电子设计与单片机应用实训教程

2013年，随着创新创业教育逐步深入及国家、省市、学校层面政策上的支持，创新创业教育开始渗透到人才培养中的各个方面，学科竞赛也如雨后春笋一般出现。从原来已经初具规模的专业性比赛，到*门组织的各类综合性比赛，可供选择参加的比赛越来越多，越来越丰富，其发展也进入一个快车道。针对高等教育发展及学生自身发展的多样化需求，学科竞赛在人才培养过程中所起的作用也逐渐凸显，从而促使学科竞赛的参与度全面提升，学科竞赛与实践教学紧密结合，为人才培养质量提供有力支撑。从2013年暑期开始，为了更好地组织学科竞赛活动，吸引更多的低年级学生更早更好地参与学科竞赛，我们在暑期设置了约5周的第三小学期，有步骤、有次序地组织大学一、二年级学生，在具备基本编程和电子电路知识的基础上，从入手级别开始，全面系统化地进行学科竞赛培训与辅导，着重锻炼学生的动手实践能力，逐步开设面向电子设计、智能车、物联网等竞赛的实训课程。
电子电路设计和单片机应用是电子信息类专业大学生参加学科竞赛必须具备的基本能力。本书立足于理论联系实际，强调实践性和创新性，以学科竞赛为主线，整个过程以动手锻炼和实际操作为主，主要分为电子设计实践、单片机控制设计实践、传感器与物联网设计实践3部分，主要围绕常用软件Keil和Proteus的使用、单片机的基本原理与应用、传感器与物联网所需的各种传感器和通信模块的原理和使用，并以51单片机为核心进行了多方面的应用拓展。
电子设计实践： 以夯实经典电子电路设计为课程目标，旨在锻炼学生设计、使用和制作常用电子电路的能力。通过设计基于LM7805的9V转5V的稳压电路，采用咪头和晶体管设计音频放大电路制作光控灯，基于LM358设计放大电路、运算放大电路、亮度可调的LED灯和温度报警系统等，旨在进一步提高学生对三大电路基础知识的实践操作能力。
单片机控制设计实践： 单片机是电子信息类专业学生实践设计的控制核心，要求学生在学习51单片机的基础上融会贯通其他类型。在该部分，学生学习单片机的基础知识后，逐步动手实践流水灯、键盘检测及应用、数码管、定时器/计数器、PWM、占空比、频率控制、直流电动机、舵机及通信协议与液晶显示的使用等。课程设计面向大一、大二和大三学生，基础好的学生可以在大一选修完成。
传感器与物联网设计实践： 介绍对常用的传感器光电对管、超声波、温度传感器、湿度传感器等一些传感器的基本原理和使用，以及常用通信模块的使用和设计，并介绍常见的传感与物联系统。学生从这部分开始进行综合设计，意在拓展学生的发挥空间。
通过学习本书的内容，学生能够具备简单的电子电路设计和传感器应用能力，并且可以完成基于51单片机的一系列综合系统设计。本实训课程旨在开拓学生思维，加深理论知识的学习和应用，培养学生的探索精神，充分发掘学生的实践创新技能，提高学生解决实际问题的综合能力。

本书的特色如下。
(1) 实用性强。本书以实用性为原则，参考多届学生的培训历程，整合后又多次经参与培训的学生提出修改意见，总结出电子设计和单片机应用的经典案例。
(2) 内容简明。本书主要适用于无电子设计基础的读者，内容上从电路到编程，再到传感器执行器，基本涵盖了电子设计的基础技术，且从实例出发，目的是让读者会用，也可作为继续深入研究的基础前置。
(3) 实例丰富。本书涵盖了电子电路基础、单片机、传感器和执行器的多种实例，从所用元器件的功能入手，通过实例介绍其工作方式。
编者从事多年电子电路设计基础学生的培训，多次带领学生参加省级、电子电路设计类比赛、电子电路设计创新类比赛，同时获得省部级以上奖励300项。本书收录了编者长期从事学生电子电路培训和参加电子信息类学科竞赛的主要实例，向读者完全开放源代码，为读者呈现真实的技术资料。
编者2020年5月

本书教学课件、源代码
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本书从基础入手，介绍了电子信息类大学生实践创新与学科竞赛实训的相关内容。从经典的电路设计、单片机的基本原理及实践、相应仿真软件的使用，直流、步进电机的基本原理及实践、舵机的使用、常用通信协议与液晶显示的基本原理及实践、各种常见传感器的基本原理及实践、物联网的基本构架及常见物联网系统的设计与实践、智能控制的相关实例。同学们可以根据书上给出的实例方案举一反三，结合书中介绍的基本知识点，发挥自己的创意，设计属于自己有创意的作品，并可根据所学知识和锻炼的动手能力参加命题型学科竞赛。

本书从基础入手，介绍了电子信息类大学生实践创新与学科竞赛实训的相关内容。从经典的电路设计、单片机的基本原理及实践、相应仿真软件的使用，直流、步进电机的基本原理及实践、舵机的使用、常用通信协议与液晶显示的基本原理及实践、各种常见传感器的基本原理及实践、物联网的基本构架及常见物联网系统的设计与实践、智能控制的相关实例。同学们可以根据书上给出的实例方案举一反三，结合书中介绍的基本知识点，发挥自己的创意，设计属于自己有创意的作品，并可根据所学知识和锻炼的动手能力参加命题型学科竞赛。

隋金雪，博士，山东工商学院副教授。指导学生参加全国大学生电子设计、智能汽车和物联网等竞赛，获奖近40项，省部级奖300项，“以创新能力培养为导向的电子信息类专业学科竞赛体系探索与实践”获山东省省级教学成果奖一等奖；出版教材2部。

第1章仿真及程序编辑软件安装

1.1Multisim 13.0软件的安装和必要操作

1.2Proteus 7软件的安装和必要操作

1.3Keil软件的安装和必要操作

1.4STCISP的安装

第2章实用电路设计

2.1基础电子元器件

2.2LM358运算放大器

2.2.1LM358运算放大器的封装形式

2.2.2LM358运算放大器的基本设计

2.2.3实际电路的焊接

2.3LM393电压比较器

2.3.1LM393电压比较器的封装形式

2.3.2LM393电压比较器的基本特点

2.3.3LM393电压比较器的电路设计

2.4LM7805稳压芯片

2.4.1LM7805稳压芯片的封装形式

2.4.2LM7805稳压芯片的电路设计

2.5电子电路实例

2.5.1实例1： 交变直流电路

2.5.2实例2： 光控小夜灯

2.5.3实例3： 555多谐振荡器

2.5.4实例4： 精简音频放大电路

2.5.5实例5： 温度报警系统设计

第3章控制核心——51单片机

3.151单片机的内部结构

3.1.1CPU

3.1.2存储器

3.1.3特殊功能寄存器

3.1.4I/O接口

3.1.5定时器/计数器

3.1.6中断系统

3.251单片机的外部引脚

3.3STC单片机简介

3.3.1STC单片机的主要特点

3.3.2典型STC单片机STC89C51RC

第4章Keil软件

4.1Keil工程的建立

4.2Keil头文件简介

4.3Keil的基本语法及实例分析

4.3.1实例6： 延时子程序

4.3.2实例7： 点亮一个发光二极管

4.3.3实例8： 延时函数控制小灯闪烁（一）

4.3.4实例9： 延时函数控制小灯闪烁（二）

第5章Proteus及小系统电路

5.1Proteus的使用

5.2Proteus工程的建立和原理图绘制

5.3Proteus部分常用功能介绍

5.3.1缩放

5.3.2平移

5.3.3设计视觉帮助

5.3.4设计概述

5.4小系统的基本原理

5.4.1晶振

5.4.251单片机小系统

5.4.3时钟电路

5.4.4复位电路

第6章基于51单片机点亮发光二极管

6.1发光二极管概述

6.2利用4个LED进行流水灯设计实例

6.2.1实例10： 小灯先左移再右移

6.2.2实例11： 小灯右移渐变消失再出现

6.2.3实例12： 小灯右移4位再左移4位

6.2.4实例13： 通过十六进制数值控制小灯移动

第7章单片机中断系统

7.1中断的基本概念

7.1.1中断的定义和作用

7.1.2中断源

7.1.3中断优先级和中断嵌套

7.2中断控制

7.2.1中断允许寄存器IE

7.2.2中断优先级寄存器IP

第8章单片机的定时器中断

8.1基本概念

8.2定时器概述

8.2.1定时器的结构

8.2.2定时器的工作原理

8.2.3定时器的工作方式

8.2.4定时器/计数器的应用

8.3定时器/计数器的基础应用实例

8.3.1实例14： 利用定时器控制小灯闪烁

8.3.2实例15： 定时器控制数码管计时

8.3.3实例16： 定时器/计数器的应用

8.3.4实例17： 定时器制作“一秒大战”程序

第9章数码管静态、动态显示原理

9.1数码管显示原理

9.1.1常见数码管

9.1.2数码管内部电路

9.1.3用万用表检测数码管的引脚排列

9.2数码管显示实例

9.2.1实例18： 数码管静态显示

9.2.2实例19： 数码管动态显示

9.2.3实例20： 数码管综合应用

9.2.4实例21： 制作秒表

9.2.5实例22： 倒计时表

第10章键盘检测

10.1键盘检测基本原理和键盘分类

10.1.1基本原理

10.1.2键盘分类

10.2独立键盘检测

10.2.1按键分类

10.2.2单片机检测独立键盘原理

10.2.3去抖概述

10.3实例23： 独立按键控制小灯亮灭

10.4矩阵键盘检测原理

10.4.1独立键盘的缺点

10.4.24×4矩阵键盘原理

10.4.3键盘扫描方法

10.5矩阵键盘的应用实例

10.5.1实例24： 矩阵键盘控制多个小灯

10.5.2实例25： 矩阵键盘控制数码管显示

第11章蜂鸣器

11.1蜂鸣器的使用

11.2蜂鸣器的驱动

11.3蜂鸣器实现报警

11.4蜂鸣器拓展示例

11.4.1音调

11.4.2节拍

11.4.3控制发声频率

11.4.4控制发声节拍

11.4.5简谱编码

11.4.6实例26： 生日快乐歌演奏

第12章直流电动机

12.1直流电动机概述

12.2直流电动机的基本工作原理

12.2.1直流电动机的结构

12.2.2常见的直流电动机

12.3直流电动机驱动概述(PWM的概念)

12.4直流电动机的基本应用

12.4.1实例27： 简单的单向电动机控制

12.4.2实例28： 控制电动机的正/反转

第13章步进电动机

13.1步进电动机概述

13.1.1步进电动机的分类

13.1.2步进电动机的系统组合

13.1.3步进电动机的选用

13.1.4步进电动机的基本参数

13.1.5步进电动机的动态指标及术语

13.1.6确定直流供电电源

13.2步进电动机的基本工作原理

13.2.1步进电动机的工作方式(以三相步进电动机为例)

13.2.2步进电动机的工作方式(以四相步进电动机为例)

13.3步进电动机驱动概述

13.3.1步进电动机驱动的基本内容

13.3.2步进电动机驱动的应用

13.4步进电动机的基本设计

13.4.1设计思路

13.4.2注意事项

13.4.3实例29： 步进电动机正转

13.4.4实例30： 步进电动机正转改进

第14章舵机

14.1伺服电动机概述

14.1.1伺服系统

14.1.2伺服电动机

14.1.3伺服电动机的分类

14.1.4各类伺服电动机的优缺点

14.2舵机概述

14.2.1舵机的基本原理

14.2.2舵机的常见参数

14.2.3舵机的分类与特点

14.3舵机的使用方法

14.4舵机使用注意事项

14.5实例31： 控制舵机

第15章通信协议与液晶

15.1波特率

15.2串行通信和并行通信

15.2.1串行通信

15.2.2并行通信

15.2.3实例32： 串行口通信编程

15.3I2C总线

15.3.1I2C总线概述

15.3.2I2C总线硬件结构

15.3.3数据位的有效规定

15.3.4AT24C02概述

15.3.5实例33： I2C总线的应用

15.4液晶

15.4.1液晶概述

15.4.2常用液晶的操作

15.4.3实例34： 液晶显示字符串

第16章传感器与物联网

16.1物联网的基本概念与发展

16.1.1物联网的基本概念

16.1.2物联网的发展

16.2物联网中的传感器

16.3传感器模块

16.3.1光敏电阻模块

16.3.2红外寻迹模块

16.3.3温度传感器模块

16.3.4温湿度传感器模块

16.3.5雨滴传感器模块

16.3.6CO2检测传感器模块

16.3.7触摸传感器模块

16.3.8超声波传感器模块

16.3.9雾霾传感器模块

16.3.10霍尔传感器模块

16.3.11ADXL345加速度传感器模块

16.3.12地磁传感器模块

16.4常用的通信模块

16.4.12.4GHz无线数据传输模块

16.4.2WiFi通信模块

16.4.3蓝牙通信模块

16.4.4ZigBee通信模块

16.4.5几种通信模块的对比

16.5家居物联系统

16.5.1家居物联系统的概念

16.5.2家居物联系统的构成

16.5.3家居物联系统的功能

16.5.4家居物联系统工程案例

16.6医疗物联系统

16.6.1家庭健康仪器

16.6.2医院中的物联系统

16.6.3区域卫生系统

16.7交通物联系统

16.7.1交通物联系统的产生

16.7.2物联网在交通物联系统上的实际应用

16.8物流物联系统

16.8.1组成模块

16.8.2建立数据库

16.8.3智能物流信息系统

16.8.4自动分拣系统

16.8.5智能包装

16.8.6影响及展望

第17章单片机控制与物联网实例

17.1智能温室

17.1.1实例35： 智能温室

17.1.2实例36： 智能温室控制器

17.2机器人推箱子比赛

17.2.1任务简介

17.2.2实例37： 机器人控制

参考文献

附录各章节使用器件列表

后记

本书从基础入手，介绍了电子信息类大学生实践创新与学科竞赛实训的相关内容。从经典的电路设计、单片机的基本原理及实践、相应仿真软件的使用，直流、步进电机的基本原理及实践、舵机的使用、常用通信协议与液晶显示的基本原理及实践、各种常见传感器的基本原理及实践、物联网的基本构架及常见物联网系统的设计与实践、智能控制的相关实例。同学们可以根据书上给出的实例方案举一反三，结合书中介绍的基本知识点，发挥自己的创意，设计属于自己有创意的作品，并可根据所学知识和锻炼的动手能力参加命题型学科竞赛。

隋金雪，博士，山东工商学院副教授。指导学生参加全国大学生电子设计、智能汽车和物联网等竞赛，获奖近40项，省部级奖300项，“以创新能力培养为导向的电子信息类专业学科竞赛体系探索与实践”获山东省省级教学成果奖一等奖；出版教材2部。