智能电子产品设计与制作(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：杨立宏 彭建宇 袁夫全

出版社：电子工业出版社

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智能电子产品设计与制作试读：

前言

国务院2014年19号文《国务院关于加快发展现代职业教育的决定》中指出，创新发展高等职业教育，培养服务区域发展的技术技能人才，重点服务企业特别是中小微企业的技术研发和产品升级，建立以职业需求为导向、以实践能力培养为重点、以产学结合为途径的培养模式。

国家近几年对职业教育出台了一系列的相关政策，鼓励职业教育的发展。技能培养是职业教育的根本，但当前国内的高职教育很多都只是本科院校的压缩，忽视了学生职业技能的培养，这主要体现在课程设置和教学内容及方式上。而教学内容的参考教材大部分是本科教材的删减版，删减后的教材本科生都看不懂，更不用说高职学生，这样的教材无法去适应高职的技能教育。针对电子信息工程专业实践技能的重要性，我们在多年的教学实践的基础上编写了侧重于学生技能训练的教材。

智能电子产品设计与制作以数码显示温度计、点阵屏显示、简易数显电子时钟、2.4G无线温湿度传输、家用智能浇花器、全自动智能豆浆机设计6个项目为教学载体。从简单到复杂，逐步递进，对学生进行技能训练。学生通过该课程的学习对电子产品的设计生产流程会有比较深入的认识。

本书共分为六大部分，对应6个项目，第一个项目是数码显示温度计，要求将DS18B20的温度读取出来并显示到数码管上。第二个项目是点阵屏显示，通过一块64*32点的点阵屏显示汉字等信息。第三个项目是简易数显电子时钟，通过实时时钟芯片DS1302对时间进行计时，单片机读出时间并显示，同时可以通过按键修改当前时间。第四个项目是2.4G无线温湿度传输，通过2.4G无线通信模块，在发送端将温湿度传感器DHT11采集的温湿度信息发送出去，接收端接收到温湿度信息并将之显示出来。第五个项目是家用智能浇花器，浇花器能够通过定时设置，自动对花盆中的花浇水，按键设置浇水时间、浇水时间间隔、浇水时长等信息。第六个项目是全自动智能豆浆机设计，对豆浆机开发设计的整个流程进行了详细的讲解。本教材是校内专任教师和现任企业研发工程师合作开发的教材，遵循了企业产品开发的流程，能够有效提高学生的技能水平。

本书可作为高职院校电子信息工程专业的专业教材，也可以作为家电类电子工程师的参考书。由于高职的技能训练教材开发需要长期的积累，需要不断探索和研究，加之作者水平有限，时间仓促，书中难免存在错误与不足，敬请读者指正。

最后要感谢企业的两位研发工程师杨蕾和覃德春，在教材编写过程中给予了热诚的帮助和指导，对本书的内容设置、开发流程等提出了宝贵意见。感谢电子信息工程专业教研室的彭建宇、袁夫全、陈振华老师的指导。感谢09级林少俊、10级游锐恒两位同学对豆浆机的软件进行反复的调试优化。

编者

2015年8月

项目1 数码显示温度计

1.1 项目任务

以ATmega16单片机为主控器设计一个用4位数码管显示的温度计，能够显示当前的环境温度，温度显示保留1位小数。

1.2 考查知识点

温度传感器在生活和生产中的应用越来越多，小到一个家庭，大到一个国家的温度测量网络，都离不开它。温度传感器目前有很多种，常见的主要有以下几种温度传感器。

1.热敏电阻

热敏电阻体积小，电阻温度系数大、价格低，但其线性度差。它不仅可以作为测量器件，还可以作为控制电路补偿器件。常用的热敏电阻实物图如图1-1所示。图1-1 热敏电阻实物图

2.热电偶

热电偶测温范围宽，抗震性能好，主要用于工业生产过程中温度的测量。常用的热电偶实物如图1-2所示。

3.铂电阻

铂电阻的电阻率高，敏锐度较高，在高温和氧化性介质中的物理和化学性能很稳定，测温范围宽，价格低，但其体积大，热惯性大。常用的铂电阻实物如图1-3所示。图1-2 热电偶实物图图1-3 铂电阻实物图

4.集成温度传感器

集成温度传感器灵敏度高、响应快、线性度好、体积小、成本不高、使用方便。常见的集成温度传感器实物图如图1-4所示。图1-4 集成温度传感器实物图

我们测量的是环境温度，一般可采用热敏电阻或者集成温度传感器。热敏电阻测量温度时，电阻和温度之间并不是线性的关系，因此需要设计调理电路进行处理后才可以得到准确的温度值，而集成数字温度传感器则是在芯片内部集成了调理电路和转换电路，直接输出数字量，单片机读取的数字量就是测量得到的温度，操作简单。因此本项目选择常用的数字温度传感器DS18B20来完成环境温度的测量。1.2.2 数码管显示原理

1.数码结构及原理

LED数码管是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字形的器件，引线在内部连接完成，只需引出它们的各个笔画，公共电极。数码管实际上由7个发光二极管组成8字形结构，再加上小数点就是8个段码，这些段分别由字母a，b，c，d，e，f，g，dp来表示，数码管段码及实物如图1-5所示。图1-5 数码管段码及实物

按照数码管中发光二极管单元的连接方式分为共阳极和共阴极数码管。共阳极数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。共阳极数码管在应用时应将公共极COM接到电源，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴极数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。共阴极数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。共阳极和共阴极数码管内部结构原理如图1-6所示。图1-6 共阳极和共阴极数码管内部结构原理

当数码管要显示一个数字时，只要将相应的数字段点亮，其他段不亮，就可以显示数字了。例如要在数码管上显示一个数字“2”，由图1-5可知，只要a、b、d、e、g这5段亮，其他3段灭。如果是共阳极数码管的话，a、b、d、e、g这5段阴极为低电平0，才可以保证对应的段码亮，其他3段则应该为高电平1，则从高到低（dp为高位，a为低位）对应的二进制编码为10100100B，转换为C语言的十六进制就是0xA4。如果是共阴极数码管的话，a、b、d、e、g这5段阴极为高电平1，才可以保证对应的段码亮，其他3段则应该为低电平0，则从高到低（dp为高位，a为低位）对应的二进制编码为01011011B，转换为C语言的十六进制就是0x5B。由此可以得到共阳极和共阴极数码管0～9对应的十六进制编码，共阳极和共阴极数码管编码对照表如表1-1所示。表1-1 共阳极和共阴极数码管编码对照表

2.数码管驱动方式

数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，数码管驱动可以分为静态驱动方式和动态驱动方式两类。（1）静态驱动方式

静态驱动方式是指每个数码管的每一个段码由驱动器的一个引脚进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用驱动的IO口太多，例如驱动4个数码管，需要占用驱动器的32个引脚，而一般单片机的驱动器引脚有限，因此静态驱动方式用得比较少。（2）动态驱动方式

动态驱动方式是将所有数码管的8个段码并联在一起，并为每个数码管的公共极COM增加选通控制电路，每个数码管公共极的选通由各自独立的IO线控制。当和数码管8个段码连接的单片机引脚输出数字编码时，所有数码都接收到相同的数字编码，但究竟是哪个数码管会显示该数字，则取决于单片机对公共极COM的选通控制。我们需要在哪个位置显示该数字，就可以把对应的数码管的公共极选通，这样该数码管显示数字，其他数码管不显示。通过分时轮流控制各个数码管的公共极，就使各个数码管轮流受控显示，这就是数码管的动态驱动显示。在轮流显示过程中，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，当每一个数码管轮流显示的频率高于50Hz时，人眼是看不到闪烁的，即尽管各位数码管并不是同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的感觉就是一组稳定的显示数据。动态驱动方式下，4个数码管只需要占用单片机的12个引脚就可以了，节省了大量的IO端口，而且功耗更低。

1.3 方案设计

根据温度传感器的比较，如果测量的是环境温度，我们选择数字温度传感器DS18B20，可以简化电路设计，提高温度测量精度。数码管驱动采用动态驱动方式，数码管动态驱动的驱动电路有很多种，常见的主要有：一种是单片机控制三极管直接驱动数码管，这种方法电路简单，编程容易，但占用单片机IO端口较多；另一种是通过2片74HC595采用串行数据传输的方法驱动数码管，这种方法电路设计也不复杂，但需要编写74HC595驱动程序，成本也相对较高。在温度测量方案中，单片机端口占用较少，因此可以选用三极管直接驱动数码管的方案，可以降低编程难度。数码显示温度计方案设计框图如图1-7所示。图1-7 数码显示温度计方案框图

1.4 原理图设计

温度计电源供电可以设计采用两种方式。一种是用一个独立的电源通过图1-8所示的J4的DC端子连接，为整个板子供电，由于7805芯片输入电压范围是7～36V，因此选择的独立电源的直流输出也要在这个范围之内。另外一种供电方法是用USB给板子供电，现在很多电源或者计算机等设备都有直接输出5V的USB接口，因此这个接口使用也比较方便，如图1-8所示的J6。设计的电源电路原理图如图1-8所示。C9、C10是7805输入前的滤波电容，C11、C12是输出5V供电的滤波电容。这里为什么要加一个电解电容和瓷片电容呢?答案是为了滤波，电解电容容量大，对频率低（50Hz）的交流频率滤除效果好，直流更平滑；瓷片电容容量小，滤除交流频率越高，滤除交流成分中的高频干扰杂波有一定的效果，使干扰杂波在进入电源或者稳压中被滤除掉。对于电解电容，可根据输入或输出的纹波大小，选择合适的电容值就可以，没有具体的要求，大的电容值可以选择到1000μF，小的可以选择到4.7μF。对于瓷片电容，一般建议选择104（0.1μF）的瓷片电容。图1-8 电源电路原理图

图中J5是两脚的排针，可以通过跳冒进行连接，以方便选择是使用7805的输出，还是使用USB的输出作为供电电源。S6按键是一个自锁按键，是电路板的总开关。为方便确定电源是否供电，在5V输出端加了一个LED灯，作为电源指示灯。1.4.2 主控电路设计

主控电路就是AVR的最小系统电路，主控电路原理图如图1-9所示。U11为我们使用的主控芯片ATmega16单片机。J7为单片机的ISP下载端口，程序烧写器可以通过这个端口将程序下载到芯片中。如果单片机用到AD转换部分，AVR单片机的数据手册上则建议AVCC可以由VCC接一个LC低通滤波器得到。AVR单片机的复位是低电平复位，S8为弹起式按键，系统上电时，会有一个短时间的对电容C13充电的过程，最终电容充满端电压变成5V，当按键按下后，单片机的RESET引脚接地，单片机复位。Y1为单片机的外部晶振，C14、C15是晶振的匹配电容，晶振启振是必须要接这个电容的，不同频率的晶振对应不同容值的电容，一般电容在15～30pF之间。图1-9 主控电路原理图1.4.3 温度传感器电路设计

温度传感器DS18B20外围电路比较简单，按照数据手册只需在数据端口DQ加一个10K的上拉电阻，电源和地之间接一个C6电容即可，其中数据端口DQ接到了单片机的PD7端口，温度传感器电路原理图如图1-10所示。图1-10 温度传感器电路原理图1.4.4 数码管驱动显示电路

数码管的驱动电路有很多种，有的需要外加驱动芯片，这样占用单片机的IO端口少，但成本稍高；有的直接加三极管驱动，这样占用单片机IO端口多，但成本低。可以根据具体电路确定采用哪种驱动方式，本项目中，外围设备较少，单片机端口足够用，所以直接采用三极管驱动的方式来实现，数码管驱动及显示电路如图1-11所示。由于选用的数码管为共阳极数码管，单片机的端口PC0～PC3通过电阻接到三极管S8550的基极，控制数码管的位选，PB0～PB7通过电阻和数码管的段码串联到三极管的集电极，通过PB0～PB7各位输出电平不同控制数码管显示的数值。图1-11 数码管驱动及显示电路1.4.5 元件清单

整个电路所需元器件清单如表1-2所示。表1-2 元器件清单续表

1.5 焊接

该电路设计比较简单，可以不用制作PCB电路板，直接在万能板上焊接即可完成。但是为了能够使焊接后电路板元件排列整齐，焊接走线美观，建议先用PCB绘图软件把原理图绘制成PCB，然后按照PCB的走线方式去焊接。这样操作可以避免布局不合理造成焊接到一半无法完成后面的走线。下面对焊接的基本技能进行简要介绍。1.5.1 手工焊接使用的工具及要求

1.焊锡丝的选择

直径为0.8mm或1.0mm的焊锡丝，用于电子或电类焊接。

直径为0.6mm或0.7mm的焊锡丝，用于超小型电子元器件焊接。

2.烙铁的选用及要求（1）电烙铁的功率选用原则

焊接集成电路、晶体管及其他受热易损件的元器件时，考虑选用20W内热式电烙铁。

焊接较粗导线及同轴电缆时，考虑选用50W内热式电烙铁。

焊接较大元器件时，如金属底盘接地焊片，应选100W以上的电烙铁。（2）电烙铁铁温度及焊接时间控制要求

有铅恒温烙铁温度一般控制在280～360℃，默认设置为330℃±10℃，焊接时间小于3秒。焊接时烙铁头同时接触在焊盘和元器件引脚上，加热后送锡丝焊接。部分元器件的特殊焊接要求如下所示。

· SMD器件：焊接时烙铁头温度为320℃±10℃；焊接时间为每个焊点1～3秒。

拆除元器件时烙铁头温度为310～350℃（注：根据CHIP件尺寸不同请使用不同的烙铁嘴）。

· DIP器件：焊接时烙铁头温度为330℃±5℃；焊接时间为2～3秒。

注：当焊接大功率（TO-220、TO-247、TO-264等封装）或焊点与大铜箔相连，上述温度无法焊接时，烙铁温度可升高至360℃，当焊接敏感怕热零件（LED、CCD、传感器等）时温度控制在260～300℃。

· 无铅制程：无铅恒温烙铁温度一般控制在340～380℃，默认设置为360℃±10℃，焊接时间小于3秒，要求烙铁的回温每秒钟就可将所失的温度拉回至设定温度。（3）电烙铁使用注意事项

电烙铁不宜长时间通电而不使用，这样容易使烙铁芯加速氧化而烧断，缩短其寿命，同时也会使烙铁头因长时间加热而被氧化，甚至被“烧死”不再“吃锡”。

手工焊接使用的电烙铁需带防静电接地线，焊接时接地线必须可靠接地，防静电恒温电烙铁插头的接地端必须可靠接交流电源保护地。电烙铁绝缘电阻应大于10MΩ，电源线绝缘层不得有破损。

将万用表打在电阻挡，表笔分别接触烙铁头部和电源插头接地端，接地电阻值稳定显示值应小于3Ω，否则接地不良。

烙铁头不得有氧化、烧蚀、变形等缺陷。烙铁不使用时应上锡保护，长时间不用必须关闭电源防止空烧，下班后必须拔掉电源。

烙铁放入烙铁支架后应能保持稳定、无下垂趋势，护圈能罩住烙铁的全部发热部位。支架上的清洁海绵加适量清水，使海绵湿润不滴水为宜。

3.手工焊接所需的其他工具

① 镊子：要求端口闭合良好，镊子尖无扭曲、折断。

② 防静电手腕：要求检测合格，手腕带松紧适中，金属片与手腕部皮肤贴合良好，接地线连接可靠。

③ 防静电指套，防静电周转盒、箱，吸锡枪、斜头钳等。1.5.2 电子元器件的插装

1.元器件引脚折弯及整形的基本要求

手工弯引脚可以借助镊子或小螺丝刀对引脚整形。所有元器件引脚均不得从根部弯曲，一般应留1.5mm以上，因为制造工艺上的原因，其根部容易折断。折弯半径应大于引脚直径的1～2倍，避免弯成死角。二极管、电阻等的引出脚应平直，要尽量将有字符的元器件面置于容易观察的位置，如图1-12所示。图1-12 元器件引脚折弯要求

2.元器件插装的原则

① 电子元器件插装要求做到整齐、美观、稳固，元器件应插装到位，无明显倾斜、变形现象，同时应方便焊接和有利于元器件焊接时的散热。

② 手工插装、焊接，应该先插装那些需要机械固定的元器件，如功率器件的散热器、支架、卡子等，然后再插装需焊接固定的元器件。插装时不要用手直接碰元器件引脚和印制板上铜箔。手工插装、焊接遵循先低后高，先小后大的原则。

③ 插装时应检查元器件应正确、无损伤。插装有极性的元器件，按线路板上的丝印进行插装，不得插反和插错。对于有空间位置限制的元器件，应尽量将元器件放在丝印范围内。

3.元器件插装的方式

① 直立式：电阻器、电容器、二极管等都应竖直安装在印制电路板上。

② 俯卧式：二极管、电容器、电阻器等元器件均是俯卧式安装在印制电路板上的。

③ 混合式：为了适应各种不同条件的要求或某些位置受面积所限，在一块印制电路板上，有的元器件采用直立式安装，也有的元器件则采用俯卧式安装。

4.长短脚的插焊方式（1）长脚插装

手工插装时可以用食指和中指夹住元器件，再准确地插入印制电路板，如图1-13所示。图1-13 长脚插焊方式（2）短脚插装

短脚插装的元器件整形后，引脚很短，靠板插装，当元器件插装到位后，用镊子将穿过孔的引脚向内折弯，以免元器件掉出，如图1-14所示。图1-14 短脚插焊方式1.5.3 手工焊接方法

对于手工焊接，初学者一开始要学习五步法，熟练后可使用三步法完成焊接，如图1-15所示。

1.电烙铁与焊锡丝的握法

手工焊接握电烙铁的方法有反握、正握及握笔式三种。焊锡丝的两种拿法，如图1-16所示。

2.手工焊接的步骤

① 准备焊接。清洁焊接部位的积尘及油污，元器件的插装、导线与接线端勾连，为焊接做好前期的预备工作。

② 加热焊接。将沾有少许焊锡的电烙铁头接触被焊元器件约几秒钟。若是要拆下印制板上的元器件，则待烙铁头加热后，用手或镊子轻轻拉动元器件，看是否可以取下。图1-15 手工焊接的五步法和三步法图1-16 电烙铁的三种握法和焊锡丝的两种拿法

③ 清理焊接面。若所焊部位焊锡过多，可将烙铁头上的焊锡甩掉（注意不要烫伤皮肤，也不要甩到印制电路板上！），然后用烙铁头“沾”些焊锡出来。若焊点焊锡过少、不圆滑时，可以用电烙铁头“蘸”些焊锡对焊点进行补焊。

④ 检查焊点。看焊点是否圆润、光亮、牢固，是否有与周围元器件连焊的现象。

3.手工焊接的方法

① 加热焊件。电烙铁的焊接温度由实际使用情况决定。一般来说以焊接一个锡点的时间限制在4秒最为合适。焊接时烙铁头与印制电路板成45°角，电烙铁头顶住焊盘和元器件引脚，然后给元器件引脚和焊盘均匀预热，如图1-17所示。

② 移入焊锡丝。焊锡丝从元器件脚和烙铁接触面处引入，焊锡丝应靠在元器件脚与烙铁头之间，如图1-17所示。

③ 移开焊锡。当焊锡丝熔化（要掌握进锡速度）焊锡散满整个焊盘时，即可以45°角方向拿开焊锡丝，如图1-18所示。

④ 移开电烙铁。焊锡丝拿开后，烙铁继续放在焊盘上持续1～2秒，当焊锡只有轻微烟雾冒出时，即可拿开烙铁。拿开烙铁时，不要过于迅速或用力往上挑，以免溅落锡珠、锡点或使焊锡点拉尖等，同时要保证被焊元器件在焊锡凝固之前不要移动或受到震动，否则极易造成焊点结构疏松、虚焊等现象，如图1-18所示。图1-17 手工焊接移入图1-18 手工焊接移开

1.6 程序调试

AVR单片机软件开发主要平台软件有AVR Studio、ICC AVR、BASCOM-AVR、MikroC for AVR等几种主流开发软件。

· AVR Studio是ATMEL的AVR单片机的汇编集成环境开发调试软件，完全免费。

· ICC AVR是AVR的C语言编译器，是目前应用最广的AVR开发软件，需要注册码。

· BASCOM-AVR是以BASIC语言为基础的AVR开发平台。

· MikroC for AVR是近几年才逐渐被使用的编译软件，软件中包含大量的软件和硬件库，包含全面的帮助文件和即用的教程，为项目开发提供了便利。

我们选用的是MikroC for AVR软件，下面介绍该软件的安装。

如果没有MikroC for AVR这个软件，可以到其官网上进行下载，下载地址是：http：//www.mikroe.com/mikroc/avr/，这里下载的软件是含有4KB的程序代码限制的，如果编写的程序编译后超过了4KB，则要购买软件激活码才可以使用，当然一般小项目的程序大小没有达到4KB，不激活也足够用。

软件下载后，双击安装程序MikroC_PRO_AVR_2013_Build.6.0.0进行安装，除了在第二步需要选择“I accept the terms of the License Agreement”外，其他步骤都直接单击“next”即可安装完成，后面的Flash等可以不安装。安装完成后，双击桌面上快捷方式即可打开软件。1.6.2 开发软件基本操作

打开软件后，软件开始界面，如图1-19所示。图1-19 软件开始界面

单击图1-19中的“New Project...”新建一个工程，出现新建工程界面如图1-20所示。图1-20 新建工程界面

单击“Next”按钮，进入下一界面，设置项目名称、存储路径、设备型号、芯片时钟等，工程设置界面如图1-21所示。图1-21 工程设置界面

在工程设置界面，“Project Name”项用于设置工程的名称，命名只要符合文件命名规则即可。“Project folder”项用于选择工程存放路径，选择要存储的路径即可，建议每一个项目存储在单独的一个文件夹，以方便管理。“Device Name项”用于选择芯片型号，我们用的是ATmega16单片机，所以这里在下拉菜单中选择“ATMEGA16”。“Device Clock”项用于选择芯片工作时钟，这里使用8MHz，修改成8.000000即可。单击“Next”按钮，进入下一界面，添加程序源文件，如图1-22所示。图1-22 添加程序源文件

如果在建立项目之前已经有了C语言文件，就在这一步中添加进去，如果没有则直接单击“Next”按钮跳过这一步，进入库包含选择界面，如图1-23所示。图1-23 库包含选择界面

这里要求选择包含的库文件，我们在不清楚编程中使用了哪些库的情况下，可以直接选择“Include All”选项，把所有库都包含进去。然后单击“Next”按钮，进入最后一个结束界面，直接单击“Finish”按钮完成工程的建立，如图1-24所示。图1-24 工程结束界面

单击“Finish”按钮完成工程建立操作后，出现编程界面，如图1-25所示。

下面对图1-25所示界面常用的几个操作进行说明。

· 保存：程序在编写过程中要记得定期保存，否则可能因为各种原因不小心死机，编写的程序会丢失。单击工具栏中的按钮，即可保存编写的代码。

· 编译：程序编写好后，要进行编译生成单片机可执行的.hex文件。程序编写完成后，单击工具栏中的编译按钮，对程序进行编译，编译结果会在下面的Messages信息栏进行显示，如果有错误，信息栏会用红色字体提示。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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