創意創新實踐：電子設計與單片機應用100例

第1章 電子設計基礎與元器件 1
1.1 電子設計制作概述 1
1.1.1 電子系統的基本概念 1
1.1.2 電子系統的基本類型 1
1.2 導線的基礎介紹 2
1.2.1 導線種類 2
1.2.2 實例1：導線的應用 3
1.3 電阻器的基礎介紹 4
1.3.1 電阻器的工作原理 4
1.3.2 電阻符號及電阻單位 4
1.3.3 電阻器的分類 4
1.3.4 電阻阻值識別 5
1.3.5 實例2：電阻器的分壓應用 7
1.3.6 實例3：上、下拉電阻器應用 7
1.3.7 實例4：電阻器的限流應用 8
1.4 電容器的基礎介紹 8
1.4.1 電容器的工作原理 8
1.4.2 電容器的分類 8
1.4.3 電容器的性能指標 10
1.4.4 實例5：定時電容器應用 11
1.4.5 實例6：去耦電容器應用 12
1.4.6 實例7：旁路電容器應用 13
1.5 電感器的基礎介紹 14
1.5.1 電感器的工作原理 14
1.5.2 電感器的型號及分類 14
1.5.3 電感器的性能指標 16
1.5.4 實例8：電感器的選擇與應用 17
1.5.5 實例9：RL高通濾波器 18
1.5.6 實例10：RL低通濾波器 19
1.6 二極管 20
1.6.1 二極管的工作原理 20
1.6.2 二極管的種類 21
1.6.3 二極管的特性 22
1.6.4 實例11：防反接保護電路設計 24
1.6.5 實例12：穩壓二極管電路設計 24
1.7 三極管 25
1.7.1 三極管的工作原理 25
1.7.2 三極管的特性 27
1.7.3 實例13：NPN與PNP對照實驗 28
1.8 MOS管 28
1.8.1 MOS管的工作原理 28
1.8.2 MOS管的種類與特性 32
1.8.3 實例14：MOS管驅動電路設計 33
1.9 繼電器的基礎介紹 33
1.9.1 繼電器的工作原理 33
1.9.2 繼電器的應用 35
1.9.3 新型繼電器 35
第2章 常用電路設計 36
2.1 電路原理基礎 36
2.1.1 歐姆定律 36
2.1.2 串聯與並聯 37
2.1.3 直流電路的一般分析基礎 38
2.1.4 支路電流法 41
2.1.5 回路電流法 41
2.1.6 節點電壓法 42
2.2 開關電路 42
2.2.1 模擬開關電路的概念 42
2.2.2 實例15：數字開關電路設計 43
2.2.3 實例16：模擬開關電路設計 44
2.3 濾波電路 46
2.3.1 濾波電路的原理和分類 46
2.3.2 實例17：RC濾波電路設計 47
2.3.3 實例18：LC濾波電路設計 49
2.4 常用電源電路 50
2.4.1 LDO穩壓器簡介 50
2.4.2 實例19：固定輸出LDO電路設計 51
2.4.3 實例20：可調輸出LDO電路設計 51
2.4.4 DC-DC轉換器簡介 52
2.4.5 實例21：固定輸出DC-DC電路設計 52
2.5 基本放大電路 53
2.5.1 基本放大電路簡介 53
2.5.2 實例22：三極管放大電路設計 54
2.5.3 實例23：MOS管放大電路設計 56
2.6 差分放大電路 57
2.6.1 差分放大電路簡介 57
2.6.2 實例24：差分放大電路設計 58
2.7 集成運算放大電路 58
2.7.1 集成運算放大電路簡介 58
2.7.2 實例25：LM358運算放大器的使用 59
2.7.3 實例26：加法電路設計 60
2.7.4 實例27：減法電路設計 61
2.8 負反饋放大電路 61
2.8.1 負反饋放大電路簡介 61
2.8.2 實例28：電壓串聯負反饋放大電路設計 62
2.8.3 實例29：電壓並聯負反饋放大電路設計 62
2.8.4 實例30：電流串聯負反饋放大電路設計 63
2.8.5 實例31：電流並聯負反饋放大電路設計 63
2.9 橋式整流電路 64
2.9.1 橋式整流電路簡介 64
2.9.2 橋式整流電路的工作原理 64
2.9.3 實例32：橋式整流電路設計 64
2.10 鉗位電路 65
2.10.1 鉗位電路簡介 65
2.10.2 實例33：鉗位電路設計 66
2.11 波形發生器電路 67
2.11.1 波形發生器電路簡介 67
2.11.2 實例34：正弦波振蕩電路設計 68
2.11.3 實例35：方波發生器電路設計 69
2.11.4 實例36：三角波發生器電路設計 69
2.11.5 實例37：鋸齒波發生器電路設計 70
第3章 PCB電路設計 71
3.1 什麼是PCB 71
3.2 PCB設計流程概述 71
3.3 Altium Designer的操作環境 72
3.3.1 工程的組成 72
3.3.2 實例38：STC89C51工程的創建 72
3.4 元器件的設計與添加 74
3.4.1 元器件庫概述 74
3.4.2 實例39：51單片機芯片的設計 75
3.4.3 實例40：常用元器件的設計 76
3.5 封裝庫的設計與添加 77
3.5.1 PCB封裝概述 77
3.5.2 實例41：貼片類型元器件封裝設計 78
3.5.3 實例42：插件類型元器件封裝設計 81
3.5.4 實例43：封裝模型的導入 83
3.6 原理圖的設計與繪制 84
3.6.1 原理圖的概念 84
3.6.2 電氣連接及網絡標號的放置 85
3.6.3 實例44：STC89C51單片機的最小系統原理圖繪制 86
3.7 PCB的設計與繪制 87
3.7.1 PCB的導入 87
3.7.2 元器件的排列與布局 88
3.7.3 常用PCB規則設置 88
3.7.4 PCB的布線與繪制 90
3.7.5 PCB電器規則檢查DRC 90
3.7.6 實例45：STC89C51單片機的最小系統PCB繪制 91
第4章 常用芯片基礎 96
4.1 DS1302時鐘芯片 96
4.1.1 時鐘芯片簡介 96
4.1.2 DS1302時鐘芯片的工作原理 96
4.1.3 實例46：DS1302時鐘電路設計 96
4.2 LM358運算放大器 97
4.2.1 LM358運算放大器簡介 97
4.2.2 LM358的工作原理 97
4.2.3 實例47：LM358差分放大電路設計 98
4.3 555多諧振蕩器 98
4.3.1 555定時器簡介 98
4.3.2 555定時器的工作原理 99
4.3.3 實例48：555定時器基本電路設計 99
4.4 8255A外擴I/O接口芯片 101
4.4.1 外擴I/O接口芯片簡介 101
4.4.2 8255A工作方式 102
4.4.3 實例49：單片機外擴I/O接口設計 102
4.5 ADC0832模/數轉換芯片 103
4.5.1 模/數轉換芯片簡介 103
4.5.2 ADC0832的工作原理 104
4.5.3 實例50：ADC0832電路設計 104
4.6 DAC0832 105
4.6.1 數/模轉換芯片簡介 105
4.6.2 DAC0832的工作原理 105
4.6.3 實例51：DAC0832電路設計 106
4.7 74LS138譯碼器 107
4.7.1 譯碼器芯片簡介 107
4.7.2 74LS138譯碼器的工作原理 107
4.7.3 實例52：74LS138譯碼器電路設計 107
4.8 74LS573鎖存器 108
4.8.1 鎖存器芯片簡介 108
4.8.2 74LS573鎖存器的工作原理 108
4.8.3 實例53：74LS573鎖存器電路設計 108
第5章 51單片機基礎 111
5.1 Keil 5軟件 111
5.1.1 Keil 5安裝 111
5.1.2 Keil 5程序包創建 113
5.1.3 Keil頭文件簡介 117
5.2 Proteus的安裝與使用 125
5.2.1 Proteus安裝 126
5.2.2 Proteus新建工程 128
5.2.3 Proteus使用 130
5.3 51單片機結構介紹 133
5.3.1 運算器 134
5.3.2 控制器 134
5.3.3 存儲器 134
5.3.4 特殊功能寄存器 136
5.4 51單片機最小系統及仿真 139
5.4.1 單片機最小系統 139
5.4.2 最小系統仿真圖 142
5.5 I/O接口 142
5.5.1 I/O接口簡介 142
5.5.2 發光二極管控制原理 143
5.5.3 TTL電平 143
5.5.4 實例54：點亮LED 144
5.5.5 實例55：流水燈設計 145
5.5.6 實例56：雙向流水燈 148
5.6 外部中斷 150
5.6.1 外部中斷簡介 150
5.6.2 實例57：外部中斷控制小燈亮滅 153
5.7 定時器/計數器 154
5.7.1 定時器/計數器簡介 155
5.7.2 定時器/計數器工作原理 156
5.7.3 實例58：定時器控制小燈閃爍 157
5.8 串口 159
5.8.1 串行通信與並行通信 159
5.8.2 51單片機串口通信工作原理 161
5.8.3 實例59：串口雙機通信 163
5.9 模擬I2C 166
5.9.1 I2C簡介 166
5.9.2 I2C的工作原理 166
5.9.3 實例60：模擬I2C程序設計 169
第6章 常用電子設計 173
6.1 數碼管 173
6.1.1 數碼管簡介 173
6.1.2 數碼管的分類 173
6.1.3 實例61：靜態顯示數碼管 174
6.1.4 實例62：動態顯示4位數碼管 175
6.1.5 實例63：數碼管計數器 177
6.1.6 實例64：秒表 180
6.2 按鍵與鍵盤 182
6.2.1 按鍵分類 182
6.2.2 按鍵消抖 183
6.2.3 矩陣鍵盤 184
6.2.4 實例65：獨立按鍵控制 186
6.2.5 實例66：矩陣鍵盤顯示 187
6.3 蜂鳴器 190
6.3.1 蜂鳴器簡介 190
6.3.2 有源蜂鳴器 190
6.3.3 實例67：蜂鳴器發聲 190
6.3.4 無源蜂鳴器 191
6.3.5 實例68：蜂鳴器演奏音階 192
6.3.6 實例69：演奏歌曲 193
6.4 HX711稱重傳感器 195
6.5 LM393比較器應用 198
6.5.1 LM393介紹 198
6.5.2 紅外對管 200
6.5.3 光敏電阻 202
6.5.4 CO檢測傳感器 203
6.5.5 雨滴傳感器 204
6.5.6 火焰檢測器 204
6.5.7 PM2.5傳感器 205
6.5.8 實例70：紅外對管檢測黑線 206
6.5.9 實例71：雨滴傳感器觀察雨量 207
6.5.10 實例72：PM2.5濃度監測 208
6.5.11 實例73：火焰檢測報警 209
6.6 溫度傳感器 210
6.6.1 溫度傳感器簡介 210
6.6.2 溫度傳感器的工作原理 210
6.6.3 實例74：溫度傳感器測溫 211
6.7 溫濕度傳感器 213
6.7.1 溫濕度傳感器簡介 213
6.7.2 工作時序 215
6.7.3 實例75：溫濕度傳感器檢測顯示 215
6.8 超聲波模塊 218
6.8.1 超聲波模塊簡介 218
6.8.2 超聲波模塊的工作原理 219
6.8.3 實例76：超聲波測距 220
6.9 觸摸傳感器模塊 223
6.9.1 觸摸傳感器簡介 223
6.9.2 實例77：觸摸開關 223
6.10 點陣模塊 224
6.10.1 點陣簡介 224
6.10.2 MAX7219點陣介紹 225
6.10.3 實例78：MAX7219顯示數字 226
6.11 OLED顯示屏 227
6.11.1 OLED簡介 227
6.11.2 OLED顯示屏原理 227
6.11.3 I2C總線協議 228
6.11.4 硬件I2C和模擬I2C 229
6.11.5 I2C數據讀/寫操作 229
6.11.6 OLED工作指令 230
6.11.7 實例79：OLED顯示數字 231
6.11.8 實例80：OLED顯示圖片 234
6.12 LCD1602液晶屏 239
6.12.1 液晶介紹 239
6.12.2 LCD1602顯示原理 240
6.12.3 LCD1602液晶屏指令 241
6.12.4 實例81：LCD1602顯示字符 244
6.12.5 實例82：LCD1602顯示漢字 246
6.13 直流電機 248
6.13.1 電機的種類 248
6.13.2 電機的結構 249
6.13.3 脈寬調制 250
6.13.4 電機的工作原理 250
6.13.5 電機驅動L298N 251
6.13.6 實例83：電機變速 251
6.13.7 實例84：電機轉向變換 254
6.14 步進電機 256
6.14.1 步進電機的工作原理 256
6.14.2 步進電機的特點 256
6.14.3 步進電機驅動 257
6.14.4 實例85：步進電機的應用 258
6.15 舵機 259
6.15.1 舵機簡介 259
6.15.2 舵機的結構 260
6.15.3 20ms脈寬調制 261
6.15.4 實例86：舵機應用 261
第7章 萬物互聯 263
7.1 什麼是物聯網 263
7.1.1 物聯網的由來 263
7.1.2 物聯網簡介 263
7.1.3 物聯網的實現與應用 264
7.2 物聯網知識儲備 265
7.2.1 網絡的概念 265
7.2.2 協議和協議的分層 265
7.3 物聯網相關電子元器件 266
7.3.1 藍牙 266
7.3.2 實例87：單片機與手機通信 267
7.3.3 實例88：單片機雙機的通信 269
7.3.4 ESP8266 272
7.3.5 GPS 273
7.3.6 實例89：GPS模塊發送信息 274
7.3.7 RFID 275
7.3.8 實例90：智能門禁 276
7.3.9 物聯網平臺 280
7.3.10 實例91：ESP8266傳輸數據 281
第8章 電子設計與制作綜合實訓 286
8.1 實例92：人體感應節能燈 286
8.1.1 人體感應節能燈相關知識 286
8.1.2 知識儲備與構思 286
8.1.3 人體熱釋電模塊 287
8.1.4 Proteus仿真 290
8.1.5 程序設計 290
8.1.6 實物制作與電路連接 292
8.2 實例93：烹飪助手 293
8.2.1 知識儲備與構思 293
8.2.2 Proteus仿真 295
8.2.3 程序設計 295
8.2.4 實物制作與電路連接 301
8.3 實例94：微信跳一跳物理助手 302
8.3.1 微信跳一跳簡介 302
8.3.2 知識儲備與構思 302
8.3.3 Proteus仿真 302
8.3.4 程序設計 303
8.3.5 實物制作與電路連接 312
8.4 實例95：防盜報警設計 312
8.4.1 防盜報警需求 312
8.4.2 知識儲備與構思 312
8.4.3 激光傳感器 313
8.4.4 激光對射傳感器 313
8.4.5 Proteus仿真 314
8.4.6 程序設計 314
8.4.7 實物制作與電路連接 315
8.5 實例96：貪吃蛇遊戲設計 317
8.5.1 貪吃蛇遊戲簡介 317
8.5.2 知識儲備與構思 317
8.5.3 數組應用 318
8.5.4 算法設計 318
8.5.5 Proteus仿真 319
8.5.6 程序設計 319
8.6 實例97：溫濕度計 325
8.6.1 知識儲備與構思 325
8.6.2 Proteus仿真 325
8.6.3 程序設計 326
8.6.4 實物制作與電路連接 334
8.7 實例98：化妝鏡 335
8.7.1 鏡子的光學原理 335
8.7.2 知識儲備與構思 335
8.7.3 程序設計 336
8.7.4 實物制作與電路連接 352
8.8 實例99：聰明的百葉窗 354
8.8.1 聰明的百葉窗相關知識 354
8.8.2 知識儲備與構思 355
8.8.3 程序設計 355
8.8.4 實物制作與電路連接 360
8.9 實例100：家庭安全助手 361
8.9.1 安全意識 361
8.9.2 知識儲備與構思 361
8.9.3 程序設計 362
8.9.4 實物制作與電路連接 369
8.10 實例101：避障小車 369
8.10.1 無人駕駛 369
8.10.2 知識儲備及構思 370
8.10.3 程序設計 370
8.10.4 實物制作與電路連接 374
附錄 創意創新實踐 I：電子設計與制作實例（Arduino） 377
附錄A 創意創新導引 377
附錄B 完美音樂盒 377
附錄C 智能臺燈 378
附錄D 溫馨的床 379
附錄E 智能盆栽 379
附錄F 聲光控燈 380
附錄G 多功能風扇 380
附錄H 多功能水培箱 381
附錄I 聰明的百葉窗 381
附錄J 智能停車場 382
附錄K 創意密碼門 382
附錄L 魔法鋼琴 383
附錄M 互動鋼琴 383
附錄N 家庭安全助手 384
附錄O 智能溫室 384
附錄P 1600萬色小夜燈 385