L’intégration du PICOLAB.
Miniaturiser va de paire avec « très très peu de place ». Si l’on s’impose de réaliser un boitier avec les dimensions les plus faibles possibles, nous aurons pour corolaire le fait qu’entre les divers circuits et les faces latérales on ne va laisser que le minimum d’espace libre. Cette contrainte est très restrictive, et il faut étudier un assemblage qui ne soit pas trop délicat. La conception ne doit surtout pas conduire à des impossibilités de mise en place, de démontage etc. Par ailleurs, non seulement on devra pouvoir intégrer un à un les divers modules, mais il faut impérativement prévoir des techniques permettant facilement de pouvoir extraire le microcontrôleur de son support, ainsi que de la platine Arduino des connecteurs HE14. Chacun utilisera pour réaliser son coffret les techniques qu’il maitrise, et la logistique qui lui est propre. Quelle que soit votre technique pour créer votre boitier, vous serez confrontés à des difficultés analogues. Aussi, pour vous aider, je vous suggère de passer en revue un certain nombre de détails relatifs à l’agencement du prototype.
L’aboutissement est montré sur la Fig.24 qui représente l’ensemble entièrement assemblé et en coupe. Ce dessin va nous aider à appréhender l’agencement de l’ensemble terminé. La plus grosse difficulté consiste à mon avis à réunir l’accastillage. Par exemple les vis longues M1,5 en bronze et dont on peut ajuster la longueur sous tête à la demande. (Les diverses paires de vis présentent des longueurs différentes.) Trouver les vis à manchon telles que 2 et 17 ne me semble pas simple du tout, pour ma part elles sont de récupération. Il vous faudra probablement adopter une « solution locale ». Le couvercle n’est saisi sur le boitier qu’à ses deux extrémités par les vis « cloche » 2 et 17. Noter qu’à gauche les vis 1 doivent présenter une longueur supérieure à celles des vis 16 car il y a l’épaisseur de la plaque transparente en plus. Le petit boulon 7 sert à maintenir la « vitre » sur le couvercle quand on dépose ce dernier. En 11 vous pouvez observer le trou pratiqué dans le couvercle, assez grand pour qu’un quelconque stylo puisse permettre d’activer le bouton de RESET. Les vis 12 et 16 ainsi que les écrous 15 assurent la solidarisation de l’empilage des trois circuits imprimés. La plaque principale 10 repose sur les entretoises 21 et se trouve immobilisée à sa gauche par le boulon 6. Le circuit imprimé du clavier 13 est séparé du circuit 20 des E/S par les entretoises 14. (Toutes les entretoises sont réalisées par des éléments issus de boutons poussoir réformés, démontés et percés à convenance.) Par contre, pour assurer la séparation entre 10 et 20 on a ajouté à 14 les rondelles 19 pour augmenter l’écart. (Résistance de 10Ω 2W actuellement à l’extérieur.) Notez que les vis 1, 6, 12 et 16 sont pourvues de rondelles métalliques larges 18 pour leur assurer une portée efficace. En 8 nous avons le module Arduino enfiché sur les connecteurs 9 soudés sur le circuit principal 10. En 4 se trouve l’afficheur OLED broché à son tour sur le connecteur 5 soudé sur la plaque principale 10. On voit bien sur ce dessin réalisé à l’échelle des dimensions que le connecteur 5 doit avoir des broches longues pour surélever 4 au dessus du microcontrôleur. L’ensemble 3 qui supporte 4 de l’autre coté du connecteur est particulier et sera détaillé plus avant. Enfin, vous constaterez que les dimensions des boutons poussoir conditionnent globalement la hauteur du coffret.
Mise en place des trois circuits imprimés.
Comme déjà décrit lors du didacticiel sur le mini laboratoire, ce sont des plaques de « polystyrène choc » de 3mm d’épaisseur qui font merveille pour matérialiser le tout petit coffret. La Fig.25 présente une vue plongeante coté utilisateur. Entre les circuits imprimés et l’intérieur des parois latérales il n’y a que 3mm d’espace maximum. Le coffret mesure en extérieur 40mm de large, 124mm de long et 39mm de haut, couvercle compris. (Le fond déborde d’un demi-millimètre tout le tour.) En 1 se trouve l’orifice par lequel sera inséré le cordon de la ligne d’alimentation USB. Il est volontairement de dimensions exagérées pour pouvoir serrer certains écrous à l’intérieur, ou aider à extraire des éléments. En 2 se trouvent deux orifices qui permettent de voir latéralement les LED du petit module Arduino. En 3 on observe l’un des quatre trous de passage des vis de l’empilement des trois circuits. Notez que ces trous sont allongés, nous allons dans le chapitre suivant comprendre pourquoi. L’ensemble des trous ronds globalement alignés permet une ventilation maximale de l’électronique. (En été il fait chaud si PICOLAB se trouve en plein soleil !)
Première étape : La mise en place des trois circuits imprimés.
Cette manipulation comportant plusieurs phases va exiger de la méthode et du doigté. La première, représentée sur le dessin de la Fig.26, consiste à placer en premier les deux vis 12 sur le coffret et à y introduire les deux entretoises 21. Puis, Glisser le circuit 10 dans le coffret. Par une légère rotation α introduire les deux vis 12 et placer provisoirement les écrous 15 pour ne pas qu’elles ne s’échappent. Lors de cette manipulation l’ensemble doit être dégagé au maximum vers la gauche dans le sens β. C’est la raison qui motive des trous de passage oblongs pour les vis qui supportent les trois circuits imprimés. C’est au tour des vis 16 munies de leurs entretoises 21 de traverser les trous de passage dans 10. (Augmenter α) Schématisée sur la Fig.27 la deuxième phase consiste à placer la semelle du coffret normalement à plat pour empêcher les vis 12 et 16 de sortir. Retirer les écrous 15, puis introduire les quatre rondelles 19 et les quatre entretoises 14. Par une rotation δ le circuit 20 peut alors se placer sur les vis 12 et 16. En adoptant pour les vis une orientation plus verticale, placer les dernières entretoises 14 et « enfiler »
à son tour le clavier 13. Mettre en place les écrous 15 en les laissant à l’extrémité des vis pour conférer au total un maximum de souplesse. Basculer l’ensemble dans l’autre sens et glisser l’entretoise 21 de gauche sous 10 et introduire à son tour la vis 6 pourvue de sa rondelle 18. Une pince précelle permet facilement cette opération, l’entretoise étant insérée à travers le grand orifice noté 1 sur la Fig.25 donnée ci-dessus. L’ensemble se trouve maintenant dans la configuration de la Fig.28 les écrous 15 n’étant pas serrés pour pouvoir déplacer latéralement toute cette électronique par des translations montrées par les flèches F. Mettre provisoirement en place le couvercle et ses deux vis 17 légèrement serrées. Déplacer tout le bloc électronique pour centrer le couvercle sur le coffret. Vous
observerez au passage que c’est la translation β dirigée vers la droite qui permet au connecteur des Entrées/Sorties de s’introduire dans l’ouverture du boitier. Couvercle parfaitement centré, serrer très modérément 17 puis immobilisez définitivement l’écrou de gauche. Il sera dans ce but immobilisé par une pince traversant en λ le coffret, pendant que la vis 6 est manœuvrée. Pour achever cette phase il suffit de retirer le couvercle et de serrer les quatre écrous bridant les trois circuits imprimés entre eux.
Deuxième étape : La mise en place du petit module Arduino.
Enfin une manipulation simple qui consiste à enficher le petit module Arduino sur ses connecteurs réalisant les liaisons avec 10. Vu le nombre de broches il tient parfaitement en place. Néanmoins, pour assurer définitivement sa position, coté écran LCD, comme montré sur la Fig.29 on ajoute un petit boulon de solidarisation rigide. Pour ne pas surcharger le dessin, les deux petits circuits imprimés situés en aval du module Arduino ne sont pas représentés. Comme pour toutes les étapes, remarquer quelques menus détails ne sera probablement pas superflu. Pour aligner la vis A dans l’axe du trou sur le module Arduino, l’orifice dans le coffret est allongé latéralement. (C’est le trou noté π sur la Fig.25) Quand on a tout introduit dans le boitier, en s’aidant avec une pince précelle par le grand orifice latéral 1, on annule le jeu de l’écrou F en veillant à ce que la rondelle G soit bien à plat. Elle présente un alésage large pour pouvoir se désaxer et ne pas talonner sur l’entretoise H. On amène ensuite l’écrou E au contact du module Arduino à la bonne hauteur. Ensemble parfaitement aligné on peut serrer l’écrou F. (On le maintien avec une petite pince par l’orifice latéral et l’on serre la vis A.) On introduit alors sur le dessus l’entretoise D. C’est un modèle particulier en nylon pour porter correctement sur le circuit imprimé sans s’appuyer sur les composants de surface voisins du trou de passage de la vis. Puis sur cette dernière on place une rondelle métallique C qui assure une portée correcte de l’écrou B. En serrant modérément ce dernier on finalise concrètement cette étape.
Dernière étape : La mise en place de l’afficheur OLED.
C’est à mon avis la plus risquée pour le matériel si l’on ne s’y prend pas avec finesse. Enficher ce minuscule module sur le support HE14 à quatre broches ne pose aucun problème. Le module étant en porte à faux va pencher naturellement vers l’autre coté. Pour le maintenir à l’horizontale on va placer une vis qui utilisera le trou de droite inutilisé sur le petit module Arduino. Nous sommes alors confrontés à deux difficultés. La première résulte du fait que l’écartement des trous sur Arduino et sur le module OLED n’est pas identique. Du coup, comme montré sur la Fig.30 l’ensemble qui supporte l’afficheur se trouve en biais. En sois ce n’est pas tragique, on prendra une vis M1,5 bien plus petite que les trous de passage, et ainsi elle traversera et s’orientera sans problème. La solution montre en J une entretoise en « nylon souple », choisie car sa surface d’appui est large, mais porte sur la nappe des micro-fils de l’afficheur. Ainsi elle ne risque pas de l’excorier. En L une
rondelle isolante à trou intérieur large assure le contact avec 8 le module Arduino. Elle peut se désaxer légèrement pour ne pas porter sur les composants de surface situés à proximité du trou de passage de la vis 3. Pour assurer une portée correcte, une petite rondelle métallique K est intercalée entre les deux. Le secret d’une liaison souple réside dans la présence de la petite entretoise en caoutchouc souple M qui autorise des portées correctes avec 8 et l’écrou N par l’entremise de la rondelle intermédiaire métallique P.
Attention : Ce que ne révèle pas totalement la Fig.30 et qui constitue la deuxième difficulté, c’est la proximité du trou de passage de la vis avec la plaque de verre V très fragile de l’afficheur à cristaux liquides. Montré en détail sur la Fig.31 on observe que la vis a été limée coté afficheur pour créer un méplat et ainsi ménager un petit espace de sécurité. Sans ce dernier la tête de la vis 3 risque de « briser » le verre V de l’afficheur et risquerait de le détruire. Quand vous procèderez au serrage de l’écrou N, (Par le grand trou latéral 1) il faudra impérativement interdire la rotation de la vis 3 et ainsi conserver son méplat parallèle au verre V et éviter absolument tous contact qui risquerait de forcer sur ce dernier. Un serrage faible est très suffisant car le caoutchouc assure le freinage.
Quelques détails qui font toute la différence.
Souvent, un petit rien peut changer considérablement la qualité opérationnelle d’un produit. C’est pourtant lors de la conception qu’il faut y penser, car par la suite la modification pour le concrétiser peut s’avérer délicate ou impossible. C’est particulièrement vrai pour le coffret. Une fois définitivement assemblé par collage, il devient difficile d’y apporter de profondes modifications. Le coffret du prototype à démontré le bienfondé des solutions adoptées. Pour vous en faire profiter, ce chapitre m’a semblé utile.
Quand le module Arduino est enfiché sur son connecteur de type HE14 par ses vingt six broches, il refuse toute extraction ou exige un effort notable. Ce phénomène a été constaté avant de réaliser le boitier. Il suffit pour parer cette difficulté
de pratiquer des ouvertures sur les flancs pour permettre d’intercaler l’extrémité plate d’un gros tournevis entre les deux protagonistes. Elles sont repérées en rouge sur la Fig.32 avec en jaune l’orifice du connecteur pour la mesure des intensités et en bleu l’ouverture de passage du module potentiomètre. Sur le haut nous avons la rangée de trous d’aération et tout à gauche le gros trou permettant de voir la LED jaune qui témoigne de l’alimentation correcte d’Arduino. Une rotation du tournevis telle que φ sur la Fig.33 désolidarise alors facilement les connecteurs. Autre détail : La LED rouge d’Arduino provoque sous l’afficheur une lueur parasite qui diminue l’agrément visuel. Pour éliminer ce petit inconvénient, comme montré sur la Fig.34 un petit masque réalisé en carton est intercalé entre Arduino et l’afficheur avant la mise en place de ce dernier. Il reste possible d’observer cette LED par le flanc arrière du coffret. Dernier petit détail visible sur la Fig.35 : Le potentiomètre étant un modèle de petite taille, son épaisseur reste faible et la platine est en porte à faux. Pour la soutenir convenablement à l’horizontale quand elle est enfichée sur le connecteur, comme montré sur la Fig.35, une cale en feutre Y adhésive est collée sur le dessous du corps du potentiomètre avec interposition d’une cale d’épaisseur X.
Une petite galerie d’images.
Souvent un petit croquis s’avère infiniment plus parlant qu’un long discours. Par ailleurs, dans un document comme celui-ci, on ne peut pas tout expliquer. Trop de détails finiraient par rendre le sujet bien indigeste. De plus, impossible de penser à tout, et ce d’autant plus que des
évidences pour l’auteur ne le seront pas forcément pour le lecteur. Aussi, quelques photographies du prototype seront certainement très appréciées et montreront une foule de détails.
Consacrer une page virtuelle à ces dernières va certainement aider bon nombre d’entre vous.
On observe dans la zone du cercle rouge qu’entre le petit circuit imprimé du clavier 13 et la platine Arduino 8 il n’y a que peu de place. C’est la raison pour laquelle les fils de liaison sont soudés sur le dessous de 13. (Mis à part la ligne e qui est soudée sur le dessus du circuit imprimé directement sur la résistance de 1kΩ.)
La photographie présentée sur la Fig.37 est très représentative de la longueur qu’il faut donner aux fils de câblage pour pouvoir convenablement intervenir sur l’électronique en maintenance. Les trois circuits doivent pouvoir être écartés convenablement, mais il ne faut pas qu’une fois pliées, les boucles qu’elles forment ne soient trop longues. Elles ne doivent pas dépasser de 10.
La Fig.38 ci-dessous montre bien le peu de place disponible entre le circuit 13 et la platine Arduino. Si tous les fils étaient soudés sur le dessus, par manque de place il y aurait un phénomène de pincement. De plus, le petit bouton de RESET serait en partie masqué par ces derniers.
