电子设计与原型开发入门

孙德庆

创意工程师、艺术家，现居美国纽约。他是纽约大学互动媒体研究院教授，主讲的研究生课程深受学生欢迎。他也是纽约Think Create设计与工程工作室联合创始人，负责领导团队进行科技创新与技术开发。他对各类电子交互技术有着广泛研究，负责为电子产品、艺术装置等项目提供技术解决方案并制造原型。他曾在肯尼迪家族设计公司、Parallel Development等设计及工程公司任创意工程师，作品被安装在北京、上海、纽约、洛杉矶、西雅图、波士顿、哈利法克斯、迪拜等城市。他的作品曾获得德国红点奖、纽约设计奖等国际奖项，并被新华社、《中国日报》《纽约时报》《连线》杂志、福克斯新闻频道等全球知名媒体报道。

1 原型制作基础 001

1．1　如何良好焊接　001

1．2　如何用面包板高效布线　004

1．3　什么样的电线连接是可靠的　006

1．4　动手做！搭个电子绕环游戏 (Wire Loop Game)　006

1．5　总结及引申　007

2　LED 基础知识　008

2．1　LED 基本原理　008

2．2　LED 有黄金—LED 的结构　008

2．3　正极、负极勿接反—使用LED　009

2．4　如何计算LED 所需限流电阻的值　010

2．5　不同颜色的LED　011

2．6　LED 调光基础——PMW　012

2．7　LED 调光进阶——如何显得自然流畅　012

2．8　其他几种带有LED 字眼的技术　013

2．9　动手做！制作一个2×2×2 LED立体阵列　014

2．10　详细步骤　015

2．11　总结及引申　017

3　LED 应用进阶　018

3．1　Arduino驱动LED 的基本原理　018

3．2　使用Arduino控制多个LED　020

3．3　扫描LED　022

3．4　将功能块拆分成函数　024

3．5　让LED 三维阵列显示动画　025

3．6　驱动更大的LED 矩阵　027

3．7　智能LED　028

3．8　总结及引申　029

4　PCB 原理图设计　030

4．1　我们为什么需要PCB　030

4．2　自制PCB？订购PCB？　031

4．3　PCB术语　032

4．4　PCB设计软件　037

4．5　原理图的内容和结构　037

4．6　动手做！PCB设计软件设计练习　039

4．7　总结及引申　044

5　PCB设计　046

5．1　PCB设计的流程　046

5．2　如何阅读数据手册？　047

5．3　人工检查PCB设计的问题　049

5．4　设置线路图规则　050

5．5　更改网格大小　051

5．6　显示和隐藏不同的层　052

5．7　改变PCB的大小　053

5．8　拖动元器件　054

5．9　去除多余的丝印　055

5．10　开始布线　056

5．11　导出Gerber　059

5．12　导出BOM　060

5．13　总结及引申　060

6　PCB焊接组装　062

6．1　焊接的安全问题　062

6．2　修复电路板　062

6．3　焊接贴片元器件　064

6．4　焊接Arduino M0　066

6．5　烧写Bootloader　071

6．6　焊接排针　073

6．7　总结及引申　073

7　调试Arduino　074

7．1　调试思维模式（The Debugging Mind-Set）　074

7．2　调试Arduino代码的4 种方式　075

7．3　用逻辑分析仪调试代码　077

7．4　扩展：调试Arduino Uno　086

7．5　总结及引申　088

8　实现多任务处理　089

8．1　最基本的LED 闪烁程序　089

8．2　停止使用delay()　090

8．3　状态机　092

8．4　以两个不同频率闪烁LED　093

8．5　将功能块封装成类（class）　094

8．6　睡眠（sleep）　096

8．7　中断（interrupt）　098

8．8　总结及引申　099

9　电机的种类和操作　100

9．1　直流有刷电机　100

9．2　舵机　104

9．3　步进电机　105

9．4　步进电机的连接　108

9．5　直流电机、舵机和步进电机的比较　111

9．6　总结及引申　111

10　电源与通信协议　112

10．1　常见的电源和电源参数　112

10．2　不同种类的电源和应用场景　114

10．3　电线的分类和选用　118

10．4　电池　119

10．5　在Arduino上应用通信协议　121

10．6　总结及引申　124

11　总线　125

11．1　USB　127

11．2　I2C　128

11．3　SPI　131

11．4　1-Wire　132

11．5　RS-485　133

11．6　小练习：在两块Arduino上实现I2C 通信　134

12　信号处理　135

12．1　平滑滤波算法　137

12．2　滞回比较算法　138

12．3　峰值检测算法　140

12．4　包络线检测算法　142

12．5　总结及引申　143

13　Arduino USB 通信　144

13．1　Arduino上几种不同的USB接口　144

13．2　Arduino USB串口通信　146

13．3　Arduino USB键盘通信　148

13．4　Arduino WebUSB通信　149

13．5　总结及引申　152

14　蓝牙低功耗　153

14．1　什么是蓝牙低功耗　153

14．2　蓝牙低功耗的角色概念　154

14．3　在iOS里制造一个蓝牙外围设备　159

14．4　用WebBluetooth制造一个蓝牙中央设备　161

14．5　连接到实体设备　163

14．6　结语　164

本书源自作者在纽约大学主讲的热门课程“电子设备原型设计与实践”。该课程主要面向有基本电子学和编程知识的工程、艺术、设计专业的学生，传授电子产品原型设计、项目开发方法。该课程没有把重点放在研究电路的工作原理上，而是把重点放在实践上，传授如何应用电子技术来解决问题、实现创意。

本书通过14章内容，结合大量有趣的实践练习，向读者介绍电子原型制作的知识和技巧。第1～3章介绍了原型制作的基础知识和关于LED的入门和进阶知识；第4～6章介绍了如何从零开始自己设计一块Arduino开发板，并将它从零件开始一步步打造成有完整功能的开发平台；第7～8章介绍了Arduino的程序调试以及多任务处理；第9～14章为电机、电源、通信、信号处理、蓝牙等进阶内容。

无论是随手翻阅，还是动手做练习，你都能了解产品原型设计及制作的整个过程，同时熟悉交互设计与快速迭代的方法。无论你是创客、艺术家、设计师、学生，还是相关从业人员，你都可以从本书中有所收获。