Multi-parameter miniature environmental quality detector based on ESP07S

更新日志
                                                                                                                                                                                                                                                    
        时间                                                                          更新事件
2023年3月29日     首次发布
2023年4月17日     修改安装外壳的M2平头螺丝长度并且更新BOM购买清单（原来的为M2×8平头螺丝，现在改为了M2×6平头螺丝）
2023年5月22日     上传了整理好的原理图（原理图仅供参考，请勿更新PCB或者导入变更）
2023年6月17日     上传了一个替换成低成本甲醛传感器的转接板PCB设计图（该甲醛传感器的价格为46元左右，详情请查看硬件焊接教程末尾）
 
功能简介
                                                                                                                                                                                                                                                    
基于ESP07S模组制作的微型多参数环境监测仪，内嵌0.96英寸OLED双色屏幕，传感器部分使用了SHT45作为温湿度传感器，但是SHT45价格较高（18元左右）可以使用SHT40或者SHT41代替，推荐使用SHT41（5元左右），这三个传感器的封装相同且底层驱动代码也相同，可以相互替换，唯一区别是精度不同；还使用了SGP41（50元左右）传感器作为VOC（挥发性有机化合物）和NOx（氮氧化物）参数的采集；除了上述的两个传感器还有余下的两个传感器，其分别是大气压传感器和甲醛传感器，大气压传感器采用的是博世的BMP280（11元左右），甲醛传感器（115元左右）采用的是普晟的WZ-H3-K插针款，整体仅保留一个实体按键和一个电源开关以及一个充电下载接口，拥有10个不同的数据展示界面。
本监测仪的主要功能有：
1、可以显示温湿度、VOC、NOx、甲醛浓度、大气压的实时数值
2、可以显示温湿度、VOC、NOx、甲醛浓度的累计均值
3、可以显示电池电量百分比
4、拥有低电量提示功能
5、内置充电管理芯片以及电源自动切换电路
6、使用Type-C接口烧录程序以及充电
7、拥有充电状态指示灯
8、可以通过大气压数值大致计算海拔高度
9、保留了WiFi功能并且引出了WiFi天线
 
本监测仪器体积较小，制作难度中等，但是包含的制作细节较多！！！
对动手能力要求较高，部分连接部位的焊接稍微困难！！！
 
本监测仪器未经授权禁止商用！！！
 
 
实物展示图（左边的是最初的测试版本，右边的为现在的版本）
 
 
 
 
    实物外观尺寸
 
 
实物六面展示                                                   
 
更多详细功能以及界面展示见底部视频与界面介绍
 
 
硬件焊接教程
                                                                                                                                                                                                                                                    
一共4片PCB，收到PCB的时候最好先用酒精或者洗板水擦拭一下，焊接时需要准备的工具有：刀头烙铁、热风qiang、加热台（建议准备，如果没有则用热风qiang替代也可以）、吸锡带、焊油、Sn63Pb37中温锡膏、Sn63Pb37焊锡丝、尖头镊子、剥线钳或者尖嘴钳、剪脚钳、热熔胶qiang、洗板水、清洁布、双面胶、防电胶布等主要工具。
            底层电源板（1mm厚）                  中层控制板（1.6mm厚）           顶层OLED拓展板（1.6mm厚）            传感器盖板（0.8mm厚）
 
1、传感器盖板焊接
由于传感器盖板的两个传感器焊盘比较小，锡膏的量不太好控制，所以可以使用尖头镊子的尖尖部位将锡膏挑到焊盘上面，并且均匀覆盖这两个传感器的两边焊盘，中间焊盘则不需要太多锡膏。
 
参考锡膏用量
 
涂好锡膏之后，将传感器摆放至对应位置（尽量摆放准确），一定要主要丝印方向，一定要主要丝印方向，一定要主要丝印方向！！
 
传感器摆放位置
 
摆好之后就可以直接拿去放在加热台上面烤了，选用Sn63Pb37的中温锡膏对应加热台温度设置在215度左右，如果没有加热台，可以用热风qiang吹PCB背面，最好不要直接吹传感器。当锡膏熔化的时候，轻轻推一下这两个传感器，会有自动归位现象，观察侧面这两个传感器需要与PCB齐平，如果有倾斜，用镊子从传感器顶部轻轻向下压一下，将多余的锡挤压出来即可。
 
加热台焊接参考
 
焊接完成后可以用棉签沾一点洗板水清洁两个传感器周围，千万不能清洗传感器采集窗口。
 
焊接完成时图片
 
这样就完成了传感器盖板的焊接工作
 
 
2、顶层OLED拓展版焊接
这块PCB大多数是常见元器件，注意屏幕地址（0x78）设置电阻选择R1（R1位置焊接4.7K电阻），唯一稍难一点的是屏幕排线，排线焊接要需要注意对准焊盘以及注意有没有连锡。
 
常见元器件焊接流程
焊接好了常见元器件就可以焊接屏幕了，将屏幕排线通过PCB下方开口，注意需要稍微弯折一下屏幕排线边缘才可以穿过开口，裁剪合适长度的双面胶或者3M胶贴于屏幕背面，并将屏幕贴到对应位置，之后在焊接屏幕排线即可，屏幕排线焊接时，先固定任意一边，然后在拖焊整个排线，可以多涂一点焊油便于拖焊。装配流程见下图。
 
0.96寸OLED裸屏幕
              尺寸：24.74×16.9×1.42（mm）内置控制芯片:SSD1315
 
屏幕装配流程
 
这样就完成了OLED拓展板的焊接工作
 
 
3、顶层与盖板焊接
将传感器盖板套进OLED拓展板的屏幕突出部分，并且用8颗M2×14MM+3的铜柱固定，注意一定要使得两块PCB对齐，否则后面难以装入外壳。
 
两块PCB的固定方法与流程
 
取4Pin2.54MM针长8.5MM的非标准长度排针，插入4Pin排针焊接接口，用剥线钳或者尖嘴钳将突出焊盘的排针“夹”下去，然后在用烙铁进行焊接，焊接时注意焊锡与焊盘齐平，焊锡不能突出焊盘太多，排针焊接完成之后再将背面的两个焊接固定点上锡固定即可。
 
针长8.5MM的排针
 
焊接排针前的处理
 
焊接完成后的示意图（俯视图）
                                                      注意焊锡与焊盘齐平
 
焊接完成后的示意图（侧视图）
                                                      注意焊锡与焊盘齐平
 
最后焊接背面的两个固定点
 
完成上述工作后就可以拆掉8颗固定铜柱，整个顶层就制作完成了。
 
整个顶层制作完成图
4、中层控制板焊接
这一块PCB元器件较多，而且元器件密度较大，有三个较难焊接的器件（Type-C母座、CH343P、BMP280），建议采取加热台焊接ESP07S模组所在的一面，然后再配合热风qiang焊接另外一面，不建议全盘手工焊接（难度太大）。以加热台配合热风qiang为例，先使用加热台焊接Type-C接口和CH343P串口芯片，用烙铁处理好这两个器件的细节，然后再把这一面全部元器件进行焊接，最后再用热风qiang焊接另外一面。
注意：加热台温度与上述焊接传感器盖板温度一致，热风qiang温度为300度左右，中等风速。
 
焊接顺序1
 
焊接顺序2
 
细节检查
检查Type-C接口和两个按键，保证其与PCB齐平或者在PCB内，超出PCB的话会给后面的外壳装配带来困难。
上述面焊接完成后，就可以进行另外一面的焊接了，另外一面的焊接建议用锡膏配合热风qiang的焊接方法。
 
焊接顺序3
 
注意BMP280方向和两颗0402封装电阻的阻值
 
PCB两面的贴片元器件焊接完毕之后，就可以焊接最后两个排针排母插件以及天线跳线了。
排母采用2.54MM×4Pin塑高3.5MM的非标准排母，排针采用的是2.54MM×7Pin的标准排针，也就是常见的7Pin排针。
 
4Pin矮排母（非标准）
 
排针与排母焊接完成参考图
 
不建议将7Pin排针换成排母，如果本PCB使用7Pin排母，那么底层电源板就要使用7Pin排针，底层电源板部分连接引脚与电池正极直接相连，这样排针之间有可能在装配时被铜柱或者其他导体所短路，导致电路烧毁！！
 
焊接完排针和排母接下来就剩一根天线跳线了，这根跳线一头为IPEX接头，另外一头为焊接头，建议先插在ESP07S的IPEX天线座上面再进行焊接。
焊接时可以先给靠近PCB边沿的焊盘上锡，然后固定跳线的焊接头，再固定屏蔽层。
 
天线跳线焊接指南
                       可以先给这个焊盘上锡并固定线芯                                                                           之后再固定屏蔽层并且加焊线芯
 
完成跳线焊接参考图
 
这样就完成了中层控制板的焊接工作
 
 
5、底层电源板焊接
这一块PCB元器件较少，但是需要固定电池在这片PCB上面，可以先焊接带有升压模块的一面的贴片元器件，
然后再焊接另外一面顶上的充电指示LED灯（可以选择自己喜欢的颜色），
最后在焊接插件 ，焊接电池的正负极引脚时，需要注意防止短路。
 
焊接步骤1
 
 
上述焊接工作完成后，就可以进行背面LED灯和甲醛传感器的排母引脚以及拨动开关的焊接，
这里用到的排母采用的是一个2.0MM×5Pin和一个2.0MM×7Pin的标准塑高排母，
注意拨动开关和甲醛传感器排母的插脚长度要与焊盘齐平，焊接这些插件时先用剪脚钳修剪这些插脚的长度，
然后在进行焊接，注意焊接时焊锡要与焊盘齐平。
 
焊接步骤2
 
细节检查
                                                                                  请务必保证上图3处红色方框焊盘与PCB之间的平整度
 
焊接完这些插件之后，最好用防电胶布把这些裸露的焊盘粘贴一下，做一下绝缘。
 
绝缘示意图
 
做完绝缘之后就可以将电池的正负两极焊接在对应的正负极丝印下方的焊盘上面了，电池采用的是380毫安的902025电池，由于位置较小，建议先焊接电池连接线再粘贴电池，电池的粘贴可以先用双面胶或者3M胶粘在PCB上面再配合热熔胶固定 。
焊接电池连接线之前请确认拨动开关处于“关”位置。
电池的红线焊接丝印正号下方的焊盘，黑线焊接负号下方的焊盘。
 
焊接电池连接线
建议电池有印字的一面朝向PCB内，该面粘贴双面胶。
 
电池粘贴双面胶的位置
 
撕去双面胶保护层将电池粘贴至PCB板子上，并且整理好电池连接线。
注意：电池粘贴位置需要靠边一些（具体的位置如下图所示）
为了牢靠固定电池，建议用热熔胶将电池四周加固一圈，先给一边打上热熔胶，然后用镊子尾部将热熔胶压入电池与PCB之间的缝隙，稍微等待热熔胶冷却后，缓慢摇动镊子使其分离，注意请确保镊子尾部足够光滑与干净，否则容易与热熔胶粘连。
 
加固操作示意图
 
将电池四周都按照这种方法加固后，然后再用美工刀小心划开溢出PCB边沿的热熔胶，最后将有"毛刺"的部分用热风qiang吹一下使其平整，注意不要长时间吹电池，高温容易导致电池起火甚至爆炸，请注意安全！！！
 
加固并且修整完成的电池部分
最后焊接2.54MM×7Pin标准塑高排母即可完成整个底层电源板的焊接与制作。
注意：焊接排母时千万不可大意，尤其要小心烙铁头或者焊锡丝导致两两引脚之间短路！！！
 
焊接完成示意图
 
这样就完成了底层电源板的焊接工作
也完成了所有的焊接工作
 
 
6、低成本甲醛传感器转接板焊接（2023年6月17日更新，若选择低成本的甲醛传感器则还需进行以下步骤）
为了降低成本，市面上还有另外一种国产传感器可以选择，其型号为YF08-CH2O的电化学甲醛模组，售价仅为46元（BOM表中更新了购买连接），相比之前的甲醛传感器便宜了一半多，使用起来也十分方便，仅需通过转接板进行转接，然后再插入原来底层电源板的甲醛传感器接口上即可，无需修改代码。
接下来将会介绍如何焊接传感器与转接板。
 
焊接步骤示意图
注意：焊接使用的排针间距为2.0MM的标准排针，转接板打板厚度推荐0.8MM！
 
 
外壳组装教程
                                                                                                                                                                                                                                                    
完成了辛苦的焊接工作之后，我们终于可以开始轻松愉悦的组装工作了，请先准备以下物料：
1、3D打印的前壳和后壳
2、M2×6+3单通铜柱4个
3、M2×14+3单通铜柱4个
4、M2×11双通铜柱4个
5、M2×6银色平头螺丝8个
6、十字螺丝刀
 
物料实物图1
 
物料实物图2
先用M2×11双通铜柱和M2×6+3单通铜柱组装中层
 
中层组装示意图
 
 
建议先将三个部分临时拼接，在烧录完固件验证各项功能正常时在装入外壳内。
先将顶层与中层进行拼接，保证顶层的排针与中层的排母之间没有缝隙，若出现缝隙，则可以用剪脚钳略微剪短排针一下即可。
 
顶层与中层连接示意图
 
之后再将底层进行拼接，拼接时千万注意要对准排针排母，谨防插错位。
 
底层的连接示意图
 
将三层连接起来后就可以跳到烧录固件步骤进行电路验证，当验证成功后再来安装外壳也不迟，再次建议先验证再安装外壳，避免拆拆装装