硬件黑客入门：制作你的第一个（虚拟）电路

我是不是教你这些东西的最佳人选？

材料

让我们开始吧

面包板

认识电池

认识一下LED

控制电力“流动”

欢迎来到我的系列教程，本系列将教你如何使用 Arduino 进行基础硬件改造。看完本系列教程，你应该能够让家里的电子设备根据网络上的事件亮起、发出哨声或旋转。本系列教程面向那些没有电烙铁，或者之前使用过 Arduino 但仅限于点亮 LED 灯的用户。

我是不是教你这些东西的最佳人选？

我是一名专注于云端容器和无服务器应用的Web开发人员。我并非电子工程师，但我可以向您保证，即使一个基础电路看起来令人生畏，我这个普通的程序员也能轻松掌握所有这些知识。自学成才意味着我现在可以用简单、直接、易懂的方式教您。学习本系列指南只需几个小时。

材料

只需要一台电脑和一个免费的 Tinkercad 账号（注册链接在下方）！虽然你也可以使用平板电脑或 Chromebook，但台式机或笔记本电脑会更方便。本课程将完全使用虚拟工具进行教学。当你准备好开始硬件改造时，你需要购买一些材料，但现在你只需要一个免费的 Tinkercad 账号。

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让我们开始吧

本次课程的目标是搭建一个电路，该电路利用电池供电并点亮LED灯。虽然这个电路非常简单，但搭建它足以让我们学习到足够的电路设计知识，从而能够完成一个完整的Arduino项目。

登录 Tinkercad。如果您正在创建新帐户，Tinkercad 将引导您完成 3D 设计教程。由于我们将使用电路，因此这些工具并非必需，您可以跳过教程。直接点击左上角的 Tinkercad 图标，然后选择“电路 > 创建新电路”。

右侧面板会显示您可以使用的组件。向下滚动或搜索面包板，然后将其拖入工作区。

面包板

在你日常使用的电子产品中，电流是通过焊接在一起的导线或印刷电路板上的铜质“走线”传导的。这两种方法都不适合搭建原型，因此电子工程师发明了面包板。

图片来源：Maskaravivek

面包板上有数百个小型插座，无需焊接即可连接两个或多个元件。我们在 Tinkercad 中使用的面包板与实际电路中的面包板功能完全相同，如果您想使用实际元件来学习本教程，所有电路的工作原理也相同。了解面包板最重要的一点是了解这些小插头的连接方式：每一列垂直的插头都与其他列相连，而顶部和底部的两行（通常分别标有“+”和“-”）则水平连接。水平的两行是供电线路，通常称为“电源轨”。

当您将鼠标悬停在列上时，Tinkercad 会很贴心地突出显示这一点。

这块小小的塑料和铜片让我们无需焊接就能创建非常复杂的电路，而且可以快速进行更改。

好了，我们来给这个LED灯通电吧！

认识电池

这次实验我们将使用9伏电池，你可能小时候舔过这种电池。（或者只有我舔过？）

关于它们还能说什么呢？它们就是电池！首先，将正负极分别连接到面包板底部的正负极“导轨”上。导线的颜色不影响电路，但为了清晰起见，我们将正极设为红色，负极设为黑色：

我们把它连接到LED上。

认识一下LED

LED 代表发光二极管，虽然我们都知道它能发光，但你可能不太了解“二极管”这个概念。二极管是一种只允许电流单向流动的电子元件。现实中的 LED 有一根导线比另一根长，用来指示哪一侧需要连接到正极（连接到“+”的那一侧称为阳极，但这里我不会过多使用这个术语）。在我们的虚拟 LED 中，其中一侧的导线略微弯曲，以表明它是较长的那一侧。

如果将 LED 接反，LED 将不会亮起，基本上什么都不会发生：

好了，我们来整理一下电线，启动LED灯！把黑色导线连接到左边较短的引脚上，红色导线连接到右边较长的引脚上，然后点击“开始模拟”按钮接通电源。你会看到LED灯亮起来！

这里似乎有些不对劲。

你会看到 LED 上方出现类似“爆炸”的图形，将鼠标悬停在上面，Tinkercad 会显示一个工具提示，告诉你 LED 的电流过大。如果这是个真正的 LED，我们就得扔掉它，换一个新的。好在它们只要几美分。

控制电力“流动”

这里本来可以写一篇900字左右的文章，讲解电阻、欧姆定律以及电压、电流和所需电量之间的关系。但我们只想让LED灯亮起来，所以我先从解决方案讲起：我们需要一个电阻来控制功率。

将LED移到面包板的上半部分，就在它原来位置的正上方。面包板中间的“空隙”将每一列都隔开了，这意味着现在你的LED不会亮起：

从元件面板中拖出一个电阻器，将其添加到黑线上方，使其跨越中间的间隙，然后拖动红线连接到 LED。

现在，如果您点击“开始仿真”，我们最终将得到一个可以点亮 LED 的电路。

要初步了解电阻对电路的影响，请点击电阻器并编辑其阻值。在 Tinkercad 中，电阻器的默认值为 1 千欧姆 (1kΩ)。如果将阻值降低到 0.5 Ω，LED 会变得更亮。将阻值提高到 2 kΩ，LED 则会明显变暗。

这可能很难看清，所以让我们利用面包板的功能，同时连接多个 LED，每个 LED 连接不同阻值的电阻：

这里我们安装了阻值从 0.2kΩ 到 3kΩ 的 LED，最右边的 LED 的阻值最小。最左边的 LED 通电功率过大，以至于 Tinkercad 中出现了一个小提示，说这可能会损坏 LED。真棒！

关于上图，我有几点需要说明：

• 电阻器的阻值（欧姆）由其彩色条纹表示，虽然本教程用不到这些条纹，但它们看起来仍然很酷。
• 在我的版本中，我以一种我认为既美观又易于理解的方式排列了电池、元件和导线。在面包板上排列元件和导线组成电路的方法数不胜数，它们都能实现相同的功能，但外观却各不相同。

第二部分将于本周晚些时候推出，届时我们将把 Arduino 添加到我们的电路中！