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Minor assembly instruction improvements.
[atreides.git] / assembly / assembly.tex
1 \documentclass[landscape,twocolumn]{article}
2 \title{Atreus Keyboard Assembly}
3 \date{ }
4 \usepackage{pdflscape}
5 \usepackage{graphicx}
6 \usepackage[landscape,twocolumn]{geometry}
7 \usepackage{wrapfig}
8 \newgeometry{margin=2cm}
9 \begin{document}
10 \setlength{\columnsep}{1.4cm}
11 \setlength{\parindent}{0cm}
12 \maketitle
13 \section{Prerequisites}
14
15 Before starting, make sure your kit has all its parts:
16
17 \begin{itemize}
18 \item Case: top plate, switch plate, 3 spacer pieces, bottom plate
19 \item Sandpaper: 100-220 grit and 1000-2000 grit waterproof
20 \item Key switches: 42 tactile or clicky, 5 red optional
21 \item Printed circuit board (PCB)
22 \item A-Star Micro controller\footnote{The controller and diodes will be
23   attached to the PCB already in presoldered boards.}
24 \item Diodes\textsuperscript{2}: 42
25 \item USB micro cable
26 \item Key caps: 40 normal, 2 long
27 \item Screws and nuts: 8 each, 16mm M3 size
28 \item Rubber feet
29 \end{itemize}
30
31 You'll also need to have these on hand:
32
33 \begin{itemize}
34 \item Can of spray lacquer, shellac, or polyurethane (for wood cases)
35 \item Newspaper or other material to spray on (for wood cases)
36 \item Soldering iron and solder (lead-free not recommended)
37 \item Wire cutters (not needed for presoldered kits)
38 \item Eye protection for soldering
39 \end{itemize}
40
41 \vspace{1em}
42
43 The latest version of this document can always be found
44 online.\footnote{http://atreus.technomancy.us/assembly.pdf} If you are
45 hand-wiring a board without a PCB, see the older assembly
46 guide.\footnote{http://atreus.technomancy.us/assembly-hand-wired.pdf}
47 The photos in this guide depict Matias switches (with rectangular
48 switch stems), but you can use Cherry MX switches (with stems shaped
49 like a +) as well.
50
51 \section{Sanding}
52
53 Start by sanding with your rougher sandpaper. The top side of the
54 top plate and the bottom side of the bottom plate are the only
55 surfaces that are exposed to the touch once the keyboard is fully
56 assembled, so these will need the most attention when sanding. You can
57 sand the other surfaces as well just to get the scorch marks off, but
58 you don't need to worry about how smooth the inner surfaces feel to
59 the touch. (Acrylic cases can skip down to the ``Diodes'' step.)
60
61 \vspace{1em}
62 \begin{center}
63   \includegraphics[width=0.7\columnwidth]{sanding.jpg}
64 \end{center}
65 \vspace{1em}
66
67 You may want to hold two pieces together while sanding for strength or
68 placing it on a flat surface you don't mind scruffing up; too much
69 pressure on a single plate could damage it. Be sure to get all the
70 wood dust off the pieces before you go on. A clean tack cloth or other
71 fine cloth works well.
72
73 \vspace{1em}
74
75 Some people don't like the look of the exposed edges charred black
76 from the laser cutter. You can choose to sand off the charring, or
77 alternately cover it all with black ink from a sharpie marker for a
78 more consistent look, or just leave it alone.
79
80 \section{Wood Finishing}
81
82 Once the case is sanded down all over with coarse sandpaper, find a
83 good place to spray the lacquer or polyurethane; either outdoors or in
84 a well-ventilated garage. Lay down the newspaper with the pieces of
85 the case on top of it. Spray your first coat of lacquer to the face-up
86 side of each piece. As you spray to and fro, overlapping the path of
87 the spray slightly will minimize running. The evenness of the spray
88 matters less on the internal surfaces of the case, so that's a good
89 place to practice and get the hang of it.
90
91 \vspace{1em}
92
93 Check the lacquer directions to see how long your particular product
94 needs to dry; this can vary from half an hour to many hours. Once your
95 first coat is dry, flip each piece over and spray the other
96 side. Repeat for a second coat. After the second coat, you can ignore
97 all surfaces except for the top of the top plate and the bottom of the
98 bottom plate since only these are exposed to the outside. At this
99 point you can take in the switch plate and continue the rest of the
100 keyboard construction in between applying the further coats.
101
102 \vspace{1em}
103
104 The outer surfaces should have between five to eight coats applied
105 total. As you get to the later coats, the end result will be smoother
106 if you can keep them thinner. After your second-to-last coat dries,
107 take your fine sandpaper and soak it in water, then sand over the top
108 and bottom surfaces lightly. Add a final coat and buff it with a fine
109 cloth. If you make any mistakes or are unhappy with the smoothness of
110 the finish, let it dry and add another layer.
111
112 \section{Diodes}
113
114 If you've got a presoldered board, you can skip ahead to the
115 ``Switches'' section.
116
117 \vspace {1em}
118
119 If you've never soldered before, there are plenty of good
120 introductions online.\footnote{This one from Adafruit is great:
121   https://learn.adafruit.com/adafruit-guide-excellent-soldering/tools}
122 Coat the tip of the hot iron thinly with some solder before you
123 start. The key is to use the iron to heat both the hole and the lead
124 sticking through it for a second or two, then bring in a dab of the
125 solder. The solder should melt immediately if the joint is hot enough.
126
127 \vspace{1em}
128
129 Take five diodes at a time and bend them into a U shape. Place them
130 into the diode holes next to each switch slot on the unlabeled side of
131 the board. Each diode has a black band on it; the band should be
132 pointing in the direction of the arrow on the printed side of
133 the board. Once all five are in, pinch the legs of the diodes together
134 to keep them from falling out, then flip the board over and solder
135 them in place. Make sure they don't protrude up more than necessary.
136
137 \vspace{1em}
138 \includegraphics[width=\columnwidth]{diodes.jpg}
139 \vspace{1em}
140
141 Once each set of diodes is soldered, trim the diode legs with wire
142 cutters. Pinch the diode leg as you trim it to keep it from flying
143 across the room or into an eye. \textbf{Keep the diode legs}; they will be
144 needed in the next step. Repeat until each diode position is
145 filled. Note that each row on the bottom needs six diodes instead of five.
146
147 \section{Controller}
148
149 Once the diodes are in place, you can begin attaching the controller.
150 If the controller came in a pink bag with its own header pins, you may
151 be tempted to use them to connect the controller to the circuit
152 board. Don't do this--they are too big and will prevent the case from
153 closing when you're done. We will be using the diode legs we just
154 trimmed instead.
155
156 \vspace{1em}
157
158 First take the PCB with the labeled side down and fill the four corner
159 holes in the center ``A-STAR'' section with solder. Insert diode legs
160 into these holes while melting the solder. Then repeat the process for
161 the other holes on the left, keeping them pointing as straight as
162 possible. Leave the rest of the right side alone for now.
163
164 \vspace{1em}
165 \begin{center}\includegraphics[width=0.8\columnwidth]{many-pins.jpg}\end{center}
166 \vspace{1em}
167
168 Fit the controller over the legs you've attached so far. You can trim
169 the legs some if it helps get the controller on, but don't cut them to
170 less than a quarter of the original length. Solder the four corner
171 pins already connected to the PCB into the corners of the
172 controller. (The bottom left corner pin of the controller is unused;
173 the pin above it is used instead.) Try to ensure the controller is as
174 close to the PCB as possible and not at an angle. Then solder the
175 other left-side diode legs into the controller as well. Trim them all
176 with your wire cutters when they are secure.
177
178 \vspace{1em}
179
180 Eight right-side holes remain. For these, bend four diode legs at a
181 time into an L shape, and insert them into four of the remaining
182 holes. Flip the board over and solder the protruding diode legs to the
183 PCB, then trim them down and flip the board back over. Straighten the
184 diode legs, then solder and trim them. Repeat for the remaining
185 right-side holes. From the PCB side, all the holes will be used, but
186 from the controller side, there will be some unused.
187
188 \vspace{1em}
189 \begin{center}
190   \includegraphics[width=0.8\columnwidth]{bent-legs.jpg}
191 \end{center}
192 \vspace{1em}
193
194 Before you go on, take the time to double-check the solder joints on
195 the controller. The solder should fill the hole completely without
196 spilling over to adjacent holes. Also check that all the diodes are
197 facing the correct direction with the black band pointing to the
198 bottom of the board.
199
200 \section{Firmware}
201
202 Installing the firmware now isn't strictly necessary, but it will
203 allow you to spot mistakes before the board is finished.
204
205 \vspace{1em}
206
207 Plug in the USB micro cable into the controller, and plug the other
208 side into your computer. Get a copy of the
209 firmware \texttt{.hex} file \footnote{Available at
210   https://atreus.technomancy.us/download} and \texttt{avrdude}. The
211 first time you upload the firmware, you will have to use the hardware
212 reset to enter the bootloader: take a diode leg or wire and touch one
213 end to the reset pin and one end to the ground pin. (These are circled
214 in the photo.)  Touch them together twice in under a second and the
215 LED underneath will begin pulsing in a smoother pattern from the
216 original blinking. This indicates it has entered bootloader mode for 8
217 seconds.
218
219 \vspace{1em}
220
221 While it's in the bootloader mode, run \texttt{avrdude -p atmega32u4
222   -c avr109 -U flash:w:atreus.hex -P /path/to/usb} from the directory
223 containing the firmware\footnote{See the firmware readme for
224   instructions about determining the USB argument and customizing the
225   layout.}. The firmware should be uploaded, and it will start
226 functioning as a keyboard once switches are connected. Next time you
227 upload, you can use the reset key instead of touching the pins
228 together.
229
230 \section{Switches}
231
232 Next take four switches and place each switch in a corner of the
233 switch plate. (That's the case layer with all the holes in it.) The
234 switches should be oriented so that the side with pins is to the
235 ``north'' of the board so they will fit into the holes in the circuit
236 board. Put the switch plate face-down on the table with the pins
237 sticking up.
238
239 \vspace{1em}
240
241 Carefully fit the circuit board over the protruding pins with the
242 labeled side down. Solder those corners to hold the circuit board and
243 the switch plate together. The switches should be flush with the
244 PCB. Take care that the switch pins are straight when you insert them;
245 pushing in a switch with a pin that's a bit bent will bend it flat and
246 prevent it from poking through the circuit board.
247
248 \vspace{1em}
249 \begin{center}
250   \includegraphics[width=0.9\columnwidth]{some-switches.jpg}
251 \end{center}
252 \vspace{1em}
253
254 Next fill in the rest of the bottom row (SW1:3 through SW10:3) and the
255 leftmost column (SW0:1 and SW0:2). If your kit has red linear switches
256 which do not have any tactile bump, you can choose to use these for
257 the modifier keys (shift, ctrl, alt, etc) or to leave the modifiers
258 using the same switches as the rest of the board.\footnote{Since
259   modifier keys are held down, they do not benefit from tactility like
260   normal keys do, so some people find they prefer linear keys there,
261   but this is a matter of personal taste.} The modifiers on the bottom
262 row are SW2:3, SW3:3, and SW8:3.
263
264 \vspace{1em}
265
266 Solder the left and right pins of each of the switches you've placed
267 so far, and then plug it in to a computer to test them to ensure that
268 each row and column is connected back up to the controller
269 correctly. Once you've confirmed this, solder the rest of the
270 switches.
271
272 \section{Wrapping Up}
273
274 If there's a misbehaving switch, it's often caused by a cold
275 joint. Reflow the solder on both contacts of the switch and the
276 diode. If an entire row or column is affected, it's probably the
277 connection to the controller. You can follow the traces for the rows
278 back to the middle, but the columns on the back of the board are
279 obscured when the keyboard is assembled; you can see them in this PCB
280 diagram\footnote{https://atreus.technomancy.us/pcb}. Re-melting the
281 controller's solder joint for the affected row or column is usually
282 enough to get it working. If you still can't
283 get it working, email me: \texttt{phil@hagelb.org}.
284
285 \vspace{1em}
286
287 You may want to add strain relief by wrapping the USB cable with
288 electrical tape at the point just below where it leaves the case. This
289 will make it so pulling on the cable does not dislodge it from the
290 controller.
291
292 \vspace{1em}
293
294 After the switches are all in and tested, place the keycaps. They can
295 take a fair bit of pressure to go on, so support the underside of the
296 board while pushing them on. Once the caps are on, they are very
297 difficult to remove again; don't try to pull them off without
298 desoldering\footnote{Desoldering a single switch can be done with just
299   an iron, but for doing more you may want a pump or wick. See
300   https://blog.adafruit.com/2015/11/25/collins-lab-desoldering/} the
301 switch first.
302
303 \vspace{1em}
304
305 All that's left is to do is close the case by placing the spacer
306 pieces and bottom plate on the keyboard while upside down, then
307 putting some screws in. Flip it over and place the top plate on, then
308 attach the nuts. If the controller was not attached close enough to
309 the circuit board, it may be necessary to sand down the USB connector
310 in order to close the case. If the rubber feet don't stay on with the
311 provided adhesive, white glue may be needed to secure them. If you
312 have some wood finishing oil or beeswax, you can apply it with your
313 fingers after the feet go on.
314
315 \vspace{1em}
316
317 Congratulations! Enjoy your new keyboard. It will take a
318 considerable adjustment period to get used to it, but it should result
319 in much more comfortable and effective typing. Also remember that
320 you're encouraged to customize the layout to make it truly your
321 own. Happy typing!
322
323 \end{document}