¿Por qué es muy difícil el diseño de un circuito electrónico?

Un ejemplo: un sensor de CO2 inalámbrico con pantalla táctil y memoria, un proyecto personal que hice para no aburrirme durante la pandemia:

Como los proveedores de partes estaban cerrados o con retrasos por culpa del C-19, usé una caja de enchufe de pared, piezas de aparatos viejos o stock que tenía en mi Laboratorio.

El "mapa general" es un procesador ARM Cortex, que tiene que conectar a varios "satélites": memorias, pantalla, módem Wi-Fi, etc., cada uno con sus propias conexiones, protocolos y caprichos varios:

El diagrama de arriba se ve simple, pero se tiene que convertir a un esquemático, con todos los detalles de partes, valores y conexiones, con algunas condiciones iniciales:

• El sensor de CO2 es de tipo cerámico: necesita una fuente de 6V para calentar una resistencia, que inicia la reacción electroquímica con el gas, para así generar la señal de salida. Esto obliga a diseñar un circuito regulador switching de 6V.
• La pantalla táctil usa 5V: hay que agregar un segundo regulador.
• El resto de la electrónica funciona con 3.3V: tercer regulador.
• La salida del sensor es un voltaje de unos 300mV y una corriente muy débil, del orden de microamperes. El procesador tiene un conversor A/D con impedancia mucho más baja, y su escala cubre un rango de 0 a 3V. O sea se necesita un amplificador que "traduzca" la señal del sensor al formato del procesador.
• La lectura del sensor depende de la temperatura, así que se incluye un termómetro digital para hacer las correcciones en el software.
• La pantalla táctil y el módulo WiFi usan una interfaz serial: o sea el procesador debe reservar otro puerto serial.
• El módulo wifi tiene una antena integrada que exige bastante espacio sin metales alrededor, para no perjudicar el alcance. Además de otro puerto serial para comunicarse con el procesador
• Como estamos en pandemia, no pude comprar los zócalos para una memoria microSD, así que usé unos chips Flash de 1MB, con interfaz serial (SPI). De nuevo el procesador debe reservar un puerto serial para hablar con estos personajes.

Después de destilar todos esos problemas, se llega al circuito esquemático:

Luego viene el diseño de las "calles y edificios" de la placa circuito impreso. Como el procesador tiene recursos limitados y reservados en ciertos pines, la tarjeta se divide en "distritos" o sub-bloques, cada uno con una función específica, que se distribuyen alrededor del procesador para hacer más fácil el trazado de las "calles" de cobre. El diseño del esquemático y placa es un proceso iterativo donde se van corrigiendo cosas a uno u otro lado hasta llegar a un diseño final:

La pantalla aguanta cualquier cosa, no así los fabricantes de placas, cada uno con sus propias especificaciones y matriz de precios/plazos. Todo debe seguir tolerancias muy precisas: espacio entre áreas de cobre, anchos de las pistas de cobre, diámetros de perforaciones, posición de etiquetas, etc.

Los componentes tienen volumen y altura máxima para no darse cabezazos con la placa de la pantalla. Hay que tomar decisiones como poner partes en la cara opuesta, buscar alternativas más bajos, etc.

Termina así el diseño de hardware, los "fierros". Se ven bien en un rendering 3-D pero la tajeta es inerte: le falta el firmware, el programa del procesador, el detalle que hace la diferencia entre un Monitor de CO2 y un adorno de 100 dólares.

Un sensor de CO2 cerámico tiene sus "mañas": la relación entre voltaje, temperatura y concentración de gas es logarítmica. Aquí es donde hay que "ensuciarse las manos" con números y fórmulas, la Ecuación de Nernst y regresión exponencial. A mi juicio lo mejor de estos proyectos.