七、無電源電焊自動防護面罩

設計背景

比起上一個電路，這款防護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、脈沖發生器、液晶光閥片組成。在常態下，液晶光閥片為黑色。當電路接通，第一次使用電焊機試驗起弧時，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，驅動脈沖發生器工作；另一方面，這個電焊信號也成為控制信號，禁止脈沖發生器振蕩，結果是液晶片仍然保持黑色，起到保護眼睛的作用。而當電焊一旦停止，控制信號消失，而脈沖發生器在電源存儲器的驅動下繼續工作，所以液晶片變透明。根據設計，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，維持電焊自動防護面罩的正常工作。

圖33-071

制作要點

電路中需要手工制作的零件就是電源及控制信號接收器。它實質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。它可將電壓升高數千倍，可以將電焊機的工作電流在初級線圈上的感應電壓升高到10V以上。可用一個晶體管收音機的輸出變壓器進行改制。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。這個鐵芯應有一開口，用來放置電焊機焊條的“把線”。使用時將把線穿入鐵芯內部，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，當然，體積也更大一些。整機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。把線上的接收器與面罩上液晶片之間只有一條導線，可用插頭、插座進行連接，使用會更加方便。

學習、實驗與思考

1．發明設計思路

這個電路是經過長期的探索完成的。電路設計受到了各種電焊自動防護面罩的啟發，也參考了液晶片電焊面罩的現有技術。在學習現有技術優點的基礎上，對其缺點如電路復雜，成本高，安全性差進行改造，最終完成了本電路設計。與前一個的電焊自動防護面罩一樣，在設計上堅持了不用自帶電源的思路。它們都抓住了電焊機在起弧前后電壓和電流變化的特點，巧妙地將這一電信號加以利用而進行的成功的設計。

2．電路安全性分析

現有的使用液晶片的自動防護面罩使用電池電源驅動電路，控制信號采用電弧光驅動光電設備，達到控制液晶片變黑的目標。這種設計由于使用電池，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。也就是它只有當電弧光產生之后，才能驅動液晶片變黑，所以從理論上說，總有一段時間電弧光會通過液晶片到達眼睛，對眼睛造成傷害。而本書介紹的兩款自動防護面罩，是利用電焊機產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。通過實際使用也證明了這一點。

3．思考

液晶光閥具有廣泛的應用。你能否在進行了上面的制作和實驗之后，獨立設計出利用液晶光閥片原理的電子作品呢？

八、防嘯叫話筒

設計背景

話筒不但使用在會議上，還廣泛應用在公共娛樂場所和家庭。使用話筒擴音時會產生嘯叫，從而影響使用效果。其實這種現象很容易解釋，話筒可將收到的聲音變成電信號，然后再由擴音機放大，由喇叭發出放大后的聲音。這樣，放大后的聲音傳送到話筒，再經過放大，由喇叭發聲；如此循環往復，就產生了音頻振蕩，也就是嘯叫聲。可見，嘯叫的產生不一定是因為使用不當而發生的，只要擴音機的音量開得過大，就會產生。減低音量雖然能夠避免嘯叫，但是又會影響擴音的效果。防嘯叫話筒就是針對這一現象而設計的一種電路。使用它可以明顯增大擴音的音量而不致產生嘯叫。

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行放大。放大的聲音信號分別從兩只三極管的集電極和發射極輸出，以得到2路電壓相反的音頻信號。從理論上說，這2路電壓經過一平衡電位器互相抵消，輸出為零。從而將環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，則應靠近其中任何一個話筒，遠離另一個話筒；這樣，目標聲音在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，使喇叭發聲。

圖33-081

制作要點

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。如果是制作調頻無線話筒，應使用高頻提升電路。2只話筒型號必須完全相同，同方向安裝，距離可在數厘米范圍內進行調整，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部，一定要在外面將其中的一個做明顯的標記，供使用者對準聲源。

學習、實驗與思考

1．移植發明

這種利用2組相同的話筒抵消遠距離干擾，放大近距離聲音的構想來源于傳統的電橋電路原理。傳統的電橋電路可用來進行精密的電壓和電阻的測量。當電橋中電阻的比例不變時，沒有電壓信號輸出，而當其中任何一個電阻阻值發生變化時，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際上構成了一個電橋。

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、光線照度等轉變成電信息的器件，它是自動控制的最關鍵部分。一般地說，傳感器的靈敏度越高，它對目標信號和干擾信號的反應越靈敏，所以為了有效地實現控制，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驗

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

九、三色燈光水質檢測儀

設計背景

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

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的電阻率，不同水質的電阻大小不同，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狀態顯示器。它的具體工作過程如下。當水質較好時，水的電阻較大，這時電阻分壓器在A點的電位為高電位，B點的電位則更高，這時，A路緩沖器關閉，紅色燈不亮，B路緩沖器導通，綠色燈亮，表示水質好；當水質受到較輕的污染時，水的電阻變小，此時A點電位變為低電位，但B點電位仍然為高電位，從而紅色燈亮，綠色燈也亮，雙色燈最后合成的顏色是黃色，表示水質受到輕微污染；當水質受到嚴重污染時，水的電阻很小，A點為低電位，B點電位也為低電位，此時紅色燈亮，綠色燈滅，顯示水質受到嚴重污染。

圖33-091

制作要點

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。微調分壓器上的電阻阻值可以改變分檔數值。

學習、實驗與思考

1．電路設計與數學計算

電子電路設計離不開數學計算。如何根據電路的功能設計電阻分壓器的參數呢？其實仔細分析非門電路的原理，不難找出計算分壓器的數學公式。下面以電極測量電阻在以下區間為例，給出一個計算的例子。

假設分檔區間為0～10kΩ，紅燈；10kΩ～100kΩ，黃燈；大于100kΩ，綠燈。則根據非門性質，其轉折電壓為電源電壓的一半，所以電阻分壓器應保證在轉折電壓時，分壓電阻與探測電阻相等。設R1=x，R2＝y，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．如何設計全自動視力保護提醒器

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出閃動的燈光，提醒人注意光線太弱。但是當光線變黑時，它仍然會持續發出閃動的燈光。如果有一種提醒裝置，在光線變得適合閱讀時，不發出燈光；在光線全黑時，也不發出燈光；只有在光線變得較弱時，才會發出閃動的燈光。那么這種提醒器就可以無需電源開關，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提醒器的問題。

當然，電路設計有一定難度，現提示如下。電路最好增加一4011與非門電路，用來控制燈光脈沖驅動信號；當全黑狀態時，一路電路控制與非門停止輸出；當光線較亮時，另一路電路控制與非門停止輸出。具體設計可百花齊放，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計一種電阻快速分類器。當然，如果分成3個區間不免有些粗糙。能否分成4個阻值區間呢？例如按照①0～10kΩ，②10～100kΩ，③100～1MΩ，④1MΩ以上。提示，用三元一次方程組進行設計。

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

十、 雙6點電子骰子

設計背景

前面已經介紹了電子6點骰子。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，設計出雙6點電子骰子；它有兩組6點電子燈光骰子，使用也和2枚骰子一樣，只要按動一次開關，就可以得到2組電子骰子的結果；2枚電子骰子之間是相互獨立的，也就是它們產生的隨機數結果是互相獨立，互不干擾。本電路可在麻將游戲中取代實物骰子。

電路原理

電路圖見圖33-101。電路由定時開關、整形電路、6點電子骰子電路組成。定時開關的作用是每按動一下按鈕，電路就會工作一次，顯示雙6點骰子的結果，結果維持約10秒鐘自動熄滅，電路同時自動關機。整形電路由施密特觸發器組成，可保證開關脈沖工作可靠驅動6點骰子電路產生隨機結果。

圖33-101

制作要點

電路可在面包板上組裝。要注意使用高亮度發光二極管。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生的結果，但是松開按鈕的一瞬間，是無法得到結果的。電路設計考慮到盡量避免人為因素，當人松開按鈕后，積分電路放電，經過一段時間才隨機出結果。結果保持時間也可進行調整。

學習、實驗與思考

1．電路設計服從于使用目標

這個電路完全是為了在麻將游戲中取代實物骰子而設計的。這樣，設計目標就很明確，電子骰子的性能和使用方法應該與用手投擲完全相同。為此，就要求做到①按動一次按鈕，自動出結果；②電路沒有電源開關，出結果后，電路會自動關閉并復位；③2組骰子彼此獨立產生結果。這樣做會增加電路設計的難度，但只有解決遇到的問題，才能設計出實用的電子產品。

2．簡化電路的意義

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

簡化電路的最重要的意義是提高電子產品的可靠性。在電子設備中，整機的可靠性是由每個元器件的可靠性來實現的。在電子設計中有一句名言：可靠性最高的零件是節省下來的零件。此外，簡化電路還可以減小體積、節省能源、降低成本。在本電路中，簡化設計、盡量減少元器件的使用數量，做到一物多用充分得到了體現。就拿骰子的聲音提示功能來說，它利用了產生隨機數的脈沖振蕩信號，驅動壓電陶瓷片發聲。即為電子骰子增加了功能，又避免了電路的復雜化。

如果手頭沒有40106施密特觸發器，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，電路會復雜一些。

3．雙6點電子骰子產生隨機數實驗

雙6點骰子每次產生的隨機數為2枚6點骰子之和，在2～12之間。這個雙6點電子骰子能夠產生隨機數嗎？光從理論分析是不夠的，還是應該通過實驗來驗證。

實驗方法，取一支筆，一張紙，分別在2～12這11個數字下面記錄實驗時發生的次數。每按動一次按鈕，得出結果后，在相應的數字下寫一筆“正”字。一次實驗至少記錄1000個數據，然后將結果進行分析。你制作的雙6點電子骰子結果如何？你認為它公正嗎？2點（12點）、3點、4點、5點、6點、7點出現的幾率分別是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。如果發現了一個數字，例如4的出現次數明顯偏離理論值，你能解釋這一現象嗎？如何加以改進呢？

實際上在這個電路中，由于各個數字出現時，發光二極管亮的數目不同，從而影響了電源負載的變化，間接影響到脈沖開關的工作，在制作過程中，的確遇到了結果有明顯偏離統計規律的現象；經過多次實驗，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生結果不公正的問題。如果另辟思路，采用兩路振蕩電路，分別由兩路開關進行控制，可以完全避免這個問題。

如果在實驗中發現明顯出現不均勻現象，一種點數明顯偏多而另一種點數明顯偏少，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、通用數字倒計時器

在上世紀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時牌的功能相同的回歸倒計時牌呢？本文介紹一種微型通用數字倒計時器，它不但具有回歸計時牌的全部功能，而且還可利用其內部的時鐘，任意選定迎接的時間。

電路原理

電路原理圖見圖33-111。倒計時器采用40系列CMOS集成電路制作。整個電路由時鐘發生器、倒計數器、譯碼及顯示輸出、時鐘設置及調整電路和電源等組成。

圖33-111

時鐘電路產生并輸出秒、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，產生32768Hz的脈沖信號，并經過分頻輸出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組成的秒顯示倒計數器，將分信號輸出到第二級分頻電路。第二級IC3為1440分頻，產生以1天為單位的時鐘信號，并將它輸出到由IC20-IC22組成的天顯示倒計數器。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。

倒計數器由4510級連組成，由8個4510（IC4-IC11）組成8位秒顯示倒計數器，由3個4510（IC20-IC22）組成3位天數顯示倒計數器。倒計數器設有加減開關K3，用來控制計數器的加計數和減計數狀態。開關位于減計數狀態即組成倒計數器，開關位于加計數狀態即組成正計數器。

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

電源電壓為3V，采用雙電源供電，時鐘發生器和計數器部分用一組電池供電。因為時鐘發生器和計數器部分耗電極低，用兩節5號電池可工作1年以上，為保證工作可靠，不設電源開關；顯示驅動電路耗電大，需經常更換電池，故另用一組電源，用電源開關K1控制。本機一旦開始工作，可用電源開關K1隨時關閉顯示部分的電源停止顯示，而時鐘和計數電路不受影響，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果。

本機的天計數器和秒計數器電路開機后自動設置為0，由人工根據當時制作完成時間進行初始時間的設置。用三檔調速按鈕AN1-AN3配合加減開關K3和計數/復位開關K2調整和校正時間。AN1為超快調整按鈕，按下約5秒鐘可調整1天；AN2為快速調整按鈕， 按下1秒鐘可調整256秒；AN3為慢速調整按鈕，按下1秒鐘可調整4秒；AN4為停止計數按鈕，按下它可以暫停計數，用它可以微調時間。

制作要點

1．元器件選擇

本機所有元器件均為通用常規型號，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數碼顯示管的限流電阻，可根據顯示管的大小進行調整，一般1吋以內的數碼顯示管，可在50歐姆范圍以內選擇。本機采用的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的3V電池的正極上。其它沒有標明接線的管腳可以懸空（空置，不接線）。

2．調整初始時間

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

確定啟動之時的天數和秒數：假定我們準備在1998年11月30日進行初始設置，則可確定在1998年12月1日的零時啟動，設置調整工作應在1998年12月1日的零時之前完成；先計算出啟動之日零時時刻距離澳門回歸的天數和秒數，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接通電源之前的設置：將計數器的加減開關K3撥到加計數的位置，計數/復位開關K2撥到計數的位置。③接通電源開機。④將倒計時器的天數設置成384：按下超快調整按鈕AN1，將天數從000調整到384后釋放AN1；按照5秒鐘調整1天的速度計算，這項工作大約需要半小時；在使用按鈕開關AN1調整天數的過程中，出現中斷現象不影響調整工作；也可以在按鈕開關AN1上并聯一個撥動開關，以減輕工作強度。⑤將倒計時器的秒數設置成33177600：天數設置成384后，此時的秒數可能會比33177600多一些；將加減開關K3撥到減計數的位置，將開關K2撥到復位的位置再返回到計數位置，然后用調整按鈕AN2和AN3將秒數調整為33177600秒。⑥鎖定啟動時間：將K2撥到復位的位置，此時倒計數器停止工作，天數和秒數也被鎖定為384和33177600。⑦等待：將鎖定狀態保持到午夜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K2撥到計數的位置，澳門回歸倒計時器即開始工作了。

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

學習、實驗與思考

1．調整時間誤差

關于時間快慢的調整。如果在使用過程中發現時間有誤差，只能在倒計時狀態下進行校正。例如發現倒計數器快了20秒，則可按下K4暫停開關20秒鐘，就可以得到準確的時間。如果發現比正確時間慢了若干秒，則可用AN2-3，調整到正確時間。要注意倒計數器比標準時間快，不能用加計數狀態往回撥，這樣會導致秒數和天數產生不同步的現象。

關于天數和秒數同步變化問題。為了保證到了1999年12月20日零時，倒計數器的天數和秒數同步變到0天0秒，可在每天的零時天計數器變化的時刻，觀察秒計數器的秒數是否為天數的86400倍。如果到了每天的零時，出現天數變化和秒數不同步的現象，則應按以下程序進行調整：在午夜零時之前，將秒數和天數調整為正確的倍數關系；將K2置于復位的位置，把正確的天數和秒數進行鎖定；等到午夜零時，將K2撥回到計數的位置即可。

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

2．增加顯示方式

本機采用1吋以下的數碼顯示管，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光二極管數字顯示器即可。為了增大驅動能力，可將七段數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，經過三極管電流放大后驅動數字顯示器相應的數字筆劃段。關于這方面的具體制作方法讀者不難自己解決。

本機與天安門廣場上的倒計時牌的功能相同，設有天數顯示和秒數顯示。為了簡便，可以把顯示秒數的部分省去，只制作3位天數顯示的倒計時器。

3．如何加快調整時間的速度

本電路由于受到限制，調整時間的速度不夠快，有時需要等待幾十分鐘。其實這是可以改進的。一個簡單的方法是將計數脈沖跳過秒計數器，直接輸送到10秒計數器，則可將最快調整速度提高為原來的10倍。當然，最后應將時間停止在10秒整數倍上，以保持同步。具體的電路請讀者自己完成設計。相信這個實驗成功后，還可再接再厲，將速度提高100倍。

十二、多媒體電腦脈搏計數器

設計背景

這是一個奇妙的作品，見圖33-121。一個肥皂盒大小的脈搏計數器，把它放在電腦旁邊，這個盒子與電腦之間沒有任何導線連接；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；同時電腦的喇叭里還會發出你心跳的聲音，在電腦顯示器上還會畫出一條表示你心跳次數變化的曲線。你也許認為這是一臺高科技產品，價格很昂貴。其實，它的成本不過幾十元，而且凡是會一些電子技術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，脈搏信號發射器和電腦脈搏信號接收器。

脈搏信號發射器的原理是將人體的脈搏信號轉換成電脈沖，再用紅外信號向外發射。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律發生變化。這個電阻值變化被轉換成電壓變化，通過放大、整形，變成電脈沖信號，再用紅外信號向外發射。電腦脈搏信號接收器放置在電腦鍵盤內，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射器發出的人體脈搏信號，然后再把脈搏信號轉換成電脈沖信號，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換成每分鐘跳動的次數、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果。

圖33-122

圖33-123

制作要點

手指脈搏接收傳感器需要自制，是整機制作的關鍵。因為脈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。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，曾到一家專門生產光敏電阻的國營大企業購買未果。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，消除遠距離干擾。

可用一個作廢的收音機上的中周變壓器，把其內部線圈拆除，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即可，為了增大透光量，可把原來鋁殼上的圓孔的直徑擴大到6 毫米。將光敏電阻裝入鋁殼內，上面用有機玻璃密封。組裝時，將傳感器放在一微動按鈕開關上，用此按鈕開關作電源開關；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，外部應進行必要的遮擋處理，可用紅紙包裹數層，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，是因為手指尖所透過的光線是紅色的，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境變化所產生的不利影響，保證放大器在各種環境下都能正常工作。實踐證明，本顯示器不需專用光源，可在日光、室內自然光及白熾燈下正常工作，并無須調整；通過實驗證明，在各種光源里，以白熾燈效果最好。紅外發射管HFD采用2只串聯在電路中，可以充分利用電源，以增大輸出功率；安裝時將2只發射管并排同方向發射即可。

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面，在鍵盤旁邊相應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，發光二極管同步發光，照射的光敏電阻上，光敏電阻阻值變小，相當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，并將收集到的信息通過計算轉化成脈搏計數結果的。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，功能又十分強大，只要會用電腦，就能夠自學編寫。筆者就是為了處理在電腦上再現脈搏信號，通過自學，自己編寫了電腦程序。

學習、實驗與思考

1．手指透光現象實驗

這個電路是根據現有技術而開始的。從資料上得知，已經有人利用手指透光性能隨著脈搏跳動而變化的現象，制成了脈搏電子計數器。但是如果自己打算這樣的脈搏計數器，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。為了解決電路設計中的問題，首先弄清楚脈搏透光現象。為此應進行眼睛觀察手指的脈搏信號的實驗。

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；仔細觀察，可以發現透光的亮度不斷發生微弱的變化，其變化頻率大約是人體的心跳頻率。

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

注意，這個手指透光現象的觀察實驗看似簡單，但是要做成功并不是想當然的事情。它需要細心調整環境光線亮度，遮光的黑紙的面積，照明燈光的強度等因素，通過仔細觀察才能得出結論。

結論有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，當然也能夠使光敏電阻產生電阻阻值變化。這樣，下面的設計就有了實踐基礎。

2．光源問題

既然是利用手指透光性進行脈搏信號的采集，就要決定采用什么光源的問題。最好的方案是使用環境光線。因為這樣整機電路最簡單。可選用的方案還有專用紅外光線、專用照明燈光等。使用環境光線的問題是光線性能不穩定，以及存在干擾。比如室內在使用過程中，周圍有人路過，開窗等現象都可能造成光線強度變化，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，另一個用來平衡環境光線。設計時將平衡光線的光敏電阻進行適當的遮擋，使之與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，可以利用的有機械式和導電橡膠式鍵盤。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。在不使用脈搏計數器的時候，它對電腦的正常使用沒有任何影響。

4．電腦程序設計原理

電腦程序是根據脈搏信號的時間間隔來計算出每分鐘脈搏跳動的次數的。這種計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，則可計算出相當于每分鐘跳動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，也可測量出從開始到最后的每分鐘平均跳動次數。

電腦不僅僅具有計算功能，還能進行復雜的推理和運算。利用這一功能，程序中對測量中可能產生的誤差進行了自動校正。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，避免做出錯誤的計算。

5．抓住偶然性

在進行制作和調試過程中，曾經遇到一次偶然發現。一次在程序中增加了一條發聲命令“BEEP”。當時還不知道電腦是如何執行這條命令的，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律發出一種模擬的聲音。但是卻發現電腦能夠根據脈搏的信號，發出在電腦的WINDOWS操作系統中對 “默認事件” 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。在使用電腦脈搏計數器之前，這臺多媒體電腦凡遇到“默認事件”就會發出一種設定的聲音效果。而VB程序中的“BEEP”命令，恰恰是激活了一次默認事件。有了這個發現，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．程序設計

輸出信息有數字顯示結果、坐標曲線、模擬聲音、模擬畫面4部分。

程序包括輸入分脈沖檢測識別、有效數據計算，輸出數值結果、輸出圖像坐標、輸出模擬聲音，無效脈沖自動保護復位等部分。

輸入脈沖檢測識別是程序的第一步。首先是對每個脈沖進行檢驗，看看它與前面1個脈沖的相關性如何，也就是將這個脈沖與前面1個的時間間隔進行比較。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，就停止計算，自動清零。只有相關性可以通過程序的規定的連續脈沖，才可以進入計算和顯示結果的程序。可通過修改相差的倍數，來控制抗干擾的能力。

計算公式只是簡單的算術計算。在數值顯示結果方面，給出了即時數據和總和數據，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。這個畫面是根據脈搏次數不斷改變顏色的心臟圖形。

7．電腦具有強大的信息處理功能

電子設備與電腦相配合，可以利用電腦強大的計算功能和輸出方式。程序的重點是可以自動糾錯和自動以模擬的聲音和畫面同步輸出。如果用電路來實現這個功能，則要設計和制作很復雜的電子裝備。外界的數據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，程序簡單等優點；缺點是傳輸的信息量小。如果要用電腦處理較為復雜的信息，還是應該從電腦的接口處輸入。