Larry Bank与CO2二氧化碳监测不得不说的事-Building the Pocket CO2 Project
Larry Bank原文出处：
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则以及我是war chest的大前提下，我可以光荣地转载翻译大佬的东西，出口转内销嘛。以下是原文（机器翻译）
介绍
我以前的大部分帖子都集中在软件主题上。 在本文中，我将稍稍涉及一下硬件。 2022 年底，我向自己承诺要学习如何使用 KiCad，这样我就可以设计自己的印刷电路板。 我有一些电子方面的经验，我认为我可以设计一些相对简单的 PCB 供我自己使用。 我找到了这个 100 分钟的 YouTube 教程（https://www.youtube.com/watch?v=aVUqaB0IMh4&pp=ygUFa2ljYWQ%3D），它提供了足够的实用信息来帮助我入门。 这篇博文与学习 KiCad 无关； 相反，我将逐步完成构建我的 Pocket CO2 传感器项目所需的所有步骤和设备。 可以在此处找到 KiCad 文件和固件。
项目存放地址： https://github.com/bitbank2/Pocket_CO2
(SMD) 表面贴装焊接容易吗？
在看过 Seon“Unexpected Maker”Rozenblum 等专业创客的视频后，我使用拾取式机器来构建复杂的 PCB 板，其中的组件非常小，我错误地认为 SMD 焊接需要昂贵的设备和大量的专业知识。 要达到 Seon 的水平，您确实需要昂贵的设备和大量的专业知识，但是有更简单的 SMD PCB 项目可以使用廉价的工具和很少的经验来完成。 多年来，我曾多次尝试使用细尖烙铁在镀锡原型板上处理一些 SMD 元件。 我能够笨拙地焊接一些 0603 组件并破坏/移除其他组件，但它经常导致令人沮丧的失败。 使它变得容易得多的是我的第一台新设备——热风返工站。 听起来比实际更令人印象深刻； 更类似于高温吹风机。 我以大约 35 美元的价格购买了这些 858D 克隆中的一个（见下文）。 市场上有许多变体，但它们都非常相似。 它有一个控制风扇速度的旋钮、升高或降低温度的按钮和一根短电缆上的加热“棒”。 为了安全起见，有一个磁性开关，当加热器位于皮套中时，它会关闭加热器。
仅使用热风枪和一把好的镊子，就可以轻松地焊接或返工（简单的）SMD PCB。 这只是“入门”工具，当然不是最好的或唯一适合 SMD 爱好者工作的工具。 如果您没有太多额外的空间或预算来购买更高级的工具，那么至少您可以在不投入太多的情况下感受一下。 人们用来处理表面贴装元件的工具有很多种，例如回流炉、热板、贴片机、显微镜、照相机、吸盘等等。 我没有足够的空间或预算，所以我用热风枪凑合着用，最近我加了一个便宜的（40 美元）热板：
我说它很容易（与通孔焊接相比）的原因是组件放置或移除要快得多。 一旦涂上焊膏并且元件就位，在热气流下几秒钟，您就可以一次焊接整个电路板。 拆卸零件同样简单——用热空气吹它们，它们就会从板上滑下来。
组件选择
解释为什么我选择每个特定组件和大小很有用。 在过去的几年里，我一直在执行一项任务，以获取有关整个电子市场的有用知识——成本、能力、可用性。 我最近从 WCH.cn 了解到低成本的 RISC-V MCU，并决定尝试在一些项目中使用它们作为学习经验。 以此为出发点，Pocket CO2 项目的目标是尽可能降低 BOM（物料清单）成本，并使设备能够轻松放入紧身牛仔裤口袋中。 我通常会为这个项目寻找最小和最便宜的部件。 以下是我选择的每个组件的概要以及原因：
单片机-CH32V003
该芯片的 TSSOP20 （https://www.richtek.com/assets/podfiles/Footprint-TSSOP-20.pdf）版本相对容易焊接（与 QFP20/QFN20 相比），具有大量暴露的 I/O，每个数量的成本约为 17 美分。 50. 它有足够的速度和足够的内部 RAM/FLASH 来完成很多任务，所以它似乎是一个不错的选择。 写完固件后，我已经达到了 16K FLASH 的限制，想有更多的空间，但是 16K 是这个芯片的唯一选择。 该设备的下一个版本将升级到 48 美分的 CH32V203。
https://bitbanksoftware.blogspot.com/2022/10/the-co2-project.html
二氧化碳传感器 - SCD40
我已经测试了 Sensiron 的 SCD40、SCD41 和 MH-Z19B。 SCD40 是我能找到的体积最小、成本最低的真正 CO2 传感器。 有很多微型/便宜的 VOC（挥发性有机化合物）传感器声称可以报告“eCO2”值。 我在另一篇博文中写过这些。 SCD4x 提供可靠的结果，不会使用太多功率，并且作为奖励包括一个温度和湿度传感器。 唯一的缺点是 SMD 足迹不必要地困难。
显示器 - SSD1306 128x64 OLED
这是我首选的显示器，原因有几个：白天/夜间可读性、低成本、低功耗、快速显示更新、多个供应商、多种颜色选择和简单的 I2C 通信。 对于这个项目，分线板版本让我省去了一些焊接难题，而且价格与原始显示面板大致相同。 它还允许我通过将显示板放在大多数其他组件的顶部来减少该项目的二维尺寸。
电源 - 3.7V 锂聚合物电池
我希望通过纽扣电池运行该电路板以提高安全性。 不可能用纽扣电池运行 SCD40，因为它有高达 250mA 的短暂功率尖峰。 一次性纽扣电池的内阻使它们无法提供那么大的电流。 一对碱性电池可以工作，但要大得多。 锂聚合物电池可以处理巨大的电流尖峰而电压不会下降。 在低功耗模式下（每 30 秒采样一次），传感器的平均功耗可低于 1mA。 我通过称为“低功耗模式”的菜单选项支持此模式。 在这种模式下，显示屏会关闭，直到您按下一个按钮，然后它会显示数据 5 秒钟，然后再次关闭。 我还将默认的 MCU 时钟从 48Mhz 降低到 8Mhz； 这使其在运行时仅消耗 1.8mA； RISC-V 32 位 @8Mhz 仍然有足够的速度来完成这项工作。 OLED 显示器在点亮时仅使用 2-4mA，因为只有不到一半的像素点亮。 在连续模式下（每 5 秒采样一次），显示屏持续亮起，平均总电流消耗约为 8mA。 一个 200-400mAh 的电池将是这个项目的合适尺寸。
3.3V LDO 稳压器 - WL9005S5-33R
我买的时候 LCSC 以 3 美分的价格出售这部分。 它使用常见的 SOT23-5 封装，静态电流也不算太差。 我对在这个项目中使用一个普通的 LDO 并没有感到太糟糕，因为电源开关完全断开了电池。
锂聚合物充电控制器 - TP4057
该芯片体积小、价格便宜，并负责管理/保护电池从 USB 5V 电源充电。 它只需要一个电阻来设置最大充电电流，并提供两个 LED 输出来指示正在充电/已充电。
其余的部分
我认为 0603 SMD 零件在“占用少量电路板空间”和“小到看不见”之间取得了很好的平衡。 从 LCSC 等来源购买它们的价格也非常实惠。 您的个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
应用焊膏
这是个人选择可能会指导你如何做事的地方。 我使用 60/40 锡/铅焊膏，因为它在较低温度下熔化（与无铅焊料相比）并且通常对我为 PCB 选择的 HASL（热风焊料整平）表面处理反应良好。 许多 SMD 元件的温度耐受性有限，因此降低焊料熔化温度可以保护它们免受损坏。 SCD40 焊接说明告诉您使用相对较低的温度，避免击中顶部的渗透膜。
下一个选择是是否使用模板来涂抹糊状物。 模板允许您一次性在电路板表面刷浆。 我已经在我的一些电路板上成功地使用了模板，但我一直在通过跳过模板（JLCPCB 的 7 美元）来降低我最新 PCB 的成本。 我用手做得到了很好的结果，因为我可以控制应用了多少焊膏。 过多的焊膏会导致小焊盘短路。 我将糊状物与额外的助焊剂混合（它已经有助焊剂，但越多越好）。 这使得它不那么粘稠并且更容易传播。 我使用无焊面包板线作为焊接“画笔”将其涂到 PCB 上（见下图）。
一旦涂上膏体，就可以用镊子将元件放在板上。 比较难的是LED或者二极管。 它们只在一个方向上工作，所以我在放置它们之前用 3V 电源测试它们。 肉眼很难看到极性标记。 我没有显微镜，所以我使用手机摄像头放大 3-10 倍来查看是否所有引脚都与焊盘对齐。 0603 电阻和电容可能会稍微倾斜或偏离中心，但 MCU 的 micro-b USB 插座和 TSSOP20 封装需要高精度放置，以免短路或遗漏微小的引脚。
烘烤/回流
一旦元件被放置在电路板上，由于焊膏的粘性，它们大部分都留在原地。 不用急着烘烤电路板，因为糊状物不会在空气中干燥。 对于这个构建，我还使用了一个热板并将其设置为 150C。 它使焊料接近其熔点，然后我可以在每组引脚上吹热空气以熔化焊膏。 当焊料熔化时，您会看到焊膏从暗淡变为发亮。 使用热板作为预热器，熔化会很快发生。 没有热板，你需要让热风在现场吹的时间长一点，先把PCB加热。 确保您的工作区域有硅橡胶垫或其他耐热表面。 当所有东西都熔化后，我让热板冷却下来（冷却速度相当慢），然后再取下电路板。 您可能注意到我还没有将 SCD40 焊接到位。 如果 PCB 上有缺陷或者我把某些东西搞砸了，我不想冒险焊接昂贵的部件。 一切检查完毕后，只需焊接一个额外的部件就足够了。 如果我必须卸下 SCD40 才能在另一块板上使用，它可能会在多次焊接/拆焊过程中损坏。
检查/通电前测试
电路板冷却后，我使用异丙醇清除多余的助焊剂。 即使接头焊接良好，焊接的引脚可能看起来不是很闪亮。 触摸每个组件以确保其已焊接。 使用较少的助焊剂会得到更闪亮的结果，但它不会让焊料轻易地流向焊盘/引脚。 接下来，我目视检查电路板是否有任何明显的短路或问题。 如果有多余的焊料，我可以在现场添加一点助焊剂，然后用我的细尖烙铁将其熔化。 我通常可以通过这种方式摆脱小焊桥。 一旦看起来一切正常，我就会使用连续性测试仪来确保 GND/3V/5V 没有短路。 然后我继续测试电路板上的各种连接（例如 GPIO 引脚到按钮）。 如果一切正常，然后我焊接 3 针编程接头并尝试将固件加载到 CH32V003 上。 这是我为这个特定版本找到的：
- 使用 WCH-LinkE SWDIO 编程器成功加载程序
- 第一次运行代码显示其中一个 LED 指示灯不工作。 它旁边的电阻器有一侧没有焊接好。
- 接下来，连接 USB 5V 检查电池充电电路。 充电和就绪 LED 均未点亮。 同样，它们旁边的电阻器没有焊接好。
- 用烙铁固定好电阻后，charge+ready LED 都亮了。
- 焊接 PH2.0 连接器，连接电池并在连接低电池时检查电流消耗。 我在 TP4057 上选择了一个 3K 电阻的最大电流 300mA。 电流表显示298mA； 一切都很好。
- 将 OLED 分线器（未焊接）放入引脚插座，给电路板通电，显示屏正确显示菜单。 好的 ：）
到目前为止的结论：我应该在电阻器上使用更多的焊膏。 一小点稀释的糊剂不足以建立牢固的连接。 幸运的是，电路板并没有那么致密，我能够在不影响附近部件的情况下用烙铁解决问题。
最后的步骤
现在主要部件已经过测试，是时候连接 SCD40 和显示器了。 我正在使用从早期版本的电路板中回收的部件； 我在取下它们时稍微损坏了它们，所以它们有轻微的焦味。 SCD40（带模板）的一些早期尝试未能正确焊接。 我相信问题是在下面形成了太多的焊料和短路。 最后几次我用更少的焊料焊接它并且成功了。 这是我为 SCD40 应用焊膏的照片。 每个焊盘上只有一个点，地平面上有一个圆球。 你可以看出为什么我对 Sensiron 的占地面积不满意 - 只有 5 个独特的引脚，其余的未连接/未使用。 使用相同的 5 个连接以及相同的物理和热特性，可以完成更简单的封装。
重新加热单个零件时，我会使用大量聚酰亚胺胶带。 这用于阻挡我不想用热空气重新流动的部分的一些热量。 在下面的照片中，我用镊子非常小心地放置了 SCD40，并用胶带将附近的组件包围起来。 现在可以加热了。
我将热风枪设置为 280C。 由于底部有塑料部件，我不想使用电炉。 我用热空气做了一点。 焊接工作很成功，但我烤了一下顶膜。 我在 OLED PCB 的背面添加了遮蔽胶带，以确保组件不会与我的 PCB 上的任何东西发生电接触：
不同的像素亮度是由于 OLED 显示帧率同步与我的相机不同。 获得 OLED 显示器的好照片并不容易。 然而，当我从旧板上拆焊时，显示器的左上角受到了轻微损坏。 从 USB 插座伸出的大金属片是我喜欢在我的所有设备上使用的磁力耦合器。 把它想象成适用于一切的“magsafe”。 我在 3 年前发现了这些磁性 USB 数据线，对它们非常满意。 它们是可翻转的，具有电源+数据并且保持良好。
结束语
这个项目过去是，现在仍然是个人/家庭项目； 我没想过要卖掉它。 一旦我的个人项目达到稳定/工作状态，我喜欢将其作为开源分享，如果有用，我会附上一篇博客文章。 我认为这值得我从构建它时吸取的教训中写一些关于它的文字，当我忘记其中的一些细节时，我可以回到这里得到提醒。 使用硬件和固件从概念到设计再到工作项目当然令人满意（制作硬件对我来说是很新的）。 我被鼓励在未来尝试制作更精细/复杂的项目。
我喜欢的东西：
- 尺寸可爱+实用
- 它的功能和我想象的一样
- 振动电机是一个很好的补充，可以在视线范围内使用 + 定时器警报
- 电池寿命适合其用例
- BOM成本低
- 组装并不难
感谢阅读到最后...
