画一个 “月饼” 陪我过中秋，使用 ESP32-C3 制作炫彩月饼
中秋节马上就要到了，我想为嵌入式工程师求一份月饼 ...... by 矜辰所致
前言
今年的中秋节，我有点坐不住了，作为一个嵌入式工程师，我可以做一个实实在在的月饼，拿在手上陪我们过中秋！
不仅做，还得教，势必要为嵌入式工程师求得一份月饼。
当然，我既然要写文章，我就不会水一篇没参考意义的浪费大家看的时间，我不会将就着过，我也不会搞一些花里胡哨的东西，就直接来一篇手把手的设计教学，希望大家都可以学到些东西！
一、产品构思
☆ 与软件设计不同，做硬件设计要充分考虑好产品的定位于功能，硬件制作测试都需要等 PCB 板子回来，有问题又得重新制板，板子的制作和来回的时间都是成本。所以硬件设计在开动之前，务必考虑到周到。☆
上次的画的开发板是为了对 ESP32-C3 全面学习测试，所以各个部分都有设计，我的ESP32-C3 专栏基本上对于 ESP32-C3 的入门全部介绍到位了。
[自己画一块ESP32-C3 的开发板（立创EDA）（PCB到手）]（后期会更新到华为开发者论坛）
其中对于 2812 彩灯的控制我一直想玩玩多点灯珠甚至是一整条灯带，虽然以前的开发板也是可以飞线进行测试，但一来麻烦，二来不美观，所以一直想设计一个特定形状的板子多陪几颗灯珠进行把玩，那就趁这次中秋节活动，我来画个炫彩的月饼。
1.1 硬件部分
因为本次目的比较明确，主要功能就是做一个炫彩的月饼，那么基本的要求就是：
- 有炫彩灯带；
- 样子像月饼；
至于其他功能，想是想着加这样那样的一些厉害的功能，因为自己想多测试一些东西。
但是有些东西太贵了，比如想玩的一个MPU6050 ，这商城这个价格有毒把，这价格（当然有些地方的价格只能是参考，在某宝上面便宜的一大堆）：
如果这样，不算我的人工和时间成本，硬件成本都上百块钱了，而且我打样一次就是 5片， SMT 焊接至少2片， 这大几百块钱下去，我能不能吃到月饼都还没定呢 o(╥﹏╥)o ，扛不住啊！
当然还可以加些其他便宜的，但是一些便宜的对我来说，没什么意思，或者以前板子上都有过，最后想来想去，考虑到自己以后产品可能也需要更新的那就是一温湿度传感器 STH30 了，以前都是使用的 SHT21，也是是时候更新换代了。
所以最后在基本功能基础上加一个 SHT30 温湿度传感器 同事预留一个 OLED 屏幕的接口做个简单时钟：
- STH30 温湿度传感器；
- OLED 显示屏；
再次申明，这次是目的性明确的产品，所以不需要概括全功能，有想学习入门 ESP32-C3 的同学我的专栏足够带你们入门。
1.2 软件部分
软件实现 是基于硬件的，只要硬件定了，软件的实现就是围绕着硬件转，前面也说过，软件错了，可以随时更改，所以这里没必要讨论太多，到时候月饼测试我 有空也会单独开一篇帖子给大家说明。
这里计划的几点功能：
- 使用 MQTT 对接连接云平台；
- 周期给云平台 上报温湿度数据；
- 在云平台下发指令控制 炫彩灯；
- 手机 APP 通过蓝牙连接 月饼 进行灯光调控；
差不多把，暂时这样。
下面就开始原理图设计。具体一些元器件选型我都会进行必要的说明。
二、原理图设计
本次依然使用免费的 EDA 工具：立创 EDA ，因为有需要我可以开源给大家。
大家自己设设计的时候可以参考乐鑫官方的文档：《ESP32C3 系列芯片硬件设计指南》，这个都可以自己上官网下载，然后我在上次教学专栏中讲解的也比较详细，上次的方案是一次性成功的，我还是比较满意的。
那么本文我们会针对性的做一些改变，如果一成不变，我文章的意义何在，我做这件事情的意义何在？ （… by 矜辰所致，全网同名，手动防盗）
同样的 ESP32-C3 的最小系统，我们使用一些不同的硬件来试试。
2.1 产品供电部分
在上一次的产品中，电源使用的是 AMS1117-3.3V，我们整个产品只需要使用 USB 供电即可满足所有应用，如下图：
对于本次而言我们要考虑到多颗 2812 的灯珠一起点亮的功耗。
但是因为我们 2812 是 5V 供电，所以不影响我们5V 转 3.3V 的选择，1117 固然稳定可靠便宜，但是我曾经在文章中：
[聊聊实际使用的电源转化电路，分享一些不同场合下的转3.3V电路]（后期会更新到华为开发者论坛）
提到过一些比较好的方案，比如下面这个，封装更小，价格更便宜，而且我想多测试一下：
所以本次选用这个芯片作为 5V 转 3.3V 的方案，修改后的供电部分电路如下图：
注意上面红色的说明，要考虑到负载功率，替换前端的 D2 二极管，本次替换成 SS34 ，平局整流电流 3A 。
2.2 ESP32-C3 最小系统
原理图部分，我们可以直接在上次的基础上进行修改，大体上可以复制过来后再修改。
因为有了上次的经验，在ESP32-C3 最小系统上我不花太多时间去分析，只作一些细节的修改和说明。
☆ 不要小看细节的处理和修改，在实际设计产品时候，有时候外壳太小元器件放不下，需要想办法调整，有时候元器件太贵了要降本，需要想办法调整，有时候第一代产品某个地方不稳定，需要做调整等等，都是细节的调整。 ☆
本次设计中，对于与上一代产品的修改，为什么要改我都会进行说明。
先整体把上次的最小系统复制过来，我们先看一下部分图片：
2.2.1 天线
天线部分上次用的是 IPEX 端子接口，使用的时候需要另外找一根天线：
多少会影响点美观，所以这次我决定换一种新式 。
那么不用馈线，可选的方式不算多：
- SMA 接口类型 的外界天线，在本次应用上不太可取
- PCB 天线，可备选
- 贴片陶瓷天线，可备选
先说说PCB天线，标准的2.4G PCB 天线如下图所示：
有朋友如果想画，这个网上找个样例可以直接拿过来用。
但是这种天线一般来说都需要在板子外沿凸出一块，或者至少也两边有足够的空间（不是说没有下图的情况就不能用，只是达不到最佳信号效果，做不了这个样子，保证天线所在的位置 PCB 没有铺铜也是可以的），如下图：
这样的话对我们这个产品不太合适。虽然我可以选择保证天线部分周围各层都不铺铜，但是我还是不太建议，还会影响走线。
所以最后我选择了贴片陶瓷天线，其实我也是想选一款合适的 2.4G 贴片陶瓷天线为以后的产品上用，这种心思作为一个搞硬件的工程师必须得有，自己心中的方案越多，产品设计起来就越得心应手。
所以我天线部分改成这样：
咦？ 这是天线部分？ 怎么感觉少了点什么？
没错，我把 π 型网络的两个做阻抗匹配的电容都去掉了，为什么？
因为 一般普通条件 以及 一般产品使用环境 下面不需要！ 我们上次的使用匹配电容是没有焊接的，在很多一般的情况下，匹配电容也是不需要焊接的，然后再自己的设计条件有限的情况下，也没法确定匹配电容。
实际上有很多硬件工程师虽然知道什么阻抗匹配，但是实际上也不知道到底如何做，其实对于天线部分，是一块很大的学问，具体有时间我们单独开文章深究一下，但是对于我们一些普通的应用，即便你不关心这一块，也是没有什么问题的，因为芯片的天线设计部分，其实已经有自己的内部处理。
虽然我是这么画的，但是我必须强调，天线设计预留 π 型网络是好习惯，也是标准，大家要记住。
2.2.2 下载串口
在上次的 Demo 中，下载串口使用的是 CP2102 ，CP2102 大概得 10元左右了，如果做产品是可以稍微节约一点的，比如使用国产的 CH340 系列芯片，单价 2元左右，在当时的设置中，我也考虑过用 CH340，只不过当时缺货。
市面上很多 ESP32-C3 最小系统板就是使用的 CH340.
所以本次设计，我们在下载串口这里使用 CH340 系列的 CH340C，本次修改后的设计电路如下：
另外提一句，本次就一个 USB 口，就只有这个 USB 转串口。
2.2.3 Spi flash
在上一次，我们预留了外接的 spi flash 接口，但是我们选择的内置 flash 的 ESP32-C3FN4，上次预留了接口，但实际上并不会用到，所以本次我们直接去掉，不需要外接的 spi flash。
2.2.4 晶振
晶振部分使用 40MHz 部分，如下图：
2.2.5 启动 IO 口
芯片的启动 IO 部分设计是新手画图最容易犯错误的地方，因为对芯片的启动方式了解不透彻，导致设计的时候忽略了，有时候歪打正着了，一有问题也不知道如何解决。
所以当时我就用红色的标题说明了一下：
本次设计我们这几个 IO 直接上拉到电源 ，上次的设计 IO9 加了一个按钮方便针对不同启动方式的测试，本次应用我们并不需要：
那么经过上面的基本一系列的折腾，最后修改后的 ESP32-C3 最小系统如下图：
因为是最小系统，所以基本上变化不大，只有一些细节的修改，去掉了 外接 Flash ，将复位按钮处的电容改小，去掉了一个瞬态抑制二极管，换了一种天线 。
2.3 WS2812灯带
灯带目前计划防止 12 LED 灯，记得入口为 5V ，这部分根据 LED 灯的手册来即可。
但是这里需要特别注意，因为 12个 LED 灯如果同时亮的话，PC USB 500mA 的最大电流是根本不够的，那么你没有其他外接电源的情况下，烧录完程序 LED 灯都工作的话，就会出现大问题！！！！
所以这里必须要注意，在设计方面，我在中断使用了一个跳线帽断开电源的供给，最终连接图如下图：
我们可以在产品使用 PC 端的 USB 烧录程序的时候断开 P6， 然后再正常使用的时候换成电源适配器，也通过 TYPE-C 线进行供电，比如现在手机适配器 5V 2A 以上是最基本的配置了。
画 PCB 的时候发现一点小问题，因为 GPIO8 控制引脚在下面，电源在上面，所以需要把 P6 接通以后灯带才能正常工作，其实问题不大，变画边写教学时间比我想象中的久，太累人了，暂时就不改了！ 理解一下！
错误问题说明
PCB到了以后，测试时候才发现，上面图画错了，控制 IO 口不应该，是接在 LED 的 2 引脚 Dout ，而是接在 4 引脚 DIN ！！
所以其实最开始的布局设计就没有错，只不过不细心没有注意到这个 = =！
正确的图应该是如下所示（GPIO8 我后来改成了 GPIO 10，这个是正常的修改）：
2.3 温湿度传感器
温湿度以前使用的是 SHT21 ，对于新版本的 SHT30 一直没有尝试（虽然都出了好多年了，），正好借此机会来了解一下新的 SHT30 ，传感器的电路设计，只需要根据 SHT30 的用户手册来就可以。
最终温湿度部分电路图如下：
2.4 其他部分
完善一下原理图其他部分
2.4.1 OLED接口
OLED 并不是产品必须的，只是忽然心血来潮，想着玩一玩，我们这里预留接口。
OLED 接口常用的有 I2C 接口的，网上有现成的 LED 模块，比如这种：
所以，我们只需要预留一下一个 4pin 的接口即可： 5V、GND、两个 IO 口。
2.4.2 按键和指示 LED
对于一般做产品，一般都会预留一个 用户按键 和 LED，以便于做一些测试或者提醒，所以我们依照惯例，把 按键 和指示灯加上。
但是按键这里有一个细节，我们在做 STM32 开发的时候，按键一般都会加一个 电容 进行硬件去抖，但是在 ESP32-C3 的产品上，我上次加了电容，测试按键的时候出了问题：
一般在 ESP32-C3 设计上，按键都是直接一个上拉到电源，然后通过按键直接接地，如下图：
当然我也有一个推测，是不是因为上次电容加得太大了1uF，所以更容易出问题？
然后指示 LED 灯如下图：
2.5 最终整体图
最后上一张完成的原理图：
2.6 额外说明
注意，下面 PCB 设计的时候，因为布局或者其他的原因，有部分元器件或者原理图又做细微的修改，比如但不局限于：
- 布局不合适更换封装（USB）
- 走线太绕，更换IO口（LED）
- I2C 通讯合并（因为 ESP32-C3 只有一个 I2C 总线）
- 改变 WS2812 的控制 IO
如果仔细看文章，都有说明为什么修改的，这也是设计产品的时候经常会遇到的问题！
三、PCB设计
PCB 设计部分，基本上很少有人会直接的教学文章，我会尽量把我的思路和步骤下上，希望对大家有所帮助。
3.1 外形大小估计
我们先导入 PCB ，然后看一下整体的大小：
东西不多， 6 cm 的边框大概看看，我们简单来构思一下：
- 12 个全彩 LED 单独放置在一面；
- 其他元器件在同一面；
- OLED 接口因为是 4 Pin 接口，所以到时候正反两方面都能放，这个理想的情况是在 LED 在月饼正中央，LED中间；
刚开始确实是有点乱，小东西先不放上来，然后一些计划成型的东西大概摆一摆就是如下图所示的情况：
根据这一步，我们可以初步估计 PCB 的大小，然后根据这个大小来设计边框。
3.2 边框设计
那么作为本次设计的目的，画一个月饼，那最基本的形状得像一个月饼！
经过上面的额大概布局，我们可以基本确定月饼的大小，然后边框调整为一个月饼的样子，我们知道月饼看起来是一个圆形，但是他的边框又不是完全圆形：
示意图就是这样的：
那么我们就得稍微处理一下边框，反正这个边框我算得有点难受……，没办法，硬着头皮上：
上图中我给了旋转角度，和我使用的弧形的一些参数，如果确实有耐心的朋友可以计算出一个完美的尺寸，而我这里稍微没仔细计算，整体来说勉勉强强 = =！ 但是这样应该看不出来……
最后勉勉强强把：
把 LED 灯放上来看看：
3D 效果（只是简单看下效果，还未做调整）：
还行吧，就这样画，快快快！！
3.3 整体布局
外形设计完成，我们开始进行整体的布局。
PCB 布局的先后其实看个人，也看应用本身，所以不是固定不变的，本次应用元器件不多，其中比较关键的个人认为有几个部分：
- USB供电电源部分；
- 天线部分；
其他的地方都相对来说还好。
USB 封装调整
我们从USB 供电开始看，看了一下边框，然后考虑了一下 USB 接口的连接，发现以前那种形势的封装可能会导致连接不上，换成了历时的 USB 接口，如下图：
排除一些明显可能存在的问题，我们可以进行整体布局，这个布局呢，可以根据以前的经验，或者自己一步一步调整，这里注意给天线单独预留一块空间，需要些时间。
保证 ESP32-C3 的下载串口 与 USB 口在同一侧，就是保证下载电路这一块走线不要太绕，其他地方酌情考虑，努力移动啊移动，最终大概是这个样子：
感觉问题不大，开始局部走线把。
3.4 局部处理
完成了整体的布局，我们开始走线以及元器件的细节调整.
3.4.1 芯片周围
紧靠着芯片的元器件需要处理的有：
- 晶振
- 滤波电容
- 天线
我们把上述这边位置做好调整然后走好线：
3.4.2 USB 串口及一键下载部分
这部分要处理 USB 转 串口电路，包括一键下载电路，这个地方难点在于 Type-C 的接口部分走线，有点难受，太小了，电源部分好像必须得过孔。
画图过孔其实是无所谓的，但是过孔太多会影响后面的设计走线，所以如果刚开始布局走线的时候，能不过孔就不过孔。
我们做好局部调整，把进距离的线走好，然后远的需要过孔的后面再说，比如 芯片的 RESET 和 GPIO9 需要连接到一键下载电路上，这种需要过孔的远路统一在后面处理，我们目前处理如下：
3.4.3 电源部分
电源入口为 TYPE-C 接口，我们在这里线条需要走粗一些，因为后面还需要带 那么多灯，但是受限于封装部分，最后还是只能走到 15mil 。
入口处如果线宽小，后端放大，没有什么意义。
通过 D2 二极管出来的额 5 V ，我们一部分要给 炫彩 LED 供电，一部分要通过 LDO1 转化成 3.3V 给整个系统供电。
这部分处理后的电路如下图：
3.4.4 WS2812 部分
完成上面的设计，我们还有一些按钮，传感器灯没有处理，这里我把 WS2812 灯带放在前面，为什么？
炫彩灯部分的走线相对 按键这些东西来说，更 “重要” 一点 。
比如按键走线，饶一点远一点，过孔多一点问题也不大。而灯带部分，需要走有一定电流的线，而且最好是不要太绕。
然后我们知道灯带上面有几个 LED 是直接5V电源能够一直供电的，那么这几个LED 就需要按照顺序，排列在 5V 电源入口，根据这个调整LED 的位置。
考虑2个因数：
- 5V入口不要离 LED1~ LED4 太远，可以的话照顾一下 OLED 屏幕的 5V 接口；
- GPIO8 不要离 LED12 太远：
为了摆放比较准确，我们可以标记一下角度，如下图：
布局完成最后布线：
整个 5V 在板子上基本画了一个圈，有点担心对信号会产生多少影响……
画完以后效果如下：
3.4.3 其他部分
完成重要的布局，我们还剩下其他一些细节处理：
- 按键
- 传感器
- 余下元器件
I2C 传感器调整
在布局的时候因为有些走线不太好走，想换一个 IO 口，然后查看资料才会议起来 ESP32-C3 只有一个 I2C 总线，所以我刚开始原理图上画了 2个 I2C 设备，是不可能同时工作的。
<3 但是我们 I2C 总线可以一主多从机，所以我们把 I2C 设备挂载同一条总线上，实际上不同的 I2C 设备挂在同一条总线上，我都没试过，正好这个机会可以试一试！
我们花些时间调整一下即可：
（… 花了好一些时间）
3.5 收尾处理
上面基本上完成了信号的走线，飞线上只留下 GND 没有连接，我们可以开始做收尾处理了，收尾处理如下图：
收尾处理很关键 ，因为都是细节问题，所以需要很细心。
又花了好多时间，饭都没吃，最后效果图：
3.6 3D 效果图
累死我了，最后的 3D 效果图如下，待我吃个饭发出制板子：
后续等板子到手更新实物图。
支持，本次月饼的 PCB 设计就到此结束。
结语
肝了好几天，比想象中的累，也比想象中花的时间多，一边设计，一边记录教学，真的好费神。
本次月饼设计，后续还会继续更新，给大家一个满意的效果，到时候的程序设计，也可以来当做应用记录给大家！
没力气说其他的了，本文就到这里把，如果大家觉得文章还行，希望支持一波！谢谢大家！
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