创意创新实践：电子设计与单片机应用100例

本书以基本电子元器件为开端，以51单片机实际综合应用为结束，与MOOC课程“创意创新实践Ⅱ――电子设计与制作实例”相配套，共8章、1个附录。本书旨在通过项目案例教学的方式，提高学生的创新思维能力和综合应用能力，为之后的学科竞赛打下良好的基础。 第1章以电子元器件引入学习；第2～4章为常见电路设计基础知识，为后面章节51单片机的编程及电路搭建做铺垫；第5～8章介绍51单片机基础知识及项目制作，主要包括51单片机内部资源合理分配，以及外部传感器、显示器、伺服电机、外拓芯片的使用等相关知识；附录包括12个Arduino和STC8单片机的电子电路设计案例，初学者可从此入门。本书通过不同传感器的融合来解决生活中的相关问题，以提高学生对生活的洞察力，以及对学习的积极性。 本书涉及电子信息类学生学习所需要的相关基础知识，可作为电子信息入门教程。本书强调创新性，也可以作为创新创意类学科竞赛的入门启发参考书。 本书涉及电子信息类学生学习所需要的相关基础知识，可作为电子信息入门教程。本书强调创新性，也可以作为创新创意类学科竞赛的入门启发参考书。

第1章 电子设计基础与元器件 1
1.1 电子设计制作概述 1
1.1.1 电子系统的基本概念 1
1.1.2 电子系统的基本类型 1
1.2 导线的基础介绍 2
1.2.1 导线种类 2
1.2.2 实例1：导线的应用 3
1.3 电阻器的基础介绍 4
1.3.1 电阻器的工作原理 4
1.3.2 电阻符号及电阻单位 4
1.3.3 电阻器的分类 4
1.3.4 电阻阻值识别 5
1.3.5 实例2：电阻器的分压应用 7
1.3.6 实例3：上、下拉电阻器应用 7
1.3.7 实例4：电阻器的限流应用 8
1.4 电容器的基础介绍 8
1.4.1 电容器的工作原理 8
1.4.2 电容器的分类 8
1.4.3 电容器的性能指标 10
1.4.4 实例5：定时电容器应用 11
1.4.5 实例6：去耦电容器应用 12
1.4.6 实例7：旁路电容器应用 13
1.5 电感器的基础介绍 14
1.5.1 电感器的工作原理 14
1.5.2 电感器的型号及分类 14
1.5.3 电感器的性能指标 16
1.5.4 实例8：电感器的选择与应用 17
1.5.5 实例9：RL高通滤波器 18
1.5.6 实例10：RL低通滤波器 19
1.6 二极管 20
1.6.1 二极管的工作原理 20
1.6.2 二极管的种类 21
1.6.3 二极管的特性 22
1.6.4 实例11：防反接保护电路设计 24
1.6.5 实例12：稳压二极管电路设计 24
1.7 三极管 25
1.7.1 三极管的工作原理 25
1.7.2 三极管的特性 27
1.7.3 实例13：NPN与PNP对照实验 28
1.8 MOS管 28
1.8.1 MOS管的工作原理 28
1.8.2 MOS管的种类与特性 32
1.8.3 实例14：MOS管驱动电路设计 33
1.9 继电器的基础介绍 33
1.9.1 继电器的工作原理 33
1.9.2 继电器的应用 35
1.9.3 新型继电器 35
第2章 常用电路设计 36
2.1 电路原理基础 36
2.1.1 欧姆定律 36
2.1.2 串联与并联 37
2.1.3 直流电路的一般分析基础 38
2.1.4 支路电流法 41
2.1.5 回路电流法 41
2.1.6 节点电压法 42
2.2 开关电路 42
2.2.1 模拟开关电路的概念 42
2.2.2 实例15：数字开关电路设计 43
2.2.3 实例16：模拟开关电路设计 44
2.3 滤波电路 46
2.3.1 滤波电路的原理和分类 46
2.3.2 实例17：RC滤波电路设计 47
2.3.3 实例18：LC滤波电路设计 49
2.4 常用电源电路 50
2.4.1 LDO稳压器简介 50
2.4.2 实例19：固定输出LDO电路设计 51
2.4.3 实例20：可调输出LDO电路设计 51
2.4.4 DC-DC转换器简介 52
2.4.5 实例21：固定输出DC-DC电路设计 52
2.5 基本放大电路 53
2.5.1 基本放大电路简介 53
2.5.2 实例22：三极管放大电路设计 54
2.5.3 实例23：MOS管放大电路设计 56
2.6 差分放大电路 57
2.6.1 差分放大电路简介 57
2.6.2 实例24：差分放大电路设计 58
2.7 集成运算放大电路 58
2.7.1 集成运算放大电路简介 58
2.7.2 实例25：LM358运算放大器的使用 59
2.7.3 实例26：加法电路设计 60
2.7.4 实例27：减法电路设计 61
2.8 负反馈放大电路 61
2.8.1 负反馈放大电路简介 61
2.8.2 实例28：电压串联负反馈放大电路设计 62
2.8.3 实例29：电压并联负反馈放大电路设计 62
2.8.4 实例30：电流串联负反馈放大电路设计 63
2.8.5 实例31：电流并联负反馈放大电路设计 63
2.9 桥式整流电路 64
2.9.1 桥式整流电路简介 64
2.9.2 桥式整流电路的工作原理 64
2.9.3 实例32：桥式整流电路设计 64
2.10 钳位电路 65
2.10.1 钳位电路简介 65
2.10.2 实例33：钳位电路设计 66
2.11 波形发生器电路 67
2.11.1 波形发生器电路简介 67
2.11.2 实例34：正弦波振荡电路设计 68
2.11.3 实例35：方波发生器电路设计 69
2.11.4 实例36：三角波发生器电路设计 69
2.11.5 实例37：锯齿波发生器电路设计 70
第3章 PCB电路设计 71
3.1 什么是PCB 71
3.2 PCB设计流程概述 71
3.3 Altium Designer的操作环境 72
3.3.1 工程的组成 72
3.3.2 实例38：STC89C51工程的创建 72
3.4 元器件的设计与添加 74
3.4.1 元器件库概述 74
3.4.2 实例39：51单片机芯片的设计 75
3.4.3 实例40：常用元器件的设计 76
3.5 封装库的设计与添加 77
3.5.1 PCB封装概述 77
3.5.2 实例41：贴片类型元器件封装设计 78
3.5.3 实例42：插件类型元器件封装设计 81
3.5.4 实例43：封装模型的导入 83
3.6 原理图的设计与绘制 84
3.6.1 原理图的概念 84
3.6.2 电气连接及网络标号的放置 85
3.6.3 实例44：STC89C51单片机的最小系统原理图绘制 86
3.7 PCB的设计与绘制 87
3.7.1 PCB的导入 87
3.7.2 元器件的排列与布局 88
3.7.3 常用PCB规则设置 88
3.7.4 PCB的布线与绘制 90
3.7.5 PCB电器规则检查DRC 90
3.7.6 实例45：STC89C51单片机的最小系统PCB绘制 91
第4章 常用芯片基础 96
4.1 DS1302时钟芯片 96
4.1.1 时钟芯片简介 96
4.1.2 DS1302时钟芯片的工作原理 96
4.1.3 实例46：DS1302时钟电路设计 96
4.2 LM358运算放大器 97
4.2.1 LM358运算放大器简介 97
4.2.2 LM358的工作原理 97
4.2.3 实例47：LM358差分放大电路设计 98
4.3 555多谐振荡器 98
4.3.1 555定时器简介 98
4.3.2 555定时器的工作原理 99
4.3.3 实例48：555定时器基本电路设计 99
4.4 8255A外扩I/O接口芯片 101
4.4.1 外扩I/O接口芯片简介 101
4.4.2 8255A工作方式 102
4.4.3 实例49：单片机外扩I/O接口设计 102
4.5 ADC0832模/数转换芯片 103
4.5.1 模/数转换芯片简介 103
4.5.2 ADC0832的工作原理 104
4.5.3 实例50：ADC0832电路设计 104
4.6 DAC0832 105
4.6.1 数/模转换芯片简介 105
4.6.2 DAC0832的工作原理 105
4.6.3 实例51：DAC0832电路设计 106
4.7 74LS138译码器 107
4.7.1 译码器芯片简介 107
4.7.2 74LS138译码器的工作原理 107
4.7.3 实例52：74LS138译码器电路设计 107
4.8 74LS573锁存器 108
4.8.1 锁存器芯片简介 108
4.8.2 74LS573锁存器的工作原理 108
4.8.3 实例53：74LS573锁存器电路设计 108
第5章 51单片机基础 111
5.1 Keil 5软件 111
5.1.1 Keil 5安装 111
5.1.2 Keil 5程序包创建 113
5.1.3 Keil头文件简介 117
5.2 Proteus的安装与使用 125
5.2.1 Proteus安装 126
5.2.2 Proteus新建工程 128
5.2.3 Proteus使用 130
5.3 51单片机结构介绍 133
5.3.1 运算器 134
5.3.2 控制器 134
5.3.3 存储器 134
5.3.4 特殊功能寄存器 136
5.4 51单片机最小系统及仿真 139
5.4.1 单片机最小系统 139
5.4.2 最小系统仿真图 142
5.5 I/O接口 142
5.5.1 I/O接口简介 142
5.5.2 发光二极管控制原理 143
5.5.3 TTL电平 143
5.5.4 实例54：点亮LED 144
5.5.5 实例55：流水灯设计 145
5.5.6 实例56：双向流水灯 148
5.6 外部中断 150
5.6.1 外部中断简介 150
5.6.2 实例57：外部中断控制小灯亮灭 153
5.7 定时器/计数器 154
5.7.1 定时器/计数器简介 155
5.7.2 定时器/计数器工作原理 156
5.7.3 实例58：定时器控制小灯闪烁 157
5.8 串口 159
5.8.1 串行通信与并行通信 159
5.8.2 51单片机串口通信工作原理 161
5.8.3 实例59：串口双机通信 163
5.9 模拟I2C 166
5.9.1 I2C简介 166
5.9.2 I2C的工作原理 166
5.9.3 实例60：模拟I2C程序设计 169
第6章 常用电子设计 173
6.1 数码管 173
6.1.1 数码管简介 173
6.1.2 数码管的分类 173
6.1.3 实例61：静态显示数码管 174
6.1.4 实例62：动态显示4位数码管 175
6.1.5 实例63：数码管计数器 177
6.1.6 实例64：秒表 180
6.2 按键与键盘 182
6.2.1 按键分类 182
6.2.2 按键消抖 183
6.2.3 矩阵键盘 184
6.2.4 实例65：独立按键控制 186
6.2.5 实例66：矩阵键盘显示 187
6.3 蜂鸣器 190
6.3.1 蜂鸣器简介 190
6.3.2 有源蜂鸣器 190
6.3.3 实例67：蜂鸣器发声 190
6.3.4 无源蜂鸣器 191
6.3.5 实例68：蜂鸣器演奏音阶 192
6.3.6 实例69：演奏歌曲 193
6.4 HX711称重传感器 195
6.5 LM393比较器应用 198
6.5.1 LM393介绍 198
6.5.2 红外对管 200
6.5.3 光敏电阻 202
6.5.4 CO检测传感器 203
6.5.5 雨滴传感器 204
6.5.6 火焰检测器 204
6.5.7 PM2.5传感器 205
6.5.8 实例70：红外对管检测黑线 206
6.5.9 实例71：雨滴传感器观察雨量 207
6.5.10 实例72：PM2.5浓度监测 208
6.5.11 实例73：火焰检测报警 209
6.6 温度传感器 210
6.6.1 温度传感器简介 210
6.6.2 温度传感器的工作原理 210
6.6.3 实例74：温度传感器测温 211
6.7 温湿度传感器 213
6.7.1 温湿度传感器简介 213
6.7.2 工作时序 215
6.7.3 实例75：温湿度传感器检测显示 215
6.8 超声波模块 218
6.8.1 超声波模块简介 218
6.8.2 超声波模块的工作原理 219
6.8.3 实例76：超声波测距 220
6.9 触摸传感器模块 223
6.9.1 触摸传感器简介 223
6.9.2 实例77：触摸开关 223
6.10 点阵模块 224
6.10.1 点阵简介 224
6.10.2 MAX7219点阵介绍 225
6.10.3 实例78：MAX7219显示数字 226
6.11 OLED显示屏 227
6.11.1 OLED简介 227
6.11.2 OLED显示屏原理 227
6.11.3 I2C总线协议 228
6.11.4 硬件I2C和模拟I2C 229
6.11.5 I2C数据读/写操作 229
6.11.6 OLED工作指令 230
6.11.7 实例79：OLED显示数字 231
6.11.8 实例80：OLED显示图片 234
6.12 LCD1602液晶屏 239
6.12.1 液晶介绍 239
6.12.2 LCD1602显示原理 240
6.12.3 LCD1602液晶屏指令 241
6.12.4 实例81：LCD1602显示字符 244
6.12.5 实例82：LCD1602显示汉字 246
6.13 直流电机 248
6.13.1 电机的种类 248
6.13.2 电机的结构 249
6.13.3 脉宽调制 250
6.13.4 电机的工作原理 250
6.13.5 电机驱动L298N 251
6.13.6 实例83：电机变速 251
6.13.7 实例84：电机转向变换 254
6.14 步进电机 256
6.14.1 步进电机的工作原理 256
6.14.2 步进电机的特点 256
6.14.3 步进电机驱动 257
6.14.4 实例85：步进电机的应用 258
6.15 舵机 259
6.15.1 舵机简介 259
6.15.2 舵机的结构 260
6.15.3 20ms脉宽调制 261
6.15.4 实例86：舵机应用 261
第7章 万物互联 263
7.1 什么是物联网 263
7.1.1 物联网的由来 263
7.1.2 物联网简介 263
7.1.3 物联网的实现与应用 264
7.2 物联网知识储备 265
7.2.1 网络的概念 265
7.2.2 协议和协议的分层 265
7.3 物联网相关电子元器件 266
7.3.1 蓝牙 266
7.3.2 实例87：单片机与手机通信 267
7.3.3 实例88：单片机双机的通信 269
7.3.4 ESP8266 272
7.3.5 GPS 273
7.3.6 实例89：GPS模块发送信息 274
7.3.7 RFID 275
7.3.8 实例90：智能门禁 276
7.3.9 物联网平台 280
7.3.10 实例91：ESP8266传输数据 281
第8章 电子设计与制作综合实训 286
8.1 实例92：人体感应节能灯 286
8.1.1 人体感应节能灯相关知识 286
8.1.2 知识储备与构思 286
8.1.3 人体热释电模块 287
8.1.4 Proteus仿真 290
8.1.5 程序设计 290
8.1.6 实物制作与电路连接 292
8.2 实例93：烹饪助手 293
8.2.1 知识储备与构思 293
8.2.2 Proteus仿真 295
8.2.3 程序设计 295
8.2.4 实物制作与电路连接 301
8.3 实例94：微信跳一跳物理助手 302
8.3.1 微信跳一跳简介 302
8.3.2 知识储备与构思 302
8.3.3 Proteus仿真 302
8.3.4 程序设计 303
8.3.5 实物制作与电路连接 312
8.4 实例95：防盗报警设计 312
8.4.1 防盗报警需求 312
8.4.2 知识储备与构思 312
8.4.3 激光传感器 313
8.4.4 激光对射传感器 313
8.4.5 Proteus仿真 314
8.4.6 程序设计 314
8.4.7 实物制作与电路连接 315
8.5 实例96：贪吃蛇游戏设计 317
8.5.1 贪吃蛇游戏简介 317
8.5.2 知识储备与构思 317
8.5.3 数组应用 318
8.5.4 算法设计 318
8.5.5 Proteus仿真 319
8.5.6 程序设计 319
8.6 实例97：温湿度计 325
8.6.1 知识储备与构思 325
8.6.2 Proteus仿真 325
8.6.3 程序设计 326
8.6.4 实物制作与电路连接 334
8.7 实例98：化妆镜 335
8.7.1 镜子的光学原理 335
8.7.2 知识储备与构思 335
8.7.3 程序设计 336
8.7.4 实物制作与电路连接 352
8.8 实例99：聪明的百叶窗 354
8.8.1 聪明的百叶窗相关知识 354
8.8.2 知识储备与构思 355
8.8.3 程序设计 355
8.8.4 实物制作与电路连接 360
8.9 实例100：家庭安全助手 361
8.9.1 安全意识 361
8.9.2 知识储备与构思 361
8.9.3 程序设计 362
8.9.4 实物制作与电路连接 369
8.10 实例101：避障小车 369
8.10.1 无人驾驶 369
8.10.2 知识储备及构思 370
8.10.3 程序设计 370
8.10.4 实物制作与电路连接 374
附录 创意创新实践 I：电子设计与制作实例（Arduino） 377
附录A 创意创新导引 377
附录B 完美音乐盒 377
附录C 智能台灯 378
附录D 温馨的床 379
附录E 智能盆栽 379
附录F 声光控灯 380
附录G 多功能风扇 380
附录H 多功能水培箱 381
附录I 聪明的百叶窗 381
附录J 智能停车场 382
附录K 创意密码门 382
附录L 魔法钢琴 383
附录M 互动钢琴 383
附录N 家庭安全助手 384
附录O 智能温室 384
附录P 1600万色小夜灯 385