Lei Feng Fab Academy 2025第八周个人作业：电子电路板生产
本次个人作业的目标是使用 CNC 机器生产一块基于XIAO ESP32C3的扩展板，并完成元件焊接和测试。具体任务包括：
- 使用CNC切割机生产PCB板
- 焊接所需电子元件
- 编程测试电路板功能
PCB 制造
在第6周的个人作业部分，我为这周的作业设计好了准备要切割的 PCB。
第 6 周个人作业准备好的 PCB 设计文件
材料与工具准备
电路板材料
- 单面覆铜板（FR-4，1.6mm厚）
- 尺寸：约 55mm x 36mm
柴火创客空间为我们此次课程准备的单面覆铜板
电子元件清单
作为 Seeed 的员工，我开始以为为自己找合适的元件是很容易的事情，作为一个电子产品设计和制造企业，觉得自己所需应该很容易满足。根据XIAO ESP32C3扩展板的BOM表，需要以下元件：
| 编号 | 位号 | 封装 | 数量 | 名称 | 物料准备情况 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | R1,R6,R3,R4,R5,R2 | R_1206 | 6 | R_1206 220Ω | 无 |
| 2 | R7,R9,R8 | R_1206 | 3 | R_1206 10KΩ | 无 |
| 3 | D5,D2,D1,D3,D4,D6 | LED_1206 | 6 | LED_1206 | 有 |
| 4 | J1 | PinHeader_01x08_P2.54mm_Horizontal_SMD | 1 | PinHeader_01x08_P2.54mm_Horizontal_SMD | 无 |
| 5 | M1 | SeeedStudio_XIAO_ESP32C3 | 1 | Module_XIAO-ESP32C3 | 有 |
| 6 | SW1 | Button_Omron_B3SN_6.0x6.0mm | 1 | Switch_Tactile_Omron | 有 |
真正找开始找这些细小的元件，发现并不是一个容易的过程。因为我是自己设计的电路板，所以使用了一些和 fab xiao 不同的的元件。
最容易找到的是 Seeed Studio XIAO ESP32C3，这种糖果包装的 MCU，在 Seeed 到处都是。
然后就是是 1206 规格的 LED，成卷几乎到处都是，我也是毫不费力的找到一条，数量对我来说也足够了。 
适合贴片包装的 1206 规格的 LED
1206 规格的 LED 背面，有方向指示箭头阴极和阳极，焊接安装的时候要注意，别贴反了
1206 规格的 LED 正面也有一个极小的绿箭头再次指示方向
按钮很快我也找到了一盒，我想要的也在里面（右上角那种） 
发现有一盒各种各样的按钮
但 PinHeader_01x08_P2.54mm_Horizontal 怎么都找不到合适的，作业时间有限，只能找到接近的替代品，不过我还是准备采买一些符合要求的。
KiCAD 里 3D 视图显示出的 8 针引脚的样子
这是找到的最接近的引脚排针，看看能否替代使用
在找 R_1206 220Ω，R_1206 10KΩ 的贴片电阻遇到困难，Seeed 的工程师说 1206 规格的电阻对于目前大多项目来说都太大，已经很少采买使用了，他们更多的是规格尺寸更小的电阻，并给我了一个“祖传”元件样品簿，上面是更小的 0805 规格的电阻，Seeed 的工程师说可以用这个替代，只是个头小点而已。这个元件样品簿从 0Ω 起步，按电阻阻值大小逐步递增，我很快就找到了自己需要的 220Ω 和 10K 欧姆的。
只是它们的个头，真的小的超乎想象，下图是我从元件样本册中取出的几个 10KΩ 的电阻，小的难以置信。
从样本册中取出的 0805 规格的电阻
元件基本凑齐了，可以开始制作了。
工具
- CNC切割机，配套使用 Mash3 的控制电脑
- 烙铁与焊接工具套装
- 万用表
- 放大镜（辅助小元件焊接）
- Arduino IDE（编程测试）
详细工作流程
1. 制作电路板
制造电路板的详细过程，可以参看本周的小组作业。
1.1 准备G代码文件
我在第6周的电路设计作业中已经完成了PCB设计，并导出了两个PNG文件：
traces_top_layer_0.png：铜层电路（已完成覆铜操作）outline_top_layer_1.png：电路板外框切割线
第 6 周个人作业输出的 PCB 设计的 PNG 文件
使用Mods项目网站将这些PNG图像转换为G代码：
- 导入
traces_top_layer_0.png，使用"isolate traces (1/64)"设置 - 生成
traces_top_layer_0.png.nc文件
导入
traces_top_layer_0.png，使用"isolate traces (1/64)"设置，并生成.nc 文件的位置说明
生成的电路部分的切割路径
- 导入
outline_top_layer_1.png，使用"mill outline (1/32)"设置 - 生成
outline_top_layer_1.png.nc文件
导入
outline_top_layer_1.png，使用"mill outline (1/32)"设置，生成.nc 文件
生成的外框部分切割路径
1.2 CNC切割过程
在本周的小组作业中解决了CNC机器的连接问题后，我进行了以下步骤：
- 固定PCB板：使用双面胶和固定架牢固地将铜板固定在CNC工作台上。
覆铜板在切割前，需要再背面贴上双面胶，以便能更稳固的固定再作为垫板的木版上。然后还需要将黏在木版上的覆铜板用夹具固定
将铜板固定在CNC工作台上。
- 安装切削工具：
- 首先安装1/64英寸 V 型刀头用于切割电路走线
- 设置起点位置并校准 Z 轴高度
Matthew 指导我们如何对设备归零和校准 Z 轴高度
- 执行走线切割：
- 加载
traces_top_layer_0.png.nc文件 - 启动切割过程并监控
- 切割过程非常顺利，没有出现断刀或过切情况
- 加载
完成走线的切削，这一步完成后，切记不要动板子
- 更换工具并切割外形：
- 安装1/32英寸直槽铣刀
- 重新校准Z轴高度
- 加载
outline_top_layer_1.png.nc文件 - 执行外形切割
更换 1/32英寸（0.8mm）直槽铣刀刀头
使用直槽铣刀切割电路板外形。
切割边框会比较深，会出很多碎屑
清理与检查：
- 使用砂纸轻轻打磨电路板边缘，去除毛刺
- 用放大镜检查走线质量，确保没有短路或断路
加工完成的XIAO ESP32C3扩展板
嘉立创生产 pcb
本周的小组作业我还体验了在线下单生产 PCB 的过程，有兴趣的可以阅读那部分的内容。
所以这周我拿到了 2 个版本的成果。
使用铣削工艺生产的 PCB（中）以及使用蚀刻工艺（量产模式）生产的 PCB
2. 元件焊接
由于前面铣削 PCB 耽误了很多时间，我只能趁着周二晚上在 Seeed 的硬件工程师下班后，在他们的焊台上焊接，好处是这里装备齐全。
2.1 准备工作
- 整理所有元件并确认与BOM表一致
- 预热烙铁至约320℃（适合锡膏熔点）
- 准备助焊剂和焊锡丝
Seeed 的硬件工程师使用的焊台，焊接前的准备好元件、烙铁和放大镜（还有万用表没有拍进来），后面在焊接过程中也是需要频繁使用的
2.2 焊接顺序
我按照从小到大、从低到高的原则进行焊接：
- 首先焊接电阻：
- 220Ω电阻（R1,R2,R3,R4,R5,R6）用于LED的限流
- 10KΩ电阻（R7,R8,R9）用于按钮的上拉
- 焊接XIAO ESP32C3模块(M1)：
- 采用先焊接一侧引脚，确认位置正确后再焊接另一侧的方法
- 在这个过程中，Seeed 的硬件工程师瞿翔楠看到我焊接技术不专业，提供了宝贵指导
- 他教授了预先加热元件、使用焊丝快速点击连接等专业技巧，极大提高了后续焊接效率
Seeed 的硬件工程师瞿翔楠看到我焊接技术不专业，教授了预先加热元件、使用焊丝快速点击连接的焊接技巧
终于把 XIAO 焊上去了
- 焊接轻触开关(SW1)：
- 按照瞿工程师的建议，先确保开关平整放置
- 焊接时注意力度，避免损坏开关结构
- 这个过程有点痛苦，没有把握好焊锡的量，焊锡糊成了一片……
焊按钮的时候没把握好，焊锡量过大
最后勉强给焊上了，并补全了 3 颗 10KΩ 的电阻
3. 编程与测试
编程环境设置
- 安装 Arduino IDE 及 XIAO ESP32C3 支持包，可以参考官方 Wiki 文档。
- 配置开发板选项：选择"XIAO ESP32C3"。
- 安装必要的库文件。
- 初步功能测试：
- 对已焊接的
LED(D0)编写了简单的 Blink 程序进行测试。
- 对已焊接的
// define led according to pin diagram in article
const int led = D0; // there is no LED_BUILTIN available for the XIAO ESP32C3.
void setup() {
// initialize digital pin led as an output
pinMode(led, OUTPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(led, HIGH); // turn the LED on
delay(1000); // wait for a second
digitalWrite(led, LOW); // turn the LED off
delay(1000); // wait for a second
}- 菩萨保佑啊，成功点亮LED，证明基本电路和焊点连接正常。
单颗 LED 成功点亮
4. 继续扩展焊接：
- 深夜继续焊接工作，尝试焊接了另外几个LED和对应电阻（最终焊了 5 组）
- 遇到挑战：0805 规格的电阻过小，操作困难
- 焊接完成后发现部分电阻可能短路(用万用表测阻值为0)
周二深夜最终的工程进度，焊接了 5 组 LED
焊接体会与困难：
- 0805 封装的SMD元件对于初学者来说确实很小，需要高度集中注意力
- 电阻极易短路，需要多次拆卸重焊
- 最终完成板子虽然外观不够美观，但基本功能可用
- 五个LED中有四个可以正常工作(D0、D1、D3、D4)，一个(D2)未能点亮
继续测试程序
进一步改写了一个简单的 6 个 LED 闪烁和按钮检测程序：
// Define LED pins D0 through D5 on XIAO ESP32C3
const int ledPins[] = {D0, D1, D2, D3, D4, D5};
const int numPins = 6; // Total number of LED pins
void setup() {
// Initialize all LED pins as outputs
for (int i = 0; i < numPins; i++) {
pinMode(ledPins[i], OUTPUT);
}
}
void loop() {
// Turn all LEDs on
for (int i = 0; i < numPins; i++) {
digitalWrite(ledPins[i], HIGH);
}
delay(1000); // Wait for a second
// Turn all LEDs off
for (int i = 0; i < numPins; i++) {
digitalWrite(ledPins[i], LOW);
}
delay(1000); // Wait for a second
}
回到家用改写的 Blink 程序测试 5 只安装的 LED，发现混了一只红色的，还有一只不亮
5. 包括按钮的测试程序
继续写了一个包括按钮的测试程序：
// XIAO ESP32C3扩展板测试程序
// 使LED指示灯闪烁并检测按钮状态
// 定义LED引脚
const int LED_PINS[] = {D0, D1, D2, D3, D4, D5};
const int LED_COUNT = 6;
const int BUTTON_PIN = D6; // 连接到轻触开关的引脚
int buttonState = 0;
void setup() {
// 初始化LED引脚为输出
for (int i = 0; i < LED_COUNT; i++) {
pinMode(LED_PINS[i], OUTPUT);
}
// 初始化按钮引脚，启用内部上拉电阻
pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);
Serial.begin(115200);
Serial.println("XIAO ESP32C3扩展板测试程序启动");
}
void loop() {
// 读取按钮状态
buttonState = digitalRead(BUTTON_PIN);
if (buttonState == LOW) {
// 按钮按下，所有LED同时点亮
for (int i = 0; i < LED_COUNT; i++) {
digitalWrite(LED_PINS[i], HIGH);
}
Serial.println("按钮按下 - 所有LED点亮");
} else {
// 按钮未按下，LED逐个循环点亮
for (int i = 0; i < LED_COUNT; i++) {
// 清除所有LED状态
for (int j = 0; j < LED_COUNT; j++) {
digitalWrite(LED_PINS[j], LOW);
}
// 点亮当前LED
digitalWrite(LED_PINS[i], HIGH);
delay(200);
}
}
}问题与解决方案
上传后，测试结果如下：
- 5 个 LED 还是只有 4 个能够按照程序指令正常工作
- 发现开关始终保持被按下的状态，所有LED 常亮，通过串口监视器的输出也验证了这一点，怀疑按钮没有焊接好，出现短路情况。
串口监视器显示按钮始终是按下状态
细小元件的焊接挑战巨大，需要进一步练习。
成果与反思
成功之处
- 成功使用 CNC 机器切割出高质量的电路板，走线清晰，无明显缺陷
- 在硬件专家的指导下，学习并初步掌握了SMD元件焊接技巧
- 成功完成部分元件（4个LED、部分电阻和XIAO模块）的焊接
- 通过Arduino编程验证了基本功能，实现了LED控制
挑战与不足
- 0805 封装的 SMD 元件对初学者来说仍然很小，导致焊接质量不稳定
- 电阻焊接部分出现短路问题，需要进一步提高焊接技术
- 未能完成全部元件的焊接，特别是8针卧式排针
- D2 LED 未能正常工作，需要检修
后续计划
- 购买另一批 1206 规格的电子元件，重新进行焊接尝试
- 使用专业焊台和助焊工具提高焊接精度
- 完成全部元件焊接并进行全面功能测试
- 记录更详细的故障排除过程和经验
学习心得
这次 PCB 制作经历让我深刻体会到电子制造的挑战和乐趣。CNC 切割 PCB 相对简单，但元件焊接对初学者来说是一个显著的技术门槛。很感谢 Seeed 的硬件工程师瞿翔楠提供的专业指导，这极大地帮助我理解了 SMD 焊接的要点。
我认识到电子制造需要耐心、细致和持续的实践。虽然这次没有完成所有元件的焊接，但获得的经验和技巧对未来项目至关重要。
参考资源
再次感谢 Seeed Studio 硬件工程师瞿翔楠提供的现场指导。
使用嘉立创制作的 PCB 再次焊接
不甘心覆铜板 PCB 失败的焊接经历，我又采购了适合的 1206 的电阻（10K Ω 和 220 Ω），以及 8 针的卧贴排针。
白色标签的是重新采购的元件，准备在嘉立创生产的 PCB 上再次尝试焊接
首先尝试焊了一个 1206 的 LED，有了第一个 PCB 的经验，这次感觉容易多了，如下图所示。
先尝试焊接了一个 1206 的 LED
因为有电路保护层，所以这次焊接非常顺利，我几乎没花多长时间，就把 LED，电阻，按钮和卧贴排针都焊上去了。焊接过程中，还需要不断测试，焊点之间是否为通断或成功连接，下图是用万用表测试按钮，按下时 2 个焊点的阻值趋向为 0 表示按钮正常工作。
测试按钮按下时电路是否被联通
元件被焊好的样子，如下图所示，准备焊 XIAO ESP32C3。
元件部分都焊好的样子，1206 的电阻比上个板子用的 0805 的好焊很多
上一个 PCB 的 XIAO ESP32C3 被焊死在板子上，不便拆卸测试，所以我考虑这次使用焊接了引脚的 XIAO，并找到了一些 8 孔的排母，如下图所示。 
焊接了引脚的 XIAO ESP32C3 和 8 针排母
使用钳子剪掉 1 个针座，如下图所示。
将 8 孔排母剪去 1 孔，让其变成 7 孔排母
再将 7 孔排母的引脚折叠 90 度，让其能坐在 PCB 上（因为这批生产的 PCB 没有打孔），然后把带引脚的 XIAO 套上排母放在 PCB 上焊接，如下图所示。
把 XIAO 套上排母摆放在 PCB 上开始焊接
焊接完成的板子如下图所示，多了一个 XIAO 的插座。
现在多了一个 XIAO 的插座
直接使用前面包括按钮的测试程序：
// XIAO ESP32C3扩展板测试程序
// 使LED指示灯闪烁并检测按钮状态
// 定义LED引脚
const int LED_PINS[] = {D0, D1, D2, D3, D4, D5};
const int LED_COUNT = 6;
const int BUTTON_PIN = D6; // 连接到轻触开关的引脚
int buttonState = 0;
void setup() {
// 初始化LED引脚为输出
for (int i = 0; i < LED_COUNT; i++) {
pinMode(LED_PINS[i], OUTPUT);
}
// 初始化按钮引脚，启用内部上拉电阻
pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);
Serial.begin(115200);
Serial.println("XIAO ESP32C3扩展板测试程序启动");
}
void loop() {
// 读取按钮状态
buttonState = digitalRead(BUTTON_PIN);
if (buttonState == LOW) {
// 按钮按下，所有LED同时点亮
for (int i = 0; i < LED_COUNT; i++) {
digitalWrite(LED_PINS[i], HIGH);
}
Serial.println("按钮按下 - 所有LED点亮");
} else {
// 按钮未按下，LED逐个循环点亮
for (int i = 0; i < LED_COUNT; i++) {
// 清除所有LED状态
for (int j = 0; j < LED_COUNT; j++) {
digitalWrite(LED_PINS[j], LOW);
}
// 点亮当前LED
digitalWrite(LED_PINS[i], HIGH);
delay(200);
}
}
}插上 XIAO ESP32C3，如下图所示，现在可以开始准备测试。
把 XIAO ESP32C3 插在排母插座上
这次非常顺利，一次通过，当不按按钮的时候，6 个 LED 依次点亮，如下图所示。
当不按按钮的时候，6 个 LED 依次点亮
当持续按下按钮时，所有 LED 都同时点亮，如下图所示。
持续按下按钮，所有 LED 同时点亮
成功！