面向孩子们的电子学-全-

面向孩子们的电子学（全）

原文：zh.annas-archive.org/md5/ee9088953301fbc676f0e3718f2bf7c3

译者：飞龙

协议：CC BY-NC-SA 4.0

前言

欢迎来到儿童电子学！这本书将教你如何通过组合电视、电子玩具、收音机和世界上所有其他小工具里面的相同零件，来制作有趣的东西。你将制作有趣的实验，比如用柠檬发电的灯泡，也会制作有用（但仍然有趣）的项目，比如入侵警报器和乐器。

但你所做的不仅仅是按照指示操作：你还会学到每个项目中每个组件是如何工作的。

我的希望是，当你了解了这些组件如何工作时，你会看到如何通过不同的方式组合这些组件来创造属于你自己的发明。让灯光闪烁是我在电子学中学到的第一件事。当我看到它是如何运作的时，突然间，一个全新的世界向我展开。从那时起，我就开始制造机器人、音乐播放器、迷你计算机，甚至一个能让你透过墙壁看到东西的设备！只要有练习，你也可以制作这些东西——而这本书将教你开始这一旅程所需要的基本技能。

关于本书

当我大约 14 岁的时候，我觉得计算机很酷，但我完全不知道它们是如何工作的。它们看起来就像魔法一样，我觉得我永远也不会理解它们，甚至也无法造出一台计算机。幸运的是，我的爸爸是工程师，他有一种非常好的解释方式。当我问问题时，他不仅向我展示了事物是如何运作的，还教我如何自己动手做出类似的东西。

我写这本书是为了给我小时候希望能拥有的书，希望你喜欢！

适合谁阅读本书

如果你曾经看过一个电子小工具，心里想，“那是怎么工作的？”或者“我怎么能做出这个？”就像我当时的想法一样，那么你来对地方了。不管你是 8 岁还是 100 岁，只要你有好奇心并且保持一种玩乐的精神，这本书就适合你。

如何阅读本书

我建议你按顺序阅读这本书，因为每一章的内容都是建立在前一章的概念和技能基础上的。

每一章至少都有一个动手项目。动手做这些项目！电子学是一项非常实用的技能，读关于某个组件如何工作或某个项目应该做什么，和亲自体验它是不同的。只是确保在开始之前先完整阅读项目，以便理解其中涉及的步骤。

如果在制作项目时遇到问题，不用担心：这是每个人在做电子工作时都会遇到的情况——包括我。只要坚持下去，研究你的电路，必要时重新接线，直到它能正常工作。当你为让电路正常工作而奋斗了几个小时，突然发现错误并使电路正常工作时，你会觉得非常棒！如果你卡住了，可以找一个朋友或家人，问问他们能否帮忙。

如果书中有些部分你没有立刻理解，我建议你继续阅读。不要让细节阻碍你。等你做了更多项目后，再回头看看那些特定的主题。

本书内容是什么？

在你学习本书的过程中，你将逐步建立起电子学的知识，从基本但重要的信息和简单电路开始。基础之后，你将搭建更复杂的电路，并接触到电阻器、电容器、晶体管和集成电路等组件。为了直观理解电子学的工作原理，并将其应用到实际中，你将在每一章中制作有趣的项目。

在本书的最后，你将完成一个终极项目：一个可以和朋友一起玩的游戏。到那时，你将积累足够的经验和知识，可以修改游戏，甚至自己发明一个全新的游戏！

本书分为三个部分。第一部分：玩转电力 是本书其余部分的基础，内容涉及电力的基本原理以及电力的实际运作方式。

第一章：什么是电？ 介绍了电的科学原理，并描述了电路打开设备所需的基本要求。

第二章：用电和磁力让物体运动 展示了如何利用电力移动物体。在本章中，你将从零开始搭建一个电动机。

第三章：如何产生电力 介绍了电池和墙壁插座如何提供电力。当然，你也将亲手制作电力源！

第二部分：搭建电路 是你真正动手操作的地方。你将接触到一些电子学中最重要的组件，并学习如何搭建永久性和临时性电路。

在 第四章：用 LED 创造光 中，你将首次在面包板上搭建电路，创建一个原型，这只是一个临时电路。你将学习电阻器、发光二极管（LED）以及如何将这些部件结合使用。

第五章：第一次让灯闪烁 展示了电容器和继电器这两种新组件的工作原理。你甚至会将这些组件与 LED 结合，创建一个能够闪烁灯光的电路。

第六章：让我们来焊接吧！ 教你如何进行焊接。通过焊接，你可以将电路从原型转变为一个真正的设备，这个设备将持续使用多年。

第七章：用电控制物体 介绍了晶体管，这是一种使电路能够控制其他电路的组件。你将了解晶体管的工作原理，并学习如何使用它们来构建触摸传感器和简单的闹钟。

在第八章：制作乐器中，你将学习什么是集成电路以及电路如何发出声音。你将结合这些知识来制作一个乐器。

第三部分：数字世界介绍了数字电子学，这是几乎所有现代技术的基础。

在第九章：电路如何理解一和零中，你将学习 1 和 0、位和字节，并了解如何利用它们进行通信。

第十章：做出选择的电路教你如何构建使用逻辑做决策的智能电路。你将构建一个秘密代码检查器，并学习如何将它与入侵警报器结合使用。

第十一章：记忆信息的电路展示了如何使用逻辑门创建可以记住信息的电路，类似于计算机。然后，你将利用它来制作一个电子投币机。

第十二章：制作一个游戏！专注于一个大型项目。你将通过将书中的所有知识结合起来，展示你的新技能，制作一个反应速度游戏。

最后，你会在书的后面找到一个实用资源附录，其中包含了帮助你查找元件值、进行一些基础电子计算等的备忘单。你将在整本书中详细学习这些概念，但即使是电子学专家，有时候也需要快速参考！

你的电子实验室

电子项目的一个美妙之处在于，你的“实验室”可以是任何你想要的地方——它不一定是车库或工作间。你只需要一个平坦的工作表面，足够容纳你的工具和元件。只需收集好构建最新发明所需的材料，就可以开始了。

本书中的每个项目都包括了一个方便的电子组件和工具清单，供你构建项目时使用。在开始动手之前，检查一下购物清单，确保你拥有所有必需的材料。我还创建了一个完整的组件和工具清单，涵盖了书中所有项目，你可以在书本的网页上找到该清单，链接地址为www.nostarch.com/electronicsforkids/。该清单将始终包含最新的零件编号和可以购买的套件链接，这些套件包含了所有必需的组件。

有用的工具

无论你是在构建本书中的项目还是自己独立做其他项目，总有一些物品是非常有用的：

数字万用表（Jameco #2206061，Bitsbox #TL057，Rapid Electronics #55-6662），用于测试连接并确保项目正常工作。

一把线剪（Jameco #35482, Bitsbox #TL008）

一大卷绝缘线（Jameco #36792, Bitsbox #W106BK）

电工胶带，用于保护裸露的电线或固定物品。

9V 电池——书中的几乎每个项目都用到！

一堆 LED 灯（Jameco #18041, Bitsbox #K033）

一堆电阻（Jameco #2217511, Bitsbox #K017）

安全眼镜，在剪切元件引脚、剥线或焊接时佩戴。

你可以从当地的五金店或任何在线电子零售商购买大部分这些材料，例如 Jameco (www.jameco.com/), SparkFun (www.sparkfun.com/), 或 Bitsbox (www.bitsbox.co.uk/)。查看 “在线电子商店” 在 第 286 页 了解更多选项。

你可能还需要一把剪刀、一些废纸和铅笔来做笔记。

安全第一！

本书中的所有电路都使用低电压，它们不危险，适合制作和玩耍。尽管如此，使用电子元件和工具时仍然有一些安全小贴士需要记住：

修剪元件或焊接时要佩戴安全眼镜。

只使用工具的预定用途。烙铁是热的，线剪是锋利的——如果使用不当，它们会伤到你。如果你不确定如何使用某个工具，向大人寻求帮助。

大人应当在孩子使用小部件、焊料、工具等时进行监督，教导他们如何安全使用这些东西。

将电子元件放在婴儿和年幼儿童无法触及的地方。

本书中的大多数项目使用电池，但有些使用墙上插座的电源。仔细按照说明操作这些电路。切勿将元件直接插入电源插座，否则会受伤。

有些项目确实有步骤需要特别小心，我会在说明中明确标出警告，例如这样：

警告

当你看到这种类型的提示时，要小心它所提到的步骤。

不过，电子学是一个安全的爱好，所以你不会经常看到这些警告。即使看到，也不要让它影响你享受乐趣。只要运用常识并遵循说明，你就不必担心什么。

现在我们开始吧！

第一部分

与电的玩耍

第一章：什么是电力？

按下音乐播放器上的一个按钮，歌曲突然从扬声器中响起。按下电视遥控器上的按钮，你最喜欢的节目立刻播放。这些奇迹之所以发生，都要归功于电力，一种为你家中的所有技术提供动力的能量。等你完成本书后，你将成为一个电子学高手，然后你可以尝试利用你的能力来制造任何你能想象的发明！

本书的主题是理解电力并使用它来制造令人惊叹的事物。在本章中，我们将探索电力是如何工作的，接着你将制作一个完整的电子项目：一个防盗警报器，当有入侵者进入房间时，会发出警告。一旦你掌握了使用电力，你就可以制作各种有趣的装置，比如一个乐器或者一个与朋友们一起玩的灯光游戏。事实上，你将在本书中制作这些。

项目 #1：打开一个灯！

当你在房间里按下灯光开关时，灯泡会立刻变亮。让我们从一个小实验开始，看看电力是如何让灯泡发光的。

购物清单

对于这个项目，你将需要以下零件：

一个标准的 9V 电池来为电路提供电源。

一个小型的白炽灯泡，额定电压为 9 到 12V（DigiKey #CM394-ND，Bitsbox #OP037，或类似的灯泡来自五金商店）。

第 1 步：检查灯泡

仔细观察你的灯泡；你应该能看到玻璃内部有一根细金属丝灯丝。这根灯丝的一端连接到底座的金属侧面，另一端连接到底部的金属触点。

第 2 步：将灯泡连接到电池

将你的 9V 电池竖直放在桌子上。拿起灯泡，轻轻放置，使底部接触到一个电池端子，金属侧面接触到另一个电池端子。当底部和侧面都接触到电池时，灯泡应该会亮起来。

恭喜你：你刚刚用电力生成了光！灯泡发光是因为当你将它接触到电池触点时，电流通过灯泡内的金属丝灯丝。灯丝随后加热并开始发光，产生光亮。

电力是如何点亮灯泡的？

但是电力是如何让电线加热的，为什么灯光会立刻点亮呢？有四个概念结合起来使得这一切发生：

电子

电流

电压

电阻

这些电力的基本概念彼此依赖，我们将在本节中进行探讨。

什么是电子？

你周围看到的一切都是由原子构成的，原子是非常小的粒子，必须使用特殊的显微镜才能看到它们。但原子是由更小的粒子构成的，分别叫做质子、中子和电子。

质子和中子形成了原子的核（即其中心），电子围绕原子核旋转，就像行星围绕太阳旋转一样。质子和电子都有电荷：质子带有正电荷，电子带有负电荷。这就是电子为何会与原子结合在一起的原因。正负电荷像磁铁的两极，彼此吸引。

某些材料是导电的，这意味着如果你对它们施加能量（比如电池存储的能量），电子就会开始从一个原子移动到下一个原子！

你的灯泡内部的灯丝是由导电金属制成的，这意味着它充满了电子，只等着一个推动力来让它们移动。

电压推动电子

当你将电池连接到灯泡时，你实际上是在灯丝上施加了电压。电压推动电子通过导线，电压的单位是伏特 (V)。电压越高，电子就会通过导线流动得越多。

想象一根导线像是充满了弹珠的管子：当你从一边放进一个弹珠时，另一边会同时弹出一个弹珠，毫不延迟。

你越往一侧推弹珠，另一侧弹出的就越多。电子在导线中也像这样行为，当电压施加到它们上面时。

电流流动

电流是通过导线流动的电子数量，它的单位是安培 (A)，我们通常简写为安。你可能也听说过电流这个词用来形容河流，比如“这条河流有强烈的水流。”这意味着有大量水流经河流。

电流也类似：强电流意味着有大量电子通过导线流动。当你增加电路中的电压时，电流也会增加。

就像水由于重力流向低处一样，电流从电池的正极流向负极。实际上，电子本身是朝相反方向流动的，从电池的负极流向正极*。但当我们讨论电流时，我们说它从正极 (+) 流向负极 (–)。

电阻减少电流

电压推动电子形成电流，而电阻限制电流。就像玩花园水管一样：如果你捏紧水管，你增加了水流的阻力，使得水流量减少。但如果你更大开水龙头（就像增加电压一样），压力增加，尽管你仍然以相同的方式捏住水管，更多的水也会流出。电流中的电阻就像这样工作，它的单位是欧姆（Ω）。

现在你了解了电子、电流、电压和电阻，我将解释它们是如何一起工作以点亮你的灯泡的。

点亮灯泡

你灯泡内的金属丝的两端连接到灯泡外部：一端连接到灯座的金属侧，另一端连接到底部的金属接触点。当你将电池连接到灯泡时，你创建了一个所谓的电路。电路就是一个闭合路径，它允许电流从电压源的正极流到负极。

电池上的电压推动电子通过电路，包括灯泡内部的灯丝。灯丝有电阻，并限制电路中的电流。当电子努力通过灯丝的电阻时，灯丝变得非常热，开始发光并产生光。为了使电池能够推动电子，电路必须是一个闭合回路，从电池的正极到负极。

电力总是需要一个闭合电路才能工作。如果你断开了电路的任何一侧，灯泡就会立即熄灭！让我们更详细地看看电路。

电路为什么像管道系统一样？

让我们继续通过将电力与水进行比较来思考。想象一个带有水泵的管道系统，管道始终被水完全充满。在某个地方，管道变窄了。

水泵就像为电路提供能量的电池。管道的窄部分减少了水流量。这段狭窄的管道就是电阻。通过管道的水量就是电流。

现在想象你能在管道系统中某个地方插入一个测量装置，告诉你每秒钟流过管道的水量。请注意，我这里只是说水流过管道中某个随机选择点的量，而不是管道中水的总量。这就是我们在电路中讨论电流的方式：它是每秒通过某个点的电子数量。

认识开关

当你环顾四周时，可能会发现家里到处都是开关。你经常用它们来开关灯！当房间的灯亮着时，它一定是闭合电路的一部分，因为灯泡中有电流通过。那么，当你把开关关掉时会发生什么呢？关掉开关就相当于断开了电路中的一根线：它阻止了电流的流动，关掉了灯，就像我们之前看到的断开电路一样。

你还可以在周围找到哪些开关？你可能会找到一个开关来开关电脑，一个用于按门铃的开关，一个用于判断冰箱门是否打开的开关等等。

开关控制电流，它们是非常简单的设备。它们通过连接两根电线来闭合电路，或通过断开两根电线来打开电路。开关内部其实只是一些连接或断开的金属片。

当开关打开时，灯是关闭的；当开关关闭时，灯就亮了！这个原理非常简单，但非常实用。仅凭这些知识，你就可以创建一些巧妙的电路，这正是我们接下来要做的事情。

项目 #2：入侵者报警

在本章中，我们了解了电流需要一个闭合电路才能让电路发挥作用，并且我们已经研究了开关是如何工作的。现在，让我们用开关来构建一个电路吧！

你可以用许多不同的东西来制作一个开关——甚至是门。在这个项目中，你将把门变成一个巨大的开关，并利用它来制作一个入侵者报警系统，告诉你什么时候有人尝试进入房间。

为了制作报警系统，我们会把一些电线和铝箔连接到门上，这样当门关闭时，电路是断开的，什么都不会发生。但当门打开时，电路闭合，蜂鸣器响起，发出红色警报。

我们将从门上方挂下一根裸露的电线，将一条铝箔带放在门上，并将这些部件连接到电路的不同端。然后，当门打开时，裸露的电线会接触到铝箔并闭合电路，从而使蜂鸣器响起。

购物清单

蜂鸣器（Jameco #2173870，Bitsbox #ST016），它会发出哔哔声。蜂鸣器有被动和主动两种版本。被动蜂鸣器需要音频频率输入，而主动蜂鸣器只需要电压。对于这个项目，你需要一个适用于 9V 电池的主动蜂鸣器。

标准 9V 电池，为电路提供电力。

9V 电池夹（Jameco #11280，Bitsbox #BAT033），用于将电池连接到电路。

铝箔

裸露电线（Jameco #2098478，Rapidonline.com #05-0320），可以使用一些软电线、旧的钢吉他弦或类似的物品。

胶带用于固定所有物品。你可以使用遮蔽胶带、电工胶带或任何你手头有的胶带。

工具

一把线钳（Jameco #35482，Bitsbox #TL008）用来剪切或去除电线的绝缘层。

一把剪刀（可选）对于精确地剪裁铝箔非常有用。

提示

如果你想让剥线变得更加简单，可以购买一把真正的剥线钳，比如 Jameco #78992，它们有槽口，这样你就不会不小心把电线切断了。

第 1 步：蜂鸣器是否发出声音？

首先，测试蜂鸣器看看它是否发出声音。将蜂鸣器的红线连接到电池的正极（标有+），黑线连接到电池的负极（标有-）。

蜂鸣器现在应该会发出响亮、清晰的嗡嗡声或滴滴声。如果你从电池上断开一根电线，蜂鸣器应该会停止发声，因为电路不再是闭合回路。

注意

如果你的蜂鸣器只是发出了咔哒声或根本没有发出声音，可能你使用的是无源蜂鸣器。无源蜂鸣器本身无法发出声音，因此你需要使用有源蜂鸣器来完成这个项目。这个项目推荐的蜂鸣器应该可以解决这个问题，具体参考购物清单中的内容（第 12 页）。

第 2 步：准备铝箔

使用剪刀剪下一条大而闪亮的铝箔条，放在门的顶部。剪成一条直的铝箔片，宽约 1 英寸，长度与铝箔卷的宽度相同。

第 3 步：给门加上铝箔

使用胶带将铝箔条固定在门的顶部，胶带要分别粘在铝箔条的两侧。铝箔将作为电池和蜂鸣器电线的接触点。

第 4 步：准备触发线

拿一根大约 10 英寸长的裸露软电线。裸露电线是指没有塑料外壳的电线，而绝缘电线是金属被塑料包裹的电线。只需找一根已经裸露的电线，例如吉他上的钢弦，或者用你的线钳从购物清单中的线轴上剪下一段（第 12 页）。这将是你的触发线。

注意

你也可以使用线钳去除或剥去绝缘电线上的塑料。如果你打算这么做，请找大人帮忙！

第 5 步：连接蜂鸣器和触发线

使用胶带将裸露的触发线的一端连接到电池夹黑线的裸露金属端。连接两根电线很简单，方法如下：拿起你想连接的两根电线，将它们的两端缠绕在一起，确保金属部分接触！然后用胶带将它们包裹在一起。

按照相同的步骤，将电池夹的红线连接到蜂鸣器的红线。

第 6 步：安装蜂鸣器和触发线

现在，让我们把触发线和蜂鸣器放在门的上方。首先，把触发线用胶带固定在门框上方，这样当门关闭时，触发线会挂在门前；当门打开时，触发线会躺在门顶和铝箔条上面。

接着，将蜂鸣器用胶带固定在门框上，确保黑色电线能触碰到门顶的铝箔。将黑色电线固定在铝箔上，使电线的裸露部分能触碰到铝箔。

第 7 步：添加电源

将电池放置在门框的顶部，靠近电池夹。如果需要，可以用胶带固定它。然后将电池夹连接到电池上。

一旦电池连接好，你制作的入侵警报器应该像这样：

第 8 步：设置入侵警报！

通过开关门来测试报警器。当门打开时，暴露的电线应该触碰到铝箔，导致蜂鸣器发出响亮的警报。为了更逼真的测试，可以邀请别人来打开门！

第 9 步：如果入侵警报不起作用怎么办？

如果蜂鸣器没有响，你可能需要稍微调整触发线的位置，确保当门打开时，电线能触碰到铝箔条。如果触发线已经正确接触铝箔，试换个电池。如果还是不行，可能需要重新用胶带固定电池引线。

接下来是什么？

现在你已经掌握了电学基础——电子流通过电线，产生作用，比如点亮灯泡或发出警报。而且你也知道，要让电子流通过电路，你需要一个电压源，比如电池，以及一个闭合的电路。这就是你开始动手电子制作的全部所需！

你还能想出用所学的知识制作什么吗？还有很多其他东西可以制作成开关。例如，试着为你的衣柜制作一个报警器，以防止好奇的兄弟姐妹或朋友接触你的个人物品。或者怎么样，试试做一个静音报警器？只需将蜂鸣器替换成灯泡！

在接下来的两章中，我们将探讨电力是如何产生的，以及如何利用电力让物体运动。

第二章：使用电和磁铁使物体移动

大磁铁吸引小的金属物品；小磁铁则会粘附在大的金属物体上。例如，冰箱门通常是大的金属块，所以很容易用小巧的装饰性磁铁覆盖它们。你可能在卡通片中也看过磁铁：角色们喜欢使用巨大的马蹄形磁铁来制造麻烦。你可以在自然界中找到磁铁，或者用电制造它们。用电制造的磁铁叫做电磁铁。

你可以使用电磁铁来移动物体，而且你甚至不需要是超级英雄才能做到！事实上，你每天看到的很多东西——比如电动机、扬声器和商店的自动门——之所以能工作，是因为电磁铁使它们内部的某些部件移动。

电磁铁很容易制作，在本章中，你将制作一个可以通过开关开关的电磁铁。然后，你将使用电磁铁制作你自己的电动机！

磁铁是如何工作的

磁铁有两个极，北极 (N) 和 南极 (S)，并且它们被一个磁场所包围。

如果你把两个磁铁并排放在一起，一个磁铁的北极会吸引另一个磁铁的南极，并排斥那个磁铁的北极。试试把两个磁铁推到一起。如果你不加力，它们应该会在各自的相反极性处自然吸附。现在，试着把两个相同极性的磁铁推到一起。会更难一些吧？相反的极性会相互吸引，而相同的极性会相互排斥。

注意

薄而柔韧的冰箱磁铁没有两个明显的极性。相反，它们有许多极性相反的极点靠在一起，所以更难感受到磁铁的吸引和排斥。

但是磁铁并不是吸引所有材料。例如，塑料对磁铁没有影响。试着测试一下你周围的一些金属物品吧！

试试看：找一些有磁性的物体！

拿一个磁铁，把它放在不同材料制成的物体上，例如：

铝箔

一把不锈钢勺子

一罐汽水

一根铁钉

一块金属首饰

几个不同的硬币

磁铁吸引或粘附哪些物体呢？你应该会发现磁铁会吸引某些金属，但并不是所有金属都会被吸引。铝箔会发生什么呢？

事实证明，如果你给某些金属通上电，它们就能变成磁铁。这就是电磁铁的作用所在。

认识电磁铁

当电流通过电线时，会发生一件奇怪的事情：电流在电线周围产生一个磁场。

然而，一根导线产生的磁场非常弱。为了增强磁场，你需要让电流流过许多相互接近的导线。但你依然只需要一根导线：你只需将导线绕成多个圈，形成一个线圈，然后通过它通电。每个线圈的磁场会重叠并合并，产生更强的磁场。如果你把导线绕在一块铁上——比如钉子、螺栓或螺丝——你会得到更强的磁场。

创建电磁铁的全部步骤就是将电池连接到绕成圈的导线的两端，形成一个闭合电路。当电流通过导线时，它包围的铁块开始像磁铁一样工作，一个端点为南极，另一个端点为北极。哪个极是哪一个，取决于电流的方向以及线圈的缠绕方向。当你断开电池时，电流停止，磁场消失。

制作电磁铁将帮助你开始理解如何在现实世界中利用电流制作像扬声器这样的东西，所以让我们来做一个吧！只要有足够的电流、足够的导线和正确的电路，你甚至可以制作出像你最喜欢的卡通中那样的超强磁铁，但现在我们从一个小的开始。

项目 #3：制作你自己的电磁铁

你了解如何制作电磁铁背后的原理。但是，阅读理论与在现实生活中实际制作东西是不同的，所以现在是时候来点有趣的事情了！

你将用导线和螺栓制作你自己的电磁铁。你需要做的就是将导线绕在螺栓上几圈，然后将电池连接到导线上。为了方便开关电磁铁，你还需要在电路中加入一个开关，这样你就能控制电流是否流过导线。

购物清单

一个 1.5 伏的碱性电池（C 型）（Jameco #2112428，Bitsbox #BAT040），像旧款手电筒使用的那种大圆形电池。不要使用可充电电池或插电电源。

绝缘实心电线（Jameco #36792，Bitsbox #W106BK），大约 7 英尺长。标准连接线也可以使用。

胶带，用于固定所有物品。你可以使用美纹纸、电工胶带，或者任何你手头有的胶带。

垫圈或回形针，或其他小的金属物品，你的电磁铁可以吸起它们。

一个螺栓，用来绕导线。选择一个较大的螺栓，这样可以为导线绕多圈腾出空间。我使用的螺栓是 0.3 英寸厚，4 英寸长。

一个开关（Jameco #581685，Bitsbox #SW018），用来开关电磁铁。

工具

一把线切割器（Jameco #35482，Bitsbox #TL008）用于剪切或去除电线的绝缘层。

一个标准磁铁

步骤 1：检查你的螺栓

你的螺栓将作为电磁铁的核心，使其更强大。但并非所有材料都适合作为电磁铁的核心！大多数金属螺栓应该可以使用，但如果你运气不好，找到一个由非磁性材料制成的螺栓，那么你的电磁铁将效果不佳。

要检查螺栓是否适用于这个项目，只需将其靠近任何标准磁铁。如果磁铁吸引了螺栓，那么这个螺栓就适合使用。

步骤 2：去除线圈电线一端的绝缘层

为了将线圈电线连接到电池和开关，你需要露出电线两端的金属部分。你将使用线切割器剥去大约 0.5 英寸的电线绝缘层。绕完线圈后，你需要对电线的另一端做同样的操作。如果你从未做过剥线操作，这可能有点困难，所以可以请父母或老师帮忙，帮助你入门。

首先，用切割器轻轻夹住电线的末端。

用线切割器施加足够的压力，只切割电线周围的塑料层，而不是电线本身。当你切开绝缘层后，你的电线应该像这样：

然后，将线切割器放入你切割的地方。用力挤压线切割器，确保刀片能抓住松散的塑料。用线切割器轻轻地将塑料拉掉，避免切到金属线。

现在，你应该有一根末端裸露金属的电线，像这样：

如果剥线一开始觉得困难，不要担心：随着练习，你会发现它变得容易得多。

步骤 3：绕制电线

拿起电线，将其绕在螺栓上 50 到 100 圈。每端留出约 3 英寸的电线松散悬挂。确保不要用完所有电线；你需要留下一段约 4 英寸长的电线用于后续步骤。

将电线缠得尽可能紧，并用胶带固定端头，确保线圈保持原位。我们称这种绕制的电线为电磁铁的线圈。

重复步骤 2，去掉线圈另一端的绝缘层。

步骤 4：将负极电池端连接到线圈

将线圈的一端——哪一端都可以——连接到电池的负极端。用胶带将其固定在电池上。

警告

请确保你使用的是推荐的 1.5V 电池！更高电压的电池可能会向线圈输送过多的电流，从而使电池和线圈变得足够热，可能会烫伤你。

步骤 5：连接开关

在第一章中，我曾展示过如何制作自己的开关，并描述了如何使用开关来控制设备的开关。现在，你将把一个预先制作好的开关连接到电磁铁上，以控制它的开关。一个开关通常有三个引脚，你可以连接这些引脚。

在本项目购物清单中的开关（第 24 页），引脚 2 是公共引脚，它连接到引脚 1 或引脚 3，具体取决于按钮的位置。如果按钮按向引脚 1，则引脚 2 和引脚 1 连接；如果按钮按向引脚 3，则引脚 2 和引脚 3 连接。

一些开关只有两个引脚。在这种情况下，按钮处于一个位置时这两个引脚连接，处于另一个位置时则不连接——就像你在第 2 个项目：入侵警报中制作的开关（第 11 页）一样。

将线圈的另一端固定到开关的引脚 1，并确保开关的按钮被按向引脚 3。然后，从你的线轴上剪下一段大约 4 英寸长的新电线，并剥去两端的绝缘层，露出金属部分。将新电线的一端连接到电池的正极，一端连接到开关的中间引脚。使用胶带确保电线正确连接并保持稳定。

第 6 步：测试你的超级电磁铁

就是这样，电路搭建完成！现在，来测试一下。如果你一切连接正确，电磁铁应该此时是关闭的。

首先，找一块合适的金属来吸引你的电磁铁。一个小的金属回形针应该可以，但我用了几片小钢垫圈。磁铁并不会吸引所有金属——例如，铝箔就不是磁性的——因此，先用普通磁铁靠近你想吸引的金属，确认它是否具有磁性。

然后，翻转开关，并将电磁铁放置在回形针或其他金属物体附近。如果你找到了开启的位置，螺栓应该会把金属物体吸引过来。

如果没有任何反应，请将开关按到另一个位置；此时螺栓应该开始吸引金属物体。

电磁铁消耗大量电力，所以如果你长时间保持开关开启，电池会迅速耗尽。你可能还会注意到电池和线圈变热。尽量将电磁铁开启的时间限制在几秒钟内，并且在离开电路之前，务必断开电池。

第 7 步：如果电磁铁不起作用怎么办？

确保你使用了绝缘线来绕过螺栓。线材必须有一种绝缘层包裹在金属外面；否则，它无法正常工作。原因是如果没有绝缘层，电流不会沿着线圈绕过螺栓，而是会通过螺栓（如果螺栓是导电的）或通过相邻的线圈（如果线圈之间有接触）。在这两种情况下，电流将像你只用了一个粗线一样运作。

另一个可能的问题是电池没电。尝试换一个你确认有电的电池。

如果你确认使用了绝缘线，并且电池有电，请检查开关和电池的连接，正如我在步骤 4 和 5 中所描述的。如果不确定，重新连接可能是个好主意。

认识电动机

正如我在《认识电磁铁》一章中所描述的那样，第 22 页指出，带电流的导线会产生磁场。当供电时，项目 #3 中的线圈将拥有南北极，就像其他任何磁铁一样。相同的磁极会相互排斥，而相反的磁极会相互吸引。因此，如果你将一个带磁的线圈放在一个普通的磁铁上，并让相同的磁极靠近，线圈会尝试自己旋转。

如果你把线圈放在某种支架上，使它能在磁铁上自由旋转，它会来回摆动，但不会完成一整圈。这是因为当线圈转过半圈时，极性相反的磁极会面对面并相互吸引，从而迫使线圈朝相反方向转动。

如何让线圈继续朝一个方向旋转？你只需要找到一种方法，在线圈转到原始位置时，暂时断开电池连接，并在回到起始位置时重新接通电池。接下来会发生什么呢？线圈在通电时开始运动，并推动线圈转过一半。由于你在一半过程中断开了电池，现有的运动会保持线圈继续向前转。当它回到原始位置时，电池重新连接，给线圈再加一推，它就会继续按同样的方式旋转。

电动机基于磁极相互吸引和排斥的基本原理。

项目 #4：制作电动机

在本章中，你已经制作了自己的电磁铁，并学习了电动机的工作原理。现在，是时候将这两个概念结合起来了。在这个项目中，你将从零开始制作自己的电动机！

你将使用一个磁铁和一卷电线。线圈会旋转，这个旋转的线圈被称为电动机的转子。你将构建电动机，使得转子线圈只有在旋转的前半段通过电流。磁铁应该推动电磁铁在旋转的前半段，而转子线圈应利用它从第一次推动中获得的能量继续旋转第二半段。

购物清单

一颗 1.5 伏的碱性电池（C 型）（Jameco #2112428，Bitsbox #BAT040），就像老式手电筒中使用的那种大圆形电池。

绝缘实心电线（Jameco #36792，Bitsbox #W106BK），约 13 英尺。刚性的绝缘电线将用于绕线圈并支撑线圈。

胶带用于固定所有物品。你可以使用遮蔽胶带、电工胶带或任何你有的胶带。

一个纸杯或塑料杯用来固定所有物品。

两个圆盘磁铁（Jameco #2181319，Bitsbox #HW145），越强越好。

警告

始终将像这样的超强小磁铁远离婴儿和幼儿。这些磁铁如果被吞咽，非常危险。

工具

一把电线剪（Jameco #35482，Bitsbox #TL008），用于切割或去除电线的绝缘层。

步骤 1：制作转子

首先，我们将制作一个新的电线线圈；这个线圈将是你电动机的转子或旋转部分。要制作转子，首先取出你的电线卷，将大约 1.5 英寸的自由端剥去绝缘层。然后，将电线绕在电池上。

如果你购买了我在本项目购物清单中推荐的电线（第 34 页），尝试绕大约 30 圈；如果你使用的是较细的电线，可以多绕一些。关键是使线圈尽可能具有磁性，同时又不至于太重。更多的绕圈可以让转子更具磁性，但也会让它变重。

小心地将缠绕的电线从电池上滑下来。将绕线收拢成一个圈，并将电线的两端分别绕在圈的两边几圈，以便保持线圈的完整。然后，从电线卷中剪下这个圈，留下约 1.5 英寸长的另一端。接着，也去除这端的绝缘层，让里面的金属部分暴露出来。如果你使用的是有塑料绝缘层的电线，可以按照项目#3 的第 2 步（第 26 页）中描述的方式使用电线剪。

步骤 2：构建电动机的结构

先将线圈放一边，拿出纸杯。在杯子的一侧距顶部约 0.4 英寸的位置打一个孔，再在距底部约 0.4 英寸的位置打一个孔。通过这两个孔拉入一根约 8 英寸长的硬电线。然后在杯子的另一侧做同样的操作。将杯子倒置，去掉两根电线的端部绝缘层，并将电线粘贴到杯子上，确保它们保持原位。

现在位于底部的电线端将连接到电池，而顶部的电线端将与转子连接并支撑它。将两根电线的顶部弯成两个 U 形，确保每个 U 形的底部有裸露的金属，以便它能接触到转子上裸露的电线。这种 U 形结构将是电池与转子之间的连接。

步骤 3：放置磁铁

将一个磁铁放在杯子顶部。然后将另一个磁铁放入杯子内部，使两个磁铁通过杯子相互吸引。将转子放入 U 形结构中，并调整磁铁的位置，确保它们位于中心，正好在线圈下方。

步骤 4：重新绝缘部分线圈

如果你此时连接电池，电动机将无法工作。连接了线圈转子后，你会看到有运动，但转子只是来回摆动，因为它总是与电池连接。你需要一种方法，在电池中途与线圈断开连接，这样它就能先被推开远离磁铁，然后释放，直到它转动一圈。然后它可以重新与磁铁连接并再次被推开，依此类推。你可以通过用永久性标记笔在转子的一个臂上进行绝缘来实现这一点。

将线圈平放在桌面上，并使用永久性标记笔沿着一侧的电线画线，使其不具导电性。画线时确保转子在环形电线平放在磁铁上方时与电池断开连接。

步骤 5：加速你的电动机

让我们启动电动机！通过将两根电线粘到电池的正负极端子上来连接电池。

现在，将转子放入 U 形结构中。电动机应该开始转动。你可能需要稍微推动一下它。虽然它不能驱动汽车，但如果它能工作，那么你肯定已经用电让某物运动了。恭喜！

步骤 6：如果电动机不起作用怎么办？

你能看到任何运动吗？如果你运气很好，它会立即工作，但你很可能需要做一些调整。以下是一些可以开始的地方：

1. 确保线圈放置的位置是：从裸露的电线开始，也就是不是你用标记笔覆盖的部分，与 U 形结构的裸露电线接触。这样，当你连接电池时，线圈就会变得具有磁性。

2. 找出电池应该如何连接。你可能会发现转子在一个方向上的转速比另一个方向更好，所以试着将电池反过来连接，看看哪个方向对你的电动机更有利。

3. 如果你的线圈有点重，磁力可能不足以将线圈推到环路的另一端。试着解开几圈，使线圈变轻。

4. 你可能需要调整转子下方磁铁的位置。它们应该尽可能地居中。

如果你的电动机仍然不能运转，可能是转子需要一点推动才能启动。试着轻轻地用手指敲打它，看看这是否能激发出一股速度狂热。

接下来是什么？

在这一章中，你已经学会了如何通过绕线圈在螺栓上并连接到电池来制造磁铁，你还通过自己制作电磁铁进行了实验。最后，你了解了电动机是如何工作的，并且亲手制作了一个。你真的让一切开始运转了！

现在，利用这些知识进一步探索电力。尝试在电动机的转子下方放置更多的磁铁。接着，绕一个比原来大两倍或更大的转子线圈。你可以为电动机创造一个更大的结构。你能让电动机转得更快吗？

到目前为止，你只使用了电力，但你实际上也可以生成电力。在下一章中，你将学习几种不同的发电方式，并且你将进一步玩转磁铁。

第三章：如何发电

第一章描述了为什么需要闭合回路才能让电流通过电路，第二章展示了如何制作自己的电磁铁和电动机。那些章节中的项目使用了电池中的电能，但在本章中，你将自己制作电源！

具体来说，你将学会如何制作自己的发电机，它通过运动产生电能，以及自己的电池，它通过化学反应产生电能。这两种方式是获取电力的最常见方法。

使用磁铁发电

当你让电流通过电线时，它会在电线周围产生磁场，但电流与磁性之间还有另一个关系。你也可以利用电线和磁铁来产生电能！

变化的磁场产生电力

如果你将一个磁铁来回移动在连接成闭合回路的电线附近，你将在线路中产生电流。移动磁铁会改变电线周围的磁场，而变化的磁场推动电子通过电线。

如果你停止移动磁铁，电流也会停止——即使电线仍然处于磁场中——因为磁场不再发生变化。

如果你将电线的两端连接到灯泡，并形成闭合回路，那么电流就能流动。不幸的是，然而，通过让磁铁在单根电线附近移动产生的电流并不足以快速地点亮灯泡。要点亮灯泡，或者为其他任何设备供电，你需要找到一种方法来产生更多的功率，即在一定时间内产生的能量。

发电机是如何工作的？

发电机是一种将运动——例如磁铁在电线上的移动——转化为电能的装置。为了通过电线和磁铁产生更多的能量，你可以将电线绕成线圈。线圈状的电线就像是一组电线，当磁场通过它时，电流通过每个线圈流动，产生比直线电线更多的能量。

从水或风中产生电力

如果你将一个线圈放置在磁场中，并用手柄旋转线圈，你就将自己的运动转化为电能。如果你用水车代替手柄，并将其放入水流中，水流会推动水车转动，使线圈在磁场中旋转并产生电流。这就是一些电厂如何发电的方式！电厂通过让水流过与发电机连接的水轮，然后通过电力线路将电力传输到人们家中的插座。

你可以通过类似的方式将其他自然力量转化为电力。例如，要从风中产生电力，你可以将线圈连接到风车上，这样当风吹动时，风车就会转动线圈。

认识万用表

你可以用一个基本的万用表精确测量一个简单发电机所产生的能量。万用表在构建任何电路时都非常方便，因为它们可以测量很多不同的值，包括电阻、电流和电压。

红色测试线是正极测试线，黑色测试线是负极测试线，中间的大拨盘让你告诉万用表测量什么。如果你在电路中遇到问题，测量电路中关键点的电压是一个实际的解决办法。

如何测量电压

要用万用表测量电压，首先将拨盘调到其中一个 V 选项。（在本书中，我会告诉你选择哪个设置，但在你自己的项目中，选择一个电压值大于你在电路中预计看到的最高电压的设置。）然后，在万用表的底部，将黑色测试线连接到 COM 插孔，将红色测试线连接到 V 插孔。最后，将一根测试线放在你想要测量电压的部件的两端。

在这个例子中，万用表正在测量 9V 电池的正负极之间的电压。注意我的拨盘设置为 20V，显示的是带直线符号的 V 范围。但万用表上还有另一个 V 符号，旁边有一个波浪线。让我们来看看这些符号的含义。

什么是交流电和直流电？

你如何设置万用表取决于你是要测量电池还是发电机的电压。电池有正负极，而发电机没有！发电机有两根电线，它们在正负之间交替。这是因为当磁铁的一面经过线圈时，线圈中的电流朝一个方向流动，而当磁铁的另一面经过线圈时，电流朝另一个方向流动。

当电流方向像那样切换时，我们称之为交流电（AC）；当电流方向始终保持不变时，我们称之为直流电（DC）。通常，你会在万用表上看到这些符号，用以表示交流电和直流电的测量范围：

你需要将万用表设置为测量交流电或直流电，以获得正确的读数。例如，电池的电压是直流电。

项目#5：制作摇动发电机

拿起你的万用表——这个项目将教你如何制作发电机并测量其电压。制作简单发电机的一个快速方法是手动在一个线圈内来回移动磁铁。在这个项目中，你将把磁铁放在管子里，并在管子周围缠绕一个线圈。当你摇动管子时，磁铁应该在管子内来回移动，并产生电压。

购物清单

绝缘实心线（Jameco #36792，Bitsbox #W106BK），大约 9 英尺。标准的接线线缆也可以使用。

一个小塑料管，比如一个旧笔壳。

五个圆盘磁铁（Jameco #2181319，Bitsbox #HW145）堆叠形成一个磁棒。

两个鳄鱼夹（Jameco #256525，Bitsbox #CN262）用于将万用表连接到线圈。

工具

万用表用于测量发电机的电压。万用表应能测量非常低的交流电压，最低可至 0.01 伏或更低。适用的万用表有 Jameco #2206061、Bitsbox #TL057，或 Rapid Electronics #55-6662。这些万用表比最便宜的那些稍贵，但它们会为你提供多年的服务。

第 1 步：准备管子

找一个足够大的管子，让磁铁可以轻松地来回滑动。如果你用的是笔，拆开笔壳，确保磁铁能放入管内。

第 2 步：绕制线圈

将大约 50 圈的线绕在管子的中间。绕好后，用两端的线打一个简单的结，以固定线圈。然后，像示意图所示，将两端的绝缘层剥去。

第 3 步：连接万用表

用鳄鱼夹将万用表连接到线圈的两端，并将万用表设置为测量交流电。选择可用的最低交流电压档位。

第 4 步：摇动它！

接下来，将磁铁放入管内。它们应该能很好的放进去而不会散开。

手持管子和万用表引线，将一根手指放在管子的两侧，以防磁铁掉出来。然后，像有目标一样摇动它！

观察万用表上的电压值。你得到了多少电压？我从我的发电机上仅得到 0.02 伏，因此它的功率不是很大。

第 5 步：如果没有电压怎么办？

如果你从发电机上测量不到任何电压，首先检查万用表的引线是否与暴露的线圈导线连接良好。如果仍然没有看到高于 0 伏的电压，确保你的万用表设置为测量非常低的电压；我的旋钮设定为 2 伏交流电。你无法从这个简单的发电机中得到高电压，所以如果万用表没有设置在最低的电压档位，它将始终显示 0 伏。请注意，并非所有的万用表都能够测量如此低的电压。

这个发电机现在功率不大。如何提高它的功率呢？试着加快摇动速度，给线圈绕更多的线圈，或者使用更强的磁铁。

注意

标准的接线线比较笨重；即使有 50 圈也占用很多空间！如果你想要更多的圈数，可以考虑使用 磁线 。它是一种非常细的导线，带有薄薄的绝缘涂层。

试一试：使用电动机作为发电机

电动机已经有一个磁铁和一个可以在磁场中旋转的线圈。如果你用手旋转转子，就可以在电动机的导线上产生电压。

你可以通过反转你在第二章中制造的电动机来创建一个发电机，但你从中获得的电力量太小，无法测量。相反，试着找一台旧的计算机风扇或遥控玩具车上的电动机，你不再想玩了。然后，将万用表调至低压直流范围，如 2V 直流。将万用表探针连接到电动机的导线上，就像你用摇摆发电机一样，用手转动转子。一些电动机有内部电路来控制电动机，这些电路可以阻止电动机内部产生的电流流出导线。但如果你幸运地找到一个没有这种电路的电动机，你应该能在万用表上看到读数。如果在直流下看不到任何东西，请尝试在万用表上切换到低压交流范围。

电池是如何工作的？

我已经向你展示了如何手动产生电力，但这并不能解释你到目前为止在本书中如何给电路供电。你一直在使用电池，在本节中，我们将看看是什么让这些电池产生电力。

电池内部有什么？

要制造电池，你需要三样东西：

正极

负极

电解质

电极 是用来与非金属物质接触的导线，比如电池内部。电解质 是一种可以释放或吸收电子的物质。

这里是这三个部件如何放置在典型电池内的：

你可以通过使用一个简单的钉子作为一个电极，一根铜丝作为另一个电极来制造自己的电池。把它们插入柠檬中，柠檬汁就是你的电解质。

铜丝成为电池的正极，而钉子成为负极。

电池背后的化学原理

当你将柠檬、铜线和钉子结合在一起时，会发生两种化学反应：一种是柠檬汁和钉子之间的反应，另一种是柠檬汁和铜线之间的反应。在第一种反应中，电子聚集在钉子上；在第二种反应中，电子离开铜线。钉子上的电子太拥挤了，而铜线上的电子太少了。电子不喜欢待在拥挤的地方，所以钉子上的电子想要过去和铜线上的电子平衡。但柠檬汁的化学反应却把电子推向相反的方向。

现在，如果你把灯泡连接在钉子和铜线之间，你认为会发生什么？钉子上的电子非常想进入铜线，因此它们会选择它们能找到的最容易的路径，当你建立这个闭环电路时，电子就会从钉子流向铜线并通过灯泡。回想一下，电流只是电子在导线中的流动；如果灯泡中的电流足够大，它就会亮起来！

一段时间后，电池中的化学反应停止。当发生这种情况时，电池就没电了。有些电池在没电后可以重新充电，而其他电池则必须丢弃。电池的电极和电解质材料决定了电池是否可以重新充电。

你在商店购买的电池当然不是由柠檬制成的！现代电池由不同的材料制成，科学家们一直在寻找新的方法来制造具有更多能量、同时又小巧轻便的电池。

什么决定了电池的电压？

电池的电极和电解质决定了你从电池中得到的电压，但电极的大小和电解质的量对于电压没有影响。

要创建更高的电池电压，几个电池单元需要串联连接。将两个电池单元串联意味着你将一个电池的正极连接到另一个电池的负极。两个未连接的端子成为更大电池的新正负端子，最终的电压是两个电池电压的总和。例如，在一个标准的 9 伏电池中，你有六个 1.5 伏电池单元，如图所示。注意，外部的连接器仅连接到两个端子。

项目 #6：用柠檬能量点亮灯泡

你可以用许多不同的物品制作电池；例如，在《电池内部是什么？》的第 55 页，我展示了柠檬电池是如何工作的。在这个项目中，你将学会如何制作自己的柠檬电池并用它来为灯泡供电。

警告

当你完成这个项目时，把柠檬扔掉。钉子和铜线之间发生的化学反应会让柠檬变得不适合食用。

认识 LED

柠檬电池不能产生大量电力，因此你需要将电池连接到需要非常少功率的设备上才能看到效果。大多数灯泡需要的功率比你在这个项目中能产生的还要多，所以让我来介绍一个叫做发光二极管，或LED的组件。

这种小型电子元件在你施加少量电力时会发光，或发射光。LED 有多种颜色：红色、绿色、黄色、蓝色等等。你将在第四章中学习更多关于这个元件的知识，并且在本书中你会经常使用 LED。现在，你只需要用 LED 来查看柠檬电池产生的电力。

购物清单

四个柠檬或一个柠檬切成四块。

24 英寸的铜线（任何铜线都可以，但重要的是线必须是铜制的）。

四个镀锌钉（大多数户外项目常用的钉子是镀锌的）。

两个鳄鱼夹（Jameco #256525，Bitsbox #CN262）用于连接 LED。

一个标准 LED（Jameco #333973，Bitsbox #OP002 仅此一个，或 Jameco #18041，Bitsbox #K033 为多样装）。你将在本书的项目中需要多个 LED，因此至少订购 10 个或一个多样装。

工具

一把电线剪（Jameco #35482，Bitsbox #TL008）用于准备铜线。

一个万用表（Jameco #2206061，Bitsbox #TL057，Rapid Electronics #55-6662）用于检查电池是否正常工作。

步骤 1：准备好电线

首先，将铜线剪成四段，每段 6 英寸。去掉每根线两端大约 1 英寸的绝缘层。这些将成为电极。

步骤 2：将电极插入柠檬

将柠檬滚动并挤压，以便打破其中的小汁包，但不要破坏柠檬皮。然后，用钉子在一端打一个孔，将铜线插入该孔，并将钉子插入另一端，如图所示。这就是第一个柠檬电池！

获取你的万用表，将其设置为直流电压测量，并现在测试你的柠檬电池。将正测试探头放在铜线上，负测试探头放在钉子上。如果一切正常，你应该能在万用表上看到大约 1 伏的电压。

步骤 3：制作四个柠檬电池

即使你的柠檬电池能输出 1 伏特，这也不足以点亮 LED。让我们制作多个柠檬电池，这样就能获取更多电力！

只需重复步骤 2 中描述的过程，将其他柠檬也处理成电池。（如果你没有四个柠檬，可以将一个柠檬切成四块。）现在你应该已经有四个柠檬电池了。

步骤 4：将柠檬串联起来

要通过柠檬电池获得更高的电压，你需要将它们串联起来。要将两个柠檬串联，只需将一个柠檬的正极连接到另一个柠檬的负极。记住，铜线是正极，钉子是负极。

要将四个柠檬串联，只需再重复这一过程几次。将柠檬排成一行，铜线朝右，按照从左到右的顺序为柠檬编号 1 到 4。将柠檬 1 的铜线连接到柠檬 2 的钉子上。将电线拧到钉子上，确保金属连接在一起且不松脱。

将柠檬 2 的铜线连接到柠檬 3 的钉子上，再将柠檬 3 的铜线连接到柠檬 4 的钉子上。这样你应该会得到四个柠檬排成一行，柠檬 1 上有一个未连接的钉子，柠檬 4 上有一个未连接的铜线。这些分别是你大柠檬电池的正负极。

当你将电池串联时，可以将它们的电压相加，得到总电压。四个 1V 的柠檬电池应该可以提供 4V。如果你有万用表，测量两端之间的电压，检查是否一切连接正常。你应该会得到大约 3.5 到 4V 的电压。

第五步：测试你的柠檬电池

让我们把 LED 连接到柠檬上吧！将 LED 的长腿连接到铜线，短腿连接到钉子上，如图所示。现在 LED 应该会亮起来。

柠檬不是超级强大的电池（比如你永远不会看到有人用柠檬连接电脑），所以你的 LED 可能会非常暗。完成柠檬电池电路后，关掉房间的灯，你应该能看到 LED 发光。

记住，当你完成柠檬电池后，要把柠檬丢掉——不要吃它们！

尝试一下：更多食物电池！

当你完成柠檬电池后，可以测试一下是否能用其他水果或蔬菜制作电池。例如，土豆电池怎么样？你能得到更高的电压，还是和柠檬电池的电压一样？

第六步：如果你的柠檬灯不亮怎么办？

如果你的 LED 灯没有亮，即使在黑暗的房间里，也要检查你的 LED 是否连接正确。长腿应该连接到电池的正极，也就是铜线。

确保柠檬只通过电线和钉子连接在一起。例如，如果你的柠檬泡在柠檬汁的水坑里，它们可能会通过柠檬汁相连。只需擦干它们并把它们移到其他地方。接下来，检查铜线是否正确连接到钉子上，并确保钉子和铜线实际接触到柠檬内部的汁液。另外，检查钉子和铜线是否在任何柠檬内部接触到对方。

如果电路仍然无法工作，先断开所有柠檬电池的连接。然后，使用万用表检查每个柠檬电池是否有电压。将两个柠檬串联起来，检查是否得到更高的电压。再连接第三个柠檬，检查电压是否再次增加。然后连接第四个柠檬，检查电压是否更高。

如果你能看到电压但 LED 灯仍然不亮，可能是你需要更多的电力。再拿一个或两个柠檬，制作更多的电池，并将它们与其余部分串联起来。

接下来是什么？

在本章中，你学习了如何利用磁力和化学反应产生电能。你制作了自己的摇动发电机，还用柠檬电池为 LED 灯供电。

如果你想进一步探索发电机，我建议尝试从旧自行车上找一个发电机。与本章中你所建造的发电机不同，发电机能够提供直流电压，就像电池一样，发电机通常用于为自行车的车头灯供电。用硬纸板或塑料剪下几片风车叶片，将它们连接到发电机上，看看你是否能从风中收集能量。

你现在已经接触到一些电子元件，包括开关、LED 灯和电动机。在接下来的章节中，你将学习更多的元件，并开始搭建一些真正的电子电路，比如闪烁的灯光、触摸敏感开关，甚至是你自己的电子乐器！

第二部分

构建电路

第四章：使用 LEDs 制造光

灯光，尤其是 LED，广泛应用于电子产品中。有时，它们只是简单的指示灯，用来显示设备是否开启，但它们也可以是更复杂设备的一部分，比如计算机显示器。事实上，一些显示器实际上是由成千上万的微小 LED 组成的。

在这一章中，你将了解电子学中最常见的两种基本元件是如何工作的：电阻器和 LED。我会告诉你如何让 LED 损坏，但不用担心：你也会学到如何使用电阻器来保护 LED 不受损坏。在本章的项目中，你还将开始使用一种新工具，叫做面包板，来连接电路。本书中的许多项目都使用面包板，你也可以使用它们自己构建很多有趣的项目。

认识电阻

记住，电阻会限制电流在电路中的自由流动。电阻是一个在电路中增加电阻的元件。电路中的电阻越大，通过的电流就越少。

电阻颜色编码

当你看一个电阻时，你会注意到它有几条颜色带。这些颜色告诉你电阻的值。电阻的单位是欧姆，但我们在写作时会用Ω符号来表示。更多的欧姆值意味着更多的电阻。

大多数电阻有四条颜色带。从左边开始，第一条带子表示电阻值的第一个数字。在这个例子中，第一条带子是黄色，因此第一个数字是 4。第二个数字由第二条带子给出，这条带子是紫色的，表示 7。加在一起，这给出了基础值 47。接下来，我们将 47 乘以第三条带子的值——乘数。在这个例子中，棕色带子表示 10 Ω，因此我们将 47 乘以 10：

47 × 10 Ω = 470 Ω

注意

如果一个电阻有五条带子而不是四条，那么前面三条是数字，第四条是乘数。

但电阻的实际电阻值通常不会与其标注值完全匹配！听起来有点疯狂，对吧？制造商很难生产出具有非常精确电阻值的电阻，因此他们会确保电阻值接近标注值，并告知你实际电阻值可能的误差范围。

这就是容差的作用。我们的示例电阻标注为 470 Ω，容差为 5%。这意味着电阻的实际电阻值可能比 470 Ω高或低 5%。因为 5%的 470 大约是 24，所以实际电阻值可能在 446 Ω到 494 Ω之间。

通常，表示电阻值的三个带状区域会靠在一起，而表示容差的带状区域则会稍微分开。但有时这些带状区域靠得非常近，难以分辨哪三个带表示电阻值。幸运的是，第四个带通常是金色或银色的，因此如果看到金色或银色的带状区域，可以推测这就是容差带。

如何书写大数值

我们的电阻颜色图表展示了在Ω符号前加了k和M的电阻值。这是一个简写方式，让写出非常大的数值变得更简单。如果你有一个电阻值为 300,000 Ω的电阻器，通常会将其简写为 300 kΩ，其中k代表千（kilo），即一千。M代表百万（mega），即一百万。因此，代替写 3,000,000 Ω，你可以写成 3 MΩ。

电阻器是由什么材料制成的？

要制作电阻器，你可以仅仅使用一段非常长的标准电线。电线本身有一定的电阻，电线越长，电阻越大。但使用数英里的电线来减少电流并不是很高效。更好的方法是使用电阻更大的材料，比如碳。你在商店里购买的电阻器通常是由碳材料包裹在绝缘材料内制成的。

电阻器控制电流和电压

一开始，你可能会觉得电阻器有点无聊。如果你把它接到电池上，可能什么都不会发生；电阻器可能只是变暖，你会想这有什么大不了的。另一方面，如果你使用一个非常低电阻值的电阻器，比如 10 Ω，它可能会变得非常热——热到足以烧伤你——而且电池可能很快就会耗尽。

警告

将一个低值电阻器直接连接在电池的正负极之间，在某些类型的电池上可能是危险的。某些电池的电流足以让你的电阻器燃烧起来。要小心！

但电阻器的一个酷点是你可以利用它们来改变电路中的电压和电流！这意味着你可以掌控你的电路，决定它应该如何工作。

引入欧姆定律

控制电路中的电流和电压的关键是一个叫做欧姆定律的公式。欧姆定律将电阻、电压和电流关系如下：

V = I × R

这些字母的含义如下：

V   电压，单位为伏特（V）

I   电流，单位为安培（A）

R   电阻，单位为欧姆（Ω）

根据这些定义，欧姆定律用英文表达为：“电压等于电流乘以电阻。”你也可以用以下两种形式来书写欧姆定律公式：

让我们把欧姆定律付诸实践。假设你有一个电阻器和一块 9 伏电池，并且你希望电阻器中流过 0.05 安培的电流。你需要多大的电阻才能让电流通过？使用欧姆定律来计算：

将电压除以电流，你会发现，为了让电流在电阻器中流动 0.05 A，你需要一个 180 Ω 的电阻器。

项目 #7: 让我们摧毁一个 LED！

几乎所有的电子产品都有一些 LED，我在 第三章 中介绍了它们。在有 LED 的地方，也总会有电阻器。环顾四周，你很有可能会看到一些。例如，看看电脑、洗衣机、电视机或 Wi-Fi 路由器。当你按下按钮时，是否看到一些闪烁的灯光？那些很可能是和电阻器串联的 LED。

在 “项目 #6: 使用柠檬电池点亮灯” 中，第 58 页 你仅仅将 LED 连接到自制的柠檬电池上，仅此而已。然而，在大多数电路中，你需要更加小心，以确保不会损坏 LED。如果电流通过 LED 过大，LED 会变得非常热并烧坏。柠檬电池的电流太弱，无法足以损坏 LED。

当然，我可以一直给你讲这些内容，但在现实中尝试是最好的学习方式！我自己也曾摧毁过几个 LED，才接受了没有电阻器无法将它们直接连接到电池上这一事实。我希望你也能体验一下这种情况。这就是为什么在这个项目中，你将要摧毁一个 LED！

购物清单

标准 LED（Jameco #333973，Bitsbox #OP002）。

标准 9 V 电池 用于为电路供电。

第一步：识别每根 LED 引脚的功能

仔细观察你的 LED，你应该会发现一根引脚比另一根长。LED 是 有极性的，这意味着电流只有在你按照特定方式将它们连接到电路时才会流过它们。较长的引脚叫做 阳极；它是你连接到电池正极的一根。较短的引脚叫做 阴极，你将它连接到电池的负极。

在某些 LED 上，引脚的长度相同。在这种情况下，找出 LED 底部的平面部分。平面一侧的引脚是阴极。

第二步：摧毁那个 LED！

为了避免烫伤手指，请抓住 LED 的一根引脚。然后，将 9 V 电池放在桌子上，并将 LED 的引脚直接接触到电池的端子上。

LED 应该会在短暂的一瞬间亮起，然后变热，最后熄灭。它的某些部分可能会变黑。恭喜你：你刚刚摧毁了你的第一个 LED！

注意

有些 LED 在直接连接到电池后会在一秒钟内停止工作。其他 LED 可能会亮上一些时间。

第三步：如果 LED 没反应怎么办？

如果没有反应，可能有三种原因：

你把 LED 连接反了。

你的 LED 已经坏了。

你的电池没电了。

首先，试着将 LED 反向连接到电池。如果你确信它是正确连接的，那么可能是 LED 已经坏了，或者电池没电了。首先尝试更换电池；如果没用，再更换 LED。现在，你应该能烧坏你的 LED。

如何正确使用 LED

尽管破坏 LED 挺有趣的，但最好知道如何避免烧毁 LED。你的 LED 烧毁是因为电流过大，但你可以通过你信任的伙伴——电阻来防止这种情况。电阻会抵抗电流的流动，如果你选择了正确的电阻值，它们会适当地抵抗电流，从而为你的 LED 提供恰到好处的电流。

如何写小数值

在电子项目中，你经常需要处理非常小的数值，尤其是在测量或计算电流时。例如，本书中的大多数电路的电流值都小于 0.1 A，很多电流值接近 0.02 A。为了简化这些数值的书写，我通常使用前缀milli，它写作小写的m，表示千分之一。所以 1 mA 就是 0.001 A。因为 1,000 mA 等于 1 A，所以 0.02 A 就变成了 20 mA，而 0.1 A 则变成了 100 mA。

用电阻保护你的 LED

在电路中，LED 应该始终与电阻串联。当然，电阻有很多不同的阻值，要找出适合你电路的电阻，你需要做一些数学计算。

大多数标准 LED 需要约 2 V 的电压和约 20 mA 或 0.02 A 的电流才能点亮。这两个数值，加上你的电池电压，就是你需要的全部信息来计算正确的电阻。只需将这两个数值代入以下公式：

如果这个公式看起来很熟悉，那是因为它其实是欧姆定律的另一个版本。两个V和I仍然代表电压和电流，但V[BAT]是电池电压，V[LED]是 LED 点亮所需的电压（通常是 2 V），而I[LED]是 LED 所需的电流（通常是 20 mA）。你可以这样理解这个公式：“要计算电阻，就将 LED 电压从电池电压中减去，然后将结果除以 LED 电流。”

计算所需的电阻

想象你有一个 9 V 电池，一个电阻和一个标准 LED。电阻的阻值应该是多少？根据上一节的公式，你应该得到：

这意味着你需要一个 350 Ω的电阻，以确保电路中流动的电流恰到好处。

项目 #8：为 LED 供电

现在让我们用保护电阻为标准 LED 供电，以免 LED 烧毁。我们刚刚计算出，要用 9 V 电池给 LED 供电，你需要一个 350 Ω的电阻。

正如我在“电阻色码”中第 70 页所解释的那样，标准电阻值并不总是你所需的精确电阻。如果你购买一个 350 Ω的电阻，它不一定就是 350 Ω，可能是 370 Ω。而且并不是所有的电阻值都有现货。对于 LED 电路中的电阻，精确值并不重要。幸运的是，你在标准电阻包中找不到 350 Ω的电阻。相反，你可以使用 330 Ω的电阻，这个值是一个标准值，容易找到。

购物清单

一个标准的 9 V 电池用于为电路供电。

一个 9 V 电池夹（Jameco #11280，Bitsbox #BAT033）用于将电池连接到电路。

一个标准的 LED（Jameco #333973，Bitsbox #OP002）

一个 330 Ω的电阻（Jameco #661386，Bitsbox #CR25330R 为这个特定值，或 Jameco #2217511，Bitsbox #K017 为一套多种电阻）用于限制 LED 的电流。

步骤 1：扭接电阻和 LED

首先，将 LED 的短脚（或阴极）连接到电阻的一端。连接电阻的哪一端无关紧要；只需要将电阻的脚绕过 LED 的脚即可。

步骤 2：连接电池夹

将电池夹的红线连接到 LED 的长脚上。然后将黑线连接到电阻的未连接一侧。

步骤 3：让光亮起来！

现在，将电池插入电池夹，你的 LED 应该会亮起来！

步骤 4：如果 LED 不亮怎么办？

如果你的 LED 没有亮，首先断开电池连接，确保你按照步骤 1 到步骤 3 的描述精确地连接了元件。让其他人检查你的连接也可能很有帮助；可以请父母、兄弟姐妹或朋友帮忙看一看。

如果你的连接看起来正常，但 LED 仍然不亮，那么请再检查一下 LED 的方向；几乎每个做过电子项目的人都至少曾将 LED 接反过一次。长脚是阳极，在这个项目中，它应该连接到电池的正极。

在面包板上搭建电路

到目前为止，你已经通过胶带或将元件脚扭在一起连接了电路，但当电路中有多个元件时，这种方式并不太实际。幸运的是，面包板可以使连接元件变得更容易。面包板上有孔，你可以将元件引脚插入这些孔中以创建电路。完成后，你可以拔出所有元件，并将它们在不同的项目中重复使用！

如何连接元件和电线

在面包板内部，金属板按照特定的模式连接外部看到的孔。让我们来看一个有四个连接区域的面包板——两个供电区域和两个元件区域。

在两侧的电源区域，每一列中的所有孔都是相连的。通常，你会将电路的正极——例如你目前使用的电池——插入红色列，而将电源的负极插入蓝色列。在本书中，我会将带红线标记的电源列称为正电源列，而将带蓝线标记的电源列称为负电源列。

在元件区域，每一行中的所有孔是相连的，列与列之间没有连接。左侧和右侧的元件区域是分开的，因此它们之间没有连接。例如，第 1 行的孔 A、B、C、D 和 E 是相连的，而第 1 行的孔 F、G、H、I 和 J 是相连的，但第 1 行的孔 E 和 F 并不相连。

要将元件插入面包板，只需将它推入你希望连接的孔中。例如，如果你想将电阻的一端连接到 LED 的正极，你只需将电阻的引脚和 LED 的引脚插入同一行的两个孔中，位置可以是在左侧或右侧的元件区域。如果你有两个不应该连接的元件引脚或导线，只需确保它们位于元件区域的不同排或元件区域的两侧。

面包板使用的导线

最终，你会想要将面包板上的一行与另一行连接。你可以使用导线来建立连接，但并非所有的导线都适合面包板。导线需要足够坚硬，以便你能将其推入孔中而不弯曲，而且导线必须足够粗，以便完全插入面包板的孔中而不掉出来。单股导线是最适合在面包板上搭建电路的导线，因为它们内部有一个实心的核心，而不是许多细小的导线缠绕在一起。你需要的导线粗细取决于你的面包板，但直径为 0.016 到 0.028 英寸的导线应该适用。导线的粗细通常用美国线规（AWG）表示，我建议使用 21 到 26 AWG 的导线。你可以购买已经裁剪和去皮的导线，方便在面包板上使用，或者你可以用切线钳裁剪和去皮自己的导线。

另一种选择是使用面包板跳线。这些跳线有坚固的端部，非常容易连接到面包板。如果你计划在面包板上连接很多电路（你应该这样做！），可以准备一些面包板跳线，方便你的操作。

项目#9：你的第一个面包板电路

让我们在面包板上连接一个简单的电路！就像在“项目 #8: 为 LED 提供电源”中介绍的那样，这个电路点亮一个 LED，但这次我们将在面包板上构建电路。在这个项目中，我们不会使用侧面的供电轨，因为电路非常简单，直接将其连接到组件区域会更合适。

购物清单

一个面包板（Jameco #20601，Bitsbox #CN329），至少有 30 行。

一个标准的 9V 电池，用于为电路提供电源。

一个 9V 电池夹（Jameco #11280，Bitsbox #BAT033），用于将电池连接到电路。

标准 LED（Jameco #34761，Bitsbox #OP003）。

330 Ω 电阻（Jameco #661386，Bitsbox #CR25330R 对于这个值，或者 Jameco #2217511，Bitsbox #K017 用于多种包装），用于限制 LED 的电流。

第 1 步：放置电阻

首先，将电阻的一端放置在第 1 行，另一端放置在第 8 行。

第 2 步：放置 LED

记住，LED 是有极性的，必须按照正确的方式连接才能工作。将 LED 的长腿连接到第 8 行，那里是电阻的引脚连接的位置。因为电阻和 LED 的引脚在同一行，它们现在已经连接好了。将 LED 的另一端连接到第 10 行。

第 3 步：放置电池夹

现在，连接电池到 LED 和电阻。将电池夹的红色电线连接到第 1 行，黑色电线连接到第 10 行。将电池插入夹子，你的 LED 应该会亮起！

第 4 步：如果 LED 不工作怎么办？

如果你的 LED 不亮，首先断开电池连接。在对电路进行更改时，你应该始终断开电池。然后，检查 LED 的短腿是否连接到电池的负极。

如果你的 LED 在正确方向上仍然无法正常工作，请检查你的组件是否按步骤 1 到 3 中的描述正确连接。LED 的长腿和一个电阻的引脚是否在第 8 行？电池的正极引线是否与另一个电阻引脚在同一行？电池的负极引线是否与 LED 的短腿在第 10 行？也可以让其他人看看你的电路，也许他们能帮你找到问题所在。

接下来做什么？

在本章中，你学到了两个非常常见的组件：电阻和 LED。你还学习了如何使用欧姆定律来计算电阻、电流和电压值。这些知识将为你在本书中探索电子学的许多方面奠定基础。

你还学会了使用面包板，这是一个非常实用的技能。为了练习如何在面包板上放置电路，试着在没有胶带的情况下重新构建本书前面做过的某个项目！你将如何在面包板上重现“项目#2：入侵者报警器”，位于第 11 页的内容？

在下一章，你将学习另外两个组件：电容器和继电器。然后，我会向你展示如何构建我最喜欢的电路之一——一个会闪烁灯光的电路！

第五章：第一次让灯光闪烁

当我还是个孩子的时候，我的第一个电子项目之一就是制作一个闪烁的灯光。看到电路第一次工作时真是太神奇了，现在我想和你分享这一经验。在这一章里，你将学到电容器和继电器的工作原理。这是两个常见且非常有趣的电子元件，我将向你展示如何与它们玩得开心。最后，你将自己制作一个闪烁的灯光！

认识电容器

电容器就像一个可充电电池；你可以为电容器充电，并利用它的能量为某些东西供电。但电池能够存储的能量比电容器要多得多。电池可以为 LED 供电好几天而不需要充电，而大多数电容器最多只能为 LED 供电几秒钟。

电容器常用于电路中引入时间延迟。例如，由于电容器能够储存能量，它可以在断电后继续保持 LED 亮起一段时间。这一小技巧也可以与其他元件配合使用，以创造有趣的效果。

电容器的工作原理

从内部结构来看，电容器是非常简单的设备。它们由两块金属板组成，这些板非常接近，中间夹着类似纸张的材料。为了节省空间，金属板和中间的材料会被折叠或卷成一个紧凑的包裹。

当你将电池连接到电容器的两端时，电池会试图推动电子通过电容器，从而使电流流动。但电子不能跨越板之间的空隙流动，因此，电子会积聚在一片板上，而离开另一片板。最终，当一片板上的电子无法再容纳更多时，电流就会停止流动；此时，我们称电容器已充满电。

就像电池中的电子一样，电容器中的电子也不喜欢挤在同一片板上。它们想要流向电子较少的一侧。这意味着你的电容器中储存了潜在的能量。如果你断开电池连接，并将一个电阻连接到电容器两端，那么电容器上一片板上的储存电子就会开始流向另一片板，通过电阻流动，以达到电子较少的那一面。

极性电容器与非极性电容器

电容器可以是极性电容器，也可以是非极性电容器。像 LED 一样，极性电容器有正负引脚，且正引脚必须始终连接到电池的正极。照片中显示的黑色电容器是极性电容器，其负引脚上有条纹和负号标记。黄色电容器是非极性电容器，因此引脚的连接不受影响。

警告

在使用极性电容器进行本书中的项目和你自己的项目时，请小心。你必须以正确的方式连接它们，以防止损坏电容器。

在所有需要电容器的电路中，只要你能找到一个具有正确电容量的非极性电容器，你就可以使用它。电容量以法拉（F）为单位，电容越大，电容器能够储存的能量越多。由于大电容量的非极性电容器需要非常大，因此不会生产。极性电容器能够在较小的空间内储存更多能量，但它们有一个缺点，即必须按照正确的方式连接。

在构建具有大电容量的电路时，你将使用极性电容器。始终确保任何极性电容器的正极端子连接到电池的正极。

电容器电容量

本书中使用的电容器将具有μF（微法拉）、nF（纳法）或 pF（皮法）范围的电容量。电容量通常非常小，通常使用微、纳和皮这些前缀，定义如下：

μ（微法）表示百万分之一，所以 1,000,000 μF = 1F

n（纳法）表示十亿分之一，所以 1,000,000,000 nF = 1F

p（皮法）表示万亿分之一，所以 1,000,000,000,000 pF = 1F

极性电容器足够大，可以在上面标明它们的电容量。而非极性电容器则稍微复杂一些。它们通常非常小，所以往往有像104或202这样难以理解的代码。我总是忘记这些代码的含义，所以当我需要弄清楚某个代码是什么意思时，我通常会查表。你可以在第 283 页的“电容代码”表格中找到常见代码。

但像大多数事物一样，电容器玩起来比读它们有趣。完成下一个项目，你会亲自看到电容器是如何工作的。

项目 #10: 测试一个电容器

这个项目展示了电容器如何储存能量。它几乎与你在项目 #9: 你的第一个面包板电路中构建的电路相同，只不过这次你将添加一个电容器。当你从电路中移除电池时，如这里所示，你会看到 LED 仍然亮着一两秒钟。那是因为电容器正在使用其储存的能量为 LED 供电。

购物清单

一个面包板（Jameco #20601, Bitsbox #CN329），至少有 30 排。

一个标准的 9 V 电池，用于为电路供电。

一个 9 V 电池夹（Jameco #11280, Bitsbox #BAT033），用于将电池连接到电路中。

一个标准的 LED（Jameco #34761, Bitsbox #OP003）

一个 330 Ω的电阻（Jameco #661386, Bitsbox #CR25330R），用于限制 LED 的电流。

一个极性为 1000 µF 的电容器（Jameco #158298, Bitsbox #EC1KU25）

第一步：从 LED 电路开始

按照 “项目 #9：你的第一个面包板电路” 中的说明，确保你完成的电路能够成功点亮 LED 灯。然后，断开电池，继续进行下一步。

第二步：添加电容器

将电容器连接到电池。由于电容器是有极性的，所以将标有负号或零的引脚放在与电池负极脚相同的面包板行中。将另一个引脚连接到与电池正极脚相同的行中，如图所示。

第三步：给电容器充电

将电池连接到夹子上，LED 应该亮起。与此同时，电池应该会很快充电给电容器。

第四步：使用电容器点亮 LED

在拔掉电池时观察 LED。LED 不应该立即熄灭，而是应该保持亮起一秒钟左右，然后慢慢地褪色，直到电容器没有剩余的能量。

第五步：如果电路不工作怎么办？

首先，检查电路在没有电容器的情况下是否能工作。如果不能，返回第一步，在继续之前先确保 LED 电路正常工作。

如果电池连接时 LED 亮起，但一旦移除电池，LED 就熄灭了，那么电路中的电容器部分可能有问题。检查电容器的正极脚是否连接到电池的正极脚（照片中的第 1 行），另一个脚是否连接到电池的负极脚（照片中的第 10 行）。

如果电路看起来正确，确认电容器的容量至少为 1000 µF；电容器上应该写有其容量值。如果小于 1000 µF，尝试使用更大的电容器。

使用符号描述电路

到目前为止，你已经使用了几个组件构建电路。要构建更有趣的电子项目，通常需要更多的组件。但是，将每个组件在一个大电路中按实际样子一一绘制出来会显得杂乱无章且耗时。这时，电路图，也叫原理图，就能派上用场了。

在电路图中，每个组件都有一个简单的符号，这使得你可以快速绘制整个电路。就像单词和书籍一样，直到你了解不同符号的含义，否则电路图可能看起来有些复杂。让我们直接开始，学习一些符号吧！这是一个包含 LED、电阻和电池的电路，以及它的电路图：

电池符号上有一个+号，表示正极脚的位置。有时你会看到没有加号的电池符号；在这种情况下，正极是长线那一侧。

注意

电池符号可能会画成两条线、四条线，有时甚至更多条线。不管有多少条线，只需查看指定的电压，并使用相同电压的电池即可。

开关符号非常简单，无论你怎么画它都无所谓。在 LED 符号中，三角形尖端的线表示 LED 的负极，或者是阴极。对比“真实版”，你会发现 LED 的正极脚在两种电路图中都确实与电阻相连。另一方面，电阻是没有极性的，所以它的符号没有方向标记。有极性和无极性的电容符号都有，但我们的示例显示的是有极性的版本，它的正极上标有 + 符号。再看一遍电路和电路图——你同意它们是一样的吗？

一旦你学会了仅通过查看电路图来构建某个东西，一个全新的世界将向你展开。现在你几乎可以在互联网上找到任何东西的电路图，比如收音机、MP3 播放器、对讲机，或者你想要构建的任何东西！在本书中，我会教你更多的电路符号，随着我们使用更多的组件。

认识继电器

我小时候非常好奇，总是想知道事物是如何运作的。对我来说，电子设备，比如收音机或电视，简直就像是魔法。我完全不知道它们是怎么工作的，而且我不相信自己会理解如何制造它们。

但有一天，我问爸爸，如何才能让灯光自动闪烁。我想，如果我能理解这一点，我就能理解更多。幸运的是，我爸爸是个工程师，而且他善于用实际的方式解释问题。当我问他如何闪烁灯光时，他向我介绍了一个 继电器，就像这里展示的那样。

第一章介绍了如何使用开关来开关电器。第二章向你展示了如何使用电磁铁来移动物体。试想一下，将电磁铁与开关结合起来：你不再需要按按钮来改变开关的位置，而是加入一个电磁铁，它可以自动改变开关的位置。这就是继电器的工作原理，这幅插图展示了它是如何工作的：

白点代表继电器的引脚。注意，连接处标注了 公共引脚、常闭 和 常开。这些标签的定义如下：

公共引脚 (COM) 连接到 NC 或 NO

常闭 (NC) 在线圈断电时连接到 COM

常开 (NO) 在线圈通电时连接到 COM

当电池没有连接到继电器线圈时，电磁铁不会吸引，开关的 COM 端连接到 NC 端。但当你将电池连接到继电器线圈时，电磁铁通电，开关被拉动，从而使 COM 端连接到 NO 端。你可以通过连接或断开电池来改变开关的位置！

使用继电器闪烁灯光

如果你将继电器连接到电池，使电磁铁通过继电器的 COM 和 NC 开关接点与电池连接，那么电磁铁将不断开关。这里有一个连接到灯泡的继电器电路示例：

在你将电池连接到电路之前，电磁铁是关闭的，COM 和 NC 的开关接点是连接的。当电池连接到电路时，电磁铁将通过开关从电池获取电力。这意味着它会拉动开关，将 COM 和 NO 连接起来，从而为灯泡提供电力。

但是当开关处于这个位置时，电池将不再连接到线圈，电磁铁将失去电力。当电磁铁没有电力时，开关会回到原来的位置，切断电池与灯泡的连接。电池会再次为电磁铁提供电力，之前描述的过程会重复。

在这个例子中，看起来你会得到一个闪烁的灯光，对吗？理论上是的。但继电器开关的开关速度太快，你看不到灯光正常开关！相反，你会听到一个非常快的滴答声，因为继电器在不停切换，但灯光似乎一直处于黑暗状态。

放慢闪烁速度

要构建一个让你真正看到灯光闪烁的电路，你需要放慢继电器的闪烁速度。电容器可以帮助实现这一点。在“项目#10：测试电容器”中的第 92 页，将电容器添加到 LED 电路中使 LED 在断开电池后短时间保持亮灯。如果你将电容器接到我们闪烁速度过快的电路中的电磁铁上，电磁铁也会保持亮一会儿。

但是电磁铁不会长时间保持关闭，因此在这种情况下，灯光似乎会一直亮着。为了让它保持更长时间关闭，你需要放慢电容器的充电速度，以便它在放电后不会立刻恢复到完全充电的状态。为此，你可以减少流入电容器的电流量。那么，如何减少电流量呢？用电阻器！为了用继电器闪烁 LED 灯，你需要使用一个像这样的电路，接下来我们将一起构建：

项目#11：闪烁灯光！

现在是时候通过闪烁 LED 来构建你的第一个闪烁灯光了。这是完整的电路图——你认得出这些组件吗？

在连接电路时，最好以电路图的方式连接。这样，如果电路之后无法正常工作，找出问题就会更加容易——而且你会发现，电路通常不会在第一次尝试时就成功。排查错误并找出解决方法是这个过程的一部分！

购物清单

一个面包板（Jameco #20601，Bitsbox #CN329），至少有 30 行。

面包板跳线（Jameco #2237044，Bitsbox #CN236），用于方便地连接电路。（标准的连接线也可以使用。）

一个标准的 9V 电池，用于为电路供电。

一个 9V 电池夹（Jameco #11280，Bitsbox #BAT033），用于将电池连接到电路。

一个 DPDT 或 SPDT 继电器（Jameco #842996，Bitsbox #SW073），带有 5V、6V 或 9V 的线圈。

一个标准 LED（Jameco #34761，Bitsbox #OP003）

一个极化的 1000 µF 电容（Jameco #158298，Bitsbox #EC1KU25）

一个 100 Ω电阻（Jameco #690620，Bitsbox #CR25100R），用于限制流向电容的电流。

一个 330 Ω电阻（Jameco #661386，Bitsbox #CR25330R），用于限制流向 LED 的电流。

步骤 1：识别继电器引脚

不知道继电器哪个引脚是哪个，是构建这个电路时最大的错误来源。所以现在我们来看看这些引脚。要了解每个引脚的功能，请查阅继电器的数据表。数据表是告诉你电气元件如何工作的文档。对于继电器，它应该会说明你需要什么电压来驱动电磁铁线圈，能通过接触点流多少电流，等等。你应该能在你购买继电器的产品页面找到数据表的链接。

对于我推荐的继电器，引脚按如下方式排列：

这种类型的图叫做引脚图，它展示了每个引脚的功能。视图是从上方看的，引脚隐藏在继电器塑料外壳下方。我建议你在纸上画出引脚图，并在连接电路时放在桌子上，这样你可以反复检查，确保连接正确。

在这个继电器中，引脚 1 和 8 是电磁铁线圈的引脚——你可以通过上面的线条来识别这些引脚。当你看到带有线条的继电器时，检查引脚的位置，应该和引脚图中的位置一致。

引脚图还显示有两个开关。引脚 2 到 4 构成一个开关，5 到 7 构成另一个开关。不过，不用担心记住继电器的引脚。你可以随时参考引脚图，如果卡住了，我鼓励你在需要时这样做。另外，不同类型的继电器可能会有不同的引脚图。

第 2 步：让继电器切换更快

首先，让我们连接继电器，使其能够自动开关。将继电器放置在面包板的中间，居中于缺口处，一侧放在每个组件区域内。这样，任何引脚都不应该与其他引脚连接。

将电池夹的正极插入左侧的正电源列，将负极插入同一侧的负电源列。将一根跳线从负电源列连接到与右侧线圈引脚（8 号引脚）相同的行，如图所示第 9 行：

接下来，将一根导线从左侧的正极列连接到继电器的公共开关引脚（2 号引脚）。在这个图中，公共引脚位于第 12 行 B 列。然后，将一根导线从继电器的 3 号引脚（常开引脚，NC 引脚）连接到线圈引脚（1 号引脚）；这就是图中从第 14 行到第 9 行 B 列的黄色导线。连接 9V 电池，你应该能听到非常快速的滴答声。这是继电器的开关操作。现在暂时断开电池。

第 3 步：让继电器保持开启更长时间

下一步是通过将电容器并联连接到电磁铁线圈上来减慢继电器的反应速度。按照如下所示的方式连接电容器：

在图中，我已将电容器的负极腿连接到继电器的 8 号引脚，通过将其插入第 9 行 H 列并将正极腿连接到继电器 1 号引脚，位置在第 9 行 D 列。无论你使用哪些孔位，都要确保将电容器的负极腿连接到与负电源连接的相同继电器引脚。电容器的负极腿通常用条纹、零或减号标记。

连接电池以测试电路。你会知道它是否工作，如果你听到明显的滴答声。现在滴答声应该明显变慢，这意味着继电器保持开启的时间更长。但是在继电器关闭的瞬间，电容器应该再次充电，使继电器只在一瞬间关闭。你将在下一步中修正这一问题，所以现在再断开电池连接。

第 4 步：让继电器保持关闭更长时间

让我们在电容器前加一个电阻器，以减少流过的电流，并迫使电容器花更多时间充电。为此，只需将继电器 1 号和 3 号引脚之间的导线（我图中的黄色导线，连接到第 9 行和第 14 行）替换为大约 100 Ω的电阻器，如下所示：

连接电池以进行测试。现在继电器应该保持关闭稍长时间，你可以通过继电器发出的“滴答—滴答”声来辨认。

第 5 步：添加 LED 和电阻器

断开电池，向电路中添加 LED 和 330Ω电阻。将 LED 的长脚连接到继电器的 NO 引脚（第 4 引脚）。我的 LED 长脚连接到第 16 排，因为 NO 引脚插入了该排。将另一脚连接到下方的一个未连接的排，比如第 19 排。从同一排连接电阻到电源侧的负极列。

你的面包板应该像这样：

将此与项目开始时的电路图进行比较，看看符号是如何匹配的。现在，连接电池并观察灯光闪烁！

第 6 步：如果 LED 不闪烁怎么办？

如果 LED 无法闪烁，请回到第 1 步，并检查从第 1 步到第 4 步的工作。这应该会让你得到一个自动开关的继电器。如果成功了，那么你应该能够连接 LED 和电阻，形成一个正常工作的电路。

如果 LED 仍然不闪烁，请确认你已经按照图示连接了电路。还是不行？将 LED 和电阻从电路中移除，然后只将这两者连接到电池，直到 LED 亮起。（请按照“项目 #9: 你的第一个面包板电路”中的说明，在第 84 页查看。）如果你仍然无法让 LED 亮起，那么你的 LED 可能坏了，或者电阻的阻值可能不对。

试试看：让你的入侵者警报更有效

尝试将继电器连接到你在第 2 项目中构建的入侵者警报系统上，这样当有人尝试进入房间时，他们无法通过关上门来关闭警报。当继电器被开关触发时，它应该保持开启。此图显示了如何将继电器（蓝色部分）连接到电路的其他部分（黑色部分）。当警报被触发时，蜂鸣声将持续响起，直到你断开电池。

接下来做什么？

你在本章已经走了很长一段路！到目前为止，你已经学会了电子学中四个常见组件的工作原理（电阻、LED、电容和继电器），你已经在面包板上连接了几个电路，甚至还做了一个能闪烁灯光的项目。希望你也能理解为什么灯会闪烁。

你已经在面包板上连接了一些电路，这是一个很有用的技能，当你需要测试电路或构建简单原型时。但当你希望电路的组件永久连接在一起时，你需要进行焊接，下章我将向你展示如何操作。

第六章：让我们开始焊接吧！

在第五章中，你使用了面包板来构建新的电路。面包板让你能够快速测试新想法并实验不同的元件以查看结果，但它并不是永久解决方案。元件可能很容易掉出来，面包板上可能到处都是松动的线路。当你需要长时间不改变电路时，最好将电路焊接到电路板上。焊接有点像粘胶：你将一种叫做焊锡的材料熔化到元件引脚上，这样元件就能粘到电路板上。电路板上有像面包板一样的孔，当你将元件焊接到上面时，它们通过铜板连接在一起。

本章将教你如何焊接，从一个简单的 LED 电路开始。这将为你后续焊接自己的电路打下基础。在本章练习了基础技巧之后，你将在第七章继续焊接，构建一个触摸启用的开关和一个当太阳升起时能叫醒你的电路。

如何焊接

焊接一个电路，你需要一些工具：

焊锡

焊接铁

焊接铁支架

一块湿海绵

安全护目镜

焊锡是由几种金属混合而成，在高温下容易融化。最常用的焊锡在华氏 360 到 370 度左右会融化。

焊接铁 是一种笔状工具，能够加热到足以融化焊锡的温度。如果你将焊锡放在焊接铁的尖端，焊锡会融化。

一旦掌握了基础，焊接其实非常简单，而一个重要的基础步骤就是采取一些安全预防措施。

焊接安全提示

焊接铁的温度非常高，如果你在焊接铁插电时触碰到它的金属部分，可能会烫伤自己。使用时，始终将焊接铁放回支架上，不要直接放在表面上。在焊接后，也避免在几秒钟内触摸接点（焊接连接）和元件，它们可能会热到足以烫伤。

以下是在焊接时需要牢记的一些其他重要安全提示：

将焊接铁的热部件远离电源线。

如果你在桌子上进行焊接，使用一块木板或厚纸板保护桌面。

每次处理完焊锡后，务必洗手。

如果不小心被烫伤，别慌张。对于轻微的烫伤，立刻用流动的冷水冷却伤口，保持烫伤部位至少在水下五分钟。用冰块冷敷也是有效的，但务必先用水进行冷却。

请一个成年人监督你第一次焊接时的操作，记住：焊接很有趣，但使用电烙铁时必须格外小心。牢记这些技巧，接下来请阅读本节内容，了解基本焊接的逐步指南。

加热电烙铁

焊接的第一步是插上电烙铁并将其放在支架上。别忘了戴上安全护目镜！

一两分钟后，通过触碰一些焊锡到电烙铁的焊接头，检查电烙铁是否足够热。如果焊锡熔化，说明电烙铁已经准备好使用。

清洁电烙铁头

用湿海绵擦拭电烙铁的焊接头进行清洁。清洁的焊接头比脏的焊接头传热效果更好，所以要经常清洁焊接头。

给电烙铁头涂锡

这里有个小窍门：为了更快地加热焊点，在开始焊接前，往电烙铁头上加一点焊锡。这个过程叫做涂锡。必须在焊接前一两秒进行涂锡才能有效。

同时加热引脚和铜条

将电烙铁的焊接头放在元件引脚和铜条上。加热铜条和引脚几秒钟后，再进行下一步操作。

加入焊锡

在将电烙铁焊接头保持在焊点的同时，触碰一些焊锡到引脚和铜条上。当焊锡熔化时，慢慢加入更多的焊锡，直到足够覆盖焊接的引脚和铜条。当焊锡量足够时，移开焊锡丝，但仍然保持电烙铁焊接头在焊点上。

拔掉电烙铁

最后，从焊点上移开电烙铁头并将烙铁放回支架。始终把这一步放在最后。如果在焊锡丝还触碰焊点时就移开电烙铁，焊锡丝可能会在焊点硬化时粘在电路板上。

你的焊点应该呈现出锥形。

如果你完成了焊接，拔掉电烙铁的插头，让它冷却。

小心不良的焊点！

在加焊锡之前，先用电烙铁加热元件引脚和铜条是非常重要的。如果只加热元件引脚而不加热铜条，焊锡会粘在引脚上，但焊锡和铜条之间没有连接。如果只加热铜条，焊锡会粘在铜条上，但不会粘到引脚上。从远处看可能会觉得是一个良好的焊点，但焊锡很可能并没有和引脚连接。

你还必须确保焊锡不会漂移到旁边的其他铜条上。这样会在两条铜条之间产生不必要的连接。

如果你的焊点看起来不太对，别担心。只需重新加热焊点、组件引脚和铜条，并加一些焊锡，以形成一个良好的焊点圆锥形状。然后，你就可以继续了。

项目 #12：焊接你的第一个 LED 电路

现在，让我们开始焊接吧！在这个项目中，你将把“项目#8：为 LED 供电”中的电阻器和 LED 电路焊接到电路板上，位于第 78 页。电池应该让电流在电路中流动，电阻器应该确保电流不会过大，而 LED 应该亮起。

购物清单

一个标准 9 V 电池，用于为电路提供电力。

一个 9 V 电池夹（Jameco #11280，Bitsbox #BAT033），用于将电池连接到电路。

一块电路板（Jameco #2191488，Bitsbox #HW005），带有铜条。

一个标准 LED（Jameco #34761，Bitsbox #OP003）

一个 330 Ω的电阻器（Jameco #661386，Bitsbox #CR25330R），用于限制 LED 的电流。

工具

一个焊接铁（例如，Jameco #116572，Bitsbox #TL031）

一个支架（例如，Jameco #36329，Bitsbox #TL032），用于固定焊接铁。

一卷标准焊锡线（例如，Jameco #94570，Bitsbox #HW022）

一个湿海绵，用于清洁焊接铁的尖端。

一把电线剪（Jameco #35482，Bitsbox #TL008），用于剪掉组件的多余引脚。

步骤 1：放置组件

查看你的电路板，并熟悉其上的连接模式。我推荐使用的电路板叫做原型板，它上面覆盖着小段直铜条，每条铜条上有很多孔。任何你焊接进孔里的组件引脚，只要它们与铜条共享一条线路，就会形成电连接。

将电阻器和 LED 的引脚穿过电路板。电阻器的引脚应该与 LED 的正极引脚共享同一条铜条。请注意，图中所示的铜条位于电路板的底面，这就是为什么它们在图中不是铜色的原因。任何涉及焊接到电路板的项目，我都会显示铜条的阴影，帮助你查看连接的位置。

步骤 2：弯曲组件引脚

小心地将电路板翻转过来，以便看到铜面；如果需要，用手指按住 LED 和电阻，防止它们掉落。然后，稍微弯曲每个元件的引脚，使 LED 和电阻即使铜面朝上也能保持原位。现在保持电路板铜面朝上。

如何阅读电路板插图

在本书中，你将看到我使用名为 Fritzing 的程序创建的电路板插图。这些插图展示了电路板的顶部，这样你就可以看到元件的外观，同时也展示了底部——比顶部颜色稍微暗一些——这样你可以看到铜条的样子。

在按照我的说明操作时，始终将电路板以插图中所示的铜条朝下放置，确保其方向一致。如果你在阅读电路板插图中的连接时感到困惑，只需回到这个示例参考即可。

如果你想用 Fritzing 创建自己的电路插图，可以从www.fritzing.org/下载这款免费的开源软件。

第 3 步：加热并清洁焊接铁

你的元件应该已经到位并准备好焊接，现在可以插上电烙铁并加热了。这可能需要几分钟时间。像往常一样，通过将焊锡触碰到焊接铁的尖端，看是否融化来检查是否加热足够。

在开始焊接之前，也请清洁焊接铁的尖端。稍微湿润海绵并挤掉多余的水分。然后，用海绵擦拭焊接铁的尖端，去除旧的焊锡。

第 4 步：焊接电阻和 LED

将电路板的铜面朝上，按照第 112 页中《如何焊接》的描述，将每个元件的引脚焊接到电路板上。你的电路板应该看起来像这样：

第 5 步：修剪引脚

目前，你的 LED 和电阻的引脚非常长。你不希望它们突出，因为杂散金属可能在元件之间产生无意的电流路径。最好的情况是，这可能会导致电路无法正常工作，直到你将引脚移离不应接触的元件；最坏的情况是，无意的连接可能会损坏元件。为了防止意外连接，将每个引脚在焊接点上方剪掉。引脚在剪切时可能会飞出，所以在剪切时把电路板转向远离眼睛的方向，或者戴上安全护目镜保护自己。

小贴士

在剪掉引脚时，将电路板悬空放置在一个空盒子上，以防止废料丢失并使清理工作更加容易。你也可以把电路板放在桌子上，一只手按住引脚，另一只手用剪刀剪掉引脚。

第 6 步：焊接电池夹

这个电路还需要一个方式将电池连接到元件，因此现在将电池夹焊接到电路板上。

电池夹的红线是正极线；将其连接到只与电阻器相连的铜条上，而不是 LED。黑线是负极线，因此将其连接到 LED 的负极一侧。你的电路板现在应该看起来像这样：

第 7 步：让光亮起来！

现在，让我们测试一下电路。插入电池，你的 LED 应该亮起来！

第 8 步：如果焊接的 LED 电路不工作怎么办？

如果你的 LED 没有亮，检查是否有任何不小心的连接。是否有焊锡连接了不应该连接的两个焊点？是否有过长的元件引脚接触到了其他地方？

接下来，仔细检查你的焊点。是否有任何焊点看起来像在第 117 页中“注意不良焊点！”中描述的坏连接的例子？如果是这样，你可能需要再流一些焊锡：重新加热你的烙铁，并确保焊点看起来像小金字塔。

也检查一下 LED 的放置是否正确。你是否正确连接了它？由于你已经剪掉了多余的引脚，你无法再看到哪只引脚较长，但如果你仔细观察 LED，你应该能看到塑料外壳底部的一侧是平的。这一侧是负极，应连接到电池夹的黑线。如果你将它放反了，这里有一个快速的修复方法：使用剪线钳剪断电池夹的引线，移除夹子。现在，将正极电池引线焊接到原本负极引线的位置，将负极电池引线焊接到原本正极引线的位置。这样做是可行的，因为不管电阻器在 LED 的哪一侧都无关紧要。

哎呀！我该如何移除焊接的元件？

有时候，你在焊接时会犯错。例如，假如你焊接电池夹的方向错了，或者用了 33,000 Ω的电阻器而不是 330 Ω的电阻器呢？不用担心：即使是最有经验的工程师有时也会在焊接时出错，发生这种情况时，修复电路是有办法的。在这些情况下，你需要拆焊，也就是从焊点上移除焊锡。

焊锡吸取带是一个非常有用的拆焊工具，我建议每次焊接时都把一些放在身边。焊锡吸取带由铜线编织而成，因此它也被称为拆焊编带。

当你将一条焊锡吸取带放在焊点上并加热它们时，焊锡应该像往常一样熔化，焊锡吸取带应该像干布吸水一样吸收液态焊锡。当你移开焊锡吸取带时，焊锡应该留在吸取带上，而不是电路板上！

项目 #13：拆除电池夹的焊接

学会如何拆焊非常有用，不仅仅是为了修复焊接错误。例如，拆焊可以让你更换电路中损坏的组件，或者你可以拆焊一个组件以便在另一个电路中重复使用。在这个项目中，我将向你展示如何将你在之前项目中的电池夹拆焊下来。

购物清单

来自 “项目 #12：焊接你的第一个 LED 电路” 的电路，第 118 页

工具

烙铁（例如，Jameco #116572，Bitsbox #TL031）

支架（例如，Jameco #36329，Bitsbox #TL032）用于固定烙铁。

线切割器（Jameco #35482，Bitsbox #TL008）用于剪切焊锡丝。

焊锡丝（Jameco #153462，Bitsbox #HW082）用于拆焊。

步骤 1：加热烙铁

插上你的烙铁，等待它加热。测试温度时，将一些焊锡线触碰到烙铁的尖端；当烙铁足够热时，焊锡会融化。

步骤 2：将焊锡丝放置在焊点上

将焊锡丝的末端放在一个电池夹焊点的顶部。

警告

焊锡丝在加热时会变得非常烫，因此不要用手指触碰金属部分。

步骤 3：加热焊点和焊锡丝

将加热过的烙铁尖端放在焊锡丝上，直接覆盖你想要拆除的焊点。

几秒钟后，焊锡应该会融化并流入焊锡丝中。将焊锡丝和烙铁一起从电路板上提起。

步骤 4：修剪使用过的焊锡丝

从焊点上取下焊锡丝，观察一下。焊锡丝上应该有焊锡。

就像一块脏布一样，这段焊锡丝已经脏到不能再用了。使用线切割器将含有焊锡的部分剪掉。

现在，检查你的焊点。如果没有剩余的焊锡连接组件脚和电路板，那么你应该能够将线从孔中取出。如果不能，重复步骤 2 和 3，使用新的焊锡丝，并继续重复步骤 3，直到你能够取出线。

步骤 5：移除另一个电池夹焊线

对另一个电池夹焊点重复步骤 2 到 4，你应该能够完全将电池夹从电路板上取下。此时，你的电路板铜面应该看起来像这样：

尝试一下：焊接更多东西！

想要多练习一下焊接吗？一个有趣的练习方式是购买并组装电子套件，这些套件包括元件和一个你可以焊接的电路板。你也可以在线找到电路图，购买所需的元件，然后将它们焊接到原型板上，就像你在这一章中做的那样。

以下是一些同时销售套件和元件的在线商店：

Jameco: www.jameco.com

Adafruit: www.adafruit.com

SparkFun: www.sparkfun.com

接下来做什么？

在这一章中，你学到了一个非常实用的技能：焊接。这意味着你可以为你的项目制作永久性的电路，而不必担心它们会散架。而且通过一些拆焊练习，你还可以故意拆解项目。

在第七章中，我将向你介绍晶体管、光敏电阻和电位器。这些是一些非常令人兴奋的元件，你可以利用它们让电路活起来，并响应周围的环境。例如，我将教你如何创建一个电路，告诉你早晨太阳升起的时刻！

第七章：用电控制事物

电子元件可以让你制造智能设备，比如在变暗时自动打开的灯，或者在你靠近时自动打开的门。在这一章中，你将了解一种帮助你构建这种智能物品的新元件：晶体管。

前一章向你展示了如何焊接，而这一章的项目——触摸传感器和在太阳升起时叫醒你的闹钟——将给你更多练习焊接技能的机会。每个项目所需的只是晶体管和一些附加元件。

认识晶体管

晶体管是电子学中最重要的元件，如果你曾经听到有经验的硬件爱好者谈论它，你可能会注意到他们往往使用很多难懂的术语。但其实晶体管并不难理解；事实上，你已经使用过类似的东西！你还记得在第五章中学到的继电器吗？晶体管在很多方面都类似于继电器：它就像是一个可以通过电来打开和关闭的开关。

一个晶体管有三条引脚。在标准的NPN 晶体管中，三条引脚分别称为发射极、基极和集电极。你常常会在电路图中看到这些引脚被标记为e、b和c。你通过基极和发射极来开关晶体管——也就是说，控制开关的开与关，并且你将想要控制的电路连接在集电极和发射极之间。

当你面对我们的示例晶体管，平面朝向你时，最左边的引脚是发射极，中间的引脚是基极，最右边的引脚是集电极。但并非所有的晶体管都如此，因此在使用晶体管时一定要查看其数据手册，确认每个引脚的功能。

为什么要使用晶体管？

如果晶体管像开关一样工作，那么你可能会想知道为什么要在一开始就使用晶体管而不是开关。好吧，想想一个风扇：如果你的房间很热，想打开风扇，你需要手动按下开关。但是，如果这个风扇是连接在一个合适的电路中，电路里有晶体管和其他一些组件，当房间温度超过 75 华氏度时，你可以让风扇自动打开。为了实现这一点，你需要一个可以感应温度的电路，另一个电路则可以开启风扇。

现在，想象一下一个温度感应电路，当温度高于 75 度时，它会输出电压，而低于 75 度时则没有电压。如果你将风扇的一根电线连接到 NPN 晶体管的集电极，将风扇的另一根电线连接到电池的正极，并将晶体管的发射极连接到电池的负极，那么晶体管就会控制风扇何时开关。

然后，你可以将温度传感电路的输出连接到晶体管的控制部分——即基极和发射极。在这样的电路中，当温度超过 75 度时，风扇会打开；当温度低于 75 度时，风扇会关闭。我们来看一下晶体管的“开关”是如何闭合的。

晶体管的工作原理

当有少量电流从晶体管的基极流向发射极时，晶体管“闭合开关”，使电流也能够从集电极流向发射极。

在第一章中，我解释了电压如何推动电流通过电路。为了让电流从基极流向发射极，必须有一个电压来推动电流。当电流从基极流向发射极时，这为电流在集电极和发射极之间的流动打开了通道。你还可以通过改变从基极到发射极的电流来控制流经集电极和发射极之间的电流大小。

我们所讨论的具体类型的晶体管是NPN 型双极结型晶体管。这个长名称描述了晶体管内部的材料。它的工作原理背后有一些高级的化学和物理学原理，但你不需要了解所有这些知识就能使用晶体管构建酷炫的电路——你只需要知道晶体管的作用。

现在要记住的重要一点是，不同类型的晶体管存在。对于本书中的每个晶体管项目，只需使用我在购物清单部分描述的类型，你的电路就会正常工作。当然，当你在本书外构建电路时，一定要使用电路图中指定的晶体管类型。

用晶体管控制 LED

本书中的其他项目已经使用了这个简单的 LED 电路，配有电阻和电池：

根据你到目前为止学到的知识，你认为如果你将晶体管放置在电阻和电池负极之间，会发生什么情况？

如果晶体管的基极上没有电压，或者控制引脚没有电压，就不会有电流从基极流向发射极。这意味着集电极和发射极之间也无法流动电流，LED 会熄灭。

但是如果你给基极施加一个小电压——例如，连接一个小电池到基极——晶体管就会让电流从集电极流向发射极，LED 就会亮起。一个允许电流通过的晶体管被认为是开启的；一个不允许电流通过的晶体管被认为是关闭的。让 NPN 晶体管开启所需的电压大约是 0.7 V，所以像这样的电路会让电流正常流动，从而点亮 LED：

通常，你不会将电池直接连接到基极。相反，你会连接另一个电路，控制晶体管的工作，例如一个光敏电路，当它检测到光时会给出一个小电压。像这样的电路会根据光的变化打开或关闭晶体管。

你可以构建一个这样的电路来控制 LED 和其他元件。在下一个项目中，我会向你展示如何利用晶体管用手指触碰来打开 LED。

项目 #14：构建一个能感知触摸的电路

你知道吗，你的手指可以充当电阻器？你的手指的电阻大约是几兆欧（MΩ），这可是很高的！不过，这个电阻是会变化的。例如，如果你的手指出汗了，电阻就会下降。

在这个项目中，你将用你的手指作为电阻器，完成一个电路，使 LED 点亮，从而创建一个触摸传感器。传感器是能够测量你周围世界中某些事物的元件，例如光或温度。在许多情况下，传感器是一个电阻器，其值会根据光线、温度或你想了解的其他物理量的变化而变化。

如果你在电池的正极和电路中晶体管的基极之间连接一个几兆欧的电阻，那么就会有小电流流过晶体管的基极到发射极。这股电流应该足够大，能够打开晶体管，并让少量电流从集电极流向发射极。

这个电路有一个晶体管、电阻器、LED 和电池，就像上一节中的电路一样。这一次，你不会使用单独的电池，而是通过一种触摸垫将 9 V 电池连接到晶体管的基极。触摸垫只是两根裸露的电线，它们被放置得足够近，你可以用手指同时触摸两根电线。

请注意，与之前你使用的 330 Ω 电阻器连接 LED 不同，这个电路使用了 100 Ω 电阻器。通常情况下，你手指的电阻很高，晶体管无法完全打开。使用更小的电阻器，即使手指的电阻有点高，LED 仍然会亮得很明亮。

购物清单

一个标准的 9 V 电池，为电路提供电源。

一个 9 V 电池夹（Jameco #11280，Bitsbox #BAT033），用于将电池连接到电路。

一个电路板（Jameco #2191488，Bitsbox #HW005），上面有铜条。

一个标准的 LED（Jameco #34761，Bitsbox #OP003）

两根裸露的电线，每根大约 1 英寸长。你也可以使用从其他项目中剪下的两个元件脚。

一个晶体管 2N3904（Jameco #38359，Bitsbox #QD018）

一个 100 Ω 电阻（Jameco #690620，Bitsbox #CR25100R），用于限制流向 LED 的电流。

工具

一个焊接铁（例如，Jameco #116572，Bitsbox #TL031）

一个支架（例如，Jameco #36329，Bitsbox #TL032），用于固定焊接铁。

焊锡线（例如，Jameco #94570，Bitsbox #HW022）

一台万用表（Jameco #2206061，Bitsbox #TL057，Rapid Electronics #55-6662），如果电路不工作，可以用来测量电压。

一把剪线钳（Jameco #35482，Bitsbox #TL008），用于剪掉多余的引脚。

第 1 步：将元件放置在原型板上

按照图示将 LED、电阻和晶体管放入原型板中。确保一个铜条将电阻与（1）LED 的阴极引脚和（2）晶体管的集电极引脚连接起来。将电路板铜面上的引脚弯曲，以固定元件的位置。

第 2 步：检查元件的位置

在焊接之前，查看电路板的铜面，仔细检查元件是否按照第 1 步中的指示放置。特别检查 LED 和晶体管的方向，因为这些必须正确焊接，电路才会正常工作。

第 3 步：焊接元件并剪掉多余引脚

将元件焊接到电路板上，就像你在《焊接教程》中的 第 112 页 学到的那样，然后用剪线钳剪掉多余的引脚。戴好安全眼镜，并小心将电路板转向自己的一侧，以防在剪线时飞溅的金属片伤到自己。

第 4 步：焊接触摸板

接下来，焊接两根裸露的电线。将一根电线连接到 LED 的阳极引脚，另一端连接到一个空的铜条。将另一根电线连接到晶体管的基极，另一端同样连接到一个空的铜条。确保焊接的位置方便你用手指触摸到这两根电线。

第 5 步：通电！

现在你需要电源了！为了完成这项工作，首先将电池夹焊接到电路板上，将红线和黑线按照 ➊ 所示的位置放置。焊接好电池夹后，将电池插入其中，位置如 ➋ 所示。

这个触摸传感器电路已准备好测试！

第 6 步：测试传感器

同时用手指触摸两根裸露的电线。你的 LED 应该会亮起来。如果你看不见 LED 发光，试着关掉房间的灯；LED 可能只是亮度较低。如果还是看不见 LED 发光，可以尝试将手指蘸湿再试，因为湿润手指可以减少电阻。

警告

仅用手指触摸裸露的电线。如果使用非常低电阻的物品，如一根导线，可能会损坏晶体管。

第 7 步：如果触摸传感器无法工作怎么办？

如果你触摸电线时没有反应，首先检查你的 LED 和晶体管的方向。混淆这些组件的引脚是很常见的，所以返回第一步，确保它们按照图像连接在原型板的铜条上。

如果 LED 和晶体管连接正确，你可以使用万用表测量控制端晶体管的基极和发射极之间的电压，而无需触摸触摸垫。将万用表设置为直流电压范围——例如 20V DC，然后将一根万用表线连接到基极引脚，另一根连接到发射极引脚，如图所示。万用表应显示约 0V 的值。现在，放上手指再测量一次；万用表应显示约 0.7V。

如果晶体管的控制端没有问题，检查开关端。从 LED 的一只引脚到另一只引脚测量电压，确保不触摸触摸垫。你应该在万用表上看到 0V。将手指放在触摸垫上再测量一次；现在电压应该在 1.7 到 2V 之间。

如果任何一个万用表测量结果不正确，那么请再次检查你的连接，尤其是暴露出来的两根电线，注意它们与电路图的匹配。最后，检查你的焊点，看看是否有多余的电线或焊料桥接了铜条之间的间隙，修复任何发现的接触不良。

试试看：触摸传感器能检测到不同的触摸吗？

尝试轻轻触摸两根暴露的电线，并注意 LED 的亮度。现在，试着用力按压。你能看到任何变化吗？让朋友重复这个实验。当你的朋友触摸电线时，LED 的亮度和你触摸时有区别吗？如果有，那就意味着你朋友的手指电阻不同！

当你用力按压时，电线和你手指之间的连接会变得更好，从而降低电阻，使电流更容易流动。

这是另一个可以和朋友一起尝试的有趣实验：自己触摸其中一根电线，让朋友触摸另一根。然后，用你的空闲手握住朋友的空闲手。你能看到 LED 灯亮起吗？现在，电流从电池通过你们俩的身体流入晶体管。但不用担心——电流非常微弱，不会有危险，你也不会感到任何东西。

可变电阻器

到目前为止，你只使用了具有固定电阻的电阻器，但你也可以找到具有可变电阻值的电阻器，这意味着电阻值可以变化。例如，某些电阻器在旋转旋钮时会改变其值，而其他电阻器则根据温度或光照强度改变其值。本节介绍了两种可变电阻器：电位器和光电阻。

认识电位器

在第四章中，你学到了标准电阻，它是一个具有特定不可变电阻的元件。可变电阻也是一种电阻，但它的电阻是可调的，通常用于控制诸如扬声器音量等功能。（你知道收音机上的音量控制吗？那通常就是一个可变电阻。）可变电阻通常有三个引脚，并且有一个轴，可以通过旋转该轴来改变电阻值。

可变电阻符号表示了可变电阻的工作原理以及三个引脚的功能。引脚 1 和引脚 3 之间的电阻是一个固定的数值电阻，这个数值等于你购买该可变电阻时标示的电阻值。例如，如果你有一个 10 kΩ的可变电阻，那么引脚 1 和引脚 3 之间的电阻值就是 10 kΩ。

引脚 2 叫做滑动臂。它连接到引脚 1 和引脚 3 之间的某个位置。你可以通过旋转可变电阻的轴来改变滑动臂的位置。如果你旋转轴使滑动臂靠近引脚 1，那么引脚 1 和滑动臂之间的电阻会变小，而引脚 3 和滑动臂之间的电阻会变大。

认识光敏电阻

光敏电阻是另一种可变电阻。光表示光线，这个元件的电阻值会随着照射在其表面的光线强度的变化而变化。有时这个元件也被称为光依赖电阻（LDR），因为它的电阻值依赖于光线。

光敏电阻由一种具有特殊性质的材料制成。在黑暗中，这种材料的电阻较高，但当光线照射到它上面时，光线激发了那些本应被束缚在材料中的电子。那些被激发的电子可以自由流动，从而降低电阻。照射到光敏电阻上的光线越多，它的电阻值就越小。

使用电阻分压

当电路中光敏电阻或可变电阻的电阻值发生变化时，根据欧姆定律，电压和/或电流也会发生变化。（如果你想再次复习数学内容，可以查看“介绍欧姆定律”第 73 页。第 73 页）如果你将可变电阻作为一个电路中的电压分压器的一部分，你将获得一个随电阻变化的电压输出。你可以利用这个变化的电压来控制电路中的其他元件。了解如何识别电压分压器，还能帮助你理解其他电路是如何工作的。

电压分压器长什么样？

如果你将两个电阻值相同的电阻连接在一起，并且分别接到电池的正负极，那么电阻相交处的电压将是电池电压的一半——例如，如果你使用的是 9V 电池，那么电压就是 4.5V。这个电路叫做电压分压器。

如果你使用不相等的电阻而不是相同的电阻，你可以通过电压分压器获得从 0V 到电池电压之间的电压。你只需要做一点点数学运算。

从电压分压器计算电压

假设你有以下电路。这个电路的输出电压（V[out]）是多少？

要找到 V[out]，将电路中的数值代入以下公式：

在这个例子中，输出电压是 6.77 V——大约是 9V 电池输入电压的三分之二。

电压分压器如何帮助测量光线

在本节开始时，我提到过电压分压器可以帮助你测量光线，但该怎么做呢？只需将电压分压器中的一个电阻替换为光敏电阻，你就能得到一个根据光照强度输出电压的电路。通过调整电压分压器中的另一个电阻，你可以设置电路在某个特定光照水平下输出特定电压。将此电路的输出连接到控制蜂鸣器的晶体管，你就得到了一个光控报警器！

项目 #15：构建一个日出闹钟

现在是时候将你在本章中学到的所有概念结合成一个有趣的项目了：一个日出闹钟！

该电路在检测到光线时启动报警。完成后，你可以在睡觉时将它放置在窗户上（窗帘和玻璃之间）。当太阳升起时，电路应该能检测到光线并启动报警，迫使你起床并关闭它。

这个项目使用了一个晶体管、一个光敏电阻、一个可调电阻和一个蜂鸣器。光敏电阻和可调电阻组成了电压分压器，电压分压器的输出连接到晶体管的基极。光敏电阻检测到的光量将决定晶体管是否开启。如果晶体管开启，电流应该通过蜂鸣器，蜂鸣器就会发出声音。可调电阻用来设定电路在触发报警前需要多少光照。

购物清单

一个标准的 9V 电池 用于为电路供电。

一个 9V 电池夹（Jameco #11280，Bitsbox #BAT033），用于将电池连接到电路。

一个电路板（Jameco #2191488，Bitsbox #HW005），带有铜条。

绝缘电线（Jameco #36792，Bitsbox #W106BK），长度约 10 英寸。标准连接线也能正常工作。

一个 2N3904 晶体管（Jameco #38359，Bitsbox #QD018）

一个 10 kΩ可调电阻（Jameco #2118791，Bitsbox #VR004）

一个光敏电阻（Jameco #202454，Bitsbox #ST004），用于检测光线。

一只蜂鸣器（Jameco #2173870，Bitsbox #ST016），会发出蜂鸣声。蜂鸣器有主动和被动两种版本。在本项目中，你需要一只与 9V 电池兼容的主动蜂鸣器，就像你在“项目 #2：入侵者报警器”中使用的那种，见第 11 页。

工具

一把焊接铁（例如，Jameco #116572，Bitsbox #TL031）

焊接架（例如，Jameco #36329，Bitsbox #TL032）用于支撑焊接铁。

焊锡线（例如，Jameco #94570，Bitsbox #HW022）

一只万用表（Jameco #2206061，Bitsbox #TL057，Rapid Electronics #55-6662），如果电路无法正常工作，可以用来测量电压。

一把线切割器（Jameco #35482，Bitsbox #TL008）用于剪去多余的引脚。

步骤 1：将组件放置在原型板上

从将晶体管、光敏电阻和电位器放置到电路板上开始，如图所示。将光敏电阻和晶体管的引脚弯曲到另一侧，以便它们保持固定。顶层铜条将是电池的正极连接，底层铜条将是负极连接。

电路图展示了组件和下方的铜轨，而照片则展示了你实际操作时电路板应该的样子。

步骤 2：焊接组件并修剪引脚

仔细检查组件的放置位置，确保与项目开始时的电路图和步骤 1 中的插图一致。确保晶体管连接正确，并且光敏电阻的一根引脚与晶体管的中心引脚位于同一铜排中。其他每个引脚，包括电位器的每个引脚，都应位于自己的铜排上。

当你确认组件放置正确后，开始将引脚焊接到电路板上。

完成焊接后，剪去多余的引脚。

步骤 3：将蜂鸣器添加到电路板上

接下来，将蜂鸣器焊接到电路板上。将蜂鸣器的正极（红色）引脚穿过顶层铜排的孔，与光敏电阻一起放置。然后，将其负极（黑色）引脚放在与晶体管集电极引脚相同的铜排中。现在焊接这两个引脚。

步骤 4：用电线完成剩余的连接

如果将你的电路与电路图对比，你会发现你仍然缺少一些连接来完成电路。电路板缺少电池夹，但为了使电路在供电时正常工作，还需要以下连接：

晶体管的基极需要连接到电位器的上层引脚。

中间的电位器引脚需要连接到电池的负极端子。

晶体管的发射极需要连接到电池的负极端。

要完成剩余的连接，您可以像这样将三根小导线焊接到电路板上，作为跳线：

剪下一段大约 2 英寸长的导线，并从两端剥离大约 0.3 英寸的绝缘层。较短的导线剥皮可能比较难操作，如果您在这一步遇到困难，可以使用更长的导线。找到您最容易剥皮的导线长度后，再准备两根导线。然后，将三根导线焊接起来，完成剩余的连接。

从晶体管的基极引出一根导线，连接到可调电阻的上端针脚。接着，将可调电阻中间的针脚与电路板底部的一排空位连接。最后，从您刚才连接的空位引出一根导线，连接到与晶体管发射极相连的那一排。检查导线是否与插图相匹配，然后将它们焊接到电路板上。

第 5 步：将电池夹焊接到电路板

剩下的就是电池夹了。将电池夹的红线焊接到电路板顶部的铜排上。顶部排还应包含光敏电阻的引脚和蜂鸣器的红线。将电池夹的黑线焊接到底部的铜排。

第 6 步：设置闹钟

插入电池，并将电路放置在您希望激活闹钟的光照强度的区域。转动可调电阻的轴，直到找到一个位置，在这个位置上，稍微来回拨动轴时，声音会开关。现在，将轴转动到刚好能让声音完全开启的位置。将手放在光敏电阻上，遮挡住光线，声音应该停止。移开手，声音应该再次响起。

从电路中取出电池，直到您准备上床睡觉时再进行下一步。关掉灯后，将电路放置在窗户上，连接电池，然后去睡觉。当太阳升起，外面的光线与您用来设置可调电阻的光线一样亮时，您会被自己制作的日出闹钟唤醒！

第 7 步：如果没有声音怎么办？

按照电路图逐个检查电路组件，最好有朋友一起检查。确保您的原型板上有电路图中显示的每个连接。还要检查是否没有短路。短路是电路中无意间连接到一起的部分。例如，确保相邻的焊点没有实际接触。

如果一切看起来正常，使用万用表测量晶体管的基极和发射极之间的电压。首先，将电位器的旋钮转到一侧，测量电压并记录下来。然后，将电位器旋转到另一侧，再次测量电压。你的万用表应该显示一侧为 0 V，另一侧大约为 0.7 V。如果没有，检查一下你的连接。

如果你仍然不确定问题出在哪里，可以将电位器旋转到一端，然后测量红色和黑色蜂鸣器线之间的电压。接着，将电位器旋转到另一端，再次测量。你应该在一端得到 0 V，在另一端得到大约 8 到 9 V 的电压。

如果一切都失败了，检查一下焊接点，重新焊接那些看起来连接不完全的地方。如果你已经完美地构建了电路，那么可能是某些元件损坏了。尝试使用新的元件重新在面包板上搭建电路，如果有效，就焊接这些元件。

试试看：温控风扇

你可以将第 15 号项目中构建的电路用于其他用途。例如，如果你将光敏电阻换成热敏电阻，即一种根据温度变化电阻值的电阻器，那么电路将响应温度，而不是光线。

你还可以更改控制的对象。试着将 LED 和电阻器换成风扇。现在，你就拥有了一个温控风扇！电路图如下所示：

你将需要以下元件：

一个标准的 9 V 电池，用于为电路提供电力。

一个 9 V 电池夹（Jameco #11280，Bitsbox #BAT033），用于将电池连接到电路。

一块电路板（Jameco #2191488，Bitsbox #HW005），带有铜条。

绝缘电线（Jameco #36792，Bitsbox #W106BK），长度约 10 英寸。标准的连接线就可以。

一个 10 kΩ的热敏电阻（Jameco #207037，Bitsbox #ST021）

一个 10 kΩ的电位器（Jameco #2118791，Bitsbox #VR004）

一个 PN2222A 晶体管（Jameco #178511，Bitsbox #QD101）

一个 12 V 直流风扇（Jameco #1708465，Bitsbox #AF002）

对于这个电路，我指定了一个不同的晶体管。不同的晶体管可以处理不同的电流。风扇通常比 LED 消耗更多电流，因此我列出了一个能够处理更多电流的晶体管，而不是你之前使用的那个。

测试电路时，首先用冰块将热敏电阻冷却，然后用手指加热它，看看风扇是否启动。

接下来是什么？

在这一章中，你学习了电子学中最重要的元件——晶体管是如何工作的。你还了解了电位器和光敏电阻，并将它们结合起来制作了一个日出闹钟。

现在你已经了解了几乎所有电子学中最常见的元件！并且你也已经进行了焊接的练习。在接下来的章节中，你将再次在面包板上搭建电路，因为这样修正错误和重复使用元件都更为容易。如果你想制作任何电路的永久版本，只需参考第六章中的焊接方法。

在第八章中，你将学习关于集成电路的知识。这些是包含了已经缩小到适应微小芯片上的电路的元件。这些芯片可以用来创造出各种令人惊叹的电路类型。当你在第八章中亲手制作你的电子仪器时，你会明白我的意思！

第八章：制作一个音乐乐器

本章将向你展示如何利用电子元件制作声音！与之前你制作的其他项目不同，本章的项目使用了集成电路（IC），这是一种被缩小并封装在小盒子里的完整电路。各种各样的电路都可以作为 IC 来制造，而且大多数家用设备中都包含 IC。只要往电脑或电子玩具里一看，你肯定能发现一些 IC。

首先，我将更详细地解释 IC 是什么，并描述如何弄清楚特定 IC 的作用。接下来，你将通过构建一个简单的电路来练习使用 IC，这个电路会发出一些奇怪的声音。在本章的最后，我将向你展示如何制作你自己的电子乐器，并可以用它来演奏音乐！

认识集成电路

IC 是非常小的电路，方便地被封装成小塑料盒，通常是黑色的。每个 IC 都有金属的引脚从它上面突出，方便你将其他元件连接到电路中。

在内部，一个 IC 可能包含一个音乐播放器电路、一个无线电电路、一个遥控电路，或是完全不同的其他东西。因为一个小小的 IC 就可以包含一个非常复杂的电路，所以你可以使用 IC 来制作具有多种功能的电路，而无需从零开始构建。

IC 和数据手册

有些集成电路（IC）只有 8 个引脚，但其他的 IC 可能有超过 100 个！要弄清楚特定 IC 每个引脚的作用，你需要查看该 IC 的数据手册，就像你在“项目 #11：闪烁一个灯！”中做的那样，位于第 101 页。数据手册会告诉你每个引脚的功能，而且数据手册通常还会展示如何在电路中使用 IC 的示例。要找到某个元件的数据手册，可以尝试在线搜索该元件的名称加上“datasheet”一词，或者检查你购买该元件的官网。

数据手册通常包含很多数字和技术术语的表格，所以第一次看到 IC 的数据手册时，可能会觉得非常复杂。但你通常不需要阅读整个数据手册。相反，你可以只查找你需要的信息，然后回到构建电路的工作中。

如何用电流制作声音

声音是当空气来回快速振动时你所听到的声音。许多产生声音的设备，比如汽车中的音响系统，都是通过扬声器来实现的，扬声器是一个可以快速振动空气从而产生声音的元件。

扬声器内部有一个电磁铁，电磁铁推动一个 振膜，振膜是一个推动空气的表面。当电路每秒开启和关闭扬声器的电磁铁 1,000 次时，振膜就会每秒推动空气 1,000 次。这就是声音的 频率，频率是用赫兹（Hz）来测量的。每秒 1,000 次，或者 1,000 Hz 的频率会产生一个持续的哔声。

人耳能听到的声音

人类只能听到大约 20 Hz 到 20,000 Hz 之间的声音。在第 11 项目：闪烁灯光！（见 第 101 页）中，你构建了一个每秒闪烁一次的电路。如果你将电路的输出连接到扬声器，扬声器发出的声音频率将是 1 Hz，这样的频率太低，人耳是无法听到的。你会听到扬声器开关切换时发出的“咔嚓”声。

这意味着，要产生你能听到的声音，你需要创建一个可以每秒开启和关闭扬声器电压数百或数千次的电路！幸运的是，有一个 IC 可以帮助你实现这一点。

认识 555 定时器

一个经典的集成电路（IC）是 555 定时器，你可以用它快速地切换开关。例如，你可以使用 555 定时器让灯光每秒闪烁一次，或者将它连接到扬声器上发出声音。除了 555 定时器外，你还需要添加一些额外的电阻和电容，通过精心选择这些元件的值，你可以控制灯光闪烁的速度或声音的频率。555 定时器在爱好者中非常流行，因为它便宜，而且一旦掌握了基本知识，使用起来相当简单。你将在本章的项目中使用像这里显示的 555 定时器 IC。

给 IC 供电

555 定时器的数据手册会告诉你每个引脚的功能。现在可以尝试在线搜索“555 定时器 数据手册”。当你找到并打开数据手册时，你应该会看到一个 引脚图，像这样：

555 定时器有八个引脚。IC 的引脚是按逆时针方向编号的，从左上角开始。（顶部通常有一个小缺口或圆圈标记；有些 IC 上可能两者都有。）数据手册会告诉你每个引脚的功能，但以下两个引脚是现在最需要注意的：

引脚 1，地 这个引脚必须连接到电池的负极。在使用 IC 的电路图中，通常会将电池的负极标记为“地”或简写为 GND。

引脚 8，V[CC] 这个引脚必须连接到电池的正极，电压必须在 4.5 到 15 V 之间。这意味着 9 V 电池就可以正常工作。在某些 IC 上，这个引脚被称为 V[DD]。

在所有 IC 上，你都可以找到 V[CC]和地引脚。它们是你从任何数据表中首先要了解的引脚，因为你将使用它们为 IC 内部电路供电。

数据表还展示了如何将 555 定时器连接到电路中，我认为最有趣的电路是将 555 定时器连接到非稳态模式。非稳态意味着某事物在持续变化（不稳定），在非稳态模式下，555 定时器的输出会不断开关。这非常适合使灯光闪烁或发出声音！下面是指示 555 定时器开关其输出的电路：

注意

555 引脚的位置已经根据图示进行了安排；它们与 IC 上的顺序不同。

如何设置 555 定时器的输出速度

电路图中 R1、R2 和 C1 的值决定了输出引脚保持高电平的时间——意味着它输出接近电池电压的电压——以及保持低电平的时间——意味着它输出接近 0V 的电压。输出变化的速度，或频率，是输出从高到低的次数，每秒一次。当 555 定时器连接到非稳态模式时，如电路图所示，输出的频率由电阻 R1 和 R2 以及电容 C1 通过以下公式控制：

这里，电阻值以欧姆为单位，电容值以法拉为单位。要找到频率，首先将 R1、R2 和 C1 的值代入公式，然后把等号右边的内容输入计算器。

让我们尝试一个例子。假设有一个电路，组件值如下：

R1 = 100 kΩ

R2 = 10 kΩ

C1 = 10 nF

输出的频率是多少？将这些值代入公式：

现在转换单位，使得这些值更容易相乘（120 kΩ = 120,000 Ω 和 10 nF = 0.00000001 F）：

根据此计算，使用这些值时，输出应该每秒开关 1,200 次。

项目 #16：使用 555 定时器制作你自己的声音

这个项目将向你展示如何通过扬声器播放大约 1,200 Hz 的声音。非常酷！但是，1,200 Hz 的声音并不太适合听，尤其是如果你有宠物，它们可能比你更不喜欢这个声音。事实上，当我在父母家打开这个电路时，他们的狗跑来跑去，表情非常困惑，有点害怕。我迅速关掉了它，并把实验移到了没有宠物的地方。我建议你也不要在有宠物的地方做这个项目。

购物清单

标准的 9V 电池为电路供电。

一条 9 V 电池夹（Jameco #11280, Bitsbox #BAT033），用于将电池连接到电路。

一块面包板（Jameco #20601, Bitsbox #CN329），至少有 30 行。

面包板跳线（Jameco #2237044, Bitsbox #CN236），用于实现简便的连接。（标准接线线也可以使用。）

一颗 555 定时器集成电路（Jameco #904085, Bitsbox #QU001），用于创建定时功能。

一只 8 Ω 扬声器（Jameco #1954818, Bitsbox #ST063），用于播放声音。

一颗 10 µF 电容（Jameco #29891, Bitsbox #EC10U25），用于连接到扬声器。

一颗 10 nF 电容（Jameco #15229, Bitsbox #CC10N），用于设置声音的频率。

一颗 100 kΩ 电阻（Jameco #691340, Bitsbox #CR25100K），用于设置声音的频率。

一颗 10 kΩ 电阻（Jameco #691104, Bitsbox #CR2510K），用于设置声音的频率。

步骤 1：将 555 定时器放置在面包板上

这个电路是围绕 555 定时器集成电路构建的，所以首先将该集成电路放置在面包板的中间，方便将其他所有组件连接到它周围。

注意

当将集成电路连接到面包板时，始终将其放置在中间的凹槽上，一侧的引脚在左边，另一侧的引脚在右边。否则，面包板上同一行的引脚将会互相连接。

将集成电路的凹槽标记朝上放置，使得引脚 1 位于左上角，引脚 8 位于右上角，如图所示。仔细检查确保你按照我描述的方向放置芯片，否则项目中的其他指令将无法工作。

步骤 2：设置频率

接下来，连接设置频率的电阻和电容：R1、R2 和 C1。C1 电容是非极性的，因此连接方向无关紧要。使用右侧的两个垂直列作为正负电源：红色列为正，另一个为负。

将 R1（100 kΩ 电阻）从 555 定时器的引脚 7 连接到正极列。将 R2（10 kΩ 电阻）从引脚 6 连接到引脚 7。然后，将 C1（10 nF 电容）从引脚 6 连接到负极列。接着，用跳线将引脚 2 和引脚 6 连接，以完成设置频率所需的其余连接。

步骤 3：连接扬声器和耦合电容

现在，所有让 555 定时器的输出引脚 3 每秒开关大约 1,000 次的组件应该都已放置在你的面包板上。如果你直接将扬声器连接到输出端，电流会大得通过扬声器，可能会损坏扬声器和 555 集成电路。你可以通过电阻器连接扬声器来减少电流，但使用电容器更好。当电容器连接到交流电压时，电容器有点像电阻器，但如果连接到恒定的直流电压，电流会被阻止。这意味着，除非有实际的频率要播放，否则不会有电流流过扬声器。当电容器像这样使用时，称为耦合电容器。

本项目的耦合电容器是一个 10 μF 的极性电容器，因此首先需要确定哪个引脚是负极。将电容器的正极连接到 555 定时器的输出引脚 3。然后将电容器的负极连接到面包板上的空白行。

接下来，如果你的扬声器没有线，请在扬声器背面的两个接触点上分别焊接大约 6 英寸长的导线（忽略扬声器接触点旁的+或-标记）。然后，将其中一根扬声器导线连接到与负电容器引脚相同的行，另一根导线连接到负电源列。

步骤 4：连接电源和重置引脚

将你的面包板与项目开始时的电路图进行对比，你会发现有几个连接缺失。一旦你将所有组件放置在面包板上，就可以通过跳线完成这些最后的连接。为以下每个连接添加一根跳线：

从 555 定时器的引脚 1 连接到负电源列

从 555 定时器的引脚 8 连接到正电源列

从 555 定时器的引脚 4 连接到正电源列

注意，在这个电路中，555 定时器的引脚 5 没有连接。

步骤 5：发出声音！

将电池夹连接到面包板右侧的电源列。红线连接到正电源列，黑线连接到负电源列。

当你准备好后，连接电池，你应该能听到一个响亮的蜂鸣声。恭喜：你刚刚制作了你的第一个电子声音！

步骤 6：如果没有声音怎么办？

这个电路有很多连接，因此如果电路在第一次尝试时没有工作，不必担心：每个玩电子的人都会遇到这种情况。首先，断开电池，然后检查电阻和电容的引脚。这些引脚很长，容易不小心接触到彼此，导致短路。（例如，如果你不小心将电池的正极直接连接到负极，就会造成短路。）

接下来，检查与 555 定时器的组件连接。555 定时器的引脚必须按照电路图与其他部分连接，否则 IC 将无法工作。当连接较多时，容易将电线插错面包板的行。

团队协作检查连接

找到电路问题被称为调试，有些帮助会让这变得更容易。当你卡住时，要求别人帮助检查电路图，并且一边检查实际连接，一边大声说出连接的顺序。例如，如果你的朋友正在读电路图，而你在查看面包板，你们可能会进行如下对话：

朋友：“电池的正极连接到 R1 的一端。”

你：“明白了！”

朋友：“电池的正极也连接到 IC 的第 4 和第 8 引脚。”

你：“明白了！”

朋友：“R1 的另一端连接到芯片的第 7 引脚和电阻 R2 的一端。”

你：“哦，等一下！我没有连接到第 7 引脚！”

就这样，你会发现问题所在。

如果所有组件的方向都正确，并且没有看到短路，那么检查所有面包板的连接，确保应该连接的组件共享一行。从电路图中电池正极的连接开始，检查它在面包板上的连接是否与电路图所示一致？如果一致，继续检查下一个连接；按这种方式逐个检查，直到检查完所有连接。

将烦人的蜂鸣声转化为音乐

你在上一个项目中创建的声音并不太愉快。那么，如何将其变成音乐呢？音乐音符只是以特定频率振动的声波，这意味着你可以使用 555 定时器制作一个电子乐器。如果你改变输入到扬声器的信号频率，那么声音的音调也会发生变化。你只需要找到一种方法，可以随意改变 555 定时器的输出频率，而无需每次重建电路。

第七章介绍了两种可以改变电阻值的元件：可变电阻器和光电阻。如果你使用这些元件之一来控制 555 定时器的输出信号的频率，那么当这些元件的电阻发生变化时，声音也会随之改变。这就是你将在下一个项目中制作的仪器的原理。

项目 #17：一个会发出“嘀嘀”和“哔哔”声的仪器

这个项目向你展示了如何将迄今为止所学的内容结合起来，构建你自己的电子乐器。具体来说，你将构建一个带有按钮来播放声音、并用电位器调节音调的乐器。

这个仪器像一个非常简单的合成器，利用电流产生声音。自电子音乐诞生以来，合成器被用来为歌曲添加各种嘟嘟声、哔哔声和故障音。这个合成器虽然很基础，但依然能发出不少有趣的声音。实际上，这个项目的电路看起来与"项目#16：使用 555 定时器制作自己的声音"（见第 167 页）的电路非常相似，但它有一些变化。

该电路用一个电位器（和一个保护用的 1 kΩ电阻）替代了项目#16 中的独立 R1 和 R2。电位器像两个电阻一样工作，意味着你可以随时更改 R1 和 R2 的值，从而改变你听到的音调。

注意，这个电路还有一个连接到正电池端子的开关。这个开关是一个按钮，电源和电路之间有一个开关，这样仪器只有在按下按钮时才会发出声音。

购物清单

标准 9 V 电池，为电路提供电源。

9 V 电池夹（Jameco #11280，Bitsbox #BAT033），用来将电池连接到电路中。

面包板（Jameco #20601，Bitsbox #CN329），至少有 30 行。

面包板跳线（Jameco #2237044，Bitsbox #CN236），用于轻松连接。（标准连接线也可以使用。）

555 定时器集成电路（Jameco #904085，Bitsbox #QU001），用来产生定时信号。

8 Ω扬声器（Jameco #1954818，Bitsbox #ST063），用来播放声音。

10 µF 电容器（Jameco #29891，Bitsbox #EC10U25），连接到扬声器上。

10 nF 电容器（Jameco #15229，Bitsbox #CC10N），用来帮助设定声音的频率。

100 kΩ电位器（Jameco #2161406，Bitsbox #VR006），用来控制音调。

1 kΩ电阻（Jameco #690865，Bitsbox #CR251K），保护第 7 脚避免直接连接到 V[CC]。

一个按钮（Jameco #119011，Bitsbox #SW087），用来播放音调。

步骤 1：连接 555 定时器和电容器

从将 555 定时器连接到面包板的中间开始。然后，连接两个电容器。将 C1，10 nF 电容器，从引脚 6 连接到负电源列。然后将 C2，10µF 电容器的正极连接到芯片的引脚 3，负极连接到远离此处的一个空行。完成后，你的面包板应如下所示：

第 2 步：连接跳线

使用跳线创建以下连接：

将引脚 8 连接到面包板的正电源列

将引脚 4 连接到面包板的正电源列

将引脚 1 连接到面包板的负电源列

将引脚 2 连接到引脚 6

第 3 步：连接音符控制器和电阻

接下来是电位器，它控制播放的音符。由于它占据更多空间，将其插入面包板的底部，如图所示，确保每个引脚都位于自己的行中。

将 1 kΩ 电阻从电位器的最上面一腿连接到离 555 IC 更远的未使用行，并用跳线将此行连接到正电源。然后，将跳线连接到剩下的两个电位器引脚中的每一个。将中间电位器引脚上的线连接到 555 定时器的引脚 7，将下部电位器引脚上的线连接到 555 定时器的引脚 6。

第 4 步：添加“开”按钮

你快完成了！你不会将电池夹直接接到面包板的正电源列，而是通过一个按钮连接，这个按钮将充当你乐器的“开”按钮。这样，只有当按下按钮时，电路才会从电池获得电源，从而只有按下按钮时才会发出声音。

购物清单中的按钮（第 177 页）有四个引脚，但前面的两个腿连接在一起，后面的两个引脚连接在一起。这意味着这个按钮的工作方式与双引脚开关完全相同。当你按下按钮时，前面一对引脚与后面一对引脚连接，电路获得电源，你会听到声音。松开按钮后，电路失去电源，声音会停止。

将按钮插入面包板的中间缺口处。然后，使用跳线将按钮的一侧连接到面包板的正电源列。接下来，将电池夹的正极线连接到按钮的另一侧。最后，将电池夹的负极线连接到负电源列。

第 5 步：添加扬声器

将一个扬声器线连接到与负电容器腿相同的行，另一根线连接到负电源列。

第 6 步：播放一些音乐！

将电池连接到电池夹上，然后按下按钮。你听到声音了吗？试着来回转动电位器的旋钮，直到你听到声音。

你可以通过按下按钮并以任何节奏进行操作来制作节拍，并且可以通过转动电位器的旋钮来控制音调。滴、吧、嘭！

第 7 步：如果乐器无法工作怎么办？

一些电位器不完全适合面包板，因此首先检查你的电位器是否正确连接到面包板上。接下来，检查两个电容器和按键是否按照项目开头的电路图连接。

这个板子上有很多电线，所以很容易搞错连接。如果你仍然没有听到任何声音，那就检查一下板子上的所有连接，确保它们正确。我建议使用我在“团队检查连接”中描述的过程，参考第 174 页。

尝试一下：制作一个运动控制的乐器

不要用一个电位器替代 R1 和 R2，而是试试使用一个 1 kΩ的电阻作为 R1，一个光敏电阻作为 R2，如电路图所示。当你将手移动到光敏电阻上时，照射到它的光线量应该会变化，乐器应该会演奏出不同的音符！

接下来做什么？

世界上有数百万个集成电路，它们做着各种各样了不起的事情。记住，每当你想在项目中使用集成电路时，你可以查阅它的数据表，了解它的功能以及你需要制作什么样的电路来让它工作。

在这一章中，你学习了如何使用 555 定时器集成电路制作音乐。这些电路有很多连接，所以如果你第一次没有接对，那么你并不孤单。大多数人在第一次连接电路时会搞混线路，而修复连接是很好的练习！说到练习，现在是时候再做一些焊接了。不如将你的乐器焊接到原型板上——甚至可以把它放进一个盒子里？

集成电路在数字电路中非常常见。数字电路通过开关正确的部分来完成许多任务，通常非常迅速，就像你在这一章中制作的音乐乐器一样。像你的计算机这样的现代小工具使用数字电路，而你将在本书的最后几章学习更多关于数字电子的内容。

第三部分

数字世界

第九章：电路如何理解一和零

手机、电脑、电视、视频游戏主机以及你周围几乎所有的其他科技产品都采用了数字电子技术。如果你曾经打开过电脑，你可能会觉得电路非常复杂，但当你将硬件分解成小块时，其实它非常简单：计算机的每个操作都基于某些电路是否看到高电压或低电压。

你已经使用晶体管来制作控制电路，在这一章中，你将学习如何使用数字电子技术来制作更智能的电路。你将学习一种新的数字系统，什么是位（bit）和字节（byte），以及如何利用位和字节用电来创建信息。

一和零作为电压

当我在学校时，老师告诉我计算机通过一和零进行通信，但他没有进一步解释。我想知道更多，于是我决定去问我爸爸。因为计算机是复杂的机器，我以为它们使用一和零的方式也会很复杂，但我爸爸告诉我：“在计算机中，1 只是一个带电压的电线，0 是一个没有电压的电线。”（我爸爸所说的“没有电压”是指电压为零。）

在《如何设置 555 定时器的输出速度》的第 166 页中，我简要提到过 555 定时器的引脚可以是高电平或低电平。计算机中集成电路的引脚工作原理也一样：高电平是 1，低电平是 0。数字电路通过在不同的导线上切换高低电压来工作。

认识二进制数字系统

通常，当你谈论数字时，你使用的是十进制数字，它属于基数为 10的数字系统。在十进制中，一个数字可以有 10 个可能的值，从 0 到 9。但数字电路只能处理两种电压（高电压和低电压），因此它们只能理解二进制数字。二进制也叫做基数为 2的数字系统，二进制数字的位只有两个可能的值：0 和 1。

这是你如何用十进制和二进制分别计数到 10：

十进制数字	二进制数字
0	0
1	1
2	10
3	11
4	100
5	101
6	110
7	111
8	1000
9	1001
10	1010

这里发生了什么？十进制的数字 2 在二进制中是 10，十进制的数字 4 在二进制中是 100！

你可以通过数字及其位置来推算任何系统中数字的值。最右边的数字始终乘以 1。从右往左，每个位置的值等于基数乘以前一位置的值。在十进制中，基数是 10，因此第二位的值是 10，或者 10 × 1；第三位的值是 100，或者 10 × 10；第四位的值是 1000，或者 10 × 100；依此类推。这里有一个例子：

在数字 181 中，第一位是 1，第二位是 8，第三位是 1。将这些数字与它们的位置值相乘，然后将得到的结果相加，即可得出 181。尽管如此，你不需要使用这种方法来算出十进制数字，毕竟 181 显然等于 181！但这种方法对找出二进制数的值非常有用。二进制遵循相同的规则，只是它使用的是 2 为基数。

项目#18：从二进制转换到十进制

在这个项目中，你将转换一个二进制数字为十进制形式。将数字转换为不同的进制意味着计算该数字的值并用新进制的数字表示它。

工具

一支钢笔或铅笔用来写字。

纸张用来写字。

一台计算器用来加数字。如果你擅长心算，可以尝试不使用计算器进行此项目。

第 1 步：写在纸上

首先，在纸上写下一个八位二进制数字，在数字上方和下方留出空格。我将转换二进制数字 1011 0101，并像这样写出来：

第 2 步：写下位置值

接下来，在每一位数字上方写出每个位置的值。二进制与十进制的工作方式相同，只是基数是 2。这意味着最右边位置的值为 1，要找到左边的位置，只需将前一个位置的值乘以 2。例如，第二位的值是 2 × 1 = 2；第三位的值是 2 × 2 = 4；第四位的值是 4 × 2 = 8；以此类推。如果你不想在脑中计算这些，可以使用计算器。当你写下这些值时，你应该得到类似这样的结果：

第 3 步：找出每个数字的值

查看你写下的二进制数字的每一位。如果某位是 0，就在它下方写 0。如果该位是 1，就在它下方写出该位置的值。这些值将会相加，得出最终的十进制数字。

第 4 步：添加数字

现在你应该已经有了三行数字。将底部行中的数字相加（你可以在每对数字之间写一个加号，以便于加法），得到和，即为二进制数字的十进制值。

二进制数字 1011 0101 转换为十进制是 181。如果你跟着这个数字做，并且结果不同，请重新检查步骤，并将你的结果与我的答案进行对比，以找出错误所在。

动手试试：转换更多二进制数字

为了更好地练习零和一，我们将一些二进制数字带入十进制世界。这里有几个可以尝试的数字： *

1010

0011 1111

1000 0000

0011 1011 0101

• 在十进制中，这些二进制数字分别是 10、63、128 和 949。

位和字节

二进制数中的每一位数字叫做比特（binary digit的缩写），计算机以八个比特为一组处理数字，这组比特叫做字节。二进制数 1011 0101 有八个比特，因此它是一个字节。你可以通过多种方式与计算机互动，但所有的鼠标点击、按键、摄像头视频等都需要被转换成比特和字节，计算机才能理解。

事实上，在使用计算机和其他数字设备时，你通常会看到比 1 字节大得多的数字。计算机上的所有文件都是字节的集合，但如果你单纯用字节来描述它们的大小，这些数字会非常庞大！因此，文件通常用更大的单位来描述，比如千字节*（kB）、兆字节（MB）、千兆字节（GB）、太字节（TB）等。以下是这些单位的含义：

1 kB	= 1,000 字节
1 MB	= 1,000 kB = 1,000,000 字节
1 GB	= 1,000 MB = 1,000,000 kB = 1,000,000,000 字节
1 TB	= 1,000 GB = 1,000,000 MB = 1,000,000,000 kB = 1,000,000,000,000 字节

如果计算机的硬盘可以容纳 1 TB 的数据，那么它就可以容纳一万亿字节，也就是八万亿个一和零！

数字可以代表任何事物

现在你可能会想，“为什么我需要计算机里有八万亿个一和零？”事实上，无论你是用计算机写故事、画画、和朋友聊天、玩游戏还是做其他任何事，你都在使用那些一和零。

举个例子，计算机是如何在屏幕上显示图像的？计算机屏幕由许多小点组成，叫做像素，每个像素可以设置为一种红色、绿色和蓝色光混合的颜色。如果你希望一个像素呈现最亮的黄色，你会用数字告诉计算机将该像素的红色和绿色设置为全强度，蓝色设置为零（因为混合红色和绿色光看起来像黄色）。通过这种方式，你可以将数字转化为屏幕上的图像。

项目 #19：颜色猜测游戏

在本项目中，你将使用二进制值来构建一个像素颜色猜测游戏。它是一个两人游戏，你和朋友轮流扮演“计算机”和“用户”的角色。

计算机的“人类”通过按下三个按钮的组合来设置像素的颜色。当计算机准备好后，用户必须猜测像素的颜色是什么。当用户准备好猜测时，他们应该大声说出所选颜色，然后按下颜色显示按钮来展示实际颜色。如果用户猜对了，他们得一分并且可以继续猜。如果猜错了，就交换角色。第一个得三分的人赢得这一回合。

认识 RGB LED

要为此项目创建像素，您将使用红绿蓝（RGB）LED，它将红色 LED、绿色 LED 和蓝色 LED 组合为一个组件。通过打开和关闭这些 LED 中的每一个，您可以创建不同的颜色。例如，仅打开红色和绿色 LED 会产生黄色。

有两种类型的 RGB LED：共阳极和共阴极。这就是一个共阳极 RGB LED 的外观及其符号：

RGB LED 有四个引脚。您将使用三个引脚来设置颜色，第四个引脚是共用引脚。在共阳极 RGB LED 中，三个 LED 的正极（阳极）合并为一个引脚；共阴极 RGB LED 将三个 LED 的负极（阴极）合并为一个引脚。

在这个项目中，您将构建以下电路，使用一个共阳极 RGB LED 和一些按钮。

购物清单

一个标准的 9 V 电池为电路供电。

一个 9 V 电池夹（Jameco #11280, Bitsbox #BAT033）用于将电池连接到电路。

一个面包板（Jameco #20601, Bitsbox #CN329），至少包含 30 行。

面包板跳线（Jameco #2237044, Bitsbox #CN236）用于方便地连接部件。（标准连接线也可以使用。）

三只 330 Ω电阻（Jameco #661386, Bitsbox #CR25330R）用于限制 LED 的电流。

共阳极 RGB LED（Jameco #2219567, Bitsbox #OP100）用于创建颜色。

四个按钮（Jameco #119011, Bitsbox #SW087）用于设置和显示颜色。

第 1 步：放置颜色选择按钮

将面包板放置，使中间的缺口从顶部到底部延伸。然后，将三个按钮放在面包板的底部；每个按钮的一对引脚应该位于缺口的左侧，另一对引脚位于右侧。这样，您将有足够的空间在按钮的两侧连接其他组件，并且能够更容易地将计算机的按钮与用户的按钮区分开来。按钮放置好后，从每个按钮的右下方引脚连接三根跳线到负电源列。

第 2 步：连接 RGB LED

在板子左侧的中间位置，连接您的 RGB LED。RGB LED 的最长引脚是共阳极引脚，暂时不连接它。从 RGB LED 剩余的每个引脚连接一只 330 Ω电阻到面包板右侧的空白行。然后，从这三行中的每一行，连接一根跳线到每个按钮的左上方引脚。

第 3 步：连接颜色显示按钮

接下来，添加一个按钮，让用户能够看到计算机选择的颜色。将第四个按钮放在面包板的最顶部，横跨中间的凹槽。将一根跳线从 RGB LED 的共阳极引脚连接到第四个按钮的左上角引脚。然后，再将一根跳线从这个按钮的右下角引脚连接到右侧的正电源列。

步骤 4：测试颜色

将电池夹连接到右侧的电源列，连接电池并试试看！按下底部的一些按钮，然后按下颜色揭示按钮查看颜色。在这张照片中，我将我的 RGB LED 设置为绿色。

你应该能看到以下七种颜色，具体取决于你按下了哪些按钮：

颜色	上按钮	中按钮	下按钮
红色	按下 (1)	未按下 (0)	未按下 (0)
绿色	未按下 (0)	按下 (1)	未按下 (0)
蓝色	未按下 (0)	未按下 (0)	按下 (1)
黄色	按下 (1)	按下 (1)	未按下 (0)
青色	未按下 (0)	按下 (1)	按下 (1)
品红	按下 (1)	未按下 (0)	按下 (1)
白色	按下 (1)	按下 (1)	按下 (1)

如果你的按钮颜色不匹配，请交换三只电阻器与按钮之间的连接，直到它们匹配为止。

步骤 5：如果游戏不工作怎么办？

如果你完全看不见颜色，请检查你的连接是否与电路图匹配。如果连接正确，但按下颜色揭示按钮后仍然看不见任何颜色，可能是你使用了共阴极 LED 而不是共阳极。检查这一点的方法很简单，只需交换电池的正负连接。

当你确认所有颜色都能正常工作时，邀请朋友一起来玩吧！

尝试一下：焊接颜色猜谜游戏

这是一个完美的电路，可以用来练习你的焊接技能。拿一块原型板，将电路焊接到板上，这样你就有了一个永久的颜色猜谜游戏，可以带着它去长途旅行。

如何用二进制数字创建单词

图像并不是唯一能用二进制数字存储的东西；字母也可以用数字表示。实现这一点的一种方法是使用ASCII 码，它是计算机能够理解的标准字节集，用于表示大写字母、小写字母、数字、标点符号等。此表中的数字代表英文字母的小写字母。

十进制 ASCII 代码	二进制值	小写字母
97	0110 0001	a
98	0110 0010	b
99	0110 0011	c
100	0110 0100	d
101	0110 0101	e
102	0110 0110	f
103	0110 0111	g
104	0110 1000	h
105	0110 1001	i
106	0110 1010	j
107	0110 1011	k
108	0110 1100	l
109	0110 1101	m
110	0110 1110	n
111	0110 1111	o
112	0111 0000	p
113	0111 0001	q
114	0111 0010	r
115	0111 0011	s
116	0111 0100	t
117	0111 0101	u
118	0111 0110	v
119	0111 0111	w
120	0111 1000	x
121	0111 1001	y
122	0111 1010	z

例如，字母 a 可以用十进制数字 97 表示，即二进制数字 0110 0001。你可以使用这个表格来编码和解码由零和一组成的秘密消息。

项目#20：秘密消息机

这个项目是一个电路，通过 LED 显示八位二进制数字。点亮的 LED 代表 1，熄灭的 LED 代表 0。你将使用开关来设置二进制数字，并用一个按键将二进制数字显示在 LED 上。

八位二进制足以表示一个 ASCII 字符，因此你可以使用这个项目生成只有懂二进制的人才能解码的秘密消息！这个完成的秘密消息机展示了字母 w，即 0111 0111。

认识 DIP 开关

这个电路使用八个开关来设置二进制值，但把这么多独立的按钮插到面包板上会很麻烦。幸运的是，你可以使用一个 DIP 开关，它是一个带有一排或多排微型开关的元件。

注意

DIP 代表双列直插封装，指的是引脚的排列方式。名称中带有“DIP”的元件有两排引脚，你可以将其插入面包板中。这个项目中的 DIP 开关有八个独立的开关，非常适合为一排 LED 创建二进制输入。

购物清单

一块标准的 9 V 电池为电路提供电力。

一个 9 V 电池夹（Jameco #11280, Bitsbox #BAT033），用来将电池与电路连接。

一个面包板（Jameco #20601, Bitsbox #CN329），至少有 30 行。

面包板跳线（Jameco #2237044, Bitsbox #CN236），用于方便地连接部件。（标准连接线也可以使用。）

八个 330 Ω电阻（Jameco #661386, Bitsbox #CR25330R），用于限制流向 LED 的电流。270 Ω到 470 Ω之间的任何值都能很好工作。

八个蓝色 LED（Jameco #2193889, Bitsbox #OP033），用来显示二进制数字。

一个 8 位 DIP 开关（Jameco #696984, Bitsbox #SW098），用来设置二进制数字。

一个按钮（Jameco #119011, Bitsbox #SW087），用来打开 LED。

第一步：连接按钮

将按钮插入面包板的顶部。这个项目将在面包板上占用大量空间，因此从现在开始，尽量将各个组件放置得尽可能紧凑。

从面包板右上角的行连接一根跳线，这一行应该连接到按键的上引脚，再连接一根跳线从按键下引脚到左侧的正电源列。

你的面包板应该看起来像这样：

这个按键控制着电池正极与电路其余部分的连接。当按键未被按下时，电流无法形成闭合回路，电路没有电源。

步骤 2：连接 DIP 开关

接下来，将 DIP 开关连接到面包板上，位置在按键下方，且中间缺口右侧有数字。将每一排的跳线连接到左侧的正电源列，总共需要八条线。为了能方便地设置开关的开和关，请将线连接到尽可能远离开关的位置，以便为你的手指留出空间。

步骤 3：连接 LED

现在，将一个 LED 的短脚连接到右侧的负电源列，将长脚连接到面包板底部的最后一排。按照相同的方式，向上插入其余的 LED，每个 LED 占一排，LED 之间留一个空排。（如果你想让 LED 更易读，可以将 LED 分为两组，每组四个，在第四个 LED 之后多留几排。）然后，从每排有 LED 的行连接一根电阻线到面包板缺口中间左侧的相应行。

最好将 LED 和开关连接，以便你和你的朋友可以坐在面包板的两侧，按照相同的顺序查看各个位置，所以在连接时要特别小心。将电阻放好后，从面包板缺口左侧的每一排电阻连接一根跳线，连接到右侧缺口的 DIP 开关引脚。将最接近面包板底部的电阻连接到开关 1，接下来的 LED 连接到开关 2，以此类推；最后，将最上方的电阻连接到开关 8。

步骤 4：发送秘密信息！

将电池夹的负极连接到负电源列，然后将正极连接到正电源列，如图所示。

然后，将所有开关推到“开”的位置，按住按钮，观察所有的灯是否都亮起来，并逐个关闭每个 LED 灯。

如果所有的 LED 灯都工作正常，那就可以开始玩了！邀请一个朋友过来，利用这个电路与他们“对话”而不出声。坐在桌子的两边，在纸上写下一个单词作为参考并保密。查看 ASCII 代码表，并将开关设置为单词第一个字母的二进制值。例如，下图中的开关设置为显示小写字母a。

当你的开关组准备好显示一个字母时，按下按钮让 LED 灯亮起。按住按钮的同时，让你的朋友记录下二进制值。然后，松开按钮并设置下一个字符的二进制值。一直这样做，直到你显示完单词中的所有字符。完成后，给你的朋友展示 ASCII 代码表，让他们试着猜出你的单词。

第五步：如果秘密信息机没有工作怎么办？

如果你从头到尾跟着本书进行操作，你已经连接了许多 LED 电路，但这个电路包含了很多组件。在某些地方接错连接很容易，所以如果你的电路没有立即工作，请仔细对照项目的电路图检查每个连接。

如果灯光都不亮，首先检查电池的正负极是否正确连接。接下来，检查 LED 灯的方向是否正确，电阻器的数值是否合适。如果有些灯亮了而有些灯不亮，可能是某些 LED 灯或电阻器的引脚不小心接触了不该接触的地方。仔细检查它们，找出错误。

为什么计算机使用 1 和 0

计算机使用 1 和 0 而不是 0 到 9 的十进制数字，因为当只有两个值时，构建电子电路进行计算和存储这些值会容易得多。

例如，由于每个数字只有两种可能的值，1 或 0，所以使用开关创建一个简单的存储二进制数字的内存块非常容易，就像你在第 20 个项目中使用 DIP 开关时一样。

有许多不同的方式可以存储 1 和 0，从而创造出记忆。在计算机发展的早期，常常将 1 和 0 以有孔的物理卡片形式保存。如今，许多硬盘通过磁盘存储 1 和 0，甚至通过集成电路内存储的电子来保存。

接下来做什么？

在这一章中，你学习了二进制数字的工作原理。你已经看到了如何利用 1 和 0 在计算机屏幕上显示图像，以及如何将一串看似随机的 1 和 0 解码成可读的文本。为了更深入地了解二进制数字，尝试为字母表中的字母创建自己的二进制代码。从 a 到 z 一共有 26 个字母。你需要多少位来表示所有 26 个字母？要解决这个问题，你可以从假设二进制数 1 代表 a 开始。下一个二进制数 10 代表 b，再接着是 11 代表 c。把这些写下来，继续增加，直到到达 z。然后，数一数表示 z 需要多少位。这就是你所需要的最小位数。

这里还有一个可以尝试的练习。通常情况下，如果你用手指计数，你可以数到 10，对吧？如果你不使用大拇指，你最多只能数到 8。但是如果你改用二进制计数呢？伸直的手指代表 1，弯曲的手指代表 0。现在，利用八根手指，你能数到多高呢？

数字值还有一个非常重要的用途：它们可以让你创建逻辑电路，这些电路根据某些电线是否承受高电压或低电压来做出决策。高电压通常被认为是“真”，低电压通常被认为是“假”。如果这些电线与简单的真或假问题相关，并且电压就是这些问题的答案，那么你可以将逻辑电路的输出看作是经过一系列提问后得出的结论。

利用逻辑，你可以制作执行数学运算的电路，比如加法运算，或者制作只有在特定条件下才会执行的电路，比如只有在输入正确的数字组合时才会打开的门锁。在第十章中，我将向你展示一些数字逻辑的基本构建块，以及如何利用它们制作智能电路。

第十章：做出选择的电路

第九章讲述了零和一，且你在一些项目中玩弄了比特和字节。现在，在这一章中，你将制作实际使用零和一做出决定的电路。逻辑门是检查代表这些零和一的电压并相应输出电压的组件。我将向你展示几种类型的逻辑门，以及如何使用它们创建一个秘密代码探测器。

这完全符合逻辑

逻辑是一种基于已知为真或假的信息得出结论的方法。例如，假设你知道以下陈述无疑是真的：

声明 1：如果冰箱里有橙子并且你有一个橙汁榨汁器，那么你能够制作橙汁。

如果你相信前述声明，那么在你能够制作橙汁之前有两个条件需要检查：

条件 1：冰箱里有橙子。

条件 2：你有一个橙汁榨汁器。

如果你检查厨房并发现这些条件为真，那么你可以逻辑地得出结论：你可以制作橙汁。

计算机使用布尔逻辑，这是一种仅使用真和假的值来将零和一转换为动作的逻辑系统。为了让计算机知道你是否能够制作橙汁，它必须通过布尔逻辑得出结论。让我们试着像计算机一样思考吧！

首先，查找在声明 1 中影响你是否能制作橙汁的条件。在这个例子中，条件是“if”和“then”之间由“and”连接的两个短语。将它们分别用字母表示，如下所示：

冰箱里有橙子。 = A

你有一个橙汁榨汁器。 = B

结论是“then”之后的陈述。也给它一个字母：

你能够制作橙汁。 = Q

使用这些字母，你可以将声明 1 重写为“如果 A 和 B，那么 Q”。在布尔逻辑的简写中，表示为：

A 且 B = Q

这是一个逻辑方程，其中AND是类似加法或减法的运算符。当 AND 两边的语句都为真时，结论 Q 为真。

给定条件 1 和条件 2，A 和 B 都为真。将它们代入方程式得到：

真且真 = Q

Q = 真

由于 A 和 B 都为真，那么 Q 也必须为真。现在可以制作橙汁了！

计算机如何判断何时可以制作橙汁

条件 A（冰箱里有橙子。）	条件 B（你有一个橙汁榨汁器。）	结果 Q（你能够制作橙汁。）
假	假	假
假	真	假
真	假	假
真	真	真！

认识逻辑门

你计算机中的许多电路是逻辑方程的物理版本，里面包含了更小的电路叫做逻辑门，它们是物理逻辑运算符。逻辑门接受 1 和 0—分别代表真和假—作为输入，然后根据方程的结果输出 1 或 0。

你也可以自己使用逻辑门制作非常棒的项目！

我记得第一次我爸爸跟我讲逻辑门的时候：我直接回到房间，花了几个小时在纸上尝试不同的方式组合它们来加二进制数字。我希望你能像我一样享受这个过程！现在，让我们看看一些不同的逻辑门是如何工作的。

与门检查两个输入是否为真

与门 是你用来判断是否能做橙汁的与运算符的物理形式。一个与门有两个或更多输入—例如 A 和 B—以及一个输出—例如 Q。它检查 A 和 B 是否都为 1，如果是，那么 Q 为 1；否则，输出为 0。只有当 A 和 B 都为 1 时，Q 才为 1；如果一个或两个输入为 0，输出就是 0。

我发现通过在真值表中写出不同输入组合对应的 Q 值很有帮助。这个真值表展示了与门的所有可能输入组合，以及每种组合的输出结果。在真值表中，0 代表假，1 代表真。

或门检查是否有一个输入为真

或门 检查输入 A 或 输入 B 是否为 1。如果其中任何一个为 1，或者两个都是 1，那么输出 Q 也是 1。如果两个输入都是 0，那么输出为 0。

非门翻转输入

非门，也叫反向器，只有一个输入和一个输出，它的功能非常简单：输出是输入的反面。如果输入是 1，那么输出是 0。如果输入是 0，输出是 1。

更大的与门

与门和或门可以有多个输入。例如，这里是一个 4 输入与门的符号：

因为这是一个与门，只有当四个输入都为 1 时，结果才会是 1；否则，它将是 0。也就是说，输出 Q 为真（1），当且仅当四个输入—A、B、C 和 D—都为真（1）时：

Q = A AND B AND C AND D

我们还可以通过三个 2 输入与门来构建一个 4 输入与门，像这样：

如何绘制逻辑电路图

你可以使用逻辑门构建一个电路，检查条件并根据这些条件决定该做什么。例如，假设你能通过输入一个秘密代码来关闭你的报警系统。第一章中提到的那样。然后，你可以在离开时保持报警系统开启，如果有人打开了门，他们必须知道正确的代码才能关闭报警系统。使用逻辑门，电路可以轻松检查是否输入了正确的代码。

用逻辑方程制作一个秘密代码

假设秘密代码是 1001，当检测到秘密代码时，LED 应该亮起以指示成功。在构建逻辑电路时，提前写出电路的逻辑方程是有帮助的，因此我们来练习一下。

首先，思考秘密代码中的每个 1 和 0 在逻辑门中的含义。在这种情况下，只有当四个条件都为真时，LED 才会亮起，你可以通过 AND 运算符将这些条件连接起来，如下所示。

让我们用字母W、X、Y和Z表示秘密代码中的四个位。然后，你可以检查每个位的值，验证 W = 1，X = 0，Y = 0，Z = 1 是否成立。

你需要将四个秘密代码位通过一个 4 输入的 AND 门进行与运算。但是，简单地将 W、X、Y 和 Z 直接连接到 AND 门会得到这样的逻辑方程：

Q = W AND X AND Y AND Z

这将测试所有位是否为 1，因为只有当 W、X、Y 和 Z 都为 1 时，Q = 1。相反，你需要测试秘密代码，其中 W 和 Z 为 1，但 X 和 Y 为 0。

幸运的是，在布尔逻辑中，你只有两个选项：1 或 0（真或假）。如果某个值是 0，那它就不是 1；用语言表达就是，如果某个值为假，那么它就不是真的。这意味着，如果 X = 0（假），那么 NOT X = 1（真）。知道这一点后，你可以将方程重写如下：

Q = W AND (NOT X) AND (NOT Y) AND Z

这个方程对 X 和 Y 位使用了 NOT 操作，这样它们应该是 0 才能得到秘密代码。NOT 操作会反转它们的值，将 0 变为 1，1 变为 0。

将逻辑方程转化为电路图

现在我们将把秘密代码方程画成电路。最终的输出将是一个 1 或 0。你需要一个 4 输入的 AND 门来一次性测试所有四个位，并且你将使用之前解释的三个 2 输入的 AND 门来实现这一点。因为你需要测试 X 和 Y 位是否为 0，所以你需要为每个位使用一个 NOT 门，将 0 反转为 1。

这是最终的电路：

第一个位（W）应该是 1，第二个位（X）应该是 0，因此第二个位需要一个 NOT 门。第三个位（Y）也需要一个 NOT 门，并且它将与第四个位（Z）一起输入到 AND 门中。

第一个 AND 门应该在 W = 1 和 X = 0 时输出 1，第二个 AND 门应该在 Y = 0 和 Z = 1 时输出 1。如果这两个 AND 门都输出 1，那么第三个 AND 门也会输出 1，最终确认输入的是 1001。

试一试：将更多逻辑语句绘制为电路

现在你已经了解了基本知识，尝试将一些逻辑语句转化为电路图。举个例子，你如何为“我能做橙汁吗？”决策器绘制计划？根据第 214 页上“它只是逻辑”部分的语句来创建一个。

在现实生活中使用逻辑门

当我学习逻辑门时，我以为它们会是小型的两脚或三脚组件。但逻辑门通常被封装在集成电路（IC）中。每个 IC 包含几个逻辑门，因此即使你只需要一个，也必须使用集成电路。

还需要知道的是，逻辑门输出的电流非常有限。即使逻辑门输出 5 V，也并不意味着你可以将一个 5 V 的电动机连接到它上面。逻辑门根本无法提供足够的电流来让电动机运行。

回想一下第七章，晶体管只需要一点电流流入其基极就能打开，从而让更多电流从集电极流向发射极。当你想用逻辑门来打开一个需要更多电流的电路或组件时，你可以将逻辑门连接到晶体管。你还记得在第七章的“项目#14：构建一个触摸感应电路”中那个电路吗？你可以修改这个电路，让逻辑门点亮一个 LED，像这样：

我将在下一节中展示如何将这一点融入到一个项目中。

更多关于电流、组件和晶体管的内容

你可以轻松地将 LED 和电阻替换为你想控制的其他设备，如电动机、风扇或继电器。但在做这些替换时，请留意电流。你的电动机需要多少电流，而晶体管能处理多少电流？

这两个值可以在组件的数据手册中找到。对于晶体管，你需要查找的值叫做 I[C]，即 集电极电流。根据 BC547 晶体管的数据手册，它的最大集电极电流是 100 mA。这足够为 LED 供电，而 LED 通常最多只需要 15 到 20 mA。

但如果你想连接一个电动机怎么办？首先，你需要找出电动机需要多少电流，这个信息可以在电动机的数据手册中找到。如果电动机需要 500 mA，那么你需要将它连接到一个可以处理超过 500 mA 电流的晶体管。例如，PN2222 晶体管可以处理最高 600 mA 电流，所以它应该能够控制电动机的开关。

项目 #21：秘密代码检查器

在这个项目中，你将构建一个逻辑电路，用来检查一组四个输入位是否与秘密代码匹配。你将使用四个开关，在一个 DIP 开关内部设置代码。如果输入的位与代码匹配，逻辑电路就应该输出一个电压，表示 1；否则，它应该输出零电压，表示 0。这一最终输出将接到一个晶体管上，这样你就可以用它来控制某些东西——比如一个报警器！

基本的秘密代码检查器电路会在你输入正确的代码时点亮一个 LED。在项目的最后，我会向你展示如何利用秘密代码检查器从第一章中解除你的入侵者报警。

这是本项目的完整电路图：

购物清单

一款至少有 30 行的面包板（Jameco #20601, Bitsbox #CN329）。

面包板跳线（Jameco #2237044, Bitsbox #CN236）——你需要大约 20 根跳线用于这个项目。

一款四个独立开关的 DIP 开关（Jameco #38820, Bitsbox #SW042）。

一款带有六个 NOT 门的 74LS04 反相器集成电路（Jameco #46316, Bitsbox #QU108）

一款带有四个与门的 74LS08 集成电路（Jameco #46375, Bitsbox #QU109）

一款通用 NPN 晶体管（Jameco #254801, Bitsbox #QD011），如 BC547。

一款标准 LED（Jameco #34761, Bitsbox #OP003）

一款 220Ω电阻（Jameco #690700, Bitsbox #CR25220R），用于限制 LED 的电流。

四个 1kΩ电阻（Jameco #690865, Bitsbox #CR251K），用作下拉电阻。

一款 5V 直流墙壁适配器（Jameco #2126125, Bitsbox #TF010）为电路供电。

一款 DC 桶形插座适配器（Jameco #2227209, Bitsbox #CN424）用于将墙壁适配器连接到面包板。

工具

一把适配桶形插座适配器螺丝端子的螺丝刀。

如何在面包板上使用其他电压

到目前为止，你为本书中的每个电路使用了 9 伏电池，但大多数数字电路需要使用较低电压。例如，许多内部包含逻辑门的集成电路使用的是 5 伏电压。然而，5 伏并不是标准的电池电压；虽然有 4.5 伏和 6 伏电池，但没有 5 伏电池。

当你的电路需要 5 伏电压时，你该怎么办？向墙壁适配器和桶形插座适配器问好吧。

许多电子设备使用墙壁适配器来为电池充电或保持电力。墙壁适配器的一端插入墙壁插座，另一端插入你想要供电的设备。墙壁适配器有许多不同的电压，本项目使用的是 5V 直流稳压适配器。

为电路供电时，本项目中的墙壁适配器需要插入一个桶形插座适配器。本项目购物清单中列出的桶形插座适配器（第 224 页）有两个螺丝端子，你可以将跳线插入这些端子并连接到面包板。你可以将任何带有标准圆形插头的墙壁适配器插入这个桶形插座适配器。

使电路更可靠

如果电路需要一个输入电压，但你没有连接任何东西到这个输入端，那么这个输入就是悬空的。悬空输入是不可靠的，因为电路可能会把它当作 1 或 0，而你无法控制是哪一个。

DIP 开关上的每个开关要么是断开的，要么是闭合的。当开关断开时，如果没有连接到其他任何东西，控制的输入将会处于浮动状态。为了解决这个问题，你可以在每个逻辑门输入端接一个 下拉电阻，如下所示：

本电路图中的每个下拉电阻一端连接到开关和门输入，另一端连接到负电池端。当开关断开时，电阻将“拉”门输入至 0V（即 0）。当开关闭合时，门输入连接到正电源端，得到正电源电压（即 1）。

在本项目的电路图中（见 第 224 页），有四个开关，每个开关都配有 1 kΩ 的下拉电阻。它们都显示为断开状态，在这种状态下，所有的与门输入都为 0。

步骤 1：放置开关和电阻

将 DIP 开关插入面包板的顶部，使开关的一侧位于中间缺口的两侧。使用跳线将每个 DIP 开关的左侧连接到左侧的正电源轨，将一个 1 kΩ 电阻从每个 DIP 开关的右侧连接到右侧的负电源轨。

步骤 2：放置集成电路

将带有非门的 IC（标记为 74LS04）放置在面包板的中央，将带有与门的 IC（标记为 74LS08）放置在更远的位置。对于这两个 IC，将圆形缺口朝向 DIP 开关。底部至少留出三行空白，用于放置晶体管。

步骤 3：放置晶体管和 LED

将你的晶体管插入面包板底部的三行。如果你使用的是本项目购物单中列出的 BC547 晶体管（见 第 224 页），则将平面朝左放置，使集电极为上引脚，基极为中引脚，发射极为下引脚。如果你使用的是其他 NPN 晶体管，请查看其数据手册，确认各引脚的功能。

将 LED 的短腿（阴极）连接到与晶体管集电极相同的一行。将 LED 的长腿（阳极）连接到面包板左侧的空行。最后，将 220 Ω 的电阻从 LED 的阳极连接到正电源轨。

步骤 4：构建逻辑电路

首先，查看下面的电路图，了解与门和非门在你的集成电路 (IC) 中的位置，并查看你需要进行的连接。

取四根跳线，将它们分别从开关输出连接到逻辑门的输入，如下所示：

开关 1（最上面的开关）的输出接到下面 IC（74LS08）第 1 引脚的与门输入。

开关 2 的输出接到上面 IC（74LS04）第 13 引脚的非门输入。

开关 3 的输出接到上面 IC 的第 11 引脚的非门输入。

开关 4 的输出连接到下方集成电路第 13 脚的与门输入。

接下来，拿两根跳线，将 NOT 门的输出连接到与门的输入，如下所示：

一根跳线从上方集成电路的第 12 脚连接到下方集成电路的第 2 脚。

另一根跳线从上方集成电路的第 10 脚连接到下方集成电路的第 12 脚。

现在，每个与门的输出都需要进入第三个与门，连接如下：

将一根跳线从第 3 脚连接到下方集成电路的第 10 脚。

将另一根跳线从第 11 脚连接到下方集成电路的第 9 脚。

最后，将一根跳线从与门的最终输出连接，另一端暂时悬空。

你的集成电路连接应如下所示：

第 5 步：完成晶体管的接线

现在，将最后一个与门的输出——下方集成电路的第 8 脚——连接到晶体管的基极。这个输出将控制晶体管是否允许电流通过到 LED。将一根跳线从晶体管的发射极连接到负电源轨。

保护你的元件

这个电路依赖于门电路只向晶体管基极提供少量电流的事实。当你使用你的秘密代码检查器时，晶体管会完全正常工作，但为了保护晶体管基极免受其他电路中较大电流的损害，你应该在晶体管基极和电流源之间（在这个情况下是与门的输出）放置一个 1 到 10 kΩ的电阻。

晶体管通常也应该在电动机电路中受到保护，就像“更多关于电流、元件和晶体管”中的电路，位于第 222 页。该电路应该可以正常工作，但为了更安全，最好在电动机两端并联一个二极管，阴极接在正极端。这样可以保护晶体管免受电动机关闭时可能发生的高压脉冲的损害。

第 6 步：为秘密代码检查器供电并测试

将跳线从两个集成电路的第 14 脚连接到正电源轨，从两个芯片的第 7 脚连接到负电源轨。然后，关闭 DIP 开关上的所有开关，连接你的 5V 电源，正极连接到左侧的正电源，负极连接到右侧的负电源。

使用你的圆形插孔适配器和几根跳线来完成这个连接。圆形插孔适配器应该有+和-的标记，告诉你哪一个是正极，哪一个是负极。只需松开适配器上的螺丝，将一根线插入每个端口，然后再拧紧螺丝。按照常规的颜色编码，使用红色线连接正极，黑色线连接负极，这样你就能确保它们正确地连接到你的面包板上。

当开关关闭时，LED 应该保持暗淡，但当你通过打开顶部和底部开关将代码设置为 1001 时，它应该会亮起。

步骤 7：如果 LED 没有亮起怎么办？

首先，检查两个集成电路（IC）是否有电。两个 IC 的 14 号引脚是否连接到正极电源柱，7 号引脚是否连接到负极电源柱？如果你发现集成电路变得过热，无法触碰，请立即断开 5V 电源并等待集成电路冷却下来。然后，确保你正确连接了电源，再次尝试。插入圆形插孔适配器正极（+）端子的线应该连接到面包板上的正极电源柱，而插入圆形插孔适配器负极（-）端子的线应该连接到负极电源柱。

如果 IC 已经通电，但电路仍然无法工作，那么检查开关的输入值。使用万用表测量从负极电源轨到与开关连接的与门（AND）和非门（NOT）引脚的电压。你应该在与门的 1 号和 13 号引脚上测得 5V，在非门的 11 号和 13 号引脚上测得 0V。检查你使用的每个与门的输出是否为 5V；你应该在与门的 3 号、8 号和 11 号引脚上看到 5V。如果任何与门的输出不是 5V，那么它的某个输入就是 0V。找出为什么是 0V，你应该能找到问题所在。

尝试一下：解除入侵警报

你可以用一个继电器替代 LED 和电阻，将其连接到秘密代码检查器，并将这个项目与第一章中构建的入侵警报结合起来。通过继电器将 9V 电池连接到入侵警报，这样当你输入正确的代码时，警报的电源被切断，噪音停止。请参考“认识继电器”第 97 页，了解如何连接继电器。

注意，秘密代码检查器使用 5V 电源来控制完全独立的 9V 电源的入侵警报电路。以这种方式连接两个具有独立电源的电路是可以的，因为这两个电路之间没有电气连接。当你需要控制一个不同电源类型的电路时，继电器非常有用！

这是电路：

以下是你所需的组件：

来自“项目 #2: 入侵警报”的电路，见第 11 页

“项目 #21：秘密代码检查器”中的电路，见 第 223 页

一个 5 V 继电器（Jameco #842996，Bitsbox #SW073）

负逻辑门

AND、OR 和 NOT 是基本的逻辑门，你可以通过组合它们来创建新的逻辑门。让我们来看看通过这种方式创建的另外两个逻辑门。

NAND 寻找一个错误的输入

NAND 门的工作原理类似于一个带有输出反相器的 AND 门。输出上的小圆圈表示 NOT。这意味着当 A 和 B 都为 1 时，NAND 门的输出为 0。

NOR 寻找两个错误的输入

NOR 门的工作原理类似于一个带有输出反相器的 OR 门。当 A 和 B 都为 0 时，输出为 1。

接下来是什么？

在这一章中，你学会了如何使用逻辑门来构建“决策”电路，比如判断一个代码是否正确。最后，你还了解了一些负逻辑门。理解负逻辑门的工作原理非常有帮助，因为它们常常用于实际电路中。实际上，你将在第十一章中使用它们。

如果你想进一步探索逻辑门，我建议你尝试在纸上结合你学过的一些逻辑门来创建一个 XOR 门。XOR 门只有在输入不同的时候才会输出 1。

通过以不同的方式组合逻辑门，你几乎可以创造出任何你能想象的东西。不过现在可能有些难以理解，因此在下一章，我将向你展示一些你可以用逻辑门创建的更多构建模块。你将学会如何构建自己的存储电路，然后你还将构建一个电子硬币投掷器！

第十一章：记忆信息的电路

在第九章中，你学习了如何使用开关来存储位。只要开关不改变，位就保持不变。但你必须手动设置开关，这并不是很高效。在第十章中，你学习了逻辑门以及如何利用它们来处理 1 和 0。现在，我将向你展示如何使用逻辑门制作电子存储器，保存位，即使在改变输入后也能保持存储。在本章结束时，你将自己制作一个电子硬币投掷器！

一次保存一位

一个简单的存储电路是SR 锁存器。你可以通过两个 NOR 门来创建一个 SR 锁存器，并且一个锁存器可以存储一位数据。

Q 从 0 开始，直到你使用 R 或 S 告诉它更新，电路才会更新其输出，这种方式称为锁存位。S 和 R 分别代表设定和重置：当你设定锁存器时，Q 会变为 1。当你重置它时，Q 会变为 0。如 SR 锁存器真值表所示，你可以通过将 1 置于 S 输入端，0 置于 R 输入端来设定锁存器。要重置它，你需要将 1 放到 R 输入端，0 放到 S 输入端。让我们来看一下如何将 Q 设为 1 的过程。

当所有输入为 0 时，NOR 门的输出为 1。当 S（设定）为 1 时，低级 NOR 门的输出为 0，无论该门的其他输入是什么。该输出与另一个 NOR 门的输入相连，同时与 R（重置）一起使用。由于 R 为 0，进入上级 NOR 门的两个输入均为 0，这使得 Q 输出 1。

更好的存储电路

如果你在 SR 锁存器中添加几个额外的门，你可以创建一个D 锁存器，它会在 C 输入为 1 时，将输出 Q 设置为 D 输入的值。

D 锁存器相对于 SR 锁存器有所改进，因为你可以随意更改 D（数据输入），而 Q 不会改变，除非你将 C（控制输入）设置为 1。下级 NOR 门的输出将始终是输出 Q 的相反值，且该输出标记为 以显示这一点。

只有在特定时间改变的记忆

D 锁存器有一个缺点：当 C 为 1 时，改变 D 也会改变输出 Q。如果你不希望输出立即改变，该怎么办？

计算机使用时钟信号来告诉电路何时发生某些操作，比如何时存储来自电缆的新数据。时钟信号仅仅是一个连续开关的电压信号——也就是说，它不断在 1 和 0 之间切换。这个信号类似于你在“项目 #16：使用 555 定时器制作你自己的声音”中发送到扬声器的信号，详见第 167 页。

为了减少错误的发生，诸如计算或存储数据等操作只有在时钟信号从关闭切换到开启，或从开启切换到关闭时才会发生。这叫做边缘触发。如果电路在时钟信号从关闭到开启时执行某个操作，那么该操作发生在上升沿，电路就是正边缘触发的。如果电路在时钟信号从开启到关闭时触发某个操作，那么该电路是负边缘触发的。

触发器是一个在时钟信号的边缘触发下更新其输出的锁存器，你可以通过将两个 D 触发器和一个 NOT 门组合来创建一个。这叫做D 触发器。

输出电压 Q 只有在 CLK 电压从高变低，从 1 变为 0 时才会改变。下面是如何工作的。

当 CLK 为 0 时，Y 和 Q 不发生变化➊。当 CLK 变为 1 时➋，Y 会改变以匹配 D 触发器#1 的 D 输入。但 NOT 门反转了 1，使得 D 触发器#2 上的 C 为 0，从而 Q 不会变化。当 CLK 回到 0 时➌，D 触发器#2 上的 C 变为 1，Y 的值被保存到触发器#2 中，Q 改变以匹配 Y。

注意

Q 在时钟信号从高电压变为低电压时更新，所以这个触发器是负边缘触发的。

这是正边缘触发的 D 触发器的电路符号：

与其写 CLK 作为时钟输入，D 触发器符号上有一个>标记。注意在输出上的气泡。就像 NOT 门符号一样，气泡意味着是 Q 的反向版本。

一个切换的输出

通过简单的连接线，你可以将 D 触发器转变为一个切换其他电路开关的电路。例如，假设你想开关一个灯。D 触发器在时钟从低电压到高电压（如果是正边缘触发）时，会存储输入端 D 上的值。如果你将 D 触发器的反向输出连接到 D，那么触发器的输入将始终是 Q 的反向。每当时钟输入触发时，输出将改变为相反的值，灯会切换。

让我们看看这个概念的实际应用！

项目#22：电子投币器

对于这个项目，你将构建一个电子投币器，使用 555 定时器、D 触发器、一个按键和两个 LED。

在第八章中，你构建了几个 555 定时器电路，它们会不断地开关电压。一个持续开关电压的电路叫做振荡器，在这个项目中，你将使用一个振荡器电路作为输入，来驱动翻转的 D 触发器。你能在这个图中识别出振荡器电路吗？

555 定时器振荡电路创建一个时钟信号，该信号传输到 D 触发器，导致输出不断地开关，或切换，只要按下按钮，输出就会持续变化。来自 D 触发器的变化输出会控制 LED 的开关。

当你松开按钮时，555 定时器的时钟信号会停止。触发器输出将停止交替，只有两个 LED 中的一个会亮：一个表示正面，另一个表示反面。

购物清单

一个面包板（Jameco #20601, Bitsbox #CN329），至少有 30 行。

面包板跳线（Jameco #2237044, Bitsbox #CN236）—你将需要大约 20 根用于这个项目。

一个 555 定时器集成电路（Jameco #904085, Bitsbox #QU001）用于生成输入信号进行计数。

一个带有两个 D 触发器的集成电路（Jameco #48004, Bitsbox #QU193）

一个标准绿色 LED（Jameco #34761, Bitsbox #OP003）

一个标准红色 LED（Jameco #333973, Bitsbox #OP002）

两个 220 Ω电阻（Jameco #690700, Bitsbox #CR25220R）用于限制 LED 的电流。

一个 100 kΩ的电阻（Jameco #691340, Bitsbox #CR25100K）用于帮助设置声音的频率。

一个 10 kΩ电阻（Jameco #691104, Bitsbox #CR2510K）用于帮助设置声音的频率。

一个 1 kΩ电阻（Jameco #690865, Bitsbox #CR251K）用于作为启动按钮的下拉电阻。

一个 1 µF 电容（Jameco #29831, Bitsbox #EC1U063）用于帮助设置声音的频率。

一个按钮开关（Jameco #119011, Bitsbox #SW087）用于“投掷硬币”。

一个 5V DC 墙壁适配器（Jameco #2126125, Bitsbox #TF010）为电路提供电源。

一个 DC 圆柱形插座适配器（Jameco #2227209, Bitsbox #CN424）用于将墙壁适配器连接到面包板。

该电路使用面包板两侧的正负电源列。当我说将组件连接到“左侧”的负或正电源列时，意味着你应该使用面包板左侧的电源列。在两侧，正电源列左侧标有红线，负电源列右侧标有蓝线。

第一步：构建振荡器电路

首先，让我们接线 555 定时器：

1. 将 555 定时器插入面包板中部附近。

2. 将 R1，100 kΩ电阻，从 555 定时器的第 7 引脚连接到右侧的正电源列。

3. 将 R2，10 kΩ电阻，从第 6 引脚连接到第 7 引脚。

4. 将 C1（1 µF 电容）从引脚 6 连接到右侧的负电源列。如果你使用的是带极性标记的电容（如购物清单中建议的电容），请确保将负极连接到负电源列。负极应在电容上标有负号或零。

5. 将一根跳线从引脚 2 连接到 555 定时器的引脚 6。

   

步骤 2：添加启动按钮

现在，将按钮连接在 555 定时器的引脚 4 和正电源列之间，如下所示：

1. 将按钮放置在面包板的最上方，横跨中间的缺口。这样连接后，按钮的一侧应位于最上行，另一侧位于第 3 行。

2. 将一根导线从 555 定时器的引脚 4 连接到按钮的下端引脚（第 3 行）。将一根导线从按钮的上端引脚（第 1 行）连接到左侧的正电源列。

3. 将 R5（1 kΩ 下拉电阻）连接到按钮的下端引脚和右侧的负电源列。

   

555 定时器也需要供电。将一根跳线从引脚 1 连接到左侧的负电源列。再用另一根跳线将引脚 8 连接到右侧的正电源列。

步骤 3：构建切换电路

将标有 74LS74 的 D 触发器 IC 放置在 555 定时器的下方，使其横跨面包板的缺口，缺口指向面包板的顶部。此 IC 包含两个 D 触发器，但你只会使用引脚 1 到 6 的 D 触发器。

从 74LS74 D 触发器的引脚 6 上的反向输出 连接一根跳线到引脚 2 的 D 输入。将来自 555 定时器引脚 3 的输出连接到 D 触发器的引脚 3，这里是时钟输入。

D 触发器也需要供电。将引脚 14 连接到右侧的正电源列，并将引脚 7 连接到左侧的负电源列。

步骤 4：添加正反 LED

在上一个项目中，你使用了一个晶体管从逻辑门输出为 LED 提供电流，因为逻辑门无法提供足够的电流。这个电路面临相同的问题，因为 D 触发器实际上是 IC 中的几个逻辑门，但你可以使用一些技巧绕过这个限制。

74LS74 D 触发器的数据表指出，当输出电压为高时，这个集成电路只能允许约 0.5 mA 的电流流过，而当输出电压为低时，它可以允许 8 mA 的电流流过。（如果你有兴趣自己查看数据表，可以在网上搜索74LS74 datasheet。）如果你将 LED 和电阻连接到一侧的正电源列和触发器输出的另一侧，当输出为低时，LED 将获得 8 mA 的电流，点亮它们。将 LED 这样连接可能看起来有些奇怪，而不是连接到负电源列，但这样做可以使 LED 在门的输出为 0 而不是 1 时点亮。

无论 Q 的值是多少，总是与之相反。如果你将 LED 连接到每个输出，一个会亮起，另一个不会。按照如下方式添加正反面 LED：

1. 将两个 LED 插入面包板的底部，将红色 LED 放在中间缺口的右侧，绿色 LED 放在左侧。将较长的引脚（阳极）放在底行，较短的引脚（阴极）放在几行之上。

2. 将一根跳线连接从 D 触发器的第 5 脚到红色 LED 的短脚。然后，再将另一根跳线连接从 D 触发器的第 6 脚到绿色 LED 的短脚。

3. 将一个电阻从每一行的底部连接到两侧的正电源列（电路图中的 R3 和 R4）。

   

第 5 步：抛掷那个“硬币”！

使用跳线将左侧的负电源列连接到右侧的负电源列，同样连接两个正电源列。然后，将两根跳线连接到圆形插孔适配器——将正极连接到一个正电源列，将负极连接到一个负电源列。

最后，首先将墙壁适配器插入圆形插孔适配器，然后再插入墙壁插座。一个 LED 灯应立即亮起。当你按下按钮时，LED 灯应快速交替开关。松开按钮后，只有一个 LED 灯会亮起。

现在，你可以使用这个电路来做决定。例如，假设你问自己：“这个周末我应该出去踢足球，还是应该打棒球？”绿色表示出去踢足球；红色表示打棒球。或者，如果你和朋友在争论谁能吃最后一块饼干，就让硬币抛掷器来决定吧！

第 6 步：如果硬币抛掷器不起作用怎么办？

首先，检查是否使用的是 5V 墙壁适配器。其他电压可能无法正常工作。

然后，如果一个 LED 亮了，但按下按钮时什么也没有发生，检查 D 触发器是否正确连接。如果没有 LED 亮起，那肯定是 D 触发器和 LED 部分的电路出了问题。仔细对照项目开始时的电路图，检查连接是否正确。如果在确保 LED 和触发器电路正确连接后电路依然无法工作，那么检查一下 555 定时器的连接。

为了帮助你避免相同的错误，我将分享我第一次构建时遇到的问题：

我将 LED 连接到了 D 触发器的引脚 4 和引脚 5，而不是引脚 5 和引脚 6。

我将电容连接到了 555 定时器的引脚 5，而不是引脚 6。

我忘记将左侧的正电源列连接到右侧的正电源列。

接下来做什么？

你在本书中已经构建了许多不同的电路！到目前为止，你在电子学方面，无论是理论还是实践经验，都已经打下了坚实的基础。接下来，下一步是专注于你认为有趣的内容。找一个你真正想要构建的项目——然后开始动手做吧！

继续学习的最佳方式是构建大量电路并阅读你感兴趣的任何内容。在线跟随教程，寻找更多关于电子学不同主题的书籍。

在第十二章，即最后一章，我将展示如何构建最后一个项目：一个非常酷的游戏，你需要通过“捕捉”光来测试你的反应速度。之后，我希望你继续探索、玩耍并享受电子学的乐趣。你可以构建的东西还有很多！

第十二章：一起做个游戏吧！

在本书中，你已经构建了各种小电路，每个电路的设计都旨在帮助你学习一个特定的概念。在这一章中，你将结合所有新学到的技能，构建一个反应游戏。游戏包含一排五个 LED，它们依次亮起，从而让光点看起来在来回跑动。

游戏的目标是当光点停在五个 LED 灯的中间时按下停止按钮。这样你能得到 10 分。如果你停在中间旁边的 LED 灯上，你得到 5 分。但如果停在两端的 LED 灯上，你将失去所有分数，并从 0 分重新开始。尽量争取达到 50 分！

你可以独自一人玩这个游戏来练习你的反应时间，或者和尽可能多的朋友一起玩。如果你和朋友们竞争，我建议每个玩家只有一次机会在轮到下一个玩家之前停止光点。

认识反应游戏电路

反应游戏将由三个电路组成：

一个 555 定时器电路，用来决定游戏的速度

一个控制哪个 LED 灯亮起的计数器

一个 SR 锁存器，用于添加复位按钮和动作按钮

本节解释了每个电路，但为了帮助你理解它们的电路图，我们先来认识两个新的电路符号。

认识 V[CC]和 GND 符号

电路图并不总是使用像本书中所使用的电池符号。有时，它们会使用V[CC]（或V[DD]）和GND符号代替。

如果电路图或其描述没有特别说明，你可以假设 V[CC]表示电池的正极，而 GND 表示负极或地面。符号有时看起来略有不同，但 V[CC]符号通常显示一根从符号下方连接到电路的导线，而 GND 符号则显示一根从符号上方连接到电路的导线。

在更大的电路图中，比如本章将要构建的电路图，使用这些符号使得电路图更容易绘制和理解。

为什么叫 V[CC]？

正电压符号被称为 V[CC]，这是由于旧的命名习惯。V[CC]是指在常见的晶体管电路中，提供给晶体管集电极侧的电压，通常是通过电阻或其他元件提供的。集电极是“CC”名称的来源。

在本书中你一直使用的是双极型晶体管，但还有另一种叫做场效应晶体管（FET）的晶体管。这种晶体管中，相当于集电极的引脚被称为漏极，因此供应给 FET 漏极的电压叫做 V[DD]。

用 555 定时器设置光点速度

设置反应游戏速度的电路将围绕 555 定时器构建，它与你在第八章中构建的电路类似。这个电路图中的组件将游戏设置为“中等”速度：它既不太快，也不太慢。

每次 555 定时器的输出从低电平变为高电平时，灯光会向一侧移动一步。555 定时器输出的高电平频率是输出的频率。正如我在第八章中所示，计算 555 定时器输出频率的公式是：

以下来自 555 定时器电路图的数值与该公式相对应：

R1 = 100 kΩ

R2 = 10 kΩ

C1 = 1 µF

将这些值代入公式时，请记住 1 µF = 0.000001 F 和 120 kΩ = 120,000 Ω，你将得到以下结果：

这意味着输出每秒会高电平 12 次，灯光每秒会变化 12 次位置。你可以稍后通过调整 R1、R2 和 C1 的值来加速或减慢游戏。

用于打开 LED 的计数器

为了控制 LED，你将使用一个十进制计数器，它是一个计算输入脉冲的集成电路。每次第 14 脚的时钟输入从低电平变为高电平时，计数器会增加 1。它从 0 计数到 9，并且有 10 个输出，标记为 0 到 9。

例如，当计数器计数到三个输入脉冲时，输出 3（即第 7 脚）为高电平，其他脚为低电平。如果你将 LED 连接到输出 3，那么当计数器为 3 时，LED 将点亮。

如果你将 LED 连接到几个输出引脚，那么随着计数器的增加，LED 会按顺序打开，依次对应它们的输出引脚。当计数器为 9 并接收到第 10 个输入脉冲时，它会返回 0，并再次按顺序打开输出引脚。

但是，计数器只有在第 13 脚为低电平时才会计数脉冲。这意味着你可以使用第 13 脚来告诉游戏何时开始移动灯光穿过 LED，何时停止灯光。

每个输出端口都有一个电阻来减少通过 LED 的电流，确保 LED 不会被损坏。因为两个输出引脚连接到每个 LED，所以电阻器保持每个 LED 的电压较高，即使一个输出为低电平，另一个为高电平。电阻还确保两个输出不会直接连接在一起，这样当一个输出为高电平，另一个为低电平时，不会损坏集成电路。

用于启动和停止灯光的锁存器

你还记得在《每次保存一个比特》中提到的 SR 锁存器吗？它出现在第 240 页上。这个游戏的开始/停止电路是一个类似的 SR 锁存器，但它是由两个 NAND 门构建的。（在第十一章中使用的 SR 锁存器是由 NOR 门构建的。）

SR 锁存器是一个可以记住单个比特的电路。它的输出要么是 0，要么是 1，并且它会保持该数字，直到通过新输入被设置或重置。

你可以通过两个按钮来创建一个电路，告诉锁存器输出什么：一个按钮设置输出为 1，一个按钮设置输出为 0。使用 NAND 门而不是 NOR 门意味着按钮必须将输入拉低，才能输出 1。

在这个电路中，无论你点击按钮的速度快还是慢都没关系。1 按钮总是将输出设置为 1，0 按钮总是将输出设置为 0。

这非常适合反应游戏！将输出连接到十年计数器的启动/停止引脚，或 13 号引脚，可以为你提供一个启动和停止 LED 的按钮。

项目#23：LED 反应游戏

现在是时候将我给你展示的所有部分组装在一起，构建反应游戏了。这个电路有很多连接，但我相信你可以做得到。只要不要着急，慢慢来，在每个步骤后测试电路的每一部分。

我还建议使用比你在之前的项目中使用的更大的面包板，因为这个电路非常大！

购物清单

一个面包板（Jameco #2212218，Bitsbox #CN204），至少有 60 排。

面包板跳线（Jameco #2237044，Bitsbox #CN236）——你需要大约 35 根用于这个项目。标准的连接线也可以使用。

一个标准的 9V 电池，为电路供电。

一个 9V 电池夹（Jameco #11280，Bitsbox #BAT033）用于连接电池。

一个 555 定时器集成电路（IC）（Jameco #904085，Bitsbox #QU001）用于产生定时信号。

一个 10 kΩ电阻（Jameco #691104，Bitsbox #CR2510K）用于设置游戏速度。

一个 100 kΩ电阻（Jameco #691340，Bitsbox #CR25100K）用于设置游戏速度。

一个 1 µF 电容（Jameco #768183，Bitsbox #CC006）用于设置游戏速度。

一个 4017 十年计数器集成电路（IC）（Jameco #12749，Bitsbox #QU020），用于控制 LED。

两个标准的蓝色 LED（Jameco #2193889，Bitsbox #OP033）

两个标准的红色 LED（Jameco #333973，Bitsbox #OP002）

一个标准的绿色 LED（Jameco #34761，Bitsbox #OP003）

十个 100 Ω电阻（Jameco #690620，Bitsbox #CR25100R），用于限制 LED 的电流。

一个 4011 NAND 门集成电路（IC）（Jameco #12634，Bitsbox #QU018），用于创建 SR 锁存器以启动和停止游戏。

两个 1 kΩ电阻（Jameco #690865，Bitsbox #CR251K）作为启动/停止电路的上拉电阻。

两个按钮开关（Jameco #119011，Bitsbox #SW087），一个用于重置游戏，另一个用于开始游戏。

工具

一把剪线钳（Jameco #35482，Bitsbox #TL008）用于剪断小段电线。

万用表（Jameco #2206061，Bitsbox #TL057，Rapid Electronics #55-6662）用于调试电路，如果电路没有正常工作。

步骤 1：搭建 555 定时器电路

将 555 定时器插入面包板的最上端，这样你就可以为电路的其他部分留出空间。然后，根据本项目的电路图将电容和电阻连接到集成电路。项目购物清单中推荐的电容器是非极性电容，因此连接方向无关紧要。如果使用极性电容器，请按照电路图中的正极标记进行连接。

按照我的面包板示意图，使用导线进行必要的连接。

在这个项目中，最好使用两侧的电源列对，以便简化连接并保持电路整洁。我在本项目的购物清单中推荐的面包板没有蓝色和红色标记，但正负电源列与带条纹的面包板相同。面包板的左右两侧各有一对电源列。正电源列是每对中的左列，负电源列是每对中的右列。使用红色导线将一侧的正电源列与另一侧的正电源列连接，使用黑色导线将负电源列连接到另一侧的负电源列。

按照我的指示，将 555 定时器电路中应连接到 V[CC]的部分连接到正电源列，将应连接到 GND 的部分连接到负电源列。

注意

该电路将 555 定时器连接为稳定模式，类似于第八章中的 555 定时器电路。请阅读“了解 555 定时器”（第 164 页）以了解该 IC 的具体工作原理。你还可以构建第八章中的项目来练习使用 555 定时器。

在继续下一步之前，通过如下连接 LED 和电阻到 555 定时器的输出端，检查电路是否正常工作：

1. 将 LED 的负极（短脚）连接到 555 定时器的输出端（引脚 3）。

2. 将 LED 的正极（长脚）连接到 100 Ω电阻，再将该电阻的另一端连接到正电源列。

3. 按照惯例，将电池夹连接到某一对电源列中。然后插入电池，检查电路是否工作。

如果你的 LED 闪烁得非常快，那么你可以继续下一步。如果没有，重新检查你的连接，找出错误所在。

当你确认 555 定时器电路正常工作时，拔掉 LED、100 Ω电阻和电池夹。

第 2 步：构建 LED 控制电路

现在，你将连接 4017 十进制计数器、电阻和 LED。连接很多，确保耐心，一步步完成。

将 4017 十进制计数器插入面包板，使十进制计数器的中部大约位于第 20 行，芯片标记朝上，指向第 1 行。然后，取出五个 LED 和十个 100 Ω电阻。

将每个 LED 的负极（短脚）连接到右侧的负电源列，将每个正极（长脚）连接到右侧组件区的空行中。将绿色 LED 放在中间，两个蓝色 LED 放在绿色 LED 的两侧，红色 LED 分别放在两端。

接下来，连接十个 100 Ω电阻。在电路图中，注意到 4017 十进制计数器的第 1 到第 7 脚以及第 9 到第 11 脚每个都连接到一个电阻的一端。每个电阻的另一端需要单独位于一个行上。小心确保电阻的引脚不会意外接触在一起。请查看以下面包板电路，看看我如何连接它们：

现在，将 LED 连接到 4017 十进制计数器上的电阻，并根据电路图将十进制计数器电路连接到 555 定时器电路。跳线是完成这些连接的最佳方法。

从每个电阻引出一根跳线，连接到对应的 LED。查看电路图，注意到例如，连接到 4017 十进制计数器第 4 脚的电阻的另一端应该连接到绿色 LED 中间的正极。查看电路图中的引脚，找出每个电阻应该连接到哪个 LED。

将 4017 十进制计数器的第 8 脚和第 15 脚连接到负电源列，并将第 16 脚连接到正电源列。使用一根导线将 555 定时器（第 3 脚）的输出连接到 4017 十进制计数器（第 14 脚）的时钟输入。

确保你的电源列中有正负电源连接。建议使用的面包板在本项目的购物清单中（第 267 页）将电源列分为两部分，一部分在上方，一部分在下方。只需将左侧的上半部分和下半部分用导线连接起来，如图所示。右侧也做同样的操作。或者，使用两根跳线将左侧的列连接到右侧的列。

你可以使用跳线，也可以像我在这张照片中做的那样，剪下一小段导线。然后，使用两根长跳线将左下角的电源列与右下角的两个电源列连接起来。当你完成连接两个电路和所有电源列后，面包板应该像这样：

在构建电路的下一部分之前，检查你的 LED 控制电路是否正常工作。测试时，只需将 4017 十进制计数器的 13 号引脚——即“禁用”引脚——通过跳线连接到负电源列，然后像往常一样将电池夹和电池插入面包板。你应该能看到一盏灯在 LED 阵列中来回“跑动”。

如果没有 LED 亮起，首先检查 4017 十进制计数器是否正确连接，凹槽应朝上。连接芯片时弄错方向是个常见错误，我也犯过好多次！

接下来，检查 4017 十进制计数器的 16 号引脚是否连接到正电源列，8 号和 15 号引脚是否连接到负电源列。同时，确认你已将 LED 的短脚连接到负电源列。

如果有些 LED 正常工作而有些不亮，或者灯光来回不平稳，检查所有电阻器和跳线的连接，找出故障所在。

在验证你的电路正常工作后，移除连接 4017 十进制计数器 13 号引脚到负电源列的导线，并断开电池与面包板的连接。

第 3 步：构建启动和停止电路

这个项目的最后一部分是启动和停止 LED 的按钮电路。现在进行这些连接：

1. 在面包板底部的凹槽处连接一个按钮。将 4011 NAND 门 IC 插入面包板，距离按钮几行的位置。确保 IC 的标记朝向面包板的第 1 行。

2. 将第二个按钮放在 IC 的右侧组件面上方，确保用手指可以轻松触及。

3. 按照电路图连接两个电阻器，R13 和 R14。然后，使用跳线完成 SR 锁存电路中剩余的连接，连接正负电源列到 NAND 门 IC（分别为 14 号和 7 号引脚），并将 NAND 门 IC 的 11 号引脚通过导线连接到 4017 十进制计数器的 13 号引脚。

将你的连接与以下图片进行比较。

第 4 步：练习你的反应时间！

剩下的就是将电池连接到电源列。面包板底部的按钮是重置按钮，用它来开始游戏并在每个玩家尝试停止灯光后重新启动游戏。

位于 LED 旁的按钮应该在游戏运行时停止灯光。看看你需要多少回合才能达到 50 分！

第 5 步：如果游戏无法正常运行怎么办？

如果你按照我的指示操作，步骤 1 和步骤 2 中的电路应该已经工作。如果你的电路没有工作，那么剩下的错误来源就是你刚刚建立的起停电路和这个电路到 4017 十进制计数器的连接。

A. 检查连续性

首先，检查正负电源列之间是否有短路。为此，使用万用表的连续性功能。连续性测试用于检查电路中两点之间是否存在直接连接。连续性测试仪的符号通常如图所示。

你不希望正负电源列之间有直接连接，因为这会导致电池短路并停止游戏运行。使用连续性测试仪检查是否有短路。

将万用表的调节盘旋转到连续性符号的位置。将黑色测量表笔插入万用表的 COM 插孔，红色测量表笔插入万用表的 V 插孔。将黑色和红色测量表笔尖端相互接触，应该会听到蜂鸣声，表示存在直接连接。

注意

许多电子爱好者也称连续性模式为蜂鸣模式。

B. 检查坏的和正常的蜂鸣声

现在，将电池夹正常插入面包板，但不放入电池。将一根测量表笔的尖端接触正极连接器，另一根接触负极连接器。如果听到蜂鸣声，则表示存在短路，需要修复！检查所有连接到正负电源列的连接。

接下来，检查 4011 NAND 门 IC 的第 11 脚与 4017 十进制计数器的第 13 脚之间的连接，确保它们正确连接。使用连续性测试仪通过小心地触摸 IC 引脚上的表笔尖端来检查连接是否存在。IC 引脚之间的间隙很小，因此要小心确保每个表笔尖端仅接触正确的引脚。这次，听到蜂鸣声是一个好兆头。

C. 检查电源

如果与 NAND 门 IC 的连接正确，使用万用表测量起停电路的输出电压，检查它是否正常工作。将万用表设置为测量电压。确保黑色测量表笔连接到万用表的 COM 插孔，红色测量表笔连接到 V 插孔。

将万用表的黑色表笔尖端接触电池的负极，将红色表笔接触 4011 NAND 门 IC 的第 11 脚。按下停止按钮后，你应该看到一个高信号——大约 9V——按下启动按钮后，应该看到一个低信号——大约 0V。如果没有，请检查 SR 锁存器电路的连接以找出错误。

尝试一下：改变灯光的速度

要改变游戏的速度和难度，可以尝试调整 555 定时器周围 R1、R2 和 C1 的不同值。较小的值会使游戏加速，较大的值则会让游戏变慢。可以翻到 “如何设置 555 定时器的输出速度” 章节，查看 第 166 页 上的计算方法，以根据你想要的频率来确定具体的电阻和电容值。请注意，R1 不应小于 1 kΩ，因为较小的值可能会损坏 555 定时器。

如果你想在游戏进行时调整难度怎么办？只需将电阻 R2 替换为一个可调电位器。然后你可以通过旋转电位器的轴来改变电阻值，从而调整速度！

给你的游戏添加蜂鸣器

恭喜你：你已经完成了书中的最后一个项目！现在，决定接下来做什么就交给你自己了。如果你不知道从哪里开始，为什么不在你的反应游戏中加入更多电路呢？

中间的 LED 是你希望灯光停留的位置，我建议添加一个声音电路，让击中目标时更有趣。你可以使用像 “项目 #2：入侵者报警器” 中所示的那种主动蜂鸣器，正如这个部分电路图所示。

这个电路图中较暗的部分显示了你需要的新组件，以便在反应游戏项目中添加蜂鸣器。较浅的部分则是原始电路图的一部分。

将中间 LED 的正极通过 1 kΩ 电阻连接到 NPN 晶体管的基极。然后将蜂鸣器连接到晶体管的集电极。将电池的正极连接到蜂鸣器的另一端，电池的负极连接到晶体管的发射极。

你应该制作一个电路，每次灯光经过中间的 LED 时会发出一个小蜂鸣声。如果你能让灯光停在中间的 LED 上，蜂鸣器应该连续发出声音，表示你已击中主要目标。

当你根据自己的喜好定制了游戏后，可以将它焊接到一个原型板上。也许你还想将它放进一个漂亮的盒子里，隐藏住电子元件，只展示按钮和 LED 灯。

接下来做什么？去做一些酷东西吧！

我真高兴你把这本书读完了！希望你喜欢这些项目，并且继续用电子技术做一些酷东西。一个很好的练习方法是，找一个有趣的电路图，购买组件，自己动手做这个电路。你几乎可以在网上找到任何电路图。

我还想邀请你继续在我的网站上学习，* www.ohmify.com/*。你可以观看视频课程，阅读各种项目教程，还可以访问讨论论坛，在那里你可以提问并与来自世界各地、同样喜欢做电子的朋友们互动。

只需确保获得父母的许可才能加入该网站，因为它是基于订阅的。如果他们同意，请使用以下链接以获取仅限本书持有者的特别优惠：ohmify.com/e4k/。

另外，务必查看第 286 页上的“在线资源”——你会在这些网站上找到大量教程和更多可以搭建的电路。玩得开心！

第十三章：实用资源

这是一些在构建电子项目时会用到的资源。比如当你需要查找某个电阻器的颜色带所代表的含义时，可以作为参考。我还列出了一些网站，供你继续学习并发现更多项目可供构建。

组件和单位值备忘单

本书中将使用大量组件，解读这些组件的方式与组件类型一样多。这里有一些实用的备忘单，可以帮助你解读电阻器和电容器，并帮助你记住像电压和电流的单位前缀是什么意思。

电阻器颜色代码

本书中的大多数电阻器都有四个颜色带。要确定电阻器的值，只需查找其颜色并按照下表中的方式进行相乘。例如，要得到 470Ω，你需要将黄色和紫色带表示的数字 47 乘以棕色带表示的 10。有关电阻器的更多细节，请参阅 “认识电阻器” 章节中的 第 70 页。

电容器代码

在下面的表格中，我列出了最常见的电容器代码。使用陶瓷或钽电容器时请参考此表，因为与本书中使用的电解电容器不同，这些电容器不会直接标出其电容值。

代码	皮法（pF）	纳法（nF）	微法（µF）
101	100	0.1	0.0001
102	1,000	1	0.001
103	10,000	10	0.01
104	100,000	100	0.1
105	1,000,000	1,000	1

如果你有一个电容器，其代码与这里列出的不同，你可以通过取前两位数字并加上第三位数字的零的数量来找到其皮法值。

在这个例子中，电容器的代码是 473。取前两位数字 47，并加上第三位数字 3 指定的零的数量。这样得到 47,000 pF，也就是 47 nF，或 0.047 µF。

标准前缀

在构建电子项目时，和许多科学领域一样，我们有时需要处理非常小或非常大的数字。幸运的是，国际单位制（SI）有一套标准前缀，使得这些数字更容易书写。前缀是乘数，如表所示。

前缀	名称	乘数值	示例用法
p	皮法	× 0.000 000 000 001	电容值（例如：47 pF 电容）
n	纳	× 0.000 000 001	电容值（例如：100 nF 电容）
µ	微法	× 0.000 001	电容值（例如：10 µF 电容）
m	毫	× 0.001	电路中的电流（例如：20 mA 电流）
-	-	× 1	电压通常没有前缀（例如：9 V 电池）
k	千	× 1,000	1,000 以上的电阻值（例如：10 kΩ 电阻）
M	兆	× 1,000,000	文件大小（例如：2MB 照片）
G	吉	× 100,000,000	文件大小（例如：1GB 视频）
T	太	× 1,000,000,000,000	硬盘大小（例如：2TB 硬盘）

欧姆定律快速回顾

欧姆定律是计算电路中值的一个非常重要的部分，你在构建更多项目时会不断使用它。每当你需要回顾如何计算电路中的电压、电流或电阻时，只需翻到这一节。

V = I × R	电压（以伏特计）等于电流（以安培计）乘以电阻（以欧姆计）
	电流（以安培计）等于电压（以伏特计）除以电阻（以欧姆计）
	电阻（以欧姆计）等于电压（以伏特计）除以电流（以安培计）

在欧姆定律公式中，必须使用伏特（V）、安培（A）和欧姆（Ω），因此记得在必要时转换单位：1 mA = 0.001 A 和 1 kΩ = 1,000 Ω。

一个基本的电压分压电路

电压分压器是一个非常有用的电路，例如，当你有一个基于电阻的传感器时，比如温度传感器热敏电阻，或者光敏电阻，感应光线时，可以使用这个电路。查看 “项目 #15：构建一个日出唤醒警报” 第 148 页 中的项目，了解如何使用这种电压分压器。你还可以利用电压分压器的知识，计算电路中的电压，从而了解电路中的运行情况。

当你有两个电阻串联时，它们会形成一个电压分压器。输入电压会在这两个电阻之间分配，输出电压（跨越 R2）由以下公式给出：

在线电子商店

在本书中，我推荐了一些可以购买零件的商店，但这些并不是世界上唯一优秀的电子商店！你也可以尝试以下这些商店：

Adafruit (美国) www.adafruit.com

DigiKey (美国) www.digikey.com

Jameco (美国) www.jameco.com

SparkFun (美国) www.sparkfun.com

Bitsbox (英国) www.bitsbox.co.uk

Quasar Electronics (英国) www.quasarelectronics.co.uk

Rapid Electronics (英国) www.rapidonline.com

Spiratronics (英国) www.spiratronics.com

Farnell (全球) www.farnell.com

Protostack（澳大利亚） www.protostack.com

Seeed Studio（中国） www.seeedstudio.com

Tayda Electronics（泰国，美国） www.taydaelectronics.com

在线资源

当你读完本书后，你可以继续在网上学习电子学。（先问问你的父母！）你会在以下网站找到大量有趣的教程和其他项目：

Adafruit (learn.adafruit.com/) 提供许多基于他们销售的组件的指南。

Build Electronic Circuits (www.build-electronic-circuits.com/) 我的个人博客，发布关于电子学的教程、视频、文章等。我还提供一个免费的通讯，里面有很多有用的项目小窍门和技巧。

电子俱乐部 (www.electronicsclub.info/) 这是一个供任何希望学习电子学或制作简单项目的人使用的网站，由本书的技术审阅者 John Hewes 创建和维护。

Ohmify (www.ohmify.com/) 我的在线学习平台，提供课程、项目教程、讨论论坛等。你可以获得很酷的逐步项目教程，提问、结交朋友并学习。拥有本书的读者可以通过访问 www.ohmify.com/e4k/ 获得特别优惠。

SparkFun (learn.sparkfun.com/) 提供许多基于他们销售的组件的指南。

你也可以访问本书的官方网站 www.nostarch.com/electronicsforkids/，获取更多资源、更新等。

第十四章：索引

数字与符号

555 定时器, 164–166

使用它产生声音, 167–175

设置输出速度, 166–167

用于反应游戏速度, 260–261

μF (微法拉), 92

Ω (欧姆), 7, 70

A

A (安培), 7

交流电 (AC), 48–49

适配器, 226

警报项目

入侵者, 11–17, 108, 236–237

日出, 148–157

交流电 (AC), 48–49

美国电线规格 (AWG), 83

安培 (A), 7

安培, 7

与门, 216, 217

与运算符, 215

阳极, 75

ASCII 代码, 201–202

不稳定模式, 165

原子, 6

AWG (美国电线规格), 83

B

圆柱形插孔适配器, 226

基底, 132

二进制数系统, 188

十进制数系统, 188

电池

化学性质, 56–58

食物, 65

柠檬, 58–66

内部结构, 55–56

哔声模式, 277

二进制数字, 188–190

转换为十进制, 190–192

用手指计数, 212

为什么计算机使用, 211

位, 193

闪烁灯光

对于反应游戏, 265–278

使用继电器, 99–100, 101–108

布尔逻辑, 214

拓线带, 去焊, 125

面包板, 81–83, 84–87

蜂鸣器

添加到反应游戏中, 279–280

在入侵者警报中, 13–14

在日出闹钟中, 153

字节, 193

C

电容, 91

电容器, 90–91

代码, 283

耦合, 171–172

极性与非极性, 91–92

测试, 92–95

阴极, 75

电荷, 6

备忘单, 282

电路板, 111

插图, 121

电路, 8–10

电路图, 95–97

逻辑, 212

使其可靠, 227

时钟信号, 242

闭电路, 8

闭环, 8

代码

对于电容器, 283

对于电阻，70–72，282

秘密，218–219，223–237

硬币投掷项目，245–254

集电极，132

集电极电流（I[c]），222

电阻的色码，70–72，282

彩色猜谜游戏项目，194–200

COM（公共引脚），98

公共阳极，195

公共阴极，195

公共引脚

在继电器中，98

在开关中，29

组件

聚集，xxvii–xxviii

哪里购买，286

逻辑条件，214–215

导电材料，6

连续性，276

计数器，十年，262

耦合电容器，171–172

电流，5，7–8，73，222

D

数据表，103，162

直流电（DC），48–49

调试，174

十年计数器，262

十进制数，188

去焊接，125

编织线，125

如何，126–129

安全提示，128

D 翻转触发器，242

膜片，163

DIP（双列直插封装）开关，204

直流电（DC），48–49

D 锁存器，241

FET 上的漏极，260

双列直插封装（DIP）开关，204

发电机，66

E

边沿触发，242

电流，5，7–8，222

电荷粒子，6

电， 3–10

由水或风产生，46

使用磁铁产生，44–46

电极，56

插入柠檬中，61

电解质，56

电磁铁，19，22–23

自己制作，23–31

在扬声器中，163–164

在继电器中，97–100

电子商店，286

电子，6–8

发射极，132

F

F（法拉），91

假（布尔值），214

风扇，温控，157–158

法拉（F），91

FET（场效应晶体管），260

翻转触发器，242

浮动输入，227

频率，参见 164，166

Fritzing（软件），参见 121

G

游戏

猜颜色游戏，参见 194–200

LED 反应，参见 265–278

发电机，参见 45–46

创建你自己的，参见 49–54

使用电动机，参见 55

GND 符号，参见 259

H

赫兹（Hz），参见 164

I

I[c]（集电极电流），参见 222

集成电路（IC），参见 161–163

乐器，音乐（项目），参见 175–183

绝缘

使用标记笔添加到电线，参见 38

从电线中移除，参见 26–27

集成电路（IC），参见 161–163

国际单位制，参见 284

入侵警报项目，参见 11–17，108，236–237

逆变器，参见 217

J

焊接接头，参见 113，116，117

跳线电缆，参见 83

K

千（k）前缀，参见 72

电子套件，参见 129

L

大值前缀，参见 72，284

锁存，参见 240–241

LDR（光敏电阻），参见 146

LED（发光二极管），参见 58–59

闪烁，参见 101–108，265–278

亮度变化与电阻，参见 144

使用晶体管控制，参见 135–136

毁坏，参见 74–76

猜颜色游戏，参见 194–200

识别脚，参见 75

放置在面包板上，参见 85

供电，参见 78–81

反应游戏，参见 265–278

RGB（红绿蓝），参见 195

正确使用，参见 76–78

柠檬电池的制作，参见 56，58–66

电灯泡，参见 4。另见 LED（发光二极管）

连接到电池，参见 5

项目，参见 4–5

光敏电阻（LDR），参见 146

发光二极管（LED）。另见 LED（发光二极管）

逻辑，参见 214–215

电路图，如何绘制，参见 218–220

电路，参见 212

方程式，参见 215

门，参见 215–218

负，参见 237–238

在现实生活中，参见 220–221

扬声器，参见 163–164

M

M（兆）前缀，参见 72

磁场，参见 20，44–45

磁铁，参见 19–21。另见 电磁铁

磁线，参见 54

测量单位

安培（A），参见 7

法拉（F），91

赫兹（Hz），164

欧姆（Ω），7，70

前缀，72，77，92，284

伏特（V），6

兆（M）前缀，72

存储器

电路，240，241

在计算机中，211

秘密信息，202–211

微（μ）前缀，92

微法拉（μF），92

运动控制仪器，183

电机，31–32

创建你自己的，32–40

所需电流，222

用作发电机，55

保护晶体管，234

万用表，47–49

乐器项目，175–183

N

NAND 门，237

纳米（nano）前缀（n），92

纳法拉（nF），92

NC（常闭），98

负边沿触发电路，242

负逻辑门，237–238

负电源列，81

中子，6

nF（纳法拉），92

NO（常开），98

非极化电容，91

NOR 门，237

常闭（NC），98

常开（NO），98

磁铁的北极，20–21

NOT 门，217

NPN 晶体管，132，134

原子核，6

二进制和十进制数，188

O

Ohmify（网站），280

欧姆（Ω），7，70

欧姆定律，73–74，284

一和零。参见 二进制数

在线资源，286

OR 门，216

振荡器，245

P

p（皮）前缀，92

部件

收集，xxvii–xxviii

购买地点，286

皮法拉（pF），92

光敏电阻，146，148，149，183

毫微（pico）前缀（p），92

皮法拉（pF），92

引脚排列，103，165

引脚

在集成电路（IC）中，162

在电位计中，145

在继电器中，98

在开关中，28–29

像素，193–194

极化组件

电容器，91–92

LED，75

磁铁的极，20–21

正边缘触发电路，242

正电源列，81

土豆电池，65

电位器，145，146，149

电力，45

电厂，46

前缀，单位，72，77，92，284

项目

报警

入侵者，11–17

日出，148–157

二进制数字，转换为十进制，190–192

面包板电路，84–87

电容器，测试，92–95

硬币抛掷器，245–254

彩色猜测游戏，194–200

拆焊，126–129

电磁铁，23–31

发电机，49–54

LEDs

销毁，74–76

电力，78–81

柠檬电池，58–66

光

闪烁，101–108

开启，4–5

电动机，32–40

乐器，175–183

反应游戏，265–280

秘密代码检查器，223–235

秘密信息机器，202–211

焊接，118–125

声音，使用 555 定时器，167–175

触摸传感器，136–144

质子，6

原型板，120，129，140

下拉电阻，227

按钮，180–181

R

反应游戏项目，265–278

红绿蓝（RGB）LED，195

继电器，97–100

添加到入侵报警项目，108，236–237

使用 LED 闪烁光，99–100

电阻，5，7–8，73

计算 LED，77–78

插图，8

变量，144–145

电阻，70

彩色代码，70–72，282

材料，72

放置在面包板上，85

下拉，227

变量，146

资源，281–288

RGB（红绿蓝）LED，195

转子，33，35–36

S

安全，xxviii–xxix

使用柠檬电池，58

焊接，113–114，128

修剪电线，122–123

使用电阻，73

使用超强磁铁，34

电路图，95–97

螺钉端子，226

秘密代码检查器

添加到入侵报警项目，236–237

项目，223–235

秘密信息机器项目，202–211

传感器，触摸，136，144

串联，连接电池，57–58

摇动发电机项目，49–54

短路，156，174

单股线，83

小值，前缀，77，284

焊锡，111–112

熔点温度，112

烛芯，125

焊接

避免坏焊点，117

去焊接，125–129

如何操作，112–117

铁，113

清洁，115

底座，114

焊锡，115

安全提示，113–114，128

供应品，112

声音，163–164

555 定时器项目，167–175

使用电力创造，163–164

乐器项目，175–183

南极点，磁铁上的，20–21

海绵（用于清洁烙铁），115

SR 锁存器，240–241，263–264

剥线，26–27

日出闹钟项目，148–157

供应品

收集，xxvii–xxviii

哪里购买，286

开关，10–11

连接典型，28–29

使用晶体管控制灯泡，11

DIP，204

按钮，180–181

继电器，97–98

符号，96

与晶体管比较，133–134

合成器，175

T

团队合作，调试时，174

温控风扇，157–158

热敏电阻，157

定时器（555），164–166

使用它发出声音，167–175

设置输出速度，166

用于反应游戏速度，260–261

焊锡，115

输出切换，使用 D 触发器，246

电阻的公差，72

触摸传感器项目，136–144

晶体管，132–136

双极结，134

使用 FET 控制 LED，135–136

电流，最大值的查找，222

FET（场效应管），260

它们是如何工作的，134

NPN， 132, 134

为什么使用， 133–134

真值（布尔值）， 214

真值表， 216–217, 238, 240, 241

在线教程， 286

U

测量单位

安培（A）， 7

法拉（F）， 91

赫兹（Hz）， 164

欧姆（Ω）， 7, 70

前缀， 72, 77, 92, 284

伏特（V）， 6

V

V（伏特）， 6

可变电阻， 144, 145

可变电阻， 146

V[CC]符号， 259, 260

V[DD]符号， 259, 260

电压， 5, 6–7, 73

电池， 57–58

分隔符， 146, 147, 285

计算电压， 147

测量光， 148

如何测量， 47–48, 54

来自墙壁适配器， 226

伏特（V）， 6

W

墙壁适配器， 226

水，利用水发电， 46

水类比，电流的类比， 9–10

烛芯，焊接， 125

风，利用风力发电， 46

刮片（引脚）， 145

电线剪， 26–27

电线

添加绝缘层， 38

连接， 16

接线， 54

跳线， 83

准备柠檬电池， 60

单股， 83

去除绝缘层， 26–27

X

异或门（XOR gate）， 238

电子学与孩子们 使用了 Century Schoolbook、Filmotype Candy、Housearama Kingpin、TheSansMono Condensed 和 Billy the Flying Robot 字体。 该书由 TC Transcontinental Printing 在加拿大魁北克省 Beauceville 印刷和装订。纸张是 70# Husky Offset，获得了森林管理委员会（FSC）认证。

本书采用 Otabind 装订方式，将页面用冷固化、柔性胶水粘合在一起，形成的书本区块的第一页和最后一页被固定在封面上。封面实际上并没有粘在书脊上，打开时书本能够平躺，且书脊不会断裂。

第十五章

资源

访问 www.nostarch.com/electronicsforkids/ 获取更新、勘误和更多信息。

更多适合好奇孩子的智能书籍！

Arduino 项目手册

25 个实践项目带你入门

作者 MARK GEDDES

2016 年 6 月，272 页，$24.95

ISBN 978-1-59327-690-4

全彩色

废品乐队

DIY 音乐乐器与噪音制造器

作者 DAVID ERIK NELSON

2015 年 10 月，408 页，$24.95

ISBN 978-1-59327-611-9

制造者的丧尸末日指南

使用简单电路、Arduino 和树莓派防守你的基地

作者 SIMON MONK

2015 年 10 月，296 页，$24.95

ISBN 978-1-59327-667-6

乐高^® MINDSTORMS^® EV3 发现书

构建和编程机器人入门指南

作者 LAURENS VALK

2014 年 6 月，396 页，$34.95

ISBN 978-1-59327-532-7

全彩色

乐高动力功能创意书，第 1 卷

机器与机制

作者 YOSHIHITO ISOGAWA

2015 年 10 月，324 页，$24.95

ISBN 978-1-59327-688-1

全彩色

儿童 Python 编程

编程的有趣入门

作者 JASON R. BRIGGS

2012 年 12 月，344 页，$34.95

ISBN 978-1-59327-407-8

全彩色

800.420.7240 或 415.863.9900 | sales@nostarch.com | www.nostarch.com

第十六章：真正的电子学。

非常简单。

为什么家里的灯在你按下开关时会亮起来？遥控车是如何运动的？电视和微波炉上的灯光为什么会闪烁？你周围的技术看似神奇，但大多数技术没有电力支持是无法运作的。

《孩子们的电子学》 通过一系列有趣的动手项目揭示了电力的奥秘。在第一部分，你将通过用柠檬制作电池、将金属螺栓变成电磁铁、将纸杯和一些磁铁变成旋转电机来学习电流、电压和电路的工作原理。在第二部分，你将制作更多有趣的东西，包括：

• 用电阻、电容和继电器焊接一个闪烁的 LED 电路

• 将电路转变为触摸传感器，使用你的手指作为电阻

• 构建一个由日出触发的闹钟

• 创建一个能发出科幻声音的音乐乐器

然后，在第三部分，你将学习数字电子学——诸如逻辑门和存储电路的内容——并制作一个秘密代码检查器和一个电子硬币翻转器。最后，你将运用所学知识制作 LED 反应游戏——测试你的反应时间，试图抓住一个闪烁的灯光！

《孩子们的电子学》凭借其清晰的解释和丰富的动手项目，让你很快开始制作自己的电路。

关于作者

Øyvind Nydal Dahl 14 岁时制作了他的第一个电路，此后一直对电子学充满热情。他拥有奥斯陆大学的电子学硕士学位，帮助公司开发新产品，并在全球范围内教授电子学工作坊。他还在 www.build-electronic-circuits.com/ 撰写适合初学者的教程。

极客娱乐的最佳选择™

www.nostarch.com

第十七章：脚注

第一章：什么是电？

• 电子是负粒子，但在某些材料中，电流是由正粒子组成的，它们朝相反方向流动。因此，在原子层面，粒子可以朝任一方向流动。

第九章：电路如何理解 1 和 0

• 有时候千字节指的是 1024 字节（2¹⁰）。