comme c’est la hauteur à laquelle devra se trouver l’écran qui conditionne les dimensions et la position verticale du petit connecteur à quatre contact, il faut au préalable avoir une idée assez précise des dimensions du coffret et de la façon dont sera supporté le circuit imprimé principal. (Et encore, quand j’écris Idée assez précise, ce n’est absolument pas suffisant.) Avec la Fig.17 nous allons pouvoir énumérer les critères qui permettent d’aboutir à un résultat totalement satisfaisant. Supposons le problème comme étant résolu. (C’est mon Prof de Math qui utilisait ce vocable étrange, car si c’est résolu … il n’y a plus de problème !) C’est à dire, que suite à des études particulièrement fouillées, nous avons déterminé toutes les dimensions de NANO MÉTÉO. Le coffret 6 est alors entièrement déterminé, avec en 1 le circuit imprimé principal, et en 4 la petite vitre constituée d’une plaque en matière thermoplastique totalement translucide. Pour pouvoir observer l’afficheur OLED 3 colorié en bleu clair dans les meilleures conditions possibles, on désire que l’écart E soit le plus faible possible sans pour autant que 3 ne touche le couvercle 5.
C‘est la hauteur de l’entretoise utilisée E qui conditionne la cote C2. La cote C3 est celle que l’on mesure entre l’appui des entretoises E et le dessus de la minuscule prise USB coloriée en vert foncé de la carte NANO Arduino 2, représentée elle en vert pastel. Sur ce dessin, 2 semble léviter comme par magie. Pour des raisons de clarté, les connecteurs HE14 A et B qui supportent 2 ne sont pas représentés. Leurs hauteurs H conditionnent la valeur de C3. Il ne faut surtout pas que les éléments situés sur le dessous de l’afficheur 3 ne touchent la prise USB. Un écart suffisant conditionne alors la cote C4. Ce sont tous ces critères qui sur un dessin effectué à l’échelle des dimensions permettent de trouver le meilleur compromis pour la cote C1. (En pratique, il ne faut surtout pas oublier la présence des boutons poussoir du clavier dont la hauteur devra pouvoir s’ajuster correctement, mais … oublions pour le moment.) Quand la solution définitive est trouvée, on constate qu’il faut utiliser un connecteur HE14 7 à broches longues. Personnellement j’ai réalisé les éléments latéraux et le dessous du coffret. Puis, circuit 1 immobilisé sur ces entretoises E, il devenait assez facile de positionner avec précision 7  par déplacement D pour optimiser l’écart E.

CONCLUSION : Pour pouvoir positionner parfaitement le petit connecteur qui supporte l’afficheur OLED, il faut avoir en partie réalisé le coffret, ou tout au moins disposer d’un dessin précis de ce dernier pour pouvoir y mesurer les dimensions critiques. Pour vous aider à franchir cette étape du projet, vous trouverez les dessins rigoureux du prototype. Il vous suffira de transposer quelques cotes pour rendre compatible ces dernières avec les contraintes issues de « vos technologies ».
Anticipant un peu sur les descriptions qui vont suivre, la Fig.18 présente l’électronique principale entièrement terminée avec en 1 le circuit imprimé de base et en 2 le connecteur qui se branche sur le codeur rotatif incrémental. En 3 on distingue le toron de fils souples qui est soudé au circuit imprimé 5 du petit clavier. Les trois petites LED sont bien visibles. En 4 les écrous qui permettent de positionner avec précision 5 en hauteur. Ces écrous sont freinés une fois ajustés par du vernis à ongle rose. Les écrous 4 ne sont pas directement en contact avec 5, mais séparés par les petites entretoises isolantes transparentes. En 6 on observe un petit morceau de carton qui s’enroule au dessus de tous les fils souples pour les protéger de tout pincement quand on enfiche la carte NANO Arduino 8 sur son connecteur 7. En 9 est bien visible la prise USB qui ne doit pas toucher au dessous de l’afficheur OLED. Enfin en 10 le connecteur HE14 qui reçoit l’afficheur OLED. Il est manifeste que ce composant est de grande hauteur. Ses broches ont été écourtées une fois qu’il est soudé exactement à la bonne hauteur sur 1, car ces broches sont initialement deux fois plus longues. En T on note la présence d’un « barbouillage rose et bleu foncé. C’est une « peinturlure » de vernis à ongle pour masquer la LED rouge de présence d’alimentation. Comme elle est bien trop lumineuse et interfère avec l’écran d’affichage, elle a été entièrement cachée. Le vernis à ongles rose n’était pas assez efficace, il a été recouvert d’un autre gribouillis en vernis bleu foncé.

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