挑選本科時期的十件電子作品，以時間先后排序整理，展示自己從使用開發(fā)板+成品模塊參加校內(nèi)競賽開始，逐漸掌握開發(fā)技能的過程。帶有【實用】標簽的作品都是根據(jù)真實需求設(shè)計的，能夠解決一些現(xiàn)實問題。每件作品都從背景、任務(wù)、行動、結(jié)果四個維度作簡要說明。

目錄

1. 【競賽】視頻播放器?單片機播放《Bad Apple》，為參加校內(nèi)電子競賽制作，入坑作品。

   SD卡讀寫/LCD12864液晶屏
   

2. 【實用】寢室暖氣改造計劃 將寢室內(nèi)的水暖片改為主動散熱，提高冬天室溫

   DS18b20室溫+水溫檢測/LCD12864屏幕/EEPROM用戶設(shè)置存儲/PWM+MOSFET風扇轉(zhuǎn)速控制/DC-DC降壓

3. 【實用】RFID門禁系統(tǒng) 手機（手環(huán)）NFC或飯卡代替寢室鑰匙，刷卡進門

   RC522 RFID讀卡器/OLED屏幕/EEPROM卡片授權(quán)管理/H型電橋電機驅(qū)動/直線電機

4. 【實用】搖表器 用智能手表刷步數(shù)，解決了微信步數(shù)太少，又不想出門跑步的問題

   減速電機/H型電橋

5. 【實用】實驗室Wi-Fi門禁系統(tǒng)?手機不支持NFC沒關(guān)系，能連Wi-Fi就能開門

   ESP8266 Wi-Fi模塊/推拉式電磁鐵/直線電機/H型電橋

6. 【探索】RC充放電ADC 嘗試搭建積分型ADC電路，讓不支持ADC的單片機能夠測量電源電壓

7. 【課設(shè)】太陽能計算器?使用超級電容+太陽能電池板作為電源的簡易計算器

   矩陣鍵盤/LCD1602液晶屏

8. 【實用】數(shù)控電壓源 工位沒有直流穩(wěn)壓電源，自己做一個

   LM2576T DC-DC降壓電路/DAC/X9C103數(shù)字電位器

9. 【課設(shè)】藍牙體溫計 將MAX30205的stm32驅(qū)動移植到51平臺并開源

   MAX30205高精度體溫傳感器/PW02藍牙串口透傳模塊

10. 【課設(shè)】貯水式熱水器 實現(xiàn)進水控制、加熱、水溫水位檢測、市電電壓檢測功能

    低壓直流水泵/非接觸式液位傳感器/DS18b20溫度傳感器/電熱棒/ZMPT107電壓互感器

正文

1.【競賽】視頻播放器 2017年5月 入坑作品

背景：參加校內(nèi)電子產(chǎn)品設(shè)計競賽，第一次接觸單片機，做出像樣的東西就算成功。

任務(wù)：制作一個簡易“視頻播放器”，播放《Bad Apple》。

行動：用51單片機開發(fā)板、SD讀卡器模塊、12864液晶屏和幾個按鍵做了一個簡易“視頻播放器”，模塊之間使用杜邦線連接。SD卡為FAT格式，將預先轉(zhuǎn)換為8位數(shù)組的《Bad Apple》視頻拷貝至SD卡內(nèi)再插入讀卡器模塊，單片機通過SPI協(xié)議與讀卡器通信，讀出SD卡內(nèi)的數(shù)組并將內(nèi)容顯示在屏幕上。4個按鍵對應(yīng)“播放/暫?！?、“重播”、“快進”、“快退”功能。

踩坑：開發(fā)過程中遇到屏幕只能顯示1/4畫面的問題，如圖所示：

分析原因為STC89C52單片機內(nèi)存不足，12864屏幕共有8192個像素，至少需要1KB內(nèi)存才能一次顯示整個畫面，解決辦法是更換大內(nèi)存的單片機STC89C58RD+，最終成品效果如圖所示：

結(jié)果：初賽大一分組第一名（獲決賽資格），決賽三等獎。成品模塊+杜邦線+開發(fā)板的組合實在簡陋，實用性也不高，決賽比不過高年級學生的作品算是情理之中。

2.【實用】寢室暖氣改造計劃 2017年10月 第一個實用作品

背景：學校宿舍冬天平均每天供暖時長不足10小時，實在太冷，需要想辦法提高水暖片的利用率，從而提升室內(nèi)溫度。

任務(wù)：改造宿舍的被動式取暖器，在供暖時段用風扇吹暖氣片，無供暖時段以及夜間關(guān)閉風扇，避免噪音擾民。

行動：將5個支持PWM調(diào)速的風扇用膠槍固定在木條上，風扇陣列長度與暖氣片相當，如圖所示：

使用兩個DS18b20數(shù)字溫度傳感器分別檢測環(huán)境溫度和暖氣管道水溫。編寫單片機程序，當水溫超過30℃且室溫未達目標溫度時啟動風扇，目標溫度可以使用按鍵或手機紅外遙控器修改。風扇使用場效應(yīng)管模塊驅(qū)動，支持單片機輸出PWM波進行風扇調(diào)速。液晶屏用于顯示當前室溫、目標溫度、暖氣水溫、風扇轉(zhuǎn)速。

踩坑：

①??? 12864屏幕功耗較高，初版方案采用7805線性穩(wěn)壓管將12V電源降至5V為屏幕供電，發(fā)熱量很大。后期改用DC-DC降壓模塊供電。

②??? 剛開始買的風扇不支持PWM調(diào)速，占空比小于90%就不轉(zhuǎn)了，后來換了臺式機用的機箱風扇解決問題。

結(jié)果：冬天門窗關(guān)閉的情況下，室內(nèi)平均溫度相比隔壁寢室提高6~10℃，成品工作展示：

3.【實用】RFID門禁系統(tǒng) 首次使用I2C OLED屏幕、RC522 RFID模塊、EEPROM、IAP下載。第一次制作PCB

背景：有時候出門忘帶鑰匙，碰上宿管阿姨不在崗，會被攔在宿舍門外，需要開發(fā)一種不用鑰匙也能進門的電子產(chǎn)品。

任務(wù)：開發(fā)一款能夠免鑰匙開門的產(chǎn)品，要求能夠使用飯卡或手機/手環(huán)NFC隔著門玻璃解鎖。為了盡可能保證安全，不得使用指紋、密碼鍵盤等需要將電路暴露在門外的解鎖方式。

行動：使用直線電機、H橋電機驅(qū)動、RFID讀卡器、干簧管等零部件制作了一套門禁系統(tǒng)，該系統(tǒng)從墻上的USB口取電。開門邏輯：當RFID讀卡器檢測到已授權(quán)的IC卡或NFC標簽，主控板驅(qū)動直線電機正轉(zhuǎn)，用棉線拉開門閂；當干簧管門磁電路檢測有人推開門，主控驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)，門閂在鎖芯內(nèi)部彈簧的推動下復位。授權(quán)邏輯：在門的內(nèi)側(cè)通過按鍵進入授權(quán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠使用STC12C5A60S2內(nèi)置EEPROM存儲20張卡片信息，根據(jù)OLED屏幕提示選中一個空槽位后將卡片靠近讀卡器，聽到蜂鳴器發(fā)聲、屏幕顯示卡號即完成授權(quán)。

為了方便調(diào)試，程序中加入了IAP下載功能，當單片機串口接收到下載命令時會自動復位到ISP區(qū)進入燒錄模式，無需手動上電復位。

踩坑：

①??? ?初版方案使用減速電機，行程不可控，速度慢且容易拉斷線，后來改成固定行程的直線電機。

②??? 直線電機功率較高，墻插上的USB口直驅(qū)會觸發(fā)斷電保護，解決方案是為加入一塊高倍率鋰電池單獨為電機服務(wù)。

結(jié)果：經(jīng)過一次改版修復問題后，這套系統(tǒng)工作了兩年，受到了室友的一致好評，一直運行到學校搬遷前拆除，功成身退。系統(tǒng)工作狀態(tài)如圖所示：

4.【實用】搖表器

背景：微信步數(shù)太少，又懶得自己走，想到上一個作品（RFID門禁）初版方案淘汰下來的減速電機沒處用，不如拿來做個能搖晃智能手表/手環(huán)的東西刷步數(shù)。

任務(wù)：設(shè)計制作一個搖表器，要求能夠搖晃手表/手環(huán)以達到欺騙計步器的目的。

行動：在減速電機輸出軸上用膠水固定了一截木條，用STC15F104W+H形電橋驅(qū)動減速電機正反轉(zhuǎn)，手表/手環(huán)可以掛在木條上隨著電機運行前后搖擺。元器件焊接在洞洞板上，系統(tǒng)使用Micro USB供電。

踩坑：初版電機驅(qū)動電路使用三極管分立元件搭建，電路發(fā)熱量大，沒出實驗室就燒壞了，后來改成集成式電機驅(qū)動模塊。

結(jié)果：成品效果如圖所示：

5.?【實用】實驗室Wi-Fi門禁系統(tǒng) 首次使用ESP8266

背景：有了寢室RFID門禁系統(tǒng)（作品序號3）的經(jīng)驗，嘗試給自己所在的創(chuàng)新實踐中心206實驗室門閂也做個改造，實現(xiàn)免鑰匙開門。

任務(wù)：由于實驗室門比較厚，RFID無法穿透，因此要求系統(tǒng)在檢測到用戶連接上門禁系統(tǒng)發(fā)射的Wi-Fi熱點后打開門鎖。

行動：與RFID門禁系統(tǒng)（作品序號3）類似，使用直線電機開鎖方案。ESP8266固件使用LUA編寫，設(shè)計功能為創(chuàng)建一個名為“pit206門”的Wi-Fi熱點，當用戶使用密碼連接到熱點時立即踢出該用戶，同時向單片機發(fā)送開門指令。

踩坑：初版方案使用推拉式電磁鐵（下圖所示）初始行程吸力不足，拉不動門閂，換成與之前作品相同的直線電機后解決。

結(jié)果：不完美，系統(tǒng)偶爾不聽使喚，推測是ESP8266與單片機通信電路設(shè)計問題導致有時單片機接收不到開門指令。時間臨近考研初試，沒有改版修復。

6.【探索】RC充放電ADC 對ADC工作原理的探索

背景：嘗試使用STC15F104W（不帶ADC）實現(xiàn)鋰電池電源電壓測量功能

任務(wù)：設(shè)計積分型ADC電路，要求能夠測量3.3V~4.2V電壓值

行動：搭建了一個簡易RC充放電電路，如圖所示：

STC15F104W引腳電平從低到高有一個翻轉(zhuǎn)電壓閾值，在2~3V之間。將P3.2設(shè)置為高阻輸入、P3.3推挽輸出，P3.3輸出高電平經(jīng)過電阻限流后給電容充電，同時開始計時，P3.2口的電壓會隨著電容電壓上升在某一時刻超過翻轉(zhuǎn)電壓觸發(fā)中斷，通過換算充電時間就能得到系統(tǒng)電源電壓，實現(xiàn)ADC功能。

結(jié)果：通過萬用表校準，該電路能夠測量作為電源的鋰電池電壓，并通過LED指示燈告知用戶當前電量。

7.【課設(shè)】簡易計算器 首次使用超級電容和太陽能電池板

背景：課設(shè)。

任務(wù)：使用單片機、矩陣鍵盤、LCD1602屏幕、太陽能電池板、超級電容制作一臺簡易計算器。

行動：實現(xiàn)功能的過程很簡單，這種項目網(wǎng)上一搜一大片，直接拿來用即可。電路設(shè)計時使用5V穩(wěn)壓管消耗多余能量防止電容過充。

結(jié)果：實現(xiàn)了太陽能充電，但由于單晶硅太陽能電池板弱光性能差、程序沒有加入省電設(shè)計，室內(nèi)使用效果不佳，太陽底下給電容充滿電拿到室內(nèi)1分多鐘就會用盡。此后所有的移動電子產(chǎn)品都做了低功耗優(yōu)化。

8.【實用】數(shù)控電壓源 首次使用數(shù)字電位器、DAC。首次脫離成品模塊搭建DC-DC電路

背景：創(chuàng)新實踐中心社團的實驗室比較簡陋，工位上沒有直流穩(wěn)壓電源，移動電子產(chǎn)品開發(fā)過程中的電池欠壓保護測試難以進行。

任務(wù)：設(shè)計一款簡易數(shù)控電源。

行動：通過查閱網(wǎng)絡(luò)資料，決定設(shè)計兩套方案，一是使用LM2576T DC-DC降壓電路+單片機控制X9C103數(shù)字電位器改變Feedback引腳上的電阻分壓策略，二是使用同款降壓電路+單片機DAC。系統(tǒng)采用路由器12V DC電源供電，輸出5V、3.3V兩組固定電壓以及一組可調(diào)電壓。

結(jié)果：兩套方案均實現(xiàn)了要求，使用數(shù)控電源能夠模擬鋰電池電壓下降的過程。

9.【課設(shè)】課程設(shè)計-藍牙體溫計 首次嘗試驅(qū)動移植

背景：課設(shè)。

任務(wù)：使用MAX30205高精度體溫傳感器+STC8G1K17單片機制作藍牙體溫計

行動：當時網(wǎng)上搜MAX30205只能找到arduino和stm32的驅(qū)動，沒有51內(nèi)核的驅(qū)動程序，因此這項課設(shè)的主要任務(wù)是驅(qū)動移植。MAX30205通信方式為I2C，以stm32平臺上的驅(qū)動程序為基礎(chǔ)，照著STC官方I2C例程修改每個函數(shù)，使其符合STC8G1K17硬件I2C接口的使用要求。經(jīng)過調(diào)試，單片機成功接收傳感器發(fā)送的溫度信息。之后在電路中加入鵬為物聯(lián)PW02藍牙串口透傳模塊，讓體溫計能夠?qū)?shù)據(jù)發(fā)送到手機APP。

結(jié)果：作品滿足課設(shè)要求，但由于沒有內(nèi)置鋰電池充電電路，作為實際產(chǎn)品使用并不方便。在CSDN公開代碼供學習交流，順便薅一些下載資源用的積分，百度搜索關(guān)鍵詞“max30205 51”，第一條結(jié)果就是這項課設(shè)作品的代碼下載頁。成品展示：BV1uZ4y1W7JB

10.【課設(shè)】課程設(shè)計-貯水式熱水器 首次使用電壓互感器測量市電電壓

背景：課設(shè)

任務(wù)：設(shè)計一款貯水式熱水器，要求實現(xiàn)進水控制、加熱、水溫水位檢測功能

行動：進水控制功能使用5V低壓直流水泵實現(xiàn)（實際使用時水龍頭有水壓，應(yīng)使用電磁閥控制進水），水泵使用單片機+NMOS管控制。加熱功能由220V交流電熱棒實現(xiàn)，使用單片機+繼電器控制。水溫檢測使用防水金屬外殼封裝的DS18b20，直接投入水中獲取水溫。水位檢測由3個非接觸式液位傳感器實現(xiàn)，傳感器貼在水箱外部，位置分別對應(yīng)低、中、高三個預設(shè)水位。

用戶可以通過按鍵和屏幕與熱水器交互。該作品擁有簡易的UI界面，實現(xiàn)了多級菜單功能，可以設(shè)置目標水溫、目標水位，并通過EEPROM保存在單片機內(nèi)，下次通電時也能根據(jù)用戶先前的設(shè)定開始工作?？刂七壿嫗椋寒斍八坏陀谀繕怂?，啟動水泵進水；當水位超過干燒下限且水溫低于目標溫度，啟動電熱棒加熱，電熱棒控制程序有滯回比較功能，防止頻繁通斷浪費繼電器壽命。

除了課設(shè)的基本要求以外，作品還加入了市電電壓檢測功能，使用ZMPT107電壓互感器和外圍電路實現(xiàn)，將0～220V（有效值）交流電壓轉(zhuǎn)換成0～3.8V（峰峰值）的交流電壓，接在單片機的ADC管腳。單片機每隔1ms采樣一次，對于50Hz工頻交流電，相當于每個周期采樣20次。采樣獲得的最大值（波峰電壓）經(jīng)過線性換算、消抖等數(shù)據(jù)處理，就能得到電源電壓有效值。

結(jié)果：作品滿足課設(shè)要求，成品展示：BV1Je411W7ok

結(jié)語

本科時期的作品大量運用成品模塊，自己設(shè)計的電路部分比較簡單，部分作品沒有保留成品照片和展示視頻。下一篇專欄將會介紹本科畢業(yè)后設(shè)計制作的十件電子產(chǎn)品，全部為【實用】作品，基于真實需求開發(fā)，在產(chǎn)品外觀、電池續(xù)航、硬件成本等方面有明顯提升。