设计和组装我的第一个 PCB

设计和组装我的第一个 PCB 发布日期：2026 年 7 月 11 日 开始大约几个月前，我购买了一块 Arduino Nano ESP32 开发板。我突然心痒痒，想尝试一下硬件。除了十多年前为一家物联网公司开发固件之外，我在这个领域并没有太多经验，但多年来我编写了大量软件。我非常惊讶，在 Arduino IDE 和法学硕士的帮助下，我能够如此快地让内置 LED 闪烁。之后，我继续研究如何直接从命令行构建和刷新固件，而不必处理所有这些自定义抽象。我喜欢通过 CLI 进行操作。这也有点简单，让我相信我可以回到我的常用工具（nvim）来处理代码。开发板本身没有太多进展。接下来是购买一些外围设备，所以我订购了一个小型 LCD 和 BME280 温度/湿度传感器分线板。我能够将这两个连接到 ESP32 芯片并让它们通过 I2C 协议进行通信。图 1：使用 Arduino Nano 以及通过面包板连接到其上的随机物品。当然，由于各种原因，我们无法继续组装预先存在的模块。我认为它们非常适合原型设计，但我喜欢尽快摆脱原型设计阶段并进入更多的“发布”或“生产”工作流程。我在想也许我应该重新创建 Arduino 板，将所有这些组件都硬连线，这样我就可以放弃面包板。听起来不错，但感觉有点雄心勃勃。有很多组件，这会让我很难测试所有的东西。相反，我决定创建 BME280 传感器模块。这会让我了解从原理图开始到定制 PCB 的设计需要什么。在上图中，您可以看到我从亚马逊获得的棕色小板，这是一块 BME280 传感器板，只有少量组件。如果一切按计划进行，我应该能够更换我的定制板，并且一切都应该像以前一样继续工作。这就是计划。原理图和 PCB 设计 似乎有多种工具可用于原理图/PCB 设计。我需要一些免费的并且在 Mac 操作系统上运行的东西。有些人称赞 EasyEDA，有些人则喜欢 KiCad。我没有对这个主题做太多研究，似乎它们中的任何一个都符合要求，但我选择了 KiCad，因为它是免费的 GPL 许可软件。所有传感器、芯片和组件都附带所谓的数据表。数据表是制造商提供的技术文件，描述组件的功能、运行温度、回流（焊接）温度曲线、尺寸和精确尺寸、接线示例以及许多其他取决于组件的内容。对于我的传感器模块，我需要将 BME280 连接到 I2C 接口，以使其即插即用。我从亚马逊购买的模块实际上支持 I2C 和 SPI。所以我所做的并不是一个精确的复制，而是一个更狭窄的实现。 BME280 数据表从第 38 页开始提供引脚分配和连接图。它实际上提供了 SPI 和 I2C 连接的示例。我将提供的 I2C 连接图传输到 KiCad。图 2：我的传感器模块的原理图设计。我不会将 KiCad 称为对于初次用户而言最直观的应用程序。然而，我能够绘制出数据表上所示的精确原理图。要将原理图传输到 PCB，您需要为每个组件选择所谓的封装。例如，只有一种类型的 BME280 传感器，而且它实际上只有一种可用的形状/尺寸（也称为封装）。对于其他类型的通用元件（例如电阻器或电容器）而言，情况并非如此。您选择的封装将决定电路板的尺寸、组装的容易程度以及很可能我不知道的许多其他因素（例如散热）。通过研究，我发现最常见的是 SMD 和 THT 组件。 THT 或通孔元件是更老式的技术（尽管它并不旧），通常尺寸较大，并且通过将元件腿推入 PCB 中的孔并随后将腿焊接到电路板上来安装。在大多数情况下，这可以使用普通烙铁来完成。 SMD 代表表面安装器件，几乎所有现代电子设备都采用这种器件。它们的尺寸要小得多，并且随着尺寸变小，它们将需要更专业的设备来安装。当我开始在 KiCad 中查看封装库时，我感到非常困惑，因为我并不清楚是否需要为我计划使用的确切组件品牌找到封装。我发现许多通用 SMD 元件都有标准化的封装。它们遵循 1206、0805、0603 等标准代码，这些代码可转换为尺寸 0。