El diseño de los circuitos impresos se llevo a cabo a través del software KiCad, el cual es un programa abierto y gratuito que incorpora funcionalidades de creación y visualización de esquemáticos, ruteo de caminos para PCB con configuración de reglas de diseño, e incluso una previsualización 3D del resultado.

Sección Digital

Para realizar el diseño de la sección digital, fue necesario seguir los lineamientos propuestos en el datasheet del procesador ESP-32, en cuanto a alimentación de pines y conexiones necesarias. El esquema general obtenido se observa en la imagen a continuación, el cual a su vez se presenta en la carpeta esquematico_ESP32:

Dentro del bloque ESP32 se nota la adición de un sub bloque llamado Programador. Dicho bloque tiene como función el agregar los puntos de conexión para el programador del microprocesador, el cual es conectado a través de los puertos UART (Rx y Tx) del mismo. También se tiene un pequeño apartado para los circuitos de debouncing para los botones y booteo y reseteo. Dentro de este mismo esquema se notan otras dos hojas jerárquicas de importancia, las cuales son Periféricos y Funcionamiento.

Periféricos

En la sub hoja jerárquica de periféricos, se encuentran las distintas conexiones necesarias para los dispositivos que se comunican directamente con el procesador. EL contenido de la hoja jerárquica es el que se observa a continuación:

Se tiene entonces distintos apartados para los distintos dispositivos, los cuales son:

• Lectores RFID
• Pantalla OLED
• Placa de desmagnetización
• Teclado
• Leds de indicación
• Conversor de niveles lógicos

Para el caso de los lectores RFID y la pantalla, estos poseen conexión a través del mismo Bus y protocolo SPI. Por lo tanto, dichos dispositivos compartirán las conexiones MISO, MOSI y SCK; mientras que variarán en su conexión del Chip Select o CS, para conocer cual de estos se está empleando.

El sistema de entrada de texto del sistema consiste en un teclado con conexión PS2, cuyo protocolo requiere únicamente de dos pines de conexión, para los Datos enviados y para el reloj de sincronización. Debido a la dificultad para agregar un conector tipo PS2 directamente a la PCB, se optó por agregar un conector tipo USB A hembra, el cual servirá de conexión para el teclado mediante un adaptador. Un punto importante a destacar es el de la sección de Conversor de niveles lógicos, dado que la tensión de salida del teclado empleado alcanza los 5V. Este es un umbral que no es permitido en los pines GPIO de la ESP32, por lo que es necesario implementar los circuitos que se observan a continuación:

Estos esquemáticos corresponden a los conversores de niveles lógicos, que permiten recuperar los bits enviados por por el teclado pasando de un nivel alto de 5V a uno de 3.3V que si puede ser leído por los pines GPIO de la ESP32.

Funcionamiento

El bloque de funcionamiento está dedicado exclusivamente a la sección de alimentación para la ESP32. Como se mencionó en la sección Alimentación se requieren de dos fuentes de tensión, una de 5V y otra de 3.3V. Por lo tanto se tienen los esquemáticos vistos a continuación:

Entonces, el convertidor DC-DC tipo Buck se encarga de disminuir la tensión de alimentación de 12V a 5V necesario para alimentar el teclado, mientras que el regulador lineal pasa de 5V a 3.3V para alimentar a la ESP32 y los demás periféricos.

Sección de Potencia

Las necesidades presentes para la desmagnetización de un libro son las expuestas en la sección Desmagnetización del Libro. Teniendo entonces necesidades de altas corrientes y limitaciones de tamaño para la placa de circuito impreso, se optó por realizar un esquemático y placa adicional, que contenga únicamente el circuito de puente H encargado de generar el campo de magnetización/desmagnetización. Por tanto, el circuito general de esta segunda placa es el que se observa a continuación:

En esta placa se observan dos bloques principales, que corresponden a los controladores High side-Low side para ambos brazos del puente. Estos van conectados a los gate de los MOSFET de potencia IRF630, donde los pares que conforman un brazo del puente se encienden de forma alternada (es decir que si el mosfet flotante está polarizado y encendido, el de abajo estará apagado). La carga del puente se trata de una bobina de tipo Hemholtz de aproximadamente 200 espiras, que al pasar por este una corriente de aproximadamente 8A generaría un campo magnético de 230 gauss. El esquemático muestra además dos conectores tipo Jack barrel, en donde uno permite energizar directamente la placa de potencia con el adaptador de 12V, mientras que el segundo sirve de función pass through, es decir para enviar alimentación directamente a la placa de lógica digital.

Entrando más en detalle, los controladores de medio puente corresponden a los integrados LM5104, donde cada uno se encarga de polarizar uno de los MOSFET flotantes, mientras que activa y desactiva alternadamente ambos transistores. La configuración necesaria de elementos para el correcto funcionamiento del integrado se encuentra dentro de las hojas jerárquicas llamadas driver1 y driver2, siendo la misma para ambos. Dicha configuración consta de distintos capacitores de bypass, resistencias y diodos de protección a los gates de los MOSFET, resistencia de tiempo muerto y un capacitor de bootstrap para la polarización del transistor flotante. El esquemático se tiene en la siguiente imagen:

Resultados de PCB

Al completar los esquemáticos de todos los circuitos necesarios dentro de ambas placas, se procedió entonces con el diseño propio de las PCB. Para esto se emplearon las condiciones de fabricación provistas por JLCPCB, en donde el límite inferior de tamaño de las pistas es de 0.27mm, así como un límite de 0.2mm para el agujero de los elementos truehole. Por la cantidad de elementos en las placas, se emplearon un total de 2 capas de cobre, siendo las inferiores únicamente para conexión. Además cabe resaltar que en la placa de potencia, debido a las altas corrientes, se opta por no utilizar pistas para conectar los componentes de potencia, sino que se usan zonas de cobre. Los resultados obtenidos son los que se observan en las siguientes imágenes:

Placa del circuito digital (capa delantera y trasera respectivamente) 6cm * 6.5cm

Placa del circuito del desmagnetizador (capa delantera y trasera respectivamente) 7cm * 5.7cm