《电子制作从零开始》 第10章：电子制作项目案例集

10.1 小型电子产品制作

简易收音机制作

• 原理：简易收音机通常基于超外差原理工作。首先，天线接收来自空中的各种无线电信号，这些信号包含不同频率的广播电台信号。通过调谐电路（一般由可变电容和电感组成）选择特定频率的信号，该信号与本地振荡器产生的本振信号在混频器中混合，产生一个固定的中频信号（如465kHz）。中频信号经过中频放大器放大后，再通过检波器将音频信号从载波中解调出来，最后通过音频放大器放大音频信号，驱动扬声器发声。
• 材料与工具：
  • 材料：晶体管（如9018等）、可变电容、电感、电阻、电容、中周变压器、扬声器、天线、电路板等。
  • 工具：电烙铁、焊锡、镊子、螺丝刀、万用表等。
• 制作步骤：
  • 电路搭建：根据设计好的电路图，在电路板上焊接各个元件。先焊接电阻、电容等小型元件，再焊接晶体管、中周变压器等较大元件。注意元件的引脚连接要正确，焊点要饱满、光滑，避免虚焊。
  • 调试：使用万用表检查电路的连接是否正确，有无短路或开路情况。然后，通过调节可变电容，收听不同频率的广播电台。如果收不到信号或声音不清晰，可以微调中周变压器的磁芯，优化中频放大器的性能。同时，检查音频放大器的增益，确保声音足够响亮。

电子门铃设计与实现

• 原理：电子门铃一般由触发电路、音频振荡电路和功率放大电路组成。当按下门铃按钮时，触发电路产生一个电信号，启动音频振荡电路。音频振荡电路通常由集成电路（如555定时器）或晶体管组成，产生特定频率的音频信号。这个音频信号经过功率放大电路放大后，驱动扬声器发出门铃声音。
• 材料与工具：
  • 材料：555定时器芯片、电阻、电容、扬声器、门铃按钮、电池盒、电路板等。
  • 工具：同简易收音机制作工具。
• 制作步骤：
  • 电路设计：根据555定时器的工作原理，设计音频振荡电路。确定电阻和电容的数值，以产生合适频率的音频信号。例如，通过公式计算得到满足门铃声音频率要求的电阻和电容值。
  • 电路组装：在电路板上焊接元件。先将555芯片插入插座（方便调试和更换），再焊接周边的电阻、电容等元件。连接门铃按钮和扬声器，确保电路连接正确。
  • 调试与测试：装上电池，按下门铃按钮，听扬声器发出的声音是否正常。如果声音频率过高或过低，可以调整电阻或电容的数值。检查按钮触发是否灵敏，如有问题，检查按钮连接或触发电路。

数字万用表改装与升级

• 原理：数字万用表的基本原理是通过对输入信号进行模数转换（A/D转换），将模拟量转换为数字量，并通过数字显示电路显示测量结果。改装与升级可能涉及扩展测量功能，如增加温度测量、电容测量等功能。以温度测量为例，需要使用温度传感器（如热敏电阻或数字温度传感器）将温度信号转换为电信号，经过信号调理电路处理后，输入到万用表的A/D转换器进行测量和显示。
• 材料与工具：
  • 材料：与新增功能对应的传感器（如热敏电阻、电容传感器等）、信号调理电路所需的电阻、电容、运算放大器等元件、数字万用表主板（可选用常见的低成本数字万用表）。
  • 工具：除常用焊接工具外，可能需要示波器来调试信号。
• 制作步骤：
  • 功能规划：确定要增加的功能，并根据该功能选择合适的传感器和设计信号调理电路。例如，若要增加电容测量功能，需要设计一个能够将电容值转换为电压值的电路。
  • 电路连接：小心打开数字万用表，找到合适的接入点，将新增功能的电路与万用表的主板连接。连接过程中要注意避免短路和损坏主板。
  • 校准与测试：使用标准的温度源、电容等对新增功能进行校准。例如，对于温度测量功能，在不同已知温度下，调整电路参数，使万用表显示的温度值与实际温度相符。测试新增功能的准确性和稳定性，确保改装后的万用表能够正常工作。

10.2 智能控制项目案例

智能窗帘控制系统

• 原理：智能窗帘控制系统通常由传感器、控制器和执行机构组成。传感器可以是光线传感器、定时模块或无线遥控器等。光线传感器检测环境光线强度，当光线强度达到设定阈值时，将信号发送给控制器。定时模块按照预设的时间发送控制信号。无线遥控器则通过无线通信方式（如红外、蓝牙等）发送控制指令。控制器一般由微控制器（如单片机）担任，接收传感器信号后，根据预设的逻辑判断是否需要控制窗帘的开合。执行机构通常是电机，通过正反转实现窗帘的拉开和关闭。
• 材料与工具：
  • 材料：微控制器（如Arduino、8051单片机等）、光线传感器、电机（直流电机或步进电机）、电机驱动模块、无线遥控器（可选）、窗帘轨道、窗帘布、电源模块等。
  • 工具：电钻、螺丝刀、焊接工具、万用表等。
• 制作步骤：
  • 硬件组装：将电机安装在窗帘轨道上，确保电机能够带动窗帘顺畅移动。连接电机驱动模块与电机和微控制器，注意电机驱动模块的电源、控制引脚连接正确。安装光线传感器，并将其与微控制器连接。如果使用无线遥控器，也需完成相应的连接和设置。
  • 软件编程：根据选用的微控制器，编写控制程序。程序中需包含传感器数据读取、逻辑判断和电机控制等功能。例如，读取光线传感器数据，当光线强度低于设定值时，控制电机正转拉开窗帘；当光线强度高于设定值时，控制电机反转关闭窗帘。
  • 调试与优化：测试系统的功能，检查传感器是否能准确检测光线强度，电机是否能正常响应控制指令。根据实际情况调整传感器的阈值和电机控制的参数，优化系统性能。

自动浇花系统制作

• 原理：自动浇花系统利用土壤湿度传感器检测土壤的湿度情况。当土壤湿度低于设定的下限值时，传感器将信号发送给控制器（一般为微控制器）。控制器接收到信号后，启动水泵，通过水管将水输送到花盆中进行浇水。当土壤湿度达到设定的上限值时，控制器停止水泵，完成浇水过程。此外，还可以添加定时浇水功能，按照预设的时间间隔进行浇水。
• 材料与工具：
  • 材料：微控制器、土壤湿度传感器、水泵、水管、储水箱、电源模块、花盆等。
  • 工具：剪刀、胶水（用于固定水管等）、焊接工具、万用表。
• 制作步骤：
  • 硬件搭建：将土壤湿度传感器插入花盆土壤中，确保传感器能够准确检测土壤湿度。连接水泵与储水箱和水管，将水泵的控制引脚与微控制器连接。为整个系统连接合适的电源模块，确保各部分正常供电。
  • 软件编写：编写微控制器程序，实现湿度检测、水泵控制和定时功能（如果有）。程序要能够实时读取土壤湿度传感器的数据，并根据设定的湿度阈值控制水泵的启停。
  • 系统调试：向花盆中浇水，观察土壤湿度传感器的读数变化，确保传感器工作正常。设置不同的湿度阈值，测试水泵的启动和停止是否准确。如果有定时功能，检查定时浇水是否按计划执行。

智能温控风扇设计

• 原理：智能温控风扇通过温度传感器实时监测环境温度。温度传感器将温度信号转换为电信号，输入到微控制器。微控制器将接收到的温度值与预设的温度阈值进行比较。当环境温度高于上限阈值时，微控制器控制风扇开启并以较高转速运行；当温度低于下限阈值时，微控制器控制风扇关闭；当温度在上下限阈值之间时，风扇可以以较低转速运行或保持当前状态。
• 材料与工具：
  • 材料：微控制器、温度传感器（如DS18B20）、风扇、电机驱动模块（如果风扇需要较大驱动电流）、电源模块等。
  • 工具：焊接工具、万用表、螺丝刀（用于固定风扇等）。
• 制作步骤：
  • 硬件连接：将温度传感器与微控制器连接，确保通信正常。如果风扇需要较大驱动电流，连接电机驱动模块，将风扇连接到驱动模块的输出端，并将驱动模块的控制引脚与微控制器相连。连接电源模块，为系统供电。
  • 程序设计：编写微控制器程序，实现温度读取、阈值比较和风扇控制功能。程序要能够准确读取温度传感器的数据，并根据设定的阈值控制风扇的转速。
  • 调试优化：使用加热或制冷设备改变环境温度，观察风扇的转速是否根据温度变化准确调整。调整温度阈值和风扇转速控制参数，使系统性能达到最佳。

10.3 创新电子作品展示

创意电子时钟设计（如3D打印外壳、个性化显示）

• 原理：创意电子时钟以微控制器为核心，通过连接实时时钟模块（如DS1302）获取准确的时间信息。微控制器将时间数据进行处理后，通过显示模块（如LED点阵显示屏、OLED显示屏等）显示出来。对于个性化显示，可以通过编程实现不同的显示效果，如动态数字显示、图形化显示等。3D打印外壳则根据设计好的模型，使用3D打印机制作，为电子时钟提供独特的外观。
• 材料与工具：
  • 材料：微控制器、实时时钟模块、显示模块、3D打印材料（如PLA塑料）、电源模块等。
  • 工具：3D打印机、焊接工具、万用表。
• 制作步骤：
  • 3D模型设计：使用3D建模软件（如Tinkercad、SolidWorks等）设计电子时钟的外壳模型。考虑内部元件的布局，预留合适的空间安装微控制器、实时时钟模块和显示模块等。
  • 3D打印：将设计好的3D模型导入3D打印机，设置打印参数（如层高、填充率等），进行打印。打印完成后，对打印件进行适当的打磨和清理。
  • 电路组装与编程：在3D打印外壳内安装电子元件，连接实时时钟模块、显示模块与微控制器。编写微控制器程序，实现时间读取、显示控制和个性化显示效果。例如，编写程序使LED点阵显示屏以动态效果显示时间数字。
  • 整体装配与测试：将组装好的电路放入3D打印外壳中，固定好各元件。连接电源，测试电子时钟的功能，检查时间显示是否准确，个性化显示效果是否符合预期。

手势识别互动装置开发

• 原理：手势识别互动装置通常利用传感器检测手部的动作和位置信息，常见的传感器有红外传感器阵列、摄像头（结合图像处理算法）或加速度传感器与陀螺仪组合（用于检测手部姿态变化）。传感器将检测到的信号转换为电信号，输入到微控制器或计算机进行处理。通过算法对信号进行分析和识别，判断出手势动作（如挥手、握拳、滑动等），然后根据识别结果触发相应的动作，如控制灯光的开关、调节音量大小等。
• 材料与工具：
  • 材料：传感器（如红外传感器阵列、摄像头模块、加速度传感器与陀螺仪模块等）、微控制器（或计算机开发板，如树莓派）、执行设备（如LED灯、扬声器等）、电源模块等。
  • 工具：焊接工具、螺丝刀、如果使用摄像头，可能需要安装相关图像处理软件的计算机。
• 制作步骤：
  • 硬件搭建：根据选用的传感器类型，连接传感器与微控制器或计算机开发板。例如，将红外传感器阵列连接到微控制器的I/O口，确保传感器能够正常工作并采集信号。连接执行设备与微控制器，以便根据手势识别结果进行控制。
  • 算法实现：如果使用微控制器，编写相应的手势识别算法程序，对传感器采集到的信号进行处理和识别。如果使用计算机开发板，利用相关的图像处理库（如OpenCV）或传感器数据处理库实现手势识别算法。例如，对于摄像头采集的图像，通过图像处理算法识别手部的轮廓和动作。
  • 功能测试与优化：进行手势识别测试，检查装置是否能够准确识别不同的手势动作，并正确触发相应的执行设备动作。根据测试结果，调整传感器的位置、角度或优化算法参数，提高手势识别的准确率。

太阳能充电便携设备制作

• 原理：太阳能充电便携设备主要由太阳能电池板、充电管理电路、电池和负载设备组成。太阳能电池板在光照条件下将太阳能转换为电能，输出直流电。充电管理电路对太阳能电池板输出的电能进行处理，包括稳压、限流等，确保以合适的电压和电流为电池充电。电池用于储存电能，当需要使用时，为负载设备供电。负载设备可以是手机、小型灯具等。
• 材料与工具：
  • 材料：太阳能电池板、充电管理芯片（如TP4056等）、锂电池（或其他可充电电池）、负载设备接口、外壳材料（如塑料盒）等。
  • 工具：焊接工具、万用表、螺丝刀（用于组装外壳）。
• 制作步骤：
  • 电路设计与组装：根据充电管理芯片的资料，设计充电管理电路，将太阳能电池板、充电管理芯片和锂电池连接起来。确保电路连接正确，特别是注意充电管理芯片的输入输出引脚连接以及电池的正负极连接。焊接各个元件，完成电路组装。
  • 外壳制作与组装：选择合适的外壳材料，制作一个能够容纳电路元件和电池的外壳。在外壳上预留太阳能电池板安装位置、负载设备接口等。将组装好的电路放入外壳中，固定好各元件。
  • 测试与优化：将太阳能电池板置于阳光下，使用万用表测量充电管理电路的输出电压和电流，检查是否正常为电池充电。连接负载设备，检查设备是否能正常工作。根据测试结果，调整太阳能电池板的角度、检查电路连接是否有问题，确保设备性能良好。