設計精密 72 顆 LED 可穿戴手錶:使用 JLCPCB SMT 組裝製作 40 mm 圓形 PCB
2 分鐘
- 簡介與設計動機
- 系統架構與元件選擇
- PCB 佈局與可穿戴產品 DFM 設計
- 透過 JLCPCB 和 LCSC 實現一站式 PCBA 組裝
- 組裝、韌體與外殼整合
- 韌體優化與 LED 多工控制
- 專案回饋與使用體驗
- 72 顆 LED 可穿戴手錶常見問題
重點摘要
本案例研究介紹一款採用精密 40 mm 圓形 PCB 製作的 72 顆 LED 可穿戴手錶。你將了解 JLCPCB SMT 組裝如何省去 70 多顆 0603 LED 的手工焊接、ENIG 表面處理如何確保可穿戴應用的可靠性,以及透過鼠咬孔分離耳實現圓形電路板自動組裝的巧妙拼板策略。整個專案涵蓋從 EasyEDA 原理圖繪製、韌體優化,到商用級不鏽鋼外殼整合的完整流程。
簡介與設計動機
製作客製可穿戴硬件,是現代電子領域中最具成就感、同時也最具挑戰性的工作之一。市面上的智能手錶通常依賴複雜 OLED 顯示器和耗電量較高的處理器,而開源專案創作者 Taifur 則希望製作一款極簡、具工業級質感的時計:LED 圓形手錶。
核心構想簡單,但在技術上要求很高:使用由 72 顆獨立 SMD LED 組成的環形顯示器,以 ATmega328P 微控制器和高精度 DS3231 實時時鐘(RTC)驅動。
然而,要將 72 顆 LED 的放射狀電路轉化為可穿戴產品,會遇到多項重大工程挑戰:
- 機械限制:PCB 直徑不能超過 40 mm,才能放入市售手錶外殼。
- 組裝複雜度:在 40 mm 電路板上,手工焊接 70 多顆表面貼裝 LED,以及 TQFP-32 細間距 IC,容易出現橋接、對位錯誤和熱應力問題。
- 極簡外觀:顯示面不能出現難看的排針、笨重連接器或鬆散電線。
為了克服這些障礙,Taifur 使用 EasyEDA 進行原理圖繪製和 PCB 佈局,並依靠 JLCPCB PCB 組裝(PCBA)服務,在一套完整流程中製造和組裝高密度電路板。
系統架構與元件選擇
為確保長期計時準確度和簡潔的視覺效果,硬件架構被分成四個核心功能區塊:
硬件規格概覽
| 子系統 | 元件 | 封裝/規格 | 功能 |
|---|---|---|---|
| 主處理單元 | Microchip ATmega328P-AU | TQFP-32(0.8 mm 間距) | 驅動 LED 多工矩陣並透過 I2C 讀取時間 |
| 實時時鐘(RTC) | Maxim Integrated DS3231MZ | SOIC-8/TCXO | 維持 ±2 ppm 計時準確度 |
| 小時顯示 | 12 顆 SMD LED | 0603 封裝(藍色) | 顯示 1 至 12 點鐘位置的小時 |
| 分鐘/秒鐘顯示 | 60 顆 SMD LED | 0603 封裝 | 以 360° 環形方式顯示分鐘和秒鐘 |
| 限流 | 8 組 SMD 電阻網絡 | 0603/0805 | 防止 LED 熱失控並調節亮度 |
| 電源 | CR2032/LIR2032 鈕扣電池 | 3 V SMD 電池座 | 安裝於底部 PCB 的緊湊型電源 |
| 程式設計介面 | 6 個外露彈簧針焊盤 | 2.54 mm 間距鍍金焊盤 | ISP/UART 韌體燒錄介面 |
關鍵電路設計細節
- 主處理器 ATmega328P-AU:ATmega328P 擁有廣泛的社群支援,並且在睡眠模式下待機電流低。採用 TQFP-32 封裝時,它可以提供足夠 I/O 引腳來驅動多工 LED 陣列,同時維持極薄的實體輪廓。
- 高精度計時 DS3231 RTC:不同於依靠外部 32.768 kHz 晶體的標準 RTC,DS3231 內置溫度補償晶體振盪器(TCXO)。它可確保每年約 ±2 分鐘的計時準確度,這對沒有 Wi-Fi 或 Bluetooth 同步功能的獨立手錶非常重要。
- 72 顆 LED 放射狀矩陣:錶面使用 12 顆藍色 0603 LED 顯示小時,並使用 60 顆 SMD LED 顯示分鐘和秒鐘。透過 8 個限流電阻控制多工矩陣,ATmega328P 可以單獨點亮任意小時、分鐘或秒鐘 LED 組合,而不需要笨重的 LED 驅動 IC。
PCB 佈局與可穿戴產品 DFM 設計
為可穿戴產品設計圓形 PCB,需要嚴格遵循可製造性設計(DFM)指南,確保結構完整性和 SMT 元件放置無誤。
雙面元件分層策略
為保持高級商用外觀,元件被合理分配到電路板兩面:
- 頂層(顯示面):只放置 ATmega328P MCU、72 顆放射狀排列的 LED,以及 8 個限流 SMD 電阻。這種佈局形成對稱、極簡的錶面,類似精密機械手錶的錶盤。
- 底層(功能與電源):放置 DS3231 RTC、去耦電容、調整時間的觸覺按鈕、鈕扣電池夾和程式設計焊盤。
JLCPCB 製造參數與 DFM 合規性
| 參數 | 規格/數值 |
|---|---|
| 電路板層數 | 雙層 FR-4 |
| 電路板直徑 | 正好 40.0 mm |
| PCB 厚度 | 1.0 mm(針對手錶外殼優化) |
| 外層銅重 | 1 oz(35 µm) |
| 表面處理 | ENIG(化學鎳浸金) |
| 阻焊層顏色 | 霧面黑色/深綠色 |
| 絲印顏色 | 高對比白色 |
| 最小線寬/間距 | 5 mil/5 mil(0.127 mm) |
| 最小過孔孔徑 | 0.3 mm 鑽孔/0.5 mm 焊盤 |
| 板邊至銅箔距離 | ≥ 0.3 mm(避免 CNC 銑削時短路) |
為什麼 ENIG 表面處理對可穿戴產品很重要
本設計選用 ENIG(化學鎳浸金),而不是標準 HASL。ENIG 對可穿戴應用具有兩項主要優勢:
- 平整的表面:對 TQFP-32 ATmega328P 和 0603 LED 等細間距元件的焊點可靠性非常重要。
- 抗腐蝕和抗氧化:鍍金可保護外露焊盤,例如 6 個程式設計焊盤,避免因環境濕氣或皮膚接觸而氧化。
拼板與可分離框架(鼠咬孔)
由於 40 mm 圓形電路板不容易通過自動 SMT 傳送帶,因此電路板被設計在矩形載板框架內,並透過 鼠咬孔分離耳(郵票孔)連接。
- 鼠咬孔規格:直徑 0.5 mm 的孔,以 0.8 mm 間距沿 40 mm 圓周曲線排列。
- CNC 銑削:JLCPCB 精密 CNC 外形加工可將 40 mm 圓形外形的誤差控制在 ±0.1 mm 以內,確保電路板能精準放入不鏽鋼外殼。
透過 JLCPCB 和 LCSC 實現一站式 PCBA 組裝
對於包含 70 多個 SMD 元件的專案,最大的瓶頸之一就是手工焊接。在緊湊的 360 度圓形排列中手工焊接 0603 LED,經常會造成元件錯位、焊錫橋接,或因焊鐵熱量過高而損壞 LED 鏡片。
JLCPCB 組裝服務的優勢
- LCSC 元件採購:所有標準元件(ATmega328P、DS3231、0603 LED、電阻和電容)都直接從 JLCPCB/LCSC 元件庫中選擇,確保庫存充足,並避免手工採購元件造成延誤。
- 自動 CPL 和 BOM 匹配:上傳由 EasyEDA 產生的 BOM(物料清單)和 CPL(元件位置清單/貼片檔案)後,JLCPCB 線上視覺化工具可以即時對齊全部 72 顆 LED 的封裝圖形和旋轉角度。
- 自動光學檢查(AOI):每塊完成組裝的電路板都會在 JLCPCB 工廠進行 AOI 測試,確保沒有 LED 墓碑效應,也沒有 ATmega328P 引腳橋接。
組裝、韌體與外殼整合
收到完成組裝的 PCBA 後,只需以下四個步驟即可完成手錶:
-
將電路板與載板框架分離
使用側切鉗,沿預先加工的鼠咬孔分離耳,將主要的圓形手錶 PCB 從外部矩形載板框架上折下。
-
透過 6 引腳彈簧針夾上傳韌體
若焊接固定排針,PCB 就無法平放在手錶外殼內,因此本設計在底層 PCB 內置 6 個外露測試焊盤,連接至 ATmega328P 的 ISP/UART 線路(VCC、GND、RESET、MOSI、MISO、SCK)。使用連接至 Arduino UNO(設定為 ISP)的 6 引腳 2.54 mm 彈簧針探針夾,或使用 USB-TTL 轉接器,即可在幾秒內完成韌體上傳,完全不需要焊接任何電線。
-
安裝電池與連接電源
將 CR2032/LIR2032 鈕扣電池座固定在底部接點上。在深度睡眠模式下,ATmega328P 的耗電量低於 5 微安,讓手錶可以使用單顆鈕扣電池運作數月,同時由 DS3231 維持準確計時。
-
放入不鏽鋼外殼
自行設計 3D 列印手錶外殼,通常會得到體積較大、容易損壞且防水性較差的結構。本專案透過採用商用 40 mm 不鏽鋼手錶外殼,避開了這些問題。得益於 JLCPCB 1.0 mm PCB 厚度和精準的 40 mm CNC 邊緣加工,完成的手錶電路板可以順利放入鋼製外殼,並由帶螺紋的後錶圈牢固固定。
韌體優化與 LED 多工控制
客製的開源 Arduino 程式(led_round_watch.ino)可以高效控制計時和顯示內容。
主要韌體功能
- 主動顯示觸發:為了保持電池壽命,按下底部觸覺按鈕後,LED 會以流暢的掃描動畫亮起,顯示時間 5 秒,然後返回低功耗睡眠模式。
- 時間調整模式:長按觸覺按鈕即可進入設定模式,使用者可以直接增加小時和分鐘,而不需要連接電腦。
專案回饋與使用體驗
回顧在 JLCPCB 進行製造和組裝的經驗,專案設計師 Taifur 分享道:
「使用 3D 列印機從零開始設計手錶外殼,通常會顯得不夠精緻,耐用性也不足。採用商用 40 mm 不鏽鋼外殼讓手錶擁有專業外觀,但這也意味著 PCB 必須在嚴格的尺寸限制內精準製造。
讓 JLCPCB 組裝頂層的 72 顆 LED 和 ATmega328P,完全改變了整個專案。手工焊接 70 多顆微小 LED 需要數小時,而且失敗機率很高。ENIG 表面處理看起來非常出色,電路板幾天內就送達,而且第一次修訂版本就能完全正常運作!」
72 顆 LED 可穿戴手錶常見問題
問:ATmega328P 的 GPIO 引腳有限,如何控制全部 72 顆 LED?
本設計採用由限流電阻控制的多工矩陣,讓 ATmega328P 可以單獨控制 12 顆小時 LED 和 60 顆分鐘/秒鐘 LED,而不需要額外的 LED 驅動 IC。
問:如何在不焊接笨重排針的情況下為手錶編程?
韌體透過底層 PCB 上 6 個外露鍍金焊盤進行燒錄,使用 6 引腳 2.54 mm 彈簧針探針夾連接。這種無排針編程方式可以保留手錶外殼所需的機械尺寸。
問:為什麼這款可穿戴 PCB 建議使用 ENIG 表面處理?
ENIG 可提供平整表面,對 TQFP-32 MCU 等細間距 SMT 元件非常重要,同時還能保護外露程式設計焊盤,避免因濕氣和皮膚接觸而腐蝕。
問:鈕扣電池可以使用多久?如何節省電力?
由於 MCU 會保持在深度睡眠模式,耗電量低於 5 µA,而按下按鈕時 LED 只亮起 5 秒,因此手錶使用 CR2032 電池可以運作數月。
問:JLCPCB 如何在自動 SMT 生產線上組裝小型圓形 PCB?
40 mm 圓形 PCB 會製作在矩形拼板框架內,並使用鼠咬孔分離耳連接。自動貼片設備可以先完成元件組裝,最後再將圓形電路板從載板框架上分離。
72 顆 LED 可穿戴手錶結論
72 顆 LED 圓形手錶是一個出色案例,展示現代硬件愛好者如何將 EasyEDA 等開源設計工具,與 JLCPCB 等專業一站式製造服務結合使用。
將高密度 SMT 組裝交由 JLCPCB 處理後,硬件設計師可以專注於創意工程、韌體優化和工業設計,將複雜的 DIY 概念轉化為商用級可穿戴產品。
無論你正在製作客製智能手錶、IoT 感測器徽章,還是高密度 LED 顯示器,JLCPCB 都能提供快速、可靠且價格合理的 PCB 製造和 SMT 組裝服務。
你可以在 OSHWLab 上查看專案檔案,下載 Gerber 和 BOM,並開始製作自己的版本。向 JLCPCB 下單,體驗將像素轉化為精密、具體實物的樂趣。
持續學習
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