Caja a medida con CNC

Diseño y fabricación de una caja a medida, cortando las piezas con la ayuda de una fresadora digital (CNC). El diseño de las piezas lo hice con el software SketchUp. Tuve que corregir el archivo que genera SketchUp para poder utilizarlo en la CNC. Para comprobar el código ‘G’ y corregir el archivo, utilicé el simulador por software CAMotics

Con el fin de controlar los display’s de 7 segmentos SMD que tengo, he mandado fabricar otro circuito impreso para montar la CPU.

PCB de la CPU

Esta CPU está basada en el micro-controlador AT89S52 de ATMEL. Como este micro-controlador se puede programar sin desmontarlo del circuito impreso, a través de su interface ICSP, he elegido el encapsulado de tipo SMD. El circuito impreso tiene una altura muy parecida a la del  display de 7 segmentos, y la idea es la de fabricar una caja de madera a medida, para construir un display con 4 dígitos.

SketchUP

Para cortar las piezas de madera con precisión, he utilizado una fresadora digital (CNC). Para dibujar las piezas a medida y poder exportar los datos a la CNC, he utilizado el software SketchUp.

Software SketchUp

A pesar de que este software funciona muy bien, he encontrado un problema a la hora de generar los archivos de código ‘G’. Los archivos contienen una serie de instrucciones adicionales que dañan las piezas a fabricar. Para localizar el lugar exacto donde se encuentran estas instrucciones para eliminarlos, he utilizado otro software que emula el funcionamiento de la CNC.

CAMotics 

El software CAMotics permite la ejecución del código ‘G’ de forma visual, y esto facilita la localización de las instrucciones que se deben eliminar.

Software CAMotics

El software permite la edición de los archivos y su posterior visualización, para comprobar que los cortes que hará la CNC sean los correctos.

Construcción de la caja

Después de la fase de diseño de la caja y conversión de sus datos en código ‘G’, el trabajo de corte y fresado de todas las piezas lo realiza la CNC. Si queremos obtener un buen acabado y precisión, es importante que los cortes se realicen en capas, no en una sola pasada.

Fresado de la caja

También es importante incluir unas pequeñas zonas en cada cara de las piezas, en las que la fresadora no realice el corte por completo. Estos pequeños puntos de sujeción evitarán que se muevan las piezas de su estructura durante el corte, evitando su desplazamiento y marcado por la fresa.

Montaje de la caja

Una vez cortadas todas las piezas que componen le caja, incluido su frontal de metacrilato, la pegamos con cola blanca (dejando la tapa lateral derecha sin pegar). La tapa lateral derecha irá sujeta con 2 tornillos, y es la que nos dará el  acceso al montaje y desmontaje de todos sus componentes en el interior. Para obtener un buen acabado, se sellan las juntas de todas las uniones que van pegadas, con cola blanca y serrín de la misma caja, suavizando todas las aristas con una lija especial para madera.

Ajuste de los PCB's en la caja

Para terminar se pinta la caja en color negro mate, con pintura en spray, y se comprueban los soportes colocando los circuitos impresos en su lugar y cerrando la caja.

 

Ganador del sorteo

Ganador del sorteo de un PCB con tecnología SMD, para montar un display de 7 segmentos con control serie.

PCB display de 7 segmentos serie

El circuito impreso sorteado es el que se mostró en el video anterior, el cual incluye el circuito integrado TPIC6B595 -Shift Register- ya montado en el PCB.

Resultado del sorteo

El sorteo se realizó entre los suscriptores que hicieron un comentario en el video anterior, utilizando el software online: You2Pick

 

 

Display de 7 segmentos, control serie

Diseño de un display de 7 segmentos SMD, con control serie. Con este circuito se pueden apilar tantos dígitos en serie como sea necesario, porque el número de pines de control no cambian. En este circuito se utiliza el TPIC6B595 como registro de desplazamiento, y un 74HC04 (6 inversores) como ‘driver/separador’ de las señales de control: Clock, Strobe y Enable. Al utilizar un registro de desplazamiento (Shift Register), las señales de control (Clock, Strobe y Enable) son las mismas para todos los dígitos, y la línea de datos (Data) se conecta al primer dígito… encadenando la salida de datos de un dígito con el siguiente.

TPIC6B595

El diseño de este display de 7 segmentos es modular, y se pueden conectar tantos dígitos en serie como sean necesarios.

Conexión serie TPIC6B595

Cada dígito dispone de su propio regulador de tensión de 5V, pero sólo es necesario instalar uno para alimentar toda la serie. Las conexiones de la salida de un módulo se conectan con las de entrada del módulo siguiente, permitiendo así alimentar todos los módulos con un sólo regulador de tensión. Con el fin de evitar una carga excesiva de las señales de control (Clock, Strobe y Enable) y evitar posibles interferencias en el cableado, cada módulo dispone de un circuito que hace las funciones de ‘regenerador’ de la señal.

Display control serie

El circuito integrado 74HC04 dispone de 6 inversores, y se utilizan de dos en dos, con el fin de obtener el mismo nivel lógico de la entrada en la salida. El único detalle a considerar, es que la conexión de las 3 señales de control con el registro de desplazamiento (TPIC6B595) se realizan en las salidas del primer inversor. De esta forma, la CPU debería entregar las 3 señales de control: Clock, Strobe y Enable en modo invertido.

Control del display

Control de brillo PWM (Pulse-Width Modulation)

El control de brillo del conjunto de módulos que conformen el display, se realiza mediante la gestión de la señal ENABLE. Modificando el ancho del impulso de una señal  de frecuencia >20 Hz, con el fin de evitar el parpadeo,  se puede ajustar el nivel de luminosidad del display.

Control de brillo PWM

En la imagen anterior se puede observar que la frecuencia de la señal PWM es de 104 Hz, y al aumentar el ancho del semiciclo positivo el brillo decrece (ver el video). Como es lógico, el brillo máximo se obtendrá si permanece habilitado el 100% del tiempo la señal ENABLE (sin impulsos). En el circuito integrado TPIC6B595 el estado ON se corresponde con un nivel bajo (cero lógico). El control de brillo PWM lo podría gestionar la propia CPU, partiendo de la información que recibiera de un sensor de luminosidad.

Shift Register (Registro de desplazamiento)

Funcionamiento de un Shift Register o Registro de desplazamiento, muy útil cuando se necesita controlar una gran cantidad de dispositivos de forma simultánea, utilizando un microprocesador con un número limitado de terminales. Este componente electrónico –Shift Register– es muy usado en centrales de control destinados a la domótica, paneles electrónicos de tipo LED, etc.

8-Bit Shift Register

En los circuitos digitales, un registro de desplazamiento es una cascada de Flip-Flops que comparten el mismo reloj, en el que la salida de cada Flip-Flop está conectada a la entrada de datos del siguiente Flip-Flop de la cadena, dando lugar a un circuito que desplaza por una posición la matriz de bits almacenada en ella, desplazando los datos presentes en su entrada y desplazando el último bit en la matriz, en cada transición de la entrada de reloj.

Esquema interno del 74HC595

Los registros de desplazamiento –Shift Register– pueden tener entradas y salidas tanto en paralelo como en serie. Normalmente se configuran a menudo como Serial-In, Parallel-Out (SIPO) o como Parallel-In, Serial-Out (PISO). También hay modelos que tienen entrada en serie y paralelo y otros con salida en serie y en paralelo. También hay registros de desplazamiento bidireccionales que permiten el desplazamiento en ambas direcciones (L → R o R → L). La entrada en serie y la última salida de un registro de desplazamiento, también se pueden conectar para crear un registro de desplazamiento circular.

Funcionamiento (Shift Register)

Para comprender mejor el funcionamiento de un registro de desplazamiento, se puede montar en una placa de pruebas (Protoboard) el siguiente circuito:

Display de 7 segmentos con 74HC595

El hilo de entrada de datos (SER/DATA) se puede conectar a la línea de +5 o GND, dependiendo del estado lógico (1/0) que queramos introducir al registro. A continuación se pulsa el botón SRCLK/CLOCK, para que el primer dato entre en el registro, desplazando todos sus estados una posición en orden creciente. Si queremos visualizar el estado de los registros en el display, a continuación pulsaremos el botón RCLK/STROBE.

Pruebas del 74HC595

Para que funcione el registro de desplazamiento, el hilo SRCLR/RESET tiene que estar conectado a nivel alto (+5V), si lo conectamos a GND se inicializarán todos los registros poniéndose a cero (Reset).