Larry Bank原文出處：

https://bitbanksoftware.blogspot.com/2023/04/building-pocket-co2-project.html

基于互利互惠的平等互信合作原則以及我是war chest的大前提下，我可以光榮地轉(zhuǎn)載翻譯大佬的東西，出口轉(zhuǎn)內(nèi)銷嘛。以下是原文（機(jī)器翻譯）

介紹

我以前的大部分帖子都集中在軟件主題上。 在本文中，我將稍稍涉及一下硬件。 2022 年底，我向自己承諾要學(xué)習(xí)如何使用 KiCad，這樣我就可以設(shè)計(jì)自己的印刷電路板。 我有一些電子方面的經(jīng)驗(yàn)，我認(rèn)為我可以設(shè)計(jì)一些相對(duì)簡單的 PCB 供我自己使用。 我找到了這個(gè) 100 分鐘的 YouTube 教程（https://www.youtube.com/watch?v=aVUqaB0IMh4&pp=ygUFa2ljYWQ%3D），它提供了足夠的實(shí)用信息來幫助我入門。 這篇博文與學(xué)習(xí) KiCad 無關(guān)； 相反，我將逐步完成構(gòu)建我的 Pocket CO2 傳感器項(xiàng)目所需的所有步驟和設(shè)備。 可以在此處找到 KiCad 文件和固件。

項(xiàng)目存放地址： https://github.com/bitbank2/Pocket_CO2

(SMD) 表面貼裝焊接容易嗎？

在看過 Seon“Unexpected Maker”Rozenblum 等專業(yè)創(chuàng)客的視頻后，我使用拾取式機(jī)器來構(gòu)建復(fù)雜的 PCB 板，其中的組件非常小，我錯(cuò)誤地認(rèn)為 SMD 焊接需要昂貴的設(shè)備和大量的專業(yè)知識(shí)。 要達(dá)到 Seon 的水平，您確實(shí)需要昂貴的設(shè)備和大量的專業(yè)知識(shí)，但是有更簡單的 SMD PCB 項(xiàng)目可以使用廉價(jià)的工具和很少的經(jīng)驗(yàn)來完成。 多年來，我曾多次嘗試使用細(xì)尖烙鐵在鍍錫原型板上處理一些 SMD 元件。 我能夠笨拙地焊接一些 0603 組件并破壞/移除其他組件，但它經(jīng)常導(dǎo)致令人沮喪的失敗。 使它變得容易得多的是我的第一臺(tái)新設(shè)備——熱風(fēng)返工站。 聽起來比實(shí)際更令人印象深刻； 更類似于高溫吹風(fēng)機(jī)。 我以大約 35 美元的價(jià)格購買了這些 858D 克隆中的一個(gè)（見下文）。 市場上有許多變體，但它們都非常相似。 它有一個(gè)控制風(fēng)扇速度的旋鈕、升高或降低溫度的按鈕和一根短電纜上的加熱“棒”。 為了安全起見，有一個(gè)磁性開關(guān)，當(dāng)加熱器位于皮套中時(shí)，它會(huì)關(guān)閉加熱器。

僅使用熱風(fēng)槍和一把好的鑷子，就可以輕松地焊接或返工（簡單的）SMD PCB。 這只是“入門”工具，當(dāng)然不是最好的或唯一適合 SMD 愛好者工作的工具。 如果您沒有太多額外的空間或預(yù)算來購買更高級(jí)的工具，那么至少您可以在不投入太多的情況下感受一下。 人們用來處理表面貼裝元件的工具有很多種，例如回流爐、熱板、貼片機(jī)、顯微鏡、照相機(jī)、吸盤等等。 我沒有足夠的空間或預(yù)算，所以我用熱風(fēng)槍湊合著用，最近我加了一個(gè)便宜的（40 美元）熱板：

我說它很容易（與通孔焊接相比）的原因是組件放置或移除要快得多。 一旦涂上焊膏并且元件就位，在熱氣流下幾秒鐘，您就可以一次焊接整個(gè)電路板。 拆卸零件同樣簡單——用熱空氣吹它們，它們就會(huì)從板上滑下來。

組件選擇

解釋為什么我選擇每個(gè)特定組件和大小很有用。 在過去的幾年里，我一直在執(zhí)行一項(xiàng)任務(wù)，以獲取有關(guān)整個(gè)電子市場的有用知識(shí)——成本、能力、可用性。 我最近從 WCH.cn 了解到低成本的 RISC-V MCU，并決定嘗試在一些項(xiàng)目中使用它們作為學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。 以此為出發(fā)點(diǎn)，Pocket CO2 項(xiàng)目的目標(biāo)是盡可能降低 BOM（物料清單）成本，并使設(shè)備能夠輕松放入緊身牛仔褲口袋中。 我通常會(huì)為這個(gè)項(xiàng)目尋找最小和最便宜的部件。 以下是我選擇的每個(gè)組件的概要以及原因：

單片機(jī)-CH32V003

該芯片的 TSSOP20 （https://www.richtek.com/assets/podfiles/Footprint-TSSOP-20.pdf）版本相對(duì)容易焊接（與 QFP20/QFN20 相比），具有大量暴露的 I/O，每個(gè)數(shù)量的成本約為 17 美分。 50. 它有足夠的速度和足夠的內(nèi)部 RAM/FLASH 來完成很多任務(wù)，所以它似乎是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。 寫完固件后，我已經(jīng)達(dá)到了 16K FLASH 的限制，想有更多的空間，但是 16K 是這個(gè)芯片的唯一選擇。 該設(shè)備的下一個(gè)版本將升級(jí)到 48 美分的 CH32V203。

https://bitbanksoftware.blogspot.com/2022/10/the-co2-project.html

二氧化碳傳感器 - SCD40

我已經(jīng)測試了 Sensiron 的 SCD40、SCD41 和 MH-Z19B。 SCD40 是我能找到的體積最小、成本最低的真正 CO2 傳感器。 有很多微型/便宜的 VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物）傳感器聲稱可以報(bào)告“eCO2”值。 我在另一篇博文中寫過這些。 SCD4x 提供可靠的結(jié)果，不會(huì)使用太多功率，并且作為獎(jiǎng)勵(lì)包括一個(gè)溫度和濕度傳感器。 唯一的缺點(diǎn)是 SMD 足跡不必要地困難。

顯示器 - SSD1306 128x64 OLED

這是我首選的顯示器，原因有幾個(gè)：白天/夜間可讀性、低成本、低功耗、快速顯示更新、多個(gè)供應(yīng)商、多種顏色選擇和簡單的 I2C 通信。 對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，分線板版本讓我省去了一些焊接難題，而且價(jià)格與原始顯示面板大致相同。 它還允許我通過將顯示板放在大多數(shù)其他組件的頂部來減少該項(xiàng)目的二維尺寸。

電源 - 3.7V 鋰聚合物電池

我希望通過紐扣電池運(yùn)行該電路板以提高安全性。 不可能用紐扣電池運(yùn)行 SCD40，因?yàn)樗懈哌_(dá) 250mA 的短暫功率尖峰。 一次性紐扣電池的內(nèi)阻使它們無法提供那么大的電流。 一對(duì)堿性電池可以工作，但要大得多。 鋰聚合物電池可以處理巨大的電流尖峰而電壓不會(huì)下降。 在低功耗模式下（每 30 秒采樣一次），傳感器的平均功耗可低于 1mA。 我通過稱為“低功耗模式”的菜單選項(xiàng)支持此模式。 在這種模式下，顯示屏?xí)P(guān)閉，直到您按下一個(gè)按鈕，然后它會(huì)顯示數(shù)據(jù) 5 秒鐘，然后再次關(guān)閉。 我還將默認(rèn)的 MCU 時(shí)鐘從 48Mhz 降低到 8Mhz； 這使其在運(yùn)行時(shí)僅消耗 1.8mA； RISC-V 32 位 @8Mhz 仍然有足夠的速度來完成這項(xiàng)工作。 OLED 顯示器在點(diǎn)亮?xí)r僅使用 2-4mA，因?yàn)橹挥胁坏揭话氲南袼攸c(diǎn)亮。 在連續(xù)模式下（每 5 秒采樣一次），顯示屏持續(xù)亮起，平均總電流消耗約為 8mA。 一個(gè) 200-400mAh 的電池將是這個(gè)項(xiàng)目的合適尺寸。

3.3V LDO 穩(wěn)壓器 - WL9005S5-33R

我買的時(shí)候 LCSC 以 3 美分的價(jià)格出售這部分。 它使用常見的 SOT23-5 封裝，靜態(tài)電流也不算太差。 我對(duì)在這個(gè)項(xiàng)目中使用一個(gè)普通的 LDO 并沒有感到太糟糕，因?yàn)殡娫撮_關(guān)完全斷開了電池。

鋰聚合物充電控制器 - TP4057

該芯片體積小、價(jià)格便宜，并負(fù)責(zé)管理/保護(hù)電池從 USB 5V 電源充電。 它只需要一個(gè)電阻來設(shè)置最大充電電流，并提供兩個(gè) LED 輸出來指示正在充電/已充電。

其余的部分

我認(rèn)為 0603 SMD 零件在“占用少量電路板空間”和“小到看不見”之間取得了很好的平衡。 從 LCSC 等來源購買它們的價(jià)格也非常實(shí)惠。 您的個(gè)人偏好可能是更大的元件尺寸，例如 0805 或 1206。

BOM costs
A primary aim of this project is to be a low cost true CO2 sensor. Here is the breakout down of my purchases (small qty, not including shipping, AliExpress + LCSC):

- SCD40 CO2 sensor: $14
- SSD1306 OLED breakout: $1.81
- TP4057 LiPo charge controller: $0.10
- 2-layer PCB: $0.40
- CH32V003 MCU: $0.17
-?WL9005S5-33R LDO: $0.10
- N-Channel FET: $0.017
- LEDs + resistors: < $0.10
- Switch & buttons: < $0.10
- PH2.0 socket: $0.03
- USB micro-b socket: $0.29

Total: approximately $17.11

應(yīng)用焊膏

這是個(gè)人選擇可能會(huì)指導(dǎo)你如何做事的地方。 我使用 60/40 錫/鉛焊膏，因?yàn)樗谳^低溫度下熔化（與無鉛焊料相比）并且通常對(duì)我為 PCB 選擇的 HASL（熱風(fēng)焊料整平）表面處理反應(yīng)良好。 許多 SMD 元件的溫度耐受性有限，因此降低焊料熔化溫度可以保護(hù)它們免受損壞。 SCD40 焊接說明告訴您使用相對(duì)較低的溫度，避免擊中頂部的滲透膜。

下一個(gè)選擇是是否使用模板來涂抹糊狀物。 模板允許您一次性在電路板表面刷漿。 我已經(jīng)在我的一些電路板上成功地使用了模板，但我一直在通過跳過模板（JLCPCB 的 7 美元）來降低我最新 PCB 的成本。 我用手做得到了很好的結(jié)果，因?yàn)槲铱梢钥刂茟?yīng)用了多少焊膏。 過多的焊膏會(huì)導(dǎo)致小焊盤短路。 我將糊狀物與額外的助焊劑混合（它已經(jīng)有助焊劑，但越多越好）。 這使得它不那么粘稠并且更容易傳播。 我使用無焊面包板線作為焊接“畫筆”將其涂到 PCB 上（見下圖）。

一旦涂上膏體，就可以用鑷子將元件放在板上。 比較難的是LED或者二極管。 它們只在一個(gè)方向上工作，所以我在放置它們之前用 3V 電源測試它們。 肉眼很難看到極性標(biāo)記。 我沒有顯微鏡，所以我使用手機(jī)攝像頭放大 3-10 倍來查看是否所有引腳都與焊盤對(duì)齊。 0603 電阻和電容可能會(huì)稍微傾斜或偏離中心，但 MCU 的 micro-b USB 插座和 TSSOP20 封裝需要高精度放置，以免短路或遺漏微小的引腳。

烘烤/回流

一旦元件被放置在電路板上，由于焊膏的粘性，它們大部分都留在原地。 不用急著烘烤電路板，因?yàn)楹隣钗锊粫?huì)在空氣中干燥。 對(duì)于這個(gè)構(gòu)建，我還使用了一個(gè)熱板并將其設(shè)置為 150C。 它使焊料接近其熔點(diǎn)，然后我可以在每組引腳上吹熱空氣以熔化焊膏。 當(dāng)焊料熔化時(shí)，您會(huì)看到焊膏從暗淡變?yōu)榘l(fā)亮。 使用熱板作為預(yù)熱器，熔化會(huì)很快發(fā)生。 沒有熱板，你需要讓熱風(fēng)在現(xiàn)場吹的時(shí)間長一點(diǎn)，先把PCB加熱。 確保您的工作區(qū)域有硅橡膠墊或其他耐熱表面。 當(dāng)所有東西都熔化后，我讓熱板冷卻下來（冷卻速度相當(dāng)慢），然后再取下電路板。 您可能注意到我還沒有將 SCD40 焊接到位。 如果 PCB 上有缺陷或者我把某些東西搞砸了，我不想冒險(xiǎn)焊接昂貴的部件。 一切檢查完畢后，只需焊接一個(gè)額外的部件就足夠了。 如果我必須卸下 SCD40 才能在另一塊板上使用，它可能會(huì)在多次焊接/拆焊過程中損壞。

檢查/通電前測試

電路板冷卻后，我使用異丙醇清除多余的助焊劑。 即使接頭焊接良好，焊接的引腳可能看起來不是很閃亮。 觸摸每個(gè)組件以確保其已焊接。 使用較少的助焊劑會(huì)得到更閃亮的結(jié)果，但它不會(huì)讓焊料輕易地流向焊盤/引腳。 接下來，我目視檢查電路板是否有任何明顯的短路或問題。 如果有多余的焊料，我可以在現(xiàn)場添加一點(diǎn)助焊劑，然后用我的細(xì)尖烙鐵將其熔化。 我通?？梢酝ㄟ^這種方式擺脫小焊橋。 一旦看起來一切正常，我就會(huì)使用連續(xù)性測試儀來確保 GND/3V/5V 沒有短路。 然后我繼續(xù)測試電路板上的各種連接（例如 GPIO 引腳到按鈕）。 如果一切正常，然后我焊接 3 針編程接頭并嘗試將固件加載到 CH32V003 上。 這是我為這個(gè)特定版本找到的：

- 使用 WCH-LinkE SWDIO 編程器成功加載程序

- 第一次運(yùn)行代碼顯示其中一個(gè) LED 指示燈不工作。 它旁邊的電阻器有一側(cè)沒有焊接好。

- 接下來，連接 USB 5V 檢查電池充電電路。 充電和就緒 LED 均未點(diǎn)亮。 同樣，它們旁邊的電阻器沒有焊接好。

- 用烙鐵固定好電阻后，charge+ready LED 都亮了。

- 焊接 PH2.0 連接器，連接電池并在連接低電池時(shí)檢查電流消耗。 我在 TP4057 上選擇了一個(gè) 3K 電阻的最大電流 300mA。 電流表顯示298mA； 一切都很好。

- 將 OLED 分線器（未焊接）放入引腳插座，給電路板通電，顯示屏正確顯示菜單。 好的 ：）

到目前為止的結(jié)論：我應(yīng)該在電阻器上使用更多的焊膏。 一小點(diǎn)稀釋的糊劑不足以建立牢固的連接。 幸運(yùn)的是，電路板并沒有那么致密，我能夠在不影響附近部件的情況下用烙鐵解決問題。

最后的步驟

現(xiàn)在主要部件已經(jīng)過測試，是時(shí)候連接 SCD40 和顯示器了。 我正在使用從早期版本的電路板中回收的部件； 我在取下它們時(shí)稍微損壞了它們，所以它們有輕微的焦味。 SCD40（帶模板）的一些早期嘗試未能正確焊接。 我相信問題是在下面形成了太多的焊料和短路。 最后幾次我用更少的焊料焊接它并且成功了。 這是我為 SCD40 應(yīng)用焊膏的照片。 每個(gè)焊盤上只有一個(gè)點(diǎn)，地平面上有一個(gè)圓球。 你可以看出為什么我對(duì) Sensiron 的占地面積不滿意 - 只有 5 個(gè)獨(dú)特的引腳，其余的未連接/未使用。 使用相同的 5 個(gè)連接以及相同的物理和熱特性，可以完成更簡單的封裝。

重新加熱單個(gè)零件時(shí)，我會(huì)使用大量聚酰亞胺膠帶。 這用于阻擋我不想用熱空氣重新流動(dòng)的部分的一些熱量。 在下面的照片中，我用鑷子非常小心地放置了 SCD40，并用膠帶將附近的組件包圍起來。 現(xiàn)在可以加熱了。

我將熱風(fēng)槍設(shè)置為 280C。 由于底部有塑料部件，我不想使用電爐。 我用熱空氣做了一點(diǎn)。 焊接工作很成功，但我烤了一下頂膜。 我在 OLED PCB 的背面添加了遮蔽膠帶，以確保組件不會(huì)與我的 PCB 上的任何東西發(fā)生電接觸：

不同的像素亮度是由于 OLED 顯示幀率同步與我的相機(jī)不同。 獲得 OLED 顯示器的好照片并不容易。 然而，當(dāng)我從舊板上拆焊時(shí)，顯示器的左上角受到了輕微損壞。 從 USB 插座伸出的大金屬片是我喜歡在我的所有設(shè)備上使用的磁力耦合器。 把它想象成適用于一切的“magsafe”。 我在 3 年前發(fā)現(xiàn)了這些磁性 USB 數(shù)據(jù)線，對(duì)它們非常滿意。 它們是可翻轉(zhuǎn)的，具有電源+數(shù)據(jù)并且保持良好。

結(jié)束語

這個(gè)項(xiàng)目過去是，現(xiàn)在仍然是個(gè)人/家庭項(xiàng)目； 我沒想過要賣掉它。 一旦我的個(gè)人項(xiàng)目達(dá)到穩(wěn)定/工作狀態(tài)，我喜歡將其作為開源分享，如果有用，我會(huì)附上一篇博客文章。 我認(rèn)為這值得我從構(gòu)建它時(shí)吸取的教訓(xùn)中寫一些關(guān)于它的文字，當(dāng)我忘記其中的一些細(xì)節(jié)時(shí)，我可以回到這里得到提醒。 使用硬件和固件從概念到設(shè)計(jì)再到工作項(xiàng)目當(dāng)然令人滿意（制作硬件對(duì)我來說是很新的）。 我被鼓勵(lì)在未來嘗試制作更精細(xì)/復(fù)雜的項(xiàng)目。

我喜歡的東西：

- 尺寸可愛+實(shí)用

- 它的功能和我想象的一樣

- 振動(dòng)電機(jī)是一個(gè)很好的補(bǔ)充，可以在視線范圍內(nèi)使用 + 定時(shí)器警報(bào)

- 電池壽命適合其用例

- BOM成本低

- 組裝并不難

感謝閱讀到最后...