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Bending middle pins for Matias switches is no longer necessary.
[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
35 \item Newspaper or other material to spray on
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.
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 other coats.
101
102 \vspace{1em}
103
104 The outer surfaces should have between eight to ten 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 of lacquer, then try
111 lightly sanding it again until you're satisfied.
112
113 \section{Diodes}
114
115 If you've got a presoldered board, you can skip ahead to the
116 ``Switches'' section.
117
118 \vspace {1em}
119
120 If you've never soldered before, there are plenty of good
121 introductions online.\footnote{This one from Adafruit is great:
122   https://learn.adafruit.com/adafruit-guide-excellent-soldering/tools}
123 Coat the tip of the hot iron thinly with some solder before you
124 start. The key is to use the iron to heat both the hole and the lead
125 sticking through it for a second or two, then bring in a dab of the
126 solder. The solder should melt immediately if the joint is hot enough.
127
128 \vspace{1em}
129
130 Take five diodes at a time and bend them into a U shape. Place them
131 into the diode holes next to each switch slot on the unlabeled side of
132 the board. Each diode has a black band on it; the band should be
133 pointing in the direction of the arrow on the printed side of
134 the board. Once all five are in, pinch the legs of the diodes together
135 to keep them from falling out, then flip the board over and solder
136 them in place. Make sure they don't protrude up more than necessary.
137
138 \vspace{1em}
139 \includegraphics[width=\columnwidth]{diodes.jpg}
140 \vspace{1em}
141
142 Once each set of diodes is soldered, trim the diode legs with wire
143 cutters. Pinch the diode leg as you trim it to keep it from flying
144 across the room or into an eye. \textbf{Keep the diode legs}; they will be
145 needed in the next step. Repeat until each diode position is
146 filled. Note that each row on the bottom needs six diodes instead of five.
147
148 \section{Controller}
149
150 Once the diodes are in place, you can begin attaching the controller.
151 If the controller came in a pink bag with its own header pins, you may
152 be tempted to use them to connect the controller to the circuit
153 board. Don't do this--they are too big and will prevent the case from
154 closing when you're done. We will be using the diode legs we just
155 trimmed instead.
156
157 \vspace{1em}
158
159 First take the PCB with the labeled side down and fill the four corner
160 holes in the center ``A-STAR'' section with solder. Insert diode legs
161 into these holes while melting the solder. Then repeat the process for
162 the other holes on the left, keeping them pointing as straight as
163 possible. Leave the rest of the right side alone for now.
164
165 \vspace{1em}
166 \begin{center}\includegraphics[width=0.8\columnwidth]{many-pins.jpg}\end{center}
167 \vspace{1em}
168
169 Fit the controller over the legs you've attached so far. You can trim
170 the legs some if it helps get the controller on, but don't cut them to
171 less than a quarter of the original length. Solder the four corner
172 pins already connected to the PCB into the corners of the
173 controller. (The bottom left corner pin of the controller is unused;
174 the pin above it is used instead.) Try to ensure the controller is as
175 close to the PCB as possible and not at an angle. Then solder the
176 other left-side diode legs into the controller as well. Trim them all
177 with your wire cutters when they are secure.
178
179 \vspace{1em}
180
181 Eight right-side holes remain. For these, bend four diode legs at a
182 time into an L shape, and insert them into four of the remaining
183 holes. Flip the board over and solder the protruding diode legs to the
184 PCB, then trim them down and flip the board back over. Straighten the
185 diode legs, then solder and trim them. Repeat for the remaining
186 right-side holes. From the PCB side, all the holes will be used, but
187 from the controller side, there will be some unused.
188
189 \vspace{1em}
190 \begin{center}
191   \includegraphics[width=0.8\columnwidth]{bent-legs.jpg}
192 \end{center}
193 \vspace{1em}
194
195 Before you go on, take the time to double-check the solder joints on
196 the controller. The solder should fill the hole completely without
197 spilling over to adjacent holes. Also check that all the diodes are
198 facing the correct direction with the black band pointing to the
199 bottom of the board.
200
201 \section{Firmware}
202
203 Installing the firmware now isn't strictly necessary, but it will
204 allow you to spot mistakes before the board is finished.
205
206 \vspace{1em}
207
208 Plug in the USB micro cable into the controller, and plug the other
209 side into your computer. Get a copy of the
210 firmware \texttt{.hex} file \footnote{Available at
211   https://atreus.technomancy.us/tmk} and \texttt{avrdude}. The
212 first time you upload the firmware, you will have to use the hardware
213 reset to enter the bootloader: take a diode leg or wire and touch one
214 end to the reset pin and one end to the ground pin. (These are circled
215 in the photo.)  Touch them together twice in under a second and the
216 LED underneath will begin pulsing in a smoother pattern from the
217 original blinking. This indicates it has entered bootloader mode for 8
218 seconds.
219
220 \vspace{1em}
221
222 While it's in the bootloader mode, run \texttt{avrdude -p atmega32u4
223   -c avr109 -U flash:w:atreus.hex -P /path/to/usb} from the directory
224 containing the firmware\footnote{See the firmware readme for
225   instructions about determining the USB argument and customizing the
226   layout.}. The firmware should be uploaded, and it will start
227 functioning as a keyboard once switches are connected. Next time you
228 upload, you can use the reset key instead of touching the pins
229 together.
230
231 \section{Switches}
232
233 Next take four switches and place each switch in a corner of the
234 switch plate. (That's the case layer with all the holes in it.) The
235 switches should be oriented so that the side with pins is to the
236 ``north'' of the board so they will fit into the holes in the circuit
237 board. Put the switch plate face-down on the table with the pins
238 sticking up.
239
240 \vspace{1em}
241
242 Carefully fit the circuit board over the protruding pins with the
243 labeled side down. Solder those corners to hold the circuit board and
244 the switch plate together. The switches should be flush with the
245 PCB. Take care that the switch pins are straight when you insert them;
246 pushing in a switch with a pin that's a bit bent will bend it flat and
247 prevent it from poking through the circuit board.
248
249 \vspace{1em}
250 \begin{center}
251   \includegraphics[width=0.9\columnwidth]{some-switches.jpg}
252 \end{center}
253 \vspace{1em}
254
255 Next fill in the rest of the bottom row (SW1:3 through SW10:3) and the
256 leftmost column (SW0:1 and SW0:2). If your kit has red linear switches
257 which do not have any tactile bump, you can choose to use these for
258 the modifier keys (shift, ctrl, alt, etc) or to leave the modifiers
259 using the same switches as the rest of the board.\footnote{Since
260   modifier keys are held down, they do not benefit from tactility like
261   normal keys do, so some people find they prefer linear keys there,
262   but this is a matter of personal taste.} The modifiers on the bottom
263 row are SW2:3, SW3:3, and SW8:3.
264
265 \vspace{1em}
266
267 Solder the left and right pins of each of the switches you've placed
268 so far, and then plug it in to a computer to test them to ensure that
269 each row and column is connected back up to the controller
270 correctly. Once you've confirmed this, solder the rest of the
271 switches.
272
273 \section{Wrapping Up}
274
275 If there's a misbehaving switch, it's often caused by a cold
276 joint. Reflow the solder on both contacts of the switch and the
277 diode. If an entire row or column is affected, it's probably the
278 connection to the controller. You can follow the traces for the rows
279 back to the middle, but the columns on the back of the board are
280 obscured when the keyboard is assembled; you can see them in this PCB
281 diagram\footnote{https://atreus.technomancy.us/pcb}. Re-melting the
282 controller's solder joint for the affected row or column is usually
283 enough to get it working. If you still can't
284 get it working, email me: \texttt{phil@hagelb.org}.
285
286 \vspace{1em}
287
288 You may want to add strain relief by wrapping the USB cable with
289 electrical tape at the point just below where it leaves the case. This
290 will make it so pulling on the cable does not dislodge it from the
291 controller.
292
293 \vspace{1em}
294
295 After the switches are all in and tested, place the keycaps. They can
296 take a fair bit of pressure to go on, so support the underside of the
297 board while pushing them on. Once the caps are on, they are very
298 difficult to remove again; don't try to pull them off without
299 desoldering\footnote{Desoldering a single switch can be done with just
300   an iron, but for doing more you may want a pump or wick. See
301   https://blog.adafruit.com/2015/11/25/collins-lab-desoldering/} the
302 switch first.
303
304 \vspace{1em}
305
306 All that's left is to do is close the case by placing the spacer
307 pieces and bottom plate on the keyboard while upside down, then
308 putting some screws in. Flip it over and place the top plate on, then
309 attach the nuts. If the controller was not attached close enough to
310 the circuit board, it may be necessary to sand down the USB connector
311 in order to close the case. If the rubber feet don't stay on with the
312 provided adhesive, white glue may be needed to secure them. If you
313 have some wood finishing oil or beeswax, you can apply it with your
314 fingers after the feet go on.
315
316 \vspace{1em}
317
318 Congratulations! Enjoy your new keyboard. It will take a
319 considerable adjustment period to get used to it, but it should result
320 in much more comfortable and effective typing. Also remember that
321 you're encouraged to customize the layout to make it truly your
322 own.
323
324 \vspace{1em}
325
326 Happy typing!
327
328 \end{document}