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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

专家寄语  

作为“创新工程实践”国家级一流本科线上课程/教材负责人和iCAN大赛创始人，我欣喜地看到隋金雪、邢建平、杨莉老师分别在国家级混合式一流课程“创意创新设计实践”、国家级社会实践一流课程“创新工程实践”中传承iCAN创新工程实践的教育火种，并将这份热情与智慧倾注于最新教材“创意创新实践：电子设计与单片机应用100例”之中。此书不仅是一本新形态数智化的教材，更是一座连接理论与实践、课堂与竞赛的桥梁，是认识、实践和方法高位嫁接下的特色项目式学习实践探索，是系统性方法论、数字化资源池在电子智能原型及设计的具体体现。
书中100个电子设计项目典型案例，从体验到沉浸再到创新演进，践行着QAV:KPIM（Question，问题导向；Ability，能力目标；Virtue品行素养；Knowledge，知识图谱；Practice，实践项目；Innovation，创新赋能；Method，方法驱动）多维度教学改革，深度契合了iCAN中国大学生创新创业大赛“自信、坚持、梦想”的精神内核，将iCAN专创融合、原创原型设计理念贯穿始终，让每个学习者都能在动手实践中点燃创新思维的火花。
相信这本凝聚了作者教学练训心血的佳作，将高阶赋能iCAN及更多青年学子突破技术壁垒，在电子创新设计的世界里实现从“创意”到“创行”的蝶变，致力于建构起新时代星光创客堂+零壹梦工场+芯系好未来的创新型人才培养的重要阶梯！
Yes，iCAN！Yes，vCAN！

 
张海霞
北京大学集成电路学院教授
2025年5月14日

前言

在当今科技迅猛发展的时代，电子设计与单片机广泛应用在智能家居、物联网设备、工业自动化等方面，电子技术的实践能力和创新思维始终是工程师和开发者的核心竞争力，而电子设计与单片机应用作为电子信息、自动化类等相关专业的基础专业知识，是大学生专业技术和实践创新能力培养的重要奠基石。
《创意创新实践：电子设计与单片机应用100例》以“项目驱动学习”为核心理念，通过100个循序渐进、贴近实际的知识学习和应用案例，系统化构建电子设计与开发的完整知识体系，旨在帮助读者从零基础的新人成长为具备综合实践能力的创新者。  
项目式知识构建：从基础到综合的阶梯式学习
本书摒弃传统教材的纯理论灌输模式，采用“案例引导、实践先行”的编写思路，将知识点融入实际项目中。全书共8章、1个附录，内容涵盖电子设计基础、常用电路、PCB设计、单片机开发、传感器应用、物联网技术及综合实训项目，以及12个Arduino和STC8单片机的电子电路设计案例，形成“基础→进阶→综合”的立体化学习路径。
1．夯实电子电路基础（第1～4章）
从电阻、电容、电感等元器件原理讲起，逐步过渡到电路设计、PCB绘制及常用芯片应用，通过40余个基础实例（如电阻分压、RC滤波、LM358运算放大器设计等），帮助读者掌握电子设计的基本功。
2．聚焦MCS51单片机应用（第5章）
以51单片机为核心，详解Keil软件与Proteus开发工具的使用，结合I/O控制、中断、定时器、串口通信等26个实例（如流水灯、双机通信、模拟I2C等），培养读者对单片机资源的灵活调配能力。
3．拓展传感器等相关应用（第6～7章）
深入传感器、显示模块、电机控制、物联网技术，通过34个实用案例（如超声波测距、OLED显示、蓝牙通信、ESP8266数据传输等），展现电子技术与现实场景的深度融合。  
4．综合项目实训（第8章）
以10个大型项目（如人体感应灯、避障小车、智能门禁、家庭安全助手等）为终点，引导读者将碎片化知识整合为系统性解决方案，完成从学习者到实践者的蜕变。
同时，本书附加Arduino和STC8单片机的16个项目设计与实践视频课程。
本书核心亮点：创新、实用、高效
1．100例实战项目，覆盖全技术栈 
从基础电路到复杂系统，案例涵盖电子设计全流程，读者可亲手搭建电路、编写代码、调试硬件，真正实现“学以致用”。书中项目紧密结合生活与科技热点（如PM2.5监测、微信跳一跳物理助手、智能百叶窗等），激发读者的学习兴趣与创新灵感。  
2．配套资源丰富，学习路径清晰
作为国家一流本科课程配套教材，本书与MOOC课程“创意创新实践Ⅱ——电子设计与制作实例”无缝衔接，提供视频讲解、仿真文件及代码资源。更值得一提的是，每个二级标题均配有知识图谱与学习视频。
1）知识图谱
以可视化形式梳理章节核心知识点与逻辑关系，帮助读者快速构建系统化认知框架，避免读者陷入“只见树木不见森林”的学习误区。本书知识图谱包括课程体系设计、课程个性化图谱、环图图谱、树图图谱、网图图谱、能力图谱、问题图谱等。
                                                  
                  课程体系设计          课程个性化图谱          课程环图图谱  
                                                 
          课程树图图谱        课程网图图谱         课程能力图谱          课程问题图谱
2）学习视频
读者可登录智慧树慕课平台搜索“创意创新实践?电子设计与制作实例（MCS51单片机）”，或者登录智慧树智慧课程主页搜索“创意创新设计实践”，或者登录超星搜索“创意创新设计实践”学习本课程。
针对复杂电路设计、代码调试、硬件操作等难点，提供分步演示与深度解析，大幅降低自学门槛。
3．面向竞赛与就业，强化竞争力
内容设计兼顾学科竞赛（如电子设计大赛、物联网竞赛）与实际开发需求，通过传感器融合、通信协议、PCB设计等实战内容，帮助读者积累项目经验，提升就业竞争力。  
4．模块化编排，灵活适配不同需求  
章节独立且逻辑连贯，初学者可循序渐进，有经验的开发者亦可按需跳转至目标章节，结合知识图谱快速定位知识点，通过视频资源高效攻克技术难点，灵活适配不同学习场景。
谁需要这本书？
电子信息类学生：构建系统化知识框架，为课程设计、毕业设计奠定基础。  
学科竞赛参与者：获取项目灵感与实现方案，快速提升实战能力。
电子爱好者：通过趣味实例（如微信跳一跳、贪吃蛇游戏）入门硬件开发。  
工程师与创客：参考成熟电路设计与代码实现，缩短产品开发周期。
项目支持与致谢
本书先后获中国工信出版传媒集团工信学术出版基金（高等教育精品教材）、“山东省高等教育本科教学改革研究项目”（项目编号：M2024275）和“山东省本科高校人工智能赋能重点领域教学改革‘111计划’项目”（项目编号：D2024003）等资助和支持，在此表示感谢。同时，向参与本书编写的研究生刘利、田子凡、慕峻青和马宏信等表示感谢。最后，特别感谢北京大学张海霞教授在百忙之中为本书提出建设意见和撰写推荐语。
本书不仅是一本教材，更是一本“技术手册”和“灵感工具箱”。“动起手来，实现你的想法。”“理论联系实践，学以致用，在实践中体验创意创新的芬芳。”通过100个项目的锤炼，读者将掌握电子设计的核心方法论，并具备将创意转化为现实的能力。知识图谱与视频资源的加持，让抽象理论变得直观，让复杂操作变得简单。翻开本书，开启属于你的创新实践之旅！

隋金雪   

2025年4月

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