原标题：基于开源内容的 Arduino Nano 自制版（原理图+教程）

基于开源内容的 Arduino Nano 自制版（原理图+教程）

Arduino Nano 作为一款广受欢迎的微控制器开发板，以其小巧的体积和丰富的功能，在创客、学生和工程师中拥有大量拥趸。然而，市售的 Arduino Nano 在某些特定应用中可能存在成本、可定制性或学习深度方面的局限。基于开源内容自制 Arduino Nano，不仅能显著降低成本，更能让您深入理解其工作原理，掌握PCB设计、元器件选型与焊接等核心技能。本教程将详尽阐述自制 Arduino Nano 的各个环节，从原理图解析到元器件选择，再到制作与测试，助您一步步构建属于自己的Nano。

1. 理解 Arduino Nano 的核心架构

在深入探讨自制过程之前，我们首先需要对 Arduino Nano 的核心架构有一个清晰的认识。Arduino Nano 本质上是一个基于 ATmega328P 微控制器的开发板。它集成了微控制器、电源稳压、USB-to-Serial转换芯片、晶振、复位电路以及各种输入/输出接口。这些组件协同工作，使得用户可以通过简单的USB连接，将编写好的程序烧录到ATmega328P中，从而控制外部设备。

2. 原理图解析与核心模块

自制 Arduino Nano 的第一步是深入理解其原理图。我们将核心功能划分为几个主要模块进行解析：

2.1 微控制器模块：ATmega328P

• 核心器件：ATmega328P-AU 或 ATmega328P-PU

• 型号选择与特性： ATmega328P 是 Arduino Nano 的“大脑”。通常推荐选择 ATmega328P-AU（TQFP-32封装）或 ATmega328P-PU（DIP-28封装）。对于自制板来说，ATmega328P-PU 更易于手工焊接，适合初学者；而 ATmega328P-AU 封装更小，适合追求紧凑设计的资深玩家。两者的核心功能相同，都拥有32KB的闪存用于存储程序，2KB的SRAM用于运行时数据，以及1KB的EEPROM用于存储非易失性数据。它们都集成了多个GPIO引脚（数字引脚和模拟引脚）、多个定时器/计数器、UART、SPI、I2C等通信接口。

• 为什么选择它： ATmega328P 是Arduino Uno和Nano的标配，拥有成熟的生态系统和丰富的库支持，学习资源和社区活跃度高，易于上手。其功耗低，性能稳定，足以应对绝大多数DIY项目。

• 功能： 作为整个开发板的核心，ATmega328P负责执行用户编写的程序，控制所有连接的外部设备。它处理输入信号，生成输出信号，并协调板上各个组件的工作。

2.2 USB-to-Serial 转换模块：CH340G 或 FT232RL

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

• CH340G： 这是一个国产的USB转串口芯片，价格非常低廉，性能稳定，且驱动安装简单。对于自制板来说，CH340G是性价比极高的选择。它的SOP-16封装相对FT232RL更易于手工焊接。

• FT232RL： 这是一个英国FTDI公司生产的芯片，在官方Arduino板上更为常见。它的稳定性、兼容性极佳，但价格相对较高。SSOP-28封装比CH340G更复杂一些，对焊接技术有一定要求。

• 型号选择与特性： 这个模块负责将USB信号转换为ATmega328P能够理解的串口信号（TX/RX），以便进行程序烧录和串口通信。

• 为什么选择它： 串口通信是Arduino烧录程序和与PC交互的关键。选择这些芯片是为了实现便捷的USB连接。CH340G以其成本优势和易用性成为自制板的首选，而FT232RL则提供更高级的性能和兼容性。

• 功能： 将计算机的USB数据转换为ATmega328P可以识别的串行数据，反之亦然。这使得用户可以通过USB线缆上传程序，并通过串口监视器与Arduino进行通信。

• 辅助元器件：

• 晶振：12MHz (CH340G) / 6MHz 或 8MHz (FT232RL)：为USB转串口芯片提供精确的时钟源。CH340G通常需要12MHz晶振，FT232RL根据型号可能需要6MHz或8MHz。

• 电容：22pF (晶振匹配电容)：与晶振配合，构成谐振电路，保证晶振稳定工作。通常晶振两端各接一个。

• 电阻：10kΩ (CH340G复位拉高电阻)：部分CH340G方案可能需要。

• USB Type-B 或 Micro USB 连接器： 用于连接PC。Micro USB更小巧，更符合现代趋势。

2.3 电源稳压模块

• 核心器件：AMS1117-5.0 (SOT-223)

• 型号选择与特性： Arduino Nano通常可以通过USB接口（5V）或VIN引脚（6-12V）供电。为了确保ATmega328P及其外设获得稳定的5V工作电压，需要一个低压差线性稳压器（LDO）。AMS1117-5.0 是一个非常常见的5V LDO，其SOT-223封装易于焊接，且价格低廉，最大输出电流可达1A，足以满足Nano板的供电需求。

• 为什么选择它： 提供稳定的5V电源，保护敏感的微控制器。AMS1117-5.0以其成本效益和可靠性成为理想选择。

• 功能： 将VIN引脚输入的较高电压（例如7V-12V）稳定地降压至ATmega328P所需的5V。

• 辅助元器件：

• 电容：10uF (输入/输出滤波电容)：在稳压器输入和输出端各放置一个，用于滤除电源噪声，稳定电压。

• 二极管：1N4007 或 SS14 (反接保护二极管)：在VIN引脚处串联一个二极管，防止电源反接损坏电路。1N4007为普通整流二极管，SS14为肖特基二极管，压降更小，效率更高。

2.4 时钟模块

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

• 16MHz 晶振 (HC-49S)： 提供极其精确的时钟信号，稳定性高，是首选。需要搭配两个22pF电容。

• 16MHz 陶瓷谐振器： 成本更低，体积更小，但精度略低于晶振，通常不需要额外的电容。

• 型号选择与特性： ATmega328P需要一个精确的时钟源才能正常工作。Arduino Nano通常使用16MHz的晶振。

• 为什么选择它： 提供精确的时钟脉冲，确保ATmega328P能够以正确的速度执行指令，并保证定时器、串口通信等功能的准确性。

• 功能： 为ATmega328P提供核心时钟信号，决定了微控制器的工作速度。

• 辅助元器件：

• 电容：22pF (晶振匹配电容)：与16MHz晶振配合使用，每个晶振引脚连接一个22pF电容到地。

2.5 复位电路

• 核心器件：

• 按键：6x6mm 轻触开关 (复位按键)

• 电阻：10kΩ (上拉电阻)

• 电容：0.1uF (去抖动电容)

• 为什么选择它们： 复位功能是开发板的基本需求，允许用户在程序卡死或需要重新运行代码时，手动重启ATmega328P。上拉电阻确保复位引脚在不按下按键时保持高电平，去抖动电容则消除按键弹跳带来的误触发。

• 功能： 在按下复位按键时，将ATmega328P的复位引脚拉低，使其重新启动执行程序。

2.6 指示灯

• 核心器件：

• PWR LED： 指示开发板是否通电。

• TX/RX LED： 指示USB-to-Serial通信正在进行，TX表示数据发送，RX表示数据接收。

• L LED： 连接到数字引脚D13，用户可以通过程序控制其亮灭，常用于调试和简单反馈。

• LED：3mm 或 5mm LED (电源指示、TX/RX指示、用户可编程L指示)

• 电阻：220Ω 或 330Ω (限流电阻)

• 为什么选择它们： LED指示灯能够直观地显示电路的工作状态，如电源是否正常、数据是否在传输、以及用户程序的运行状态。限流电阻用于保护LED，防止电流过大烧毁。

• 功能：

3. 元器件清单与详细说明

以下是自制 Arduino Nano 所需的详细元器件清单，包括推荐型号、作用和选择理由：

4. PCB设计与布局

PCB设计是自制 Arduino Nano 的核心环节，它将原理图转化为实际的电路板。

4.1 PCB设计软件

推荐使用以下开源或免费的PCB设计软件：

• KiCad： 功能强大，完全免费开源，支持多平台，拥有庞大的社区支持和丰富的教程资源。适合专业和高级玩家。

• EasyEDA： 在线PCB设计工具，界面友好，内置大量元器件库，并与PCB打样服务深度集成，非常适合初学者和快速原型开发。

4.2 设计步骤

1. 创建项目： 在您选择的PCB设计软件中创建一个新项目。

2. 导入原理图： 将之前绘制的 Arduino Nano 原理图导入到项目中。

3. 封装选择与关联： 为原理图中的每个元器件选择正确的PCB封装。例如，ATmega328P-PU对应DIP-28封装，CH340G对应SOP-16封装，AMS1117-5.0对应SOT-223封装。仔细核对封装的引脚定义和尺寸，确保与实际元器件匹配。

4. 布局规划：

• 模块化布局： 将功能相关的元器件（如USB转串口模块、电源模块、微控制器模块）放置在一起。

• 核心器件优先： 微控制器（ATmega328P）和晶振应尽量靠近，以减少信号传输距离，降低噪声干扰。

• 电源路径： 稳压芯片应靠近其滤波电容，电源走线应尽量粗短，以减小阻抗。

• 信号线： 高速信号线（如USB的D+、D-）应尽量等长并行，并避免直角走线。

• 地线： 确保有完善的地平面，或粗大的地线，以提供良好的参考电位和散热。模拟地和数字地可以考虑分开，然后一点接地，以降低噪声。

• 接口位置： USB接口、排针接口等应放置在板子的边缘，方便连接。

• 散热： 对于稳压芯片等发热量较大的元器件，应预留足够的散热铜箔。

5. 布线：

• 层数选择： 对于Arduino Nano这类简单板，双层板（顶层和底层）通常就足够了。

• 线宽： 根据电流大小选择合适的线宽。电源线和地线应比信号线更宽。

• 过孔： 在需要连接不同层的导线时使用过孔。

• 差分对： USB的D+和D-线应走差分对，以提高抗干扰能力。

• 避免环路： 尽量避免形成大的电流环路，这会增加电磁辐射和噪声。

• 间距： 确保导线之间、焊盘之间有足够的间距，避免短路。

6. 丝印与标记： 添加元器件的丝印（如R1、C2、D1），以及引脚功能标记（如TX、RX、GND、5V等），方便后续焊接和调试。

7. DRC（设计规则检查）： 运行DRC检查，确保PCB设计符合制造规范，没有短路、开路、间距不足等问题。

8. 生成Gerber文件： 完成设计后，生成Gerber文件，这是PCB制造商生产电路板所需的标准文件。

5. PCB制造

将生成的Gerber文件发送给专业的PCB制造商进行打样。目前有许多国内外的PCB打样服务商，如嘉立创、华强PCB、JLCPCB等，它们通常价格低廉，交货周期短。

• 选择板材： FR-4是最常见的PCB板材，性能稳定，价格适中。

• 表面处理： 推荐选择沉金工艺（ENIG），虽然成本略高，但焊盘平整，易于焊接，且耐腐蚀性好。HASL（热风整平）也是一个经济的选择。

• 铜厚： 1oz或2oz的铜厚通常足以满足Arduino Nano的需求。

6. 元器件采购与准备

在PCB制作的同时，可以开始采购所需的元器件。建议从可靠的电子元器件供应商处购买，例如立创商城、得捷电子、贸泽电子等，以确保元器件的质量和真伪。

• 检查元器件： 收到元器件后，仔细核对型号、数量和封装，确保无误。

• 分类整理： 将不同类型的元器件分类存放，方便后续焊接。

7. 焊接与组装

焊接是自制 Arduino Nano 的关键环节，需要耐心和细心。

7.1 焊接工具

• 烙铁： 推荐恒温烙铁，功率在30-60W之间，配备尖头和斜口等不同型号的烙铁头。

• 焊锡丝： 推荐0.6mm或0.8mm的无铅焊锡丝。

• 助焊剂： 膏状助焊剂或助焊笔，有助于提高焊接质量。

• 镊子： 弯头镊子和直头镊子，用于夹取和定位SMD元器件。

• 放大镜或显微镜： 对于SMD元器件，放大工具必不可少，能够清晰观察焊点。

• 吸锡器或吸锡线： 用于清理多余焊锡或纠正错误。

• 万用表： 用于测试电路通断、电压、电阻等。

• 热风枪 (可选，用于SMD元件)： 如果焊接大量SMD元件或TQFP封装的ATmega328P，热风枪能提高效率和成功率。

7.2 焊接顺序

建议按照“由低到高，由内到外，先小后大”的原则进行焊接，以避免高大的元器件阻碍对矮小元器件的焊接。

1. SMD 元器件： 如果您的设计使用了SMD封装的元器件（如CH340G、AMS1117-5.0、ATmega328P-AU），优先焊接这些元件。

• 拖焊： 对于引脚较多的芯片（如CH340G），可以在焊盘上涂抹少量助焊剂，然后将芯片对准焊盘放置。先固定对角的一个引脚，然后用烙铁头蘸取少量焊锡，沿着引脚方向轻轻拖动，使焊锡均匀分布在所有引脚上。

• 点焊： 对于电阻电容等小尺寸元件，先在焊盘上预先上一小滴锡，然后用镊子夹住元件放在焊盘上，用烙铁头加热焊盘上的锡，使元件与焊盘连接。

• 手工焊接SMD技巧：

2. 电阻、二极管： 这些通常是较矮的插件元件。

3. 电容： 包括陶瓷电容和电解电容。注意电解电容的极性（长脚为正极，短脚为负极，或负极有标记）。

4. 晶振： 16MHz晶振和12MHz晶振。

5. LED： 注意LED的极性（长脚为正极，短脚为负极，或平边为负极）。

6. 轻触开关： 复位按键。

7. 连接器： USB连接器、排针、排母等。

8. ATmega328P： 如果是DIP封装，最后插入芯片座（如果使用芯片座），或者直接焊接。如果是TQFP封装，需要使用热风枪或熟练的拖焊技巧。

7.3 焊接注意事项

• 清洁： 焊接前清洁焊盘和元器件引脚，去除氧化层和污垢。

• 预热： 对于焊盘较大的元件或热容量较大的PCB，可以适当预热，有助于焊锡流动。

• 适量焊锡： 焊锡量要适中，既要保证可靠连接，又要避免桥接（短路）。

• 光亮饱满： 理想的焊点应该是光亮、圆润、饱满的锥形，没有毛刺，没有虚焊和假焊。

• 避免短路： 焊接完成后，仔细检查所有焊点，特别是密脚芯片，确保没有短路。可以使用万用表的蜂鸣档进行短路检查。

• 防静电： 在处理CMOS芯片时，注意防静电，佩戴防静电手环或在防静电垫上操作。

8. 烧录 Bootloader

自制的 Arduino Nano 上的 ATmega328P 芯片通常是全新的，没有预装 Arduino Bootloader。Bootloader 是一段小代码，它允许您通过USB接口向ATmega328P上传程序，而无需使用外部编程器。因此，我们需要先将Bootloader烧录到芯片中。

8.1 烧录方式

烧录Bootloader有多种方式：

1. 使用另一块 Arduino 板 (ArduinoISP)： 这是最常用和推荐的方法，将一块正常的Arduino板（如Arduino Uno或另一块Nano）作为ISP（In-System Programmer）编程器。

2. 使用专用ISP编程器： 如USBasp、AVR ISP mkII等。

8.2 使用 ArduinoISP 烧录 Bootloader (推荐)

所需材料：

• 一块已正常工作的 Arduino Uno 或 Nano (作为编程器)

• 您的自制 Arduino Nano 板

• 杜邦线若干

• Arduino IDE 软件

接线方法 (Arduino Uno 作为编程器，接自制 Arduino Nano)：

烧录步骤：

1. 准备 Arduino Uno (编程器)：

• 将 Arduino Uno 连接到电脑。

• 打开 Arduino IDE。

• 选择菜单栏的“文件” -> “示例” -> “11.ArduinoISP” -> “ArduinoISP”。

• 选择正确的板卡（Arduino Uno）和端口。

• 点击“上传”按钮，将 ArduinoISP 程序上传到 Arduino Uno。

2. 连接自制 Arduino Nano： 按照上述表格将 Arduino Uno 和自制 Arduino Nano 正确连接。

3. 烧录 Bootloader：

• 在 Arduino IDE 中，选择菜单栏的“工具” -> “板卡”，选择“Arduino Nano”。

• 在“工具” -> “处理器”中，选择“ATmega328P (Old Bootloader)”或“ATmega328P”，取决于您希望烧录哪种Bootloader。通常选择ATmega328P即可。

• 在“工具” -> “编程器”中，选择“Arduino as ISP”。

• 点击“工具” -> “烧录 Bootloader”。

• 等待烧录完成。如果成功，Arduino IDE底部会显示“Bootloader burnt successfully.”。

9. 功能测试

Bootloader烧录成功后，就可以测试您的自制 Arduino Nano 是否正常工作了。

9.1 上传 Blink 程序

1. 连接自制 Arduino Nano： 使用USB线将您的自制 Arduino Nano 连接到电脑。

2. 安装驱动： 如果您使用的是CH340G芯片，可能需要安装其USB转串口驱动。通常Windows会自动识别并安装，或者您可以在网上搜索“CH340G驱动”下载安装。FT232RL芯片的驱动通常也类似。

3. 选择板卡和端口：

• 打开 Arduino IDE。

• 选择“工具” -> “板卡” -> “Arduino Nano”。

• 选择“工具” -> “处理器”，选择您烧录Bootloader时选择的那个（通常是ATmega328P）。

• 选择“工具” -> “端口”，选择您的自制 Nano 所对应的COM端口。

4. 打开 Blink 示例：

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

5. 上传程序： 点击“上传”按钮，将Blink程序上传到您的自制 Nano。

观察现象： 如果一切正常，您应该会看到自制 Nano 板上的“L”指示灯（通常连接到D13引脚）以约1秒的频率闪烁。这表明您的微控制器、电源、USB转串口通信以及Bootloader都已正常工作。

9.2 其他测试

• 电源测试： 使用万用表测量5V和3.3V引脚（如果您的设计包含3.3V稳压）的电压是否稳定。

• 串口通信测试： 上传一个简单的串口通信程序，例如在Serial Monitor中打印“Hello World!”，并观察是否能正常接收。

• 引脚测试： 可以逐一测试各个数字引脚和模拟引脚的功能，例如连接一个LED或读取电位器。

10. 故障排除

在自制过程中，遇到问题是很常见的。以下是一些常见的故障及排除方法：

• 无法识别COM端口 / 驱动安装失败：

• 检查USB线是否正常。

• 确保CH340G或FT232RL芯片焊接正确，没有虚焊或短路。

• 重新安装或更新驱动程序。

• 尝试更换USB端口或电脑。

• Bootloader 烧录失败：

• 仔细检查 Arduino Uno (编程器) 与自制 Nano 之间的接线是否正确。

• 确保 Arduino Uno 已经成功上传了 ArduinoISP 程序。

• 检查 ATmega328P 芯片是否焊接牢固，是否有虚焊或短路。

• 检查16MHz晶振和22pF电容是否焊接正确。

• 检查复位电路是否正常。

• 尝试更换 ATmega328P 芯片。

• 程序上传失败：

• 确保Bootloader已成功烧录。

• 检查USB转串口芯片（CH340G/FT232RL）及其辅助电路是否正常工作。

• 检查TX/RX引脚与ATmega328P的连接是否正确（交叉连接：TX接RX，RX接TX）。

• 确保选择了正确的板卡、处理器和COM端口。

• 检查复位电路是否正常，特别是在上传程序时，Bootloader需要正确复位。

• L指示灯不亮或常亮：

• 检查L指示灯的LED和限流电阻是否焊接正确，LED极性是否正确。

• 检查ATmega328P的D13引脚是否正常。

• 如果连接到USB后PWR指示灯不亮，检查电源电路（USB接口、自恢复保险丝、AMS1117-5.0及其滤波电容）是否正常。

• 板子发热：

• 立即断电！

• 检查是否有短路，特别是电源引脚和地之间。

• 检查稳压芯片是否损坏或过载。

• 检查元器件焊接是否有桥接现象。

• 功能异常：

• 使用万用表检查电源电压是否稳定。

• 检查所有信号线是否连接正确，没有开路或短路。

• 检查元器件的型号和值是否与原理图一致。

11. 进阶与拓展

成功自制 Arduino Nano 只是开始，您还可以进行以下进阶尝试：

• 设计更小的尺寸： 优化PCB布局，使用更小的SMD封装元器件，制作一个超迷你Nano。

• 集成更多功能： 例如集成蓝牙模块、ESP8266/ESP32 WiFi模块、RTC实时时钟、microSD卡槽等，使其功能更强大。

• 尝试其他微控制器： 比如ATmega2560（Mega），或者ARM Cortex-M系列的微控制器，挑战更复杂的电路设计。

• 优化功耗： 针对电池供电的应用，选择低功耗元器件，并优化电路设计以降低整体功耗。

• 封装定制： 设计一个定制的外壳，保护您的自制板。

• 量产与分享： 如果您的设计非常成功，甚至可以考虑小批量生产并分享给其他爱好者。

结语

自制 Arduino Nano 是一项富有挑战性但回报丰厚的项目。它不仅能让您拥有一块独一无二的开发板，更重要的是，它能让您从零开始，深入理解电子电路的奥秘，掌握PCB设计、元器件选型、焊接和调试等一系列宝贵的技能。希望这份详尽的教程能为您提供全面的指导，祝您在自制 Arduino Nano 的旅程中取得圆满成功！在制作过程中，请务必保持耐心和细心，遇到问题时，多查阅资料，多尝试，您一定能克服困难。