原標題：基于開源內容的 Arduino Nano 自制版（原理圖+教程）

基于開源內容的 Arduino Nano 自制版（原理圖+教程）

Arduino Nano 作為一款廣受歡迎的微控制器開發板，以其小巧的體積和豐富的功能，在創客、學生和工程師中擁有大量擁躉。然而，市售的 Arduino Nano 在某些特定應用中可能存在成本、可定制性或學習深度方面的局限。基于開源內容自制 Arduino Nano，不僅能顯著降低成本，更能讓您深入理解其工作原理，掌握PCB設計、元器件選型與焊接等核心技能。本教程將詳盡闡述自制 Arduino Nano 的各個環節，從原理圖解析到元器件選擇，再到制作與測試，助您一步步構建屬于自己的Nano。

1. 理解 Arduino Nano 的核心架構

在深入探討自制過程之前，我們首先需要對 Arduino Nano 的核心架構有一個清晰的認識。Arduino Nano 本質上是一個基于 ATmega328P 微控制器的開發板。它集成了微控制器、電源穩壓、USB-to-Serial轉換芯片、晶振、復位電路以及各種輸入/輸出接口。這些組件協同工作，使得用戶可以通過簡單的USB連接，將編寫好的程序燒錄到ATmega328P中，從而控制外部設備。

2. 原理圖解析與核心模塊

自制 Arduino Nano 的第一步是深入理解其原理圖。我們將核心功能劃分為幾個主要模塊進行解析：

2.1 微控制器模塊：ATmega328P

• 核心器件：ATmega328P-AU 或 ATmega328P-PU

• 型號選擇與特性： ATmega328P 是 Arduino Nano 的“大腦”。通常推薦選擇 ATmega328P-AU（TQFP-32封裝）或 ATmega328P-PU（DIP-28封裝）。對于自制板來說，ATmega328P-PU 更易于手工焊接，適合初學者；而 ATmega328P-AU 封裝更小，適合追求緊湊設計的資深玩家。兩者的核心功能相同，都擁有32KB的閃存用于存儲程序，2KB的SRAM用于運行時數據，以及1KB的EEPROM用于存儲非易失性數據。它們都集成了多個GPIO引腳（數字引腳和模擬引腳）、多個定時器/計數器、UART、SPI、I2C等通信接口。

• 為什么選擇它： ATmega328P 是Arduino Uno和Nano的標配，擁有成熟的生態系統和豐富的庫支持，學習資源和社區活躍度高，易于上手。其功耗低，性能穩定，足以應對絕大多數DIY項目。

• 功能： 作為整個開發板的核心，ATmega328P負責執行用戶編寫的程序，控制所有連接的外部設備。它處理輸入信號，生成輸出信號，并協調板上各個組件的工作。

2.2 USB-to-Serial 轉換模塊：CH340G 或 FT232RL

• 核心器件：CH340G (SOP-16) 或 FT232RL (SSOP-28)

• CH340G： 這是一個國產的USB轉串口芯片，價格非常低廉，性能穩定，且驅動安裝簡單。對于自制板來說，CH340G是性價比極高的選擇。它的SOP-16封裝相對FT232RL更易于手工焊接。

• FT232RL： 這是一個英國FTDI公司生產的芯片，在官方Arduino板上更為常見。它的穩定性、兼容性極佳，但價格相對較高。SSOP-28封裝比CH340G更復雜一些，對焊接技術有一定要求。

• 型號選擇與特性： 這個模塊負責將USB信號轉換為ATmega328P能夠理解的串口信號（TX/RX），以便進行程序燒錄和串口通信。

• 為什么選擇它： 串口通信是Arduino燒錄程序和與PC交互的關鍵。選擇這些芯片是為了實現便捷的USB連接。CH340G以其成本優勢和易用性成為自制板的首選，而FT232RL則提供更高級的性能和兼容性。

• 功能： 將計算機的USB數據轉換為ATmega328P可以識別的串行數據，反之亦然。這使得用戶可以通過USB線纜上傳程序，并通過串口監視器與Arduino進行通信。

• 輔助元器件：

• 晶振：12MHz (CH340G) / 6MHz 或 8MHz (FT232RL)：為USB轉串口芯片提供精確的時鐘源。CH340G通常需要12MHz晶振，FT232RL根據型號可能需要6MHz或8MHz。

• 電容：22pF (晶振匹配電容)：與晶振配合，構成諧振電路，保證晶振穩定工作。通常晶振兩端各接一個。

• 電阻：10kΩ (CH340G復位拉高電阻)：部分CH340G方案可能需要。

• USB Type-B 或 Micro USB 連接器： 用于連接PC。Micro USB更小巧，更符合現代趨勢。

2.3 電源穩壓模塊

• 核心器件：AMS1117-5.0 (SOT-223)

• 型號選擇與特性： Arduino Nano通常可以通過USB接口（5V）或VIN引腳（6-12V）供電。為了確保ATmega328P及其外設獲得穩定的5V工作電壓，需要一個低壓差線性穩壓器（LDO）。AMS1117-5.0 是一個非常常見的5V LDO，其SOT-223封裝易于焊接，且價格低廉，最大輸出電流可達1A，足以滿足Nano板的供電需求。

• 為什么選擇它： 提供穩定的5V電源，保護敏感的微控制器。AMS1117-5.0以其成本效益和可靠性成為理想選擇。

• 功能： 將VIN引腳輸入的較高電壓（例如7V-12V）穩定地降壓至ATmega328P所需的5V。

• 輔助元器件：

• 電容：10uF (輸入/輸出濾波電容)：在穩壓器輸入和輸出端各放置一個，用于濾除電源噪聲，穩定電壓。

• 二極管：1N4007 或 SS14 (反接保護二極管)：在VIN引腳處串聯一個二極管，防止電源反接損壞電路。1N4007為普通整流二極管，SS14為肖特基二極管，壓降更小，效率更高。

2.4 時鐘模塊

• 核心器件：16MHz 晶振 (HC-49S) 或 16MHz 陶瓷諧振器

• 16MHz 晶振 (HC-49S)： 提供極其精確的時鐘信號，穩定性高，是首選。需要搭配兩個22pF電容。

• 16MHz 陶瓷諧振器： 成本更低，體積更小，但精度略低于晶振，通常不需要額外的電容。

• 型號選擇與特性： ATmega328P需要一個精確的時鐘源才能正常工作。Arduino Nano通常使用16MHz的晶振。

• 為什么選擇它： 提供精確的時鐘脈沖，確保ATmega328P能夠以正確的速度執行指令，并保證定時器、串口通信等功能的準確性。

• 功能： 為ATmega328P提供核心時鐘信號，決定了微控制器的工作速度。

• 輔助元器件：

• 電容：22pF (晶振匹配電容)：與16MHz晶振配合使用，每個晶振引腳連接一個22pF電容到地。

2.5 復位電路

• 核心器件：

• 按鍵：6x6mm 輕觸開關 (復位按鍵)

• 電阻：10kΩ (上拉電阻)

• 電容：0.1uF (去抖動電容)

• 為什么選擇它們： 復位功能是開發板的基本需求，允許用戶在程序卡死或需要重新運行代碼時，手動重啟ATmega328P。上拉電阻確保復位引腳在不按下按鍵時保持高電平，去抖動電容則消除按鍵彈跳帶來的誤觸發。

• 功能： 在按下復位按鍵時，將ATmega328P的復位引腳拉低，使其重新啟動執行程序。

2.6 指示燈

• 核心器件：

• PWR LED： 指示開發板是否通電。

• TX/RX LED： 指示USB-to-Serial通信正在進行，TX表示數據發送，RX表示數據接收。

• L LED： 連接到數字引腳D13，用戶可以通過程序控制其亮滅，常用于調試和簡單反饋。

• LED：3mm 或 5mm LED (電源指示、TX/RX指示、用戶可編程L指示)

• 電阻：220Ω 或 330Ω (限流電阻)

• 為什么選擇它們： LED指示燈能夠直觀地顯示電路的工作狀態，如電源是否正常、數據是否在傳輸、以及用戶程序的運行狀態。限流電阻用于保護LED，防止電流過大燒毀。

• 功能：

3. 元器件清單與詳細說明

以下是自制 Arduino Nano 所需的詳細元器件清單，包括推薦型號、作用和選擇理由：

4. PCB設計與布局

PCB設計是自制 Arduino Nano 的核心環節，它將原理圖轉化為實際的電路板。

4.1 PCB設計軟件

推薦使用以下開源或免費的PCB設計軟件：

• KiCad： 功能強大，完全免費開源，支持多平臺，擁有龐大的社區支持和豐富的教程資源。適合專業和高級玩家。

• EasyEDA： 在線PCB設計工具，界面友好，內置大量元器件庫，并與PCB打樣服務深度集成，非常適合初學者和快速原型開發。

4.2 設計步驟

1. 創建項目： 在您選擇的PCB設計軟件中創建一個新項目。

2. 導入原理圖： 將之前繪制的 Arduino Nano 原理圖導入到項目中。

3. 封裝選擇與關聯： 為原理圖中的每個元器件選擇正確的PCB封裝。例如，ATmega328P-PU對應DIP-28封裝，CH340G對應SOP-16封裝，AMS1117-5.0對應SOT-223封裝。仔細核對封裝的引腳定義和尺寸，確保與實際元器件匹配。

4. 布局規劃：

• 模塊化布局： 將功能相關的元器件（如USB轉串口模塊、電源模塊、微控制器模塊）放置在一起。

• 核心器件優先： 微控制器（ATmega328P）和晶振應盡量靠近，以減少信號傳輸距離，降低噪聲干擾。

• 電源路徑： 穩壓芯片應靠近其濾波電容，電源走線應盡量粗短，以減小阻抗。

• 信號線： 高速信號線（如USB的D+、D-）應盡量等長并行，并避免直角走線。

• 地線： 確保有完善的地平面，或粗大的地線，以提供良好的參考電位和散熱。模擬地和數字地可以考慮分開，然后一點接地，以降低噪聲。

• 接口位置： USB接口、排針接口等應放置在板子的邊緣，方便連接。

• 散熱： 對于穩壓芯片等發熱量較大的元器件，應預留足夠的散熱銅箔。

5. 布線：

• 層數選擇： 對于Arduino Nano這類簡單板，雙層板（頂層和底層）通常就足夠了。

• 線寬： 根據電流大小選擇合適的線寬。電源線和地線應比信號線更寬。

• 過孔： 在需要連接不同層的導線時使用過孔。

• 差分對： USB的D+和D-線應走差分對，以提高抗干擾能力。

• 避免環路： 盡量避免形成大的電流環路，這會增加電磁輻射和噪聲。

• 間距： 確保導線之間、焊盤之間有足夠的間距，避免短路。

6. 絲印與標記： 添加元器件的絲印（如R1、C2、D1），以及引腳功能標記（如TX、RX、GND、5V等），方便后續焊接和調試。

7. DRC（設計規則檢查）： 運行DRC檢查，確保PCB設計符合制造規范，沒有短路、開路、間距不足等問題。

8. 生成Gerber文件： 完成設計后，生成Gerber文件，這是PCB制造商生產電路板所需的標準文件。

5. PCB制造

將生成的Gerber文件發送給專業的PCB制造商進行打樣。目前有許多國內外的PCB打樣服務商，如嘉立創、華強PCB、JLCPCB等，它們通常價格低廉，交貨周期短。

• 選擇板材： FR-4是最常見的PCB板材，性能穩定，價格適中。

• 表面處理： 推薦選擇沉金工藝（ENIG），雖然成本略高，但焊盤平整，易于焊接，且耐腐蝕性好。HASL（熱風整平）也是一個經濟的選擇。

• 銅厚： 1oz或2oz的銅厚通常足以滿足Arduino Nano的需求。

6. 元器件采購與準備

在PCB制作的同時，可以開始采購所需的元器件。建議從可靠的電子元器件供應商處購買，例如立創商城、得捷電子、貿澤電子等，以確保元器件的質量和真偽。

• 檢查元器件： 收到元器件后，仔細核對型號、數量和封裝，確保無誤。

• 分類整理： 將不同類型的元器件分類存放，方便后續焊接。

7. 焊接與組裝

焊接是自制 Arduino Nano 的關鍵環節，需要耐心和細心。

7.1 焊接工具

• 烙鐵： 推薦恒溫烙鐵，功率在30-60W之間，配備尖頭和斜口等不同型號的烙鐵頭。

• 焊錫絲： 推薦0.6mm或0.8mm的無鉛焊錫絲。

• 助焊劑： 膏狀助焊劑或助焊筆，有助于提高焊接質量。

• 鑷子： 彎頭鑷子和直頭鑷子，用于夾取和定位SMD元器件。

• 放大鏡或顯微鏡： 對于SMD元器件，放大工具必不可少，能夠清晰觀察焊點。

• 吸錫器或吸錫線： 用于清理多余焊錫或糾正錯誤。

• 萬用表： 用于測試電路通斷、電壓、電阻等。

• 熱風槍 (可選，用于SMD元件)： 如果焊接大量SMD元件或TQFP封裝的ATmega328P，熱風槍能提高效率和成功率。

7.2 焊接順序

建議按照“由低到高，由內到外，先小后大”的原則進行焊接，以避免高大的元器件阻礙對矮小元器件的焊接。

1. SMD 元器件： 如果您的設計使用了SMD封裝的元器件（如CH340G、AMS1117-5.0、ATmega328P-AU），優先焊接這些元件。

• 拖焊： 對于引腳較多的芯片（如CH340G），可以在焊盤上涂抹少量助焊劑，然后將芯片對準焊盤放置。先固定對角的一個引腳，然后用烙鐵頭蘸取少量焊錫，沿著引腳方向輕輕拖動，使焊錫均勻分布在所有引腳上。

• 點焊： 對于電阻電容等小尺寸元件，先在焊盤上預先上一小滴錫，然后用鑷子夾住元件放在焊盤上，用烙鐵頭加熱焊盤上的錫，使元件與焊盤連接。

• 手工焊接SMD技巧：

2. 電阻、二極管： 這些通常是較矮的插件元件。

3. 電容： 包括陶瓷電容和電解電容。注意電解電容的極性（長腳為正極，短腳為負極，或負極有標記）。

4. 晶振： 16MHz晶振和12MHz晶振。

5. LED： 注意LED的極性（長腳為正極，短腳為負極，或平邊為負極）。

6. 輕觸開關： 復位按鍵。

7. 連接器： USB連接器、排針、排母等。

8. ATmega328P： 如果是DIP封裝，最后插入芯片座（如果使用芯片座），或者直接焊接。如果是TQFP封裝，需要使用熱風槍或熟練的拖焊技巧。

7.3 焊接注意事項

• 清潔： 焊接前清潔焊盤和元器件引腳，去除氧化層和污垢。

• 預熱： 對于焊盤較大的元件或熱容量較大的PCB，可以適當預熱，有助于焊錫流動。

• 適量焊錫： 焊錫量要適中，既要保證可靠連接，又要避免橋接（短路）。

• 光亮飽滿： 理想的焊點應該是光亮、圓潤、飽滿的錐形，沒有毛刺，沒有虛焊和假焊。

• 避免短路： 焊接完成后，仔細檢查所有焊點，特別是密腳芯片，確保沒有短路。可以使用萬用表的蜂鳴檔進行短路檢查。

• 防靜電： 在處理CMOS芯片時，注意防靜電，佩戴防靜電手環或在防靜電墊上操作。

8. 燒錄 Bootloader

自制的 Arduino Nano 上的 ATmega328P 芯片通常是全新的，沒有預裝 Arduino Bootloader。Bootloader 是一段小代碼，它允許您通過USB接口向ATmega328P上傳程序，而無需使用外部編程器。因此，我們需要先將Bootloader燒錄到芯片中。

8.1 燒錄方式

燒錄Bootloader有多種方式：

1. 使用另一塊 Arduino 板 (ArduinoISP)： 這是最常用和推薦的方法，將一塊正常的Arduino板（如Arduino Uno或另一塊Nano）作為ISP（In-System Programmer）編程器。

2. 使用專用ISP編程器： 如USBasp、AVR ISP mkII等。

8.2 使用 ArduinoISP 燒錄 Bootloader (推薦)

所需材料：

• 一塊已正常工作的 Arduino Uno 或 Nano (作為編程器)

• 您的自制 Arduino Nano 板

• 杜邦線若干

• Arduino IDE 軟件

接線方法 (Arduino Uno 作為編程器，接自制 Arduino Nano)：

燒錄步驟：

1. 準備 Arduino Uno (編程器)：

• 將 Arduino Uno 連接到電腦。

• 打開 Arduino IDE。

• 選擇菜單欄的“文件” -> “示例” -> “11.ArduinoISP” -> “ArduinoISP”。

• 選擇正確的板卡（Arduino Uno）和端口。

• 點擊“上傳”按鈕，將 ArduinoISP 程序上傳到 Arduino Uno。

2. 連接自制 Arduino Nano： 按照上述表格將 Arduino Uno 和自制 Arduino Nano 正確連接。

3. 燒錄 Bootloader：

• 在 Arduino IDE 中，選擇菜單欄的“工具” -> “板卡”，選擇“Arduino Nano”。

• 在“工具” -> “處理器”中，選擇“ATmega328P (Old Bootloader)”或“ATmega328P”，取決于您希望燒錄哪種Bootloader。通常選擇ATmega328P即可。

• 在“工具” -> “編程器”中，選擇“Arduino as ISP”。

• 點擊“工具” -> “燒錄 Bootloader”。

• 等待燒錄完成。如果成功，Arduino IDE底部會顯示“Bootloader burnt successfully.”。

9. 功能測試

Bootloader燒錄成功后，就可以測試您的自制 Arduino Nano 是否正常工作了。

9.1 上傳 Blink 程序

1. 連接自制 Arduino Nano： 使用USB線將您的自制 Arduino Nano 連接到電腦。

2. 安裝驅動： 如果您使用的是CH340G芯片，可能需要安裝其USB轉串口驅動。通常Windows會自動識別并安裝，或者您可以在網上搜索“CH340G驅動”下載安裝。FT232RL芯片的驅動通常也類似。

3. 選擇板卡和端口：

• 打開 Arduino IDE。

• 選擇“工具” -> “板卡” -> “Arduino Nano”。

• 選擇“工具” -> “處理器”，選擇您燒錄Bootloader時選擇的那個（通常是ATmega328P）。

• 選擇“工具” -> “端口”，選擇您的自制 Nano 所對應的COM端口。

4. 打開 Blink 示例：

• “文件” -> “示例” -> “01.Basics” -> “Blink”。

5. 上傳程序： 點擊“上傳”按鈕，將Blink程序上傳到您的自制 Nano。

觀察現象： 如果一切正常，您應該會看到自制 Nano 板上的“L”指示燈（通常連接到D13引腳）以約1秒的頻率閃爍。這表明您的微控制器、電源、USB轉串口通信以及Bootloader都已正常工作。

9.2 其他測試

• 電源測試： 使用萬用表測量5V和3.3V引腳（如果您的設計包含3.3V穩壓）的電壓是否穩定。

• 串口通信測試： 上傳一個簡單的串口通信程序，例如在Serial Monitor中打印“Hello World!”，并觀察是否能正常接收。

• 引腳測試： 可以逐一測試各個數字引腳和模擬引腳的功能，例如連接一個LED或讀取電位器。

10. 故障排除

在自制過程中，遇到問題是很常見的。以下是一些常見的故障及排除方法：

• 無法識別COM端口 / 驅動安裝失敗：

• 檢查USB線是否正常。

• 確保CH340G或FT232RL芯片焊接正確，沒有虛焊或短路。

• 重新安裝或更新驅動程序。

• 嘗試更換USB端口或電腦。

• Bootloader 燒錄失敗：

• 仔細檢查 Arduino Uno (編程器) 與自制 Nano 之間的接線是否正確。

• 確保 Arduino Uno 已經成功上傳了 ArduinoISP 程序。

• 檢查 ATmega328P 芯片是否焊接牢固，是否有虛焊或短路。

• 檢查16MHz晶振和22pF電容是否焊接正確。

• 檢查復位電路是否正常。

• 嘗試更換 ATmega328P 芯片。

• 程序上傳失敗：

• 確保Bootloader已成功燒錄。

• 檢查USB轉串口芯片（CH340G/FT232RL）及其輔助電路是否正常工作。

• 檢查TX/RX引腳與ATmega328P的連接是否正確（交叉連接：TX接RX，RX接TX）。

• 確保選擇了正確的板卡、處理器和COM端口。

• 檢查復位電路是否正常，特別是在上傳程序時，Bootloader需要正確復位。

• L指示燈不亮或常亮：

• 檢查L指示燈的LED和限流電阻是否焊接正確，LED極性是否正確。

• 檢查ATmega328P的D13引腳是否正常。

• 如果連接到USB后PWR指示燈不亮，檢查電源電路（USB接口、自恢復保險絲、AMS1117-5.0及其濾波電容）是否正常。

• 板子發熱：

• 立即斷電！

• 檢查是否有短路，特別是電源引腳和地之間。

• 檢查穩壓芯片是否損壞或過載。

• 檢查元器件焊接是否有橋接現象。

• 功能異常：

• 使用萬用表檢查電源電壓是否穩定。

• 檢查所有信號線是否連接正確，沒有開路或短路。

• 檢查元器件的型號和值是否與原理圖一致。

11. 進階與拓展

成功自制 Arduino Nano 只是開始，您還可以進行以下進階嘗試：

• 設計更小的尺寸： 優化PCB布局，使用更小的SMD封裝元器件，制作一個超迷你Nano。

• 集成更多功能： 例如集成藍牙模塊、ESP8266/ESP32 WiFi模塊、RTC實時時鐘、microSD卡槽等，使其功能更強大。

• 嘗試其他微控制器： 比如ATmega2560（Mega），或者ARM Cortex-M系列的微控制器，挑戰更復雜的電路設計。

• 優化功耗： 針對電池供電的應用，選擇低功耗元器件，并優化電路設計以降低整體功耗。

• 封裝定制： 設計一個定制的外殼，保護您的自制板。

• 量產與分享： 如果您的設計非常成功，甚至可以考慮小批量生產并分享給其他愛好者。

結語

自制 Arduino Nano 是一項富有挑戰性但回報豐厚的項目。它不僅能讓您擁有一塊獨一無二的開發板，更重要的是，它能讓您從零開始，深入理解電子電路的奧秘，掌握PCB設計、元器件選型、焊接和調試等一系列寶貴的技能。希望這份詳盡的教程能為您提供全面的指導，祝您在自制 Arduino Nano 的旅程中取得圓滿成功！在制作過程中，請務必保持耐心和細心，遇到問題時，多查閱資料，多嘗試，您一定能克服困難。