七、無電源電焊自動防護(hù)面罩

設(shè)計(jì)背景

比起上一個電路，這款防護(hù)面罩只用了一條控制電線。使用更加方便，也更加安全。它同樣不用自帶電源，縮小了設(shè)備的體積，又增加了可靠性。

電路原理

電路圖見圖33-071。電路由電源及控制信號接收器、整流電路、電源存儲器、脈沖發(fā)生器、液晶光閥片組成。在常態(tài)下，液晶光閥片為黑色。當(dāng)電路接通，第一次使用電焊機(jī)試驗(yàn)起弧時，電焊線路通過很大的電流，這個電流在電源及控制信號接收器上的電源變壓器上感應(yīng)出交流電，這個交流信號一方面通過整流電路和電源存儲器，變成6V直流電源存儲在電容器上，驅(qū)動脈沖發(fā)生器工作；另一方面，這個電焊信號也成為控制信號，禁止脈沖發(fā)生器振蕩，結(jié)果是液晶片仍然保持黑色，起到保護(hù)眼睛的作用。而當(dāng)電焊一旦停止，控制信號消失，而脈沖發(fā)生器在電源存儲器的驅(qū)動下繼續(xù)工作，所以液晶片變透明。根據(jù)設(shè)計(jì)，電源存儲器可在電弧消失之后保證液晶片透明半分鐘以上。這樣，以后每進(jìn)行一次電焊，都會使液晶片變黑，同時也向電源存儲器充電，維持電焊自動防護(hù)面罩的正常工作。

圖33-071

制作要點(diǎn)

電路中需要手工制作的零件就是電源及控制信號接收器。它實(shí)質(zhì)上是一個交流變壓器。它的初級線圈為一條直線，也就是四分之一圈；它的次級為1000圈。它可將電壓升高數(shù)千倍，可以將電焊機(jī)的工作電流在初級線圈上的感應(yīng)電壓升高到10V以上。可用一個晶體管收音機(jī)的輸出變壓器進(jìn)行改制。將變壓器的鐵芯拆除，另用原來的或者其他變壓器鐵芯制成一“口”字形鐵芯。這個鐵芯應(yīng)有一開口，用來放置電焊機(jī)焊條的“把線”。使用時將把線穿入鐵芯內(nèi)部，固定好即可；見圖33-072。

圖33-072

電源存儲器是耐壓16V，容量在2200μF以上的電解電容器。電路采用CMOS電路，所以耗電低，一般可保證工作半分鐘以上。采用更大的電容器，可以工作更長的時間，當(dāng)然，體積也更大一些。整機(jī)可以制作得如火柴盒般大小，即可與電源及控制信號接收器制成一體，固定在把線上；也可固定在面罩內(nèi)。把線上的接收器與面罩上液晶片之間只有一條導(dǎo)線，可用插頭、插座進(jìn)行連接，使用會更加方便。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．發(fā)明設(shè)計(jì)思路

這個電路是經(jīng)過長期的探索完成的。電路設(shè)計(jì)受到了各種電焊自動防護(hù)面罩的啟發(fā)，也參考了液晶片電焊面罩的現(xiàn)有技術(shù)。在學(xué)習(xí)現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對其缺點(diǎn)如電路復(fù)雜，成本高，安全性差進(jìn)行改造，最終完成了本電路設(shè)計(jì)。與前一個的電焊自動防護(hù)面罩一樣，在設(shè)計(jì)上堅(jiān)持了不用自帶電源的思路。它們都抓住了電焊機(jī)在起弧前后電壓和電流變化的特點(diǎn)，巧妙地將這一電信號加以利用而進(jìn)行的成功的設(shè)計(jì)。

2．電路安全性分析

現(xiàn)有的使用液晶片的自動防護(hù)面罩使用電池電源驅(qū)動電路，控制信號采用電弧光驅(qū)動光電設(shè)備，達(dá)到控制液晶片變黑的目標(biāo)。這種設(shè)計(jì)由于使用電池，所以體積大，再加上利用電弧光控制液晶片變黑，所以有一個時間滯后量。也就是它只有當(dāng)電弧光產(chǎn)生之后，才能驅(qū)動液晶片變黑，所以從理論上說，總有一段時間電弧光會通過液晶片到達(dá)眼睛，對眼睛造成傷害。而本書介紹的兩款自動防護(hù)面罩，是利用電焊機(jī)產(chǎn)生電弧時的電壓變化作為控制信號；而電壓信號是超前于電弧光信號的，這樣在理論上就可以消除電弧光對眼睛的傷害。通過實(shí)際使用也證明了這一點(diǎn)。

3．思考

液晶光閥具有廣泛的應(yīng)用。你能否在進(jìn)行了上面的制作和實(shí)驗(yàn)之后，獨(dú)立設(shè)計(jì)出利用液晶光閥片原理的電子作品呢？

八、防嘯叫話筒

設(shè)計(jì)背景

話筒不但使用在會議上，還廣泛應(yīng)用在公共娛樂場所和家庭。使用話筒擴(kuò)音時會產(chǎn)生嘯叫，從而影響使用效果。其實(shí)這種現(xiàn)象很容易解釋，話筒可將收到的聲音變成電信號，然后再由擴(kuò)音機(jī)放大，由喇叭發(fā)出放大后的聲音。這樣，放大后的聲音傳送到話筒，再經(jīng)過放大，由喇叭發(fā)聲；如此循環(huán)往復(fù)，就產(chǎn)生了音頻振蕩，也就是嘯叫聲。可見，嘯叫的產(chǎn)生不一定是因?yàn)槭褂貌划?dāng)而發(fā)生的，只要擴(kuò)音機(jī)的音量開得過大，就會產(chǎn)生。減低音量雖然能夠避免嘯叫，但是又會影響擴(kuò)音的效果。防嘯叫話筒就是針對這一現(xiàn)象而設(shè)計(jì)的一種電路。使用它可以明顯增大擴(kuò)音的音量而不致產(chǎn)生嘯叫。

電路原理

電路圖見圖33-081。電路有2只相同的話筒，安裝時將它們相距3厘米左右平行放置。每個話筒分別由1路三極管放大電路進(jìn)行放大。放大的聲音信號分別從兩只三極管的集電極和發(fā)射極輸出，以得到2路電壓相反的音頻信號。從理論上說，這2路電壓經(jīng)過一平衡電位器互相抵消，輸出為零。從而將環(huán)境背景聲音和喇叭的反饋聲音削減到最低。而對于要放大的聲音，則應(yīng)靠近其中任何一個話筒，遠(yuǎn)離另一個話筒；這樣，目標(biāo)聲音在2路音頻放大電路中的電壓的大小和相位均不同，因而不會在后面的平衡電位器中被抵消，可以傳送到下一級放大電路中放大，最后輸送到音頻功率放大器，使喇叭發(fā)聲。

圖33-081

制作要點(diǎn)

電路用9014三極管制作音頻放大器。2級初級音頻放大電路要采用完全相同的元器件制作。如果是制作調(diào)頻無線話筒，應(yīng)使用高頻提升電路。2只話筒型號必須完全相同，同方向安裝，距離可在數(shù)厘米范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，一般距離越近，抑制嘯叫的效果越好，但音量也越小。如果將話筒包裝在內(nèi)部，一定要在外面將其中的一個做明顯的標(biāo)記，供使用者對準(zhǔn)聲源。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．移植發(fā)明

這種利用2組相同的話筒抵消遠(yuǎn)距離干擾，放大近距離聲音的構(gòu)想來源于傳統(tǒng)的電橋電路原理。傳統(tǒng)的電橋電路可用來進(jìn)行精密的電壓和電阻的測量。當(dāng)電橋中電阻的比例不變時，沒有電壓信號輸出，而當(dāng)其中任何一個電阻阻值發(fā)生變化時，就有電壓信號輸出。在本電路中，2組相同的話筒與輸入電路實(shí)際上構(gòu)成了一個電橋。

2．提高傳感器靈敏度的方法

傳感器是把各種物理信息諸如聲音、壓力、溫度、濕度、光線照度等轉(zhuǎn)變成電信息的器件，它是自動控制的最關(guān)鍵部分。一般地說，傳感器的靈敏度越高，它對目標(biāo)信號和干擾信號的反應(yīng)越靈敏，所以為了有效地實(shí)現(xiàn)控制，僅僅采用靈敏度高的傳感器不一定能解決可靠性的問題。提高傳感器的信噪比是最好的方案。從本例可以看出，凡是遇到目標(biāo)信號和干擾信號的位置不同的情況，都可以采用這種方法來解決。前面介紹的電話線感應(yīng)增音器也是采用了這個原理。

3．消除背景雜音和回音的錄音實(shí)驗(yàn)

用它來做錄音話筒，不但可以有效地抑制嘯叫，還可在環(huán)境嘈雜的情況下，錄制出清晰的聲音；如在普通的房間里錄音，最擔(dān)心的就是外界雜音的干擾和室內(nèi)墻壁的回音，使用這個話筒，其效果可與隔音的錄音棚媲美。

九、三色燈光水質(zhì)檢測儀

設(shè)計(jì)背景

非門電路可以用兩個電極對測量對象的電位高低進(jìn)行鑒別，從而指示出被測對象的兩種狀態(tài)。但是有時事物的變化多余兩種狀態(tài)，最常見的是三種狀態(tài)。如何用非門電路對三種狀態(tài)的信息進(jìn)行測量和顯示呢？三色燈光水質(zhì)檢測儀就是一個成功的設(shè)計(jì)，它只有兩個測試電極，一組電源，卻可以對三種信號進(jìn)行測量和顯示。

電路原理

電路圖見圖33-091。電路由探測電極、電阻分壓器、電位緩沖器和顯示合成器組成。探測電極可感知水質(zhì)的電阻率，不同水質(zhì)的電阻大小不同，這個電阻與儀器中的電阻一起組成電阻分壓器，并將電壓高低分別輸送到兩路電位緩沖器；電位緩沖器兼有燈光控制器的功能，最后由顯示合成器將兩路燈光信號合成為三種水質(zhì)狀態(tài)顯示器。它的具體工作過程如下。當(dāng)水質(zhì)較好時，水的電阻較大，這時電阻分壓器在A點(diǎn)的電位為高電位，B點(diǎn)的電位則更高，這時，A路緩沖器關(guān)閉，紅色燈不亮，B路緩沖器導(dǎo)通，綠色燈亮，表示水質(zhì)好；當(dāng)水質(zhì)受到較輕的污染時，水的電阻變小，此時A點(diǎn)電位變?yōu)榈碗娢唬獴點(diǎn)電位仍然為高電位，從而紅色燈亮，綠色燈也亮，雙色燈最后合成的顏色是黃色，表示水質(zhì)受到輕微污染；當(dāng)水質(zhì)受到嚴(yán)重污染時，水的電阻很小，A點(diǎn)為低電位，B點(diǎn)電位也為低電位，此時紅色燈亮，綠色燈滅，顯示水質(zhì)受到嚴(yán)重污染。

圖33-091

制作要點(diǎn)

在如圖的電路中，電極兩端電阻在以上顯示綠光，電阻在30kΩ～470kΩ之間顯示黃光，電阻在30kΩ以下顯示紅光。微調(diào)分壓器上的電阻阻值可以改變分檔數(shù)值。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．電路設(shè)計(jì)與數(shù)學(xué)計(jì)算

電子電路設(shè)計(jì)離不開數(shù)學(xué)計(jì)算。如何根據(jù)電路的功能設(shè)計(jì)電阻分壓器的參數(shù)呢？其實(shí)仔細(xì)分析非門電路的原理，不難找出計(jì)算分壓器的數(shù)學(xué)公式。下面以電極測量電阻在以下區(qū)間為例，給出一個計(jì)算的例子。

假設(shè)分檔區(qū)間為0～10kΩ，紅燈；10kΩ～100kΩ，黃燈；大于100kΩ，綠燈。則根據(jù)非門性質(zhì)，其轉(zhuǎn)折電壓為電源電壓的一半，所以電阻分壓器應(yīng)保證在轉(zhuǎn)折電壓時，分壓電阻與探測電阻相等。設(shè)R1=x，R2＝y(tǒng)，則有以下方程組成立：

即R1可取45kΩ，R2可取55kΩ，即可滿足要求。

2．如何設(shè)計(jì)全自動視力保護(hù)提醒器

本書在上一章中介紹了一種光線減弱自動提醒器，它可以在光線變暗時發(fā)出閃動的燈光，提醒人注意光線太弱。但是當(dāng)光線變黑時，它仍然會持續(xù)發(fā)出閃動的燈光。如果有一種提醒裝置，在光線變得適合閱讀時，不發(fā)出燈光；在光線全黑時，也不發(fā)出燈光；只有在光線變得較弱時，才會發(fā)出閃動的燈光。那么這種提醒器就可以無需電源開關(guān)，自動工作；使用時將它放在書包中，基本上不消耗電流，只有在光線不足時才工作。利用本電路的原理就能夠解決全自動視力保護(hù)提醒器的問題。

當(dāng)然，電路設(shè)計(jì)有一定難度，現(xiàn)提示如下。電路最好增加一4011與非門電路，用來控制燈光脈沖驅(qū)動信號；當(dāng)全黑狀態(tài)時，一路電路控制與非門停止輸出；當(dāng)光線較亮?xí)r，另一路電路控制與非門停止輸出。具體設(shè)計(jì)可百花齊放，不拘一格。

3．四種電阻快速分類檢測器

電子愛好者手頭有大量的電阻，最好能夠按照阻值分類存放。如何將一些不知道阻值的電阻快速測量并分類呢？可以利用本電路的原理設(shè)計(jì)一種電阻快速分類器。當(dāng)然，如果分成3個區(qū)間不免有些粗糙。能否分成4個阻值區(qū)間呢？例如按照①0～10kΩ，②10～100kΩ，③100～1MΩ，④1MΩ以上。提示，用三元一次方程組進(jìn)行設(shè)計(jì)。

以上介紹了這種電路在水質(zhì)檢驗(yàn)、光線檢測、電阻阻值分類等用途；它還有什么用途呢？

十、 雙6點(diǎn)電子骰子

設(shè)計(jì)背景

前面已經(jīng)介紹了電子6點(diǎn)骰子。在麻將游戲中，人們一次使用2枚骰子。本電路就是模擬麻將游戲中的2枚骰子，設(shè)計(jì)出雙6點(diǎn)電子骰子；它有兩組6點(diǎn)電子燈光骰子，使用也和2枚骰子一樣，只要按動一次開關(guān)，就可以得到2組電子骰子的結(jié)果；2枚電子骰子之間是相互獨(dú)立的，也就是它們產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)結(jié)果是互相獨(dú)立，互不干擾。本電路可在麻將游戲中取代實(shí)物骰子。

電路原理

電路圖見圖33-101。電路由定時開關(guān)、整形電路、6點(diǎn)電子骰子電路組成。定時開關(guān)的作用是每按動一下按鈕，電路就會工作一次，顯示雙6點(diǎn)骰子的結(jié)果，結(jié)果維持約10秒鐘自動熄滅，電路同時自動關(guān)機(jī)。整形電路由施密特觸發(fā)器組成，可保證開關(guān)脈沖工作可靠驅(qū)動6點(diǎn)骰子電路產(chǎn)生隨機(jī)結(jié)果。

圖33-101

制作要點(diǎn)

電路可在面包板上組裝。要注意使用高亮度發(fā)光二極管。兩組骰子可以采用顏色不同的燈光。電池電壓在4.5V或者6V，電壓高可提高燈光的亮度。在使用中，按動電鈕的時間長短雖然可影響產(chǎn)生的結(jié)果，但是松開按鈕的一瞬間，是無法得到結(jié)果的。電路設(shè)計(jì)考慮到盡量避免人為因素，當(dāng)人松開按鈕后，積分電路放電，經(jīng)過一段時間才隨機(jī)出結(jié)果。結(jié)果保持時間也可進(jìn)行調(diào)整。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．電路設(shè)計(jì)服從于使用目標(biāo)

這個電路完全是為了在麻將游戲中取代實(shí)物骰子而設(shè)計(jì)的。這樣，設(shè)計(jì)目標(biāo)就很明確，電子骰子的性能和使用方法應(yīng)該與用手投擲完全相同。為此，就要求做到①按動一次按鈕，自動出結(jié)果；②電路沒有電源開關(guān)，出結(jié)果后，電路會自動關(guān)閉并復(fù)位；③2組骰子彼此獨(dú)立產(chǎn)生結(jié)果。這樣做會增加電路設(shè)計(jì)的難度，但只有解決遇到的問題，才能設(shè)計(jì)出實(shí)用的電子產(chǎn)品。

2．簡化電路的意義

簡化電路在電子設(shè)計(jì)中具有十分重要的意義；相同功能的不同設(shè)計(jì)，更簡化的無疑是好的電路。將復(fù)雜的電路加以簡化，仍能保持原有功能就是一種創(chuàng)新。

簡化電路的最重要的意義是提高電子產(chǎn)品的可靠性。在電子設(shè)備中，整機(jī)的可靠性是由每個元器件的可靠性來實(shí)現(xiàn)的。在電子設(shè)計(jì)中有一句名言：可靠性最高的零件是節(jié)省下來的零件。此外，簡化電路還可以減小體積、節(jié)省能源、降低成本。在本電路中，簡化設(shè)計(jì)、盡量減少元器件的使用數(shù)量，做到一物多用充分得到了體現(xiàn)。就拿骰子的聲音提示功能來說，它利用了產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的脈沖振蕩信號，驅(qū)動壓電陶瓷片發(fā)聲。即為電子骰子增加了功能，又避免了電路的復(fù)雜化。

如果手頭沒有40106施密特觸發(fā)器，也可使用4069等電路代替。在這種情況下，不能用4069直接代替40106，電路會復(fù)雜一些。

3．雙6點(diǎn)電子骰子產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)實(shí)驗(yàn)

雙6點(diǎn)骰子每次產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)為2枚6點(diǎn)骰子之和，在2～12之間。這個雙6點(diǎn)電子骰子能夠產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)嗎？光從理論分析是不夠的，還是應(yīng)該通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)方法，取一支筆，一張紙，分別在2～12這11個數(shù)字下面記錄實(shí)驗(yàn)時發(fā)生的次數(shù)。每按動一次按鈕，得出結(jié)果后，在相應(yīng)的數(shù)字下寫一筆“正”字。一次實(shí)驗(yàn)至少記錄1000個數(shù)據(jù)，然后將結(jié)果進(jìn)行分析。你制作的雙6點(diǎn)電子骰子結(jié)果如何？你認(rèn)為它公正嗎？2點(diǎn)（12點(diǎn)）、3點(diǎn)、4點(diǎn)、5點(diǎn)、6點(diǎn)、7點(diǎn)出現(xiàn)的幾率分別是1/36、2/36、3/36、4/36、5/36、6/36，即1/36、1/18、1/12、1/9、5/36、1/6。如果發(fā)現(xiàn)了一個數(shù)字，例如4的出現(xiàn)次數(shù)明顯偏離理論值，你能解釋這一現(xiàn)象嗎？如何加以改進(jìn)呢？

實(shí)際上在這個電路中，由于各個數(shù)字出現(xiàn)時，發(fā)光二極管亮的數(shù)目不同，從而影響了電源負(fù)載的變化，間接影響到脈沖開關(guān)的工作，在制作過程中，的確遇到了結(jié)果有明顯偏離統(tǒng)計(jì)規(guī)律的現(xiàn)象；經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，采用了整形電路，加上大電容量的電源濾波電路，基本上解決了骰子產(chǎn)生結(jié)果不公正的問題。如果另辟思路，采用兩路振蕩電路，分別由兩路開關(guān)進(jìn)行控制，可以完全避免這個問題。

如果在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)明顯出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，一種點(diǎn)數(shù)明顯偏多而另一種點(diǎn)數(shù)明顯偏少，可在燈光電路中加電阻電容濾波電路，使得電路免受電流變化的影響。

十一、通用數(shù)字倒計(jì)時器

在上世紀(jì)中國迎接香港和澳門回歸的日子，北京天安門廣場東邊矗立起了香港、澳門回歸倒計(jì)時牌，以秒和天為單位向世人顯示距1999年12月20日澳門回歸還有多少天和多少秒。能不能自己動手制作一個和天安門廣場上的倒計(jì)時牌的功能相同的回歸倒計(jì)時牌呢？本文介紹一種微型通用數(shù)字倒計(jì)時器，它不但具有回歸計(jì)時牌的全部功能，而且還可利用其內(nèi)部的時鐘，任意選定迎接的時間。

電路原理

電路原理圖見圖33-111。倒計(jì)時器采用40系列CMOS集成電路制作。整個電路由時鐘發(fā)生器、倒計(jì)數(shù)器、譯碼及顯示輸出、時鐘設(shè)置及調(diào)整電路和電源等組成。

圖33-111

時鐘電路產(chǎn)生并輸出秒、分、天等時間信號。用IC1（4060）、32768Hz晶振、R1和C1，C2組成時鐘振蕩電路，產(chǎn)生32768Hz的脈沖信號，并經(jīng)過分頻輸出2Hz的脈沖到由IC2和IC3（4040）組成的分頻電路。第一級IC2為120分頻，產(chǎn)生秒信號和分信號，并將秒信號輸出到由IC4-IC11組成的秒顯示倒計(jì)數(shù)器，將分信號輸出到第二級分頻電路。第二級IC3為1440分頻，產(chǎn)生以1天為單位的時鐘信號，并將它輸出到由IC20-IC22組成的天顯示倒計(jì)數(shù)器。R1的阻值要在10M以上，以保證在3V的工作電壓下正常起振。分頻電路所用的二極管D1-D8為普通硅二極管，對型號無特殊要求。

倒計(jì)數(shù)器由4510級連組成，由8個4510（IC4-IC11）組成8位秒顯示倒計(jì)數(shù)器，由3個4510（IC20-IC22）組成3位天數(shù)顯示倒計(jì)數(shù)器。倒計(jì)數(shù)器設(shè)有加減開關(guān)K3，用來控制計(jì)數(shù)器的加計(jì)數(shù)和減計(jì)數(shù)狀態(tài)。開關(guān)位于減計(jì)數(shù)狀態(tài)即組成倒計(jì)數(shù)器，開關(guān)位于加計(jì)數(shù)狀態(tài)即組成正計(jì)數(shù)器。

輸出顯示采用七段LED數(shù)碼顯示管，用4511進(jìn)行譯碼和驅(qū)動。為簡便計(jì)，采用共陰極數(shù)碼管LC5011（紅色）和LC5021（綠色），用4511直接驅(qū)動。在本電路中，一只數(shù)碼顯示管用一個4511驅(qū)動。

電源電壓為3V，采用雙電源供電，時鐘發(fā)生器和計(jì)數(shù)器部分用一組電池供電。因?yàn)闀r鐘發(fā)生器和計(jì)數(shù)器部分耗電極低，用兩節(jié)5號電池可工作1年以上，為保證工作可靠，不設(shè)電源開關(guān)；顯示驅(qū)動電路耗電大，需經(jīng)常更換電池，故另用一組電源，用電源開關(guān)K1控制。本機(jī)一旦開始工作，可用電源開關(guān)K1隨時關(guān)閉顯示部分的電源停止顯示，而時鐘和計(jì)數(shù)電路不受影響，在需要的時候只要接通電源，就能夠看到正確的時間顯示結(jié)果。

本機(jī)的天計(jì)數(shù)器和秒計(jì)數(shù)器電路開機(jī)后自動設(shè)置為0，由人工根據(jù)當(dāng)時制作完成時間進(jìn)行初始時間的設(shè)置。用三檔調(diào)速按鈕AN1-AN3配合加減開關(guān)K3和計(jì)數(shù)/復(fù)位開關(guān)K2調(diào)整和校正時間。AN1為超快調(diào)整按鈕，按下約5秒鐘可調(diào)整1天；AN2為快速調(diào)整按鈕， 按下1秒鐘可調(diào)整256秒；AN3為慢速調(diào)整按鈕，按下1秒鐘可調(diào)整4秒；AN4為停止計(jì)數(shù)按鈕，按下它可以暫停計(jì)數(shù)，用它可以微調(diào)時間。

制作要點(diǎn)

1．元器件選擇

本機(jī)所有元器件均為通用常規(guī)型號，愛好者可在電子市場上購齊所有零件。可將所有元器件安裝在一印刷電路板上。可制作一塊專用印刷電路板，也可用成品的面包板電路印刷板。

R8-R18為LED數(shù)碼顯示管的限流電阻，可根據(jù)顯示管的大小進(jìn)行調(diào)整，一般1吋以內(nèi)的數(shù)碼顯示管，可在50歐姆范圍以內(nèi)選擇。本機(jī)采用的LC5011和LC5021，也可不用限流電阻R8-R18，把接地管腳直接接地。

本機(jī)所用的CMOS集成電路均為16腳雙排列的，其中第8腳都要接地，第16腳接電源正極。要把4060、4040和4510的第16腳都接在那組沒有電源開關(guān)的3V電池的正極上。其它沒有標(biāo)明接線的管腳可以懸空（空置，不接線）。

2．調(diào)整初始時間

本機(jī)制作完成后硬件不需調(diào)整即可工作。接通電源后，如果電路工作正常，顯示狀態(tài)為“000”天和“00000000”秒。為了使澳門回歸倒計(jì)時器開始正常工作，必須進(jìn)行天數(shù)和秒數(shù)的初始設(shè)置和倒計(jì)時器的啟動。下面通過一個例子介紹一種倒計(jì)時器的初始設(shè)置和啟動的方法。

確定啟動之時的天數(shù)和秒數(shù)：假定我們準(zhǔn)備在1998年11月30日進(jìn)行初始設(shè)置，則可確定在1998年12月1日的零時啟動，設(shè)置調(diào)整工作應(yīng)在1998年12月1日的零時之前完成；先計(jì)算出啟動之日零時時刻距離澳門回歸的天數(shù)和秒數(shù)，1998年12月1日零時距澳門回歸日1999年12月20日零時有384天，合86400×384=33177600秒。②接通電源之前的設(shè)置：將計(jì)數(shù)器的加減開關(guān)K3撥到加計(jì)數(shù)的位置，計(jì)數(shù)/復(fù)位開關(guān)K2撥到計(jì)數(shù)的位置。③接通電源開機(jī)。④將倒計(jì)時器的天數(shù)設(shè)置成384：按下超快調(diào)整按鈕AN1，將天數(shù)從000調(diào)整到384后釋放AN1；按照5秒鐘調(diào)整1天的速度計(jì)算，這項(xiàng)工作大約需要半小時；在使用按鈕開關(guān)AN1調(diào)整天數(shù)的過程中，出現(xiàn)中斷現(xiàn)象不影響調(diào)整工作；也可以在按鈕開關(guān)AN1上并聯(lián)一個撥動開關(guān)，以減輕工作強(qiáng)度。⑤將倒計(jì)時器的秒數(shù)設(shè)置成33177600：天數(shù)設(shè)置成384后，此時的秒數(shù)可能會比33177600多一些；將加減開關(guān)K3撥到減計(jì)數(shù)的位置，將開關(guān)K2撥到復(fù)位的位置再返回到計(jì)數(shù)位置，然后用調(diào)整按鈕AN2和AN3將秒數(shù)調(diào)整為33177600秒。⑥鎖定啟動時間：將K2撥到復(fù)位的位置，此時倒計(jì)數(shù)器停止工作，天數(shù)和秒數(shù)也被鎖定為384和33177600。⑦等待：將鎖定狀態(tài)保持到午夜12月1日零時到來的時刻。⑧啟動：啟動之時午夜12月1日零時到來的時刻，將開關(guān)K2撥到計(jì)數(shù)的位置，澳門回歸倒計(jì)時器即開始工作了。

以上初始設(shè)置工作的原理是要把天數(shù)和秒數(shù)進(jìn)行正確設(shè)置并保持同步變化，因?yàn)?天等于86400秒，所以秒數(shù)必須是天數(shù)的86400倍。例如天數(shù)為205，秒數(shù)必須是205×86400=17712000。為了靈活地處理設(shè)置過程中的各種異常情況，例如出現(xiàn)了天數(shù)顯示5，而秒數(shù)不在432000和518399之間，而顯示683000，該如何處理呢？假如我們的目標(biāo)是天數(shù)為5，秒數(shù)是432000，按剛才介紹的方法，把秒數(shù)減少到432000，則天數(shù)就可能變成2了。這時就可以使用計(jì)數(shù)/復(fù)位開關(guān)K2解決這個問題。首先介紹K2的工作原理。K2可以控制計(jì)數(shù)分頻集成電路IC2和IC3（4040）的11號復(fù)位（RESET）管腳的電位。11腳取低電位（接地），4040進(jìn)行計(jì)數(shù)工作；11腳取高電位（接電源正極電壓），4040復(fù)位并同時停止計(jì)數(shù)工作，各輸出端均保持低電位。而每次將11腳從高電位返回到低電位，4040也重新開始計(jì)數(shù)工作，各輸出端均重新開始計(jì)數(shù)；在本電路中時鐘的秒數(shù)和天數(shù)就被設(shè)置成同步計(jì)數(shù)狀態(tài)，也就是秒數(shù)變化為86400，天數(shù)變化為1。如要把天數(shù)和秒數(shù)設(shè)置為5和432000，而當(dāng)前顯示為5和683000，則應(yīng)在減計(jì)數(shù)狀態(tài)下，將K2撥到復(fù)位狀態(tài)之后再返回到計(jì)數(shù)狀態(tài)，再用AN1或AN2，把秒數(shù)減少；如果數(shù)字減少量小于86400，則天數(shù)不會改變，比如我們減少了70000，然后暫停減少，再用K2復(fù)位一次后，就可以繼續(xù)減少小于86400的秒數(shù)。如此重復(fù)操作，就可以把秒數(shù)任意減少而同時保持天數(shù)不變。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．調(diào)整時間誤差

關(guān)于時間快慢的調(diào)整。如果在使用過程中發(fā)現(xiàn)時間有誤差，只能在倒計(jì)時狀態(tài)下進(jìn)行校正。例如發(fā)現(xiàn)倒計(jì)數(shù)器快了20秒，則可按下K4暫停開關(guān)20秒鐘，就可以得到準(zhǔn)確的時間。如果發(fā)現(xiàn)比正確時間慢了若干秒，則可用AN2-3，調(diào)整到正確時間。要注意倒計(jì)數(shù)器比標(biāo)準(zhǔn)時間快，不能用加計(jì)數(shù)狀態(tài)往回?fù)埽@樣會導(dǎo)致秒數(shù)和天數(shù)產(chǎn)生不同步的現(xiàn)象。

關(guān)于天數(shù)和秒數(shù)同步變化問題。為了保證到了1999年12月20日零時，倒計(jì)數(shù)器的天數(shù)和秒數(shù)同步變到0天0秒，可在每天的零時天計(jì)數(shù)器變化的時刻，觀察秒計(jì)數(shù)器的秒數(shù)是否為天數(shù)的86400倍。如果到了每天的零時，出現(xiàn)天數(shù)變化和秒數(shù)不同步的現(xiàn)象，則應(yīng)按以下程序進(jìn)行調(diào)整：在午夜零時之前，將秒數(shù)和天數(shù)調(diào)整為正確的倍數(shù)關(guān)系；將K2置于復(fù)位的位置，把正確的天數(shù)和秒數(shù)進(jìn)行鎖定；等到午夜零時，將K2撥回到計(jì)數(shù)的位置即可。

前面介紹了一種在午夜零時啟動倒計(jì)時器的方法，讀者也可以在任意時刻設(shè)置和啟動倒計(jì)時器。同樣是剛才舉的例子，假定當(dāng)前是1998年11月30日上午10時正，我們要進(jìn)行初始設(shè)置并立即啟動倒計(jì)時器。首先按照11月30日零時啟動計(jì)算初始設(shè)置的天數(shù)和秒數(shù)：天數(shù)是385，秒數(shù)是33264000。然后按照上面介紹的方法②-⑥對這兩個數(shù)字進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成之后立即啟動倒計(jì)時器。此時我們不妨認(rèn)為倒計(jì)時器慢了若干秒，只要按照時間的校正方法調(diào)準(zhǔn)時間就可以了。如果現(xiàn)在的時間是11月30日上午11時，顯示的秒數(shù)33264000慢了11小時，合3600×11=39600秒，正確的天數(shù)和秒數(shù)應(yīng)為385和33224400。只要使用調(diào)整按鈕把秒數(shù)減少到33224400就可以了。

2．增加顯示方式

本機(jī)采用1吋以下的數(shù)碼顯示管，可供近距離使用。愛好者如有興趣，也可制作一個大型的，放在室外，供更多的人欣賞。為此只需采用大面積的發(fā)光二極管數(shù)字顯示器即可。為了增大驅(qū)動能力，可將七段數(shù)碼顯示輸出的每一段筆劃分別接到一個大功率三極管的基極，經(jīng)過三極管電流放大后驅(qū)動數(shù)字顯示器相應(yīng)的數(shù)字筆劃段。關(guān)于這方面的具體制作方法讀者不難自己解決。

本機(jī)與天安門廣場上的倒計(jì)時牌的功能相同，設(shè)有天數(shù)顯示和秒數(shù)顯示。為了簡便，可以把顯示秒數(shù)的部分省去，只制作3位天數(shù)顯示的倒計(jì)時器。

3．如何加快調(diào)整時間的速度

本電路由于受到限制，調(diào)整時間的速度不夠快，有時需要等待幾十分鐘。其實(shí)這是可以改進(jìn)的。一個簡單的方法是將計(jì)數(shù)脈沖跳過秒計(jì)數(shù)器，直接輸送到10秒計(jì)數(shù)器，則可將最快調(diào)整速度提高為原來的10倍。當(dāng)然，最后應(yīng)將時間停止在10秒整數(shù)倍上，以保持同步。具體的電路請讀者自己完成設(shè)計(jì)。相信這個實(shí)驗(yàn)成功后，還可再接再厲，將速度提高100倍。

十二、多媒體電腦脈搏計(jì)數(shù)器

設(shè)計(jì)背景

這是一個奇妙的作品，見圖33-121。一個肥皂盒大小的脈搏計(jì)數(shù)器，把它放在電腦旁邊，這個盒子與電腦之間沒有任何導(dǎo)線連接；你把手指放到盒子上，只需幾秒鐘，電腦顯示器上就會顯示出每分鐘你心跳的次數(shù)；同時電腦的喇叭里還會發(fā)出你心跳的聲音，在電腦顯示器上還會畫出一條表示你心跳次數(shù)變化的曲線。你也許認(rèn)為這是一臺高科技產(chǎn)品，價(jià)格很昂貴。其實(shí)，它的成本不過幾十元，而且凡是會一些電子技術(shù)的愛好者都能夠制作。

圖33-121

電路原理

電路圖見圖33-122和圖33-123。電路包括兩部分，脈搏信號發(fā)射器和電腦脈搏信號接收器。

脈搏信號發(fā)射器的原理是將人體的脈搏信號轉(zhuǎn)換成電脈沖，再用紅外信號向外發(fā)射。俗話說“十指連心”，手指的透光率是隨著脈搏跳動而變化。使用時把手指放在一個光敏電阻上，光敏電阻的電阻值就會按照脈搏變化的規(guī)律發(fā)生變化。這個電阻值變化被轉(zhuǎn)換成電壓變化，通過放大、整形，變成電脈沖信號，再用紅外信號向外發(fā)射。電腦脈搏信號接收器放置在電腦鍵盤內(nèi)，它利用鍵盤的電源作為工作電源，上面有一個紅外信號接收器，用來接收脈搏信號發(fā)射器發(fā)出的人體脈搏信號，然后再把脈搏信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，這個脈沖信號由鍵盤輸入電腦，電腦中專用的程序就會將脈搏信號的信息轉(zhuǎn)換成每分鐘跳動的次數(shù)、變化圖像以及模擬的人體心跳的聲音，然后通過電腦顯示器和喇叭輸出結(jié)果。

圖33-122

圖33-123

制作要點(diǎn)

手指脈搏接收傳感器需要自制，是整機(jī)制作的關(guān)鍵。因?yàn)槊}搏跳動引起的手指透光率的變化十分微弱，所以必須做到以下兩點(diǎn)。首先是必須采用高靈敏度的光敏電阻，這種光敏電阻的亮阻很小，在幾百歐姆的數(shù)量級；它的暗阻很大，在幾兆歐姆以上。就筆者目前掌握的資料來看，這種光敏電阻產(chǎn)自國外。筆者是在多年前在北京某電子市場上購買到的；后來市場上沒貨供應(yīng)，曾到一家專門生產(chǎn)光敏電阻的國營大企業(yè)購買未果。其次是采用雙光敏電阻抗干擾傳感器。它的原理與前面介紹的防嘯叫話筒相同，都是利用電橋原理，消除遠(yuǎn)距離干擾。

可用一個作廢的收音機(jī)上的中周變壓器，把其內(nèi)部線圈拆除，再把Rg1的兩端焊在兩個接線腳上，裝入中周變壓器的鋁殼內(nèi)即可，為了增大透光量，可把原來鋁殼上的圓孔的直徑擴(kuò)大到6 毫米。將光敏電阻裝入鋁殼內(nèi)，上面用有機(jī)玻璃密封。組裝時，將傳感器放在一微動按鈕開關(guān)上，用此按鈕開關(guān)作電源開關(guān)；這樣，將手指放到傳感器上稍微用力下壓，就會同時打開電源，使用十分方便。另一個平衡光敏電阻同樣安裝在鋁殼內(nèi)，外部應(yīng)進(jìn)行必要的遮擋處理，可用紅紙包裹數(shù)層，使其電阻阻值變到與另一個采集手指信號的光敏電阻阻值大致相等；之所以要用紅色的紙遮擋Rg2，是因?yàn)槭种讣馑高^的光線是紅色的，這樣可保證在自然光線下工作時，兩個光敏電阻的變化盡可能地一致，從而最大限度的減少環(huán)境變化所產(chǎn)生的不利影響，保證放大器在各種環(huán)境下都能正常工作。實(shí)踐證明，本顯示器不需專用光源，可在日光、室內(nèi)自然光及白熾燈下正常工作，并無須調(diào)整；通過實(shí)驗(yàn)證明，在各種光源里，以白熾燈效果最好。紅外發(fā)射管HFD采用2只串聯(lián)在電路中，可以充分利用電源，以增大輸出功率；安裝時將2只發(fā)射管并排同方向發(fā)射即可。

C2可用4.7μF的，是光線傳感器與放大電路的耦合電容，不能用電解電容，可用獨(dú)石電容。其余元器件均無特殊要求。

電腦鍵盤的電源電壓為5V，可作為接收器的電源。接收器用紅外接收管HJD接收紅外信號，紅外信號中攜帶著脈搏信號，通過電路將脈搏信號從紅外信號中挑選出來，通過放大、整形，變成電脈沖信號。接收器可焊接在一個火柴盒大小的印刷電路板上，紅外接收管安裝在側(cè)面，在鍵盤旁邊相應(yīng)的位置上打一個小孔，使得紅外接收管正好從小孔接收到外面的紅外信號。本機(jī)有效的遙控距離為0.5米，角度約為90度。

控制電腦的脈沖信號通過一個并聯(lián)在鍵盤上一個字母鍵電路兩端的光敏電阻輸入到電腦。在沒有脈沖信號時，光敏電阻呈現(xiàn)很高的電阻，字母鍵電路不受任何影響；一旦接收到一個脈搏脈沖信號，發(fā)光二極管同步發(fā)光，照射的光敏電阻上，光敏電阻阻值變小，相當(dāng)于按動了這個字母鍵，脈搏信號就輸入到電腦。本電路用字母“O”鍵；可以選用任何一個字母鍵。下面的工作就由電腦完成了。電腦是用一段程序完成收集隨著脈搏變化的按鍵次數(shù)，并將收集到的信息通過計(jì)算轉(zhuǎn)化成脈搏計(jì)數(shù)結(jié)果的。這對電腦來說是輕而易舉的工作。這段程序是用VB語言編寫的。由于這種程序十分好學(xué)，功能又十分強(qiáng)大，只要會用電腦，就能夠自學(xué)編寫。筆者就是為了處理在電腦上再現(xiàn)脈搏信號，通過自學(xué)，自己編寫了電腦程序。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．手指透光現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)

這個電路是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)而開始的。從資料上得知，已經(jīng)有人利用手指透光性能隨著脈搏跳動而變化的現(xiàn)象，制成了脈搏電子計(jì)數(shù)器。但是如果自己打算這樣的脈搏計(jì)數(shù)器，仍有許多問題有待解決。首先是如何采集脈搏信號。理論上得知可用光敏電阻，但是用什么樣的光敏電阻，以及采用什么光源，都亟待解決。為了解決電路設(shè)計(jì)中的問題，首先弄清楚脈搏透光現(xiàn)象。為此應(yīng)進(jìn)行眼睛觀察手指的脈搏信號的實(shí)驗(yàn)。

用一張大黑紙，中間打一個孔，將手指肚放在孔上，打開一盞40W電燈，用燈光照射手指，就可以觀察到手指呈紅色；仔細(xì)觀察，可以發(fā)現(xiàn)透光的亮度不斷發(fā)生微弱的變化，其變化頻率大約是人體的心跳頻率。

記錄下單位時間內(nèi)手指透光變化次數(shù)，然后記錄相同時間內(nèi)脈搏跳動次數(shù)，可以得出結(jié)論，手指透光變化的頻率就是脈搏跳動的頻率。

注意，這個手指透光現(xiàn)象的觀察實(shí)驗(yàn)看似簡單，但是要做成功并不是想當(dāng)然的事情。它需要細(xì)心調(diào)整環(huán)境光線亮度，遮光的黑紙的面積，照明燈光的強(qiáng)度等因素，通過仔細(xì)觀察才能得出結(jié)論。

結(jié)論有2個，一是手指透光性能的確隨著脈搏跳動而變化；二是這個變化人眼能夠觀察出，當(dāng)然也能夠使光敏電阻產(chǎn)生電阻阻值變化。這樣，下面的設(shè)計(jì)就有了實(shí)踐基礎(chǔ)。

2．光源問題

既然是利用手指透光性進(jìn)行脈搏信號的采集，就要決定采用什么光源的問題。最好的方案是使用環(huán)境光線。因?yàn)檫@樣整機(jī)電路最簡單。可選用的方案還有專用紅外光線、專用照明燈光等。使用環(huán)境光線的問題是光線性能不穩(wěn)定，以及存在干擾。比如室內(nèi)在使用過程中，周圍有人路過，開窗等現(xiàn)象都可能造成光線強(qiáng)度變化，從而影響脈搏信號的采集。為了解決這一問題，電路采用了兩組光敏電阻，其中一個用來采集脈搏信號，另一個用來平衡環(huán)境光線。設(shè)計(jì)時將平衡光線的光敏電阻進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼趽酰怪c另一個被手指遮擋的光敏電阻阻值盡量相等。這樣，就有效地解決了采用自然光的干擾問題。

3．如何利用電腦鍵盤

電腦鍵盤有很多種，可以利用的有機(jī)械式和導(dǎo)電橡膠式鍵盤。這兩種鍵盤上面都有印刷電路板。按動一個字母鍵，這個鍵在電路板上的電壓就會改變。將這個字母鍵的高電位端引出，接在脈搏信號接收器的輸出端。這樣，脈搏信號產(chǎn)生的脈沖就可以起到按動這個字母鍵同樣的效果。在不使用脈搏計(jì)數(shù)器的時候，它對電腦的正常使用沒有任何影響。

4．電腦程序設(shè)計(jì)原理

電腦程序是根據(jù)脈搏信號的時間間隔來計(jì)算出每分鐘脈搏跳動的次數(shù)的。這種計(jì)算對于電腦來說是最容易的了。例如兩次脈搏的時間間隔是0.93秒，則可計(jì)算出相當(dāng)于每分鐘跳動60÷0.93=64.5次。電腦即可測量出任意時刻的每分鐘跳動次數(shù)，也可測量出從開始到最后的每分鐘平均跳動次數(shù)。

電腦不僅僅具有計(jì)算功能，還能進(jìn)行復(fù)雜的推理和運(yùn)算。利用這一功能，程序中對測量中可能產(chǎn)生的誤差進(jìn)行了自動校正。例如測量中由于偶然事故，漏掉了一次脈搏，則程序會自動加以識別，避免做出錯誤的計(jì)算。

5．抓住偶然性

在進(jìn)行制作和調(diào)試過程中，曾經(jīng)遇到一次偶然發(fā)現(xiàn)。一次在程序中增加了一條發(fā)聲命令“BEEP”。當(dāng)時還不知道電腦是如何執(zhí)行這條命令的，最初的想法是試試看，爭取能夠做到讓電腦的喇叭按照脈搏跳動的規(guī)律發(fā)出一種模擬的聲音。但是卻發(fā)現(xiàn)電腦能夠根據(jù)脈搏的信號，發(fā)出在電腦的WINDOWS操作系統(tǒng)中對 “默認(rèn)事件” 指派的聲音。原來電腦中對各種操作可以指派一種聲音；所謂指派是可以人為改變的。在使用電腦脈搏計(jì)數(shù)器之前，這臺多媒體電腦凡遇到“默認(rèn)事件”就會發(fā)出一種設(shè)定的聲音效果。而VB程序中的“BEEP”命令，恰恰是激活了一次默認(rèn)事件。有了這個發(fā)現(xiàn)，我錄制了幾種模擬的心跳聲音，每種長度大約是0.2秒鐘，用來模擬心跳聲音，十分生動。

6．程序設(shè)計(jì)

輸出信息有數(shù)字顯示結(jié)果、坐標(biāo)曲線、模擬聲音、模擬畫面4部分。

程序包括輸入分脈沖檢測識別、有效數(shù)據(jù)計(jì)算，輸出數(shù)值結(jié)果、輸出圖像坐標(biāo)、輸出模擬聲音，無效脈沖自動保護(hù)復(fù)位等部分。

輸入脈沖檢測識別是程序的第一步。首先是對每個脈沖進(jìn)行檢驗(yàn)，看看它與前面1個脈沖的相關(guān)性如何，也就是將這個脈沖與前面1個的時間間隔進(jìn)行比較。正常的脈搏信號，雖然有快有慢，但是相鄰的2次脈搏不會相差50%。但是，如果丟失了一次脈搏脈沖，或者電路受到干擾，出現(xiàn)了一些脈沖干擾信號，這個干擾信號的頻率就會與前1個脈沖的時間間隔相差很大；程序一旦檢測到這樣的輸入脈沖，就停止計(jì)算，自動清零。只有相關(guān)性可以通過程序的規(guī)定的連續(xù)脈沖，才可以進(jìn)入計(jì)算和顯示結(jié)果的程序。可通過修改相差的倍數(shù)，來控制抗干擾的能力。

計(jì)算公式只是簡單的算術(shù)計(jì)算。在數(shù)值顯示結(jié)果方面，給出了即時數(shù)據(jù)和總和數(shù)據(jù)，又給出了最后3次脈搏跳動的平均值。

除了可以輸出模擬心跳聲音之外，還在畫面上輸出一個心臟跳動的畫面。這個畫面是根據(jù)脈搏次數(shù)不斷改變顏色的心臟圖形。

7．電腦具有強(qiáng)大的信息處理功能

電子設(shè)備與電腦相配合，可以利用電腦強(qiáng)大的計(jì)算功能和輸出方式。程序的重點(diǎn)是可以自動糾錯和自動以模擬的聲音和畫面同步輸出。如果用電路來實(shí)現(xiàn)這個功能，則要設(shè)計(jì)和制作很復(fù)雜的電子裝備。外界的數(shù)據(jù)一般是通過電腦的串口或并口輸入到電腦的。本電路采用了從鍵盤輸入脈沖的方式，利用脈沖的時間間隔作為傳遞信息的載體，具有電路簡單，程序簡單等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是傳輸?shù)男畔⒘啃　Ｈ绻秒娔X處理較為復(fù)雜的信息，還是應(yīng)該從電腦的接口處輸入。