无电源电焊自动防护面罩作品设计

七、无电源电焊自动防护面罩

设计背景

比起上一个电路，这款防护面罩只用了一条控制电线。使用更加方便，也更加安全。它同样不用自带电源，缩小了设备的体积，又增加了可靠性。

电路原理

电路图见图33-071。电路由电源及控制信号接收器、整流电路、电源存储器、脉冲发生器、液晶光阀片组成。在常态下，液晶光阀片为黑色。当电路接通，第一次使用电焊机试验起弧时，电焊线路通过很大的电流，这个电流在电源及控制信号接收器上的电源变压器上感应出交流电，这个交流信号一方面通过整流电路和电源存储器，变成6V直流电源存储在电容器上，驱动脉冲发生器工作；另一方面，这个电焊信号也成为控制信号，禁止脉冲发生器振荡，结果是液晶片仍然保持黑色，起到保护眼睛的作用。而当电焊一旦停止，控制信号消失，而脉冲发生器在电源存储器的驱动下继续工作，所以液晶片变透明。根据设计，电源存储器可在电弧消失之后保证液晶片透明半分钟以上。这样，以后每进行一次电焊，都会使液晶片变黑，同时也向电源存储器充电，维持电焊自动防护面罩的正常工作。

图33-071

制作要点

电路中需要手工制作的零件就是电源及控制信号接收器。它实质上是一个交流变压器。它的初级线圈为一条直线，也就是四分之一圈；它的次级为1000圈。它可将电压升高数千倍，可以将电焊机的工作电流在初级线圈上的感应电压升高到10V以上。可用一个晶体管收音机的输出变压器进行改制。将变压器的铁芯拆除，另用原来的或者其他变压器铁芯制成一“口”字形铁芯。这个铁芯应有一开口，用来放置电焊机焊条的“把线”。使用时将把线穿入铁芯内部，固定好即可；见图33-072。

图33-072

电源存储器是耐压16V，容量在2200μF以上的电解电容器。电路采用CMOS电路，所以耗电低，一般可保证工作半分钟以上。采用更大的电容器，可以工作更长的时间，当然，体积也更大一些。整机可以制作得如火柴盒般大小，即可与电源及控制信号接收器制成一体，固定在把线上；也可固定在面罩内。把线上的接收器与面罩上液晶片之间只有一条导线，可用插头、插座进行连接，使用会更加方便。

学习、实验与思考

1．发明设计思路

这个电路是经过长期的探索完成的。电路设计受到了各种电焊自动防护面罩的启发，也参考了液晶片电焊面罩的现有技术。在学习现有技术优点的基础上，对其缺点如电路复杂，成本高，安全性差进行改造，最终完成了本电路设计。与前一个的电焊自动防护面罩一样，在设计上坚持了不用自带电源的思路。它们都抓住了电焊机在起弧前后电压和电流变化的特点，巧妙地将这一电信号加以利用而进行的成功的设计。

2．电路安全性分析

现有的使用液晶片的自动防护面罩使用电池电源驱动电路，控制信号采用电弧光驱动光电设备，达到控制液晶片变黑的目标。这种设计由于使用电池，所以体积大，再加上利用电弧光控制液晶片变黑，所以有一个时间滞后量。也就是它只有当电弧光产生之后，才能驱动液晶片变黑，所以从理论上说，总有一段时间电弧光会通过液晶片到达眼睛，对眼睛造成伤害。而本书介绍的两款自动防护面罩，是利用电焊机产生电弧时的电压变化作为控制信号；而电压信号是超前于电弧光信号的，这样在理论上就可以消除电弧光对眼睛的伤害。通过实际使用也证明了这一点。

3．思考

液晶光阀具有广泛的应用。你能否在进行了上面的制作和实验之后，独立设计出利用液晶光阀片原理的电子作品呢？

八、防啸叫话筒

设计背景

话筒不但使用在会议上，还广泛应用在公共娱乐场所和家庭。使用话筒扩音时会产生啸叫，从而影响使用效果。其实这种现象很容易解释，话筒可将收到的声音变成电信号，然后再由扩音机放大，由喇叭发出放大后的声音。这样，放大后的声音传送到话筒，再经过放大，由喇叭发声；如此循环往复，就产生了音频振荡，也就是啸叫声。可见，啸叫的产生不一定是因为使用不当而发生的，只要扩音机的音量开得过大，就会产生。减低音量虽然能够避免啸叫，但是又会影响扩音的效果。防啸叫话筒就是针对这一现象而设计的一种电路。使用它可以明显增大扩音的音量而不致产生啸叫。

电路原理

电路图见图33-081。电路有2只相同的话筒，安装时将它们相距3厘米左右平行放置。每个话筒分别由1路三极管放大电路进行放大。放大的声音信号分别从两只三极管的集电极和发射极输出，以得到2路电压相反的音频信号。从理论上说，这2路电压经过一平衡电位器互相抵消，输出为零。从而将环境背景声音和喇叭的反馈声音削减到最低。而对于要放大的声音，则应靠近其中任何一个话筒，远离另一个话筒；这样，目标声音在2路音频放大电路中的电压的大小和相位均不同，因而不会在后面的平衡电位器中被抵消，可以传送到下一级放大电路中放大，最后输送到音频功率放大器，使喇叭发声。

图33-081

制作要点

电路用9014三极管制作音频放大器。2级初级音频放大电路要采用完全相同的元器件制作。如果是制作调频无线话筒，应使用高频提升电路。2只话筒型号必须完全相同，同方向安装，距离可在数厘米范围内进行调整，一般距离越近，抑制啸叫的效果越好，但音量也越小。如果将话筒包装在内部，一定要在外面将其中的一个做明显的标记，供使用者对准声源。

学习、实验与思考

1．移植发明

这种利用2组相同的话筒抵消远距离干扰，放大近距离声音的构想来源于传统的电桥电路原理。传统的电桥电路可用来进行精密的电压和电阻的测量。当电桥中电阻的比例不变时，没有电压信号输出，而当其中任何一个电阻阻值发生变化时，就有电压信号输出。在本电路中，2组相同的话筒与输入电路实际上构成了一个电桥。

2．提高传感器灵敏度的方法

传感器是把各种物理信息诸如声音、压力、温度、湿度、光线照度等转变成电信息的器件，它是自动控制的最关键部分。一般地说，传感器的灵敏度越高，它对目标信号和干扰信号的反应越灵敏，所以为了有效地实现控制，仅仅采用灵敏度高的传感器不一定能解决可靠性的问题。提高传感器的信噪比是最好的方案。从本例可以看出，凡是遇到目标信号和干扰信号的位置不同的情况，都可以采用这种方法来解决。前面介绍的电话线感应增音器也是采用了这个原理。

3．消除背景杂音和回音的录音实验

用它来做录音话筒，不但可以有效地抑制啸叫，还可在环境嘈杂的情况下，录制出清晰的声音；如在普通的房间里录音，最担心的就是外界杂音的干扰和室内墙壁的回音，使用这个话筒，其效果可与隔音的录音棚媲美。

九、三色灯光水质检测仪

设计背景

非门电路可以用两个电极对测量对象的电位高低进行鉴别，从而指示出被测对象的两种状态。但是有时事物的变化多余两种状态，最常见的是三种状态。如何用非门电路对三种状态的信息进行测量和显示呢？三色灯光水质检测仪就是一个成功的设计，它只有两个测试电极，一组电源，却可以对三种信号进行测量和显示。

电路原理

电路图见图33-091。电路由探测电极、电阻分压器、电位缓冲器和显示合成器组成。探测电极可感知水质的电阻率，不同水质的电阻大小不同，这个电阻与仪器中的电阻一起组成电阻分压器，并将电压高低分别输送到两路电位缓冲器；电位缓冲器兼有灯光控制器的功能，最后由显示合成器将两路灯光信号合成为三种水质状态显示器。它的具体工作过程如下。当水质较好时，水的电阻较大，这时电阻分压器在A点的电位为高电位，B点的电位则更高，这时，A路缓冲器关闭，红色灯不亮，B路缓冲器导通，绿色灯亮，表示水质好；当水质受到较轻的污染时，水的电阻变小，此时A点电位变为低电位，但B点电位仍然为高电位，从而红色灯亮，绿色灯也亮，双色灯最后合成的颜色是黄色，表示水质受到轻微污染；当水质受到严重污染时，水的电阻很小，A点为低电位，B点电位也为低电位，此时红色灯亮，绿色灯灭，显示水质受到严重污染。

图33-091

制作要点

在如图的电路中，电极两端电阻在以上显示绿光，电阻在30kΩ～470kΩ之间显示黄光，电阻在30kΩ以下显示红光。微调分压器上的电阻阻值可以改变分档数值。

学习、实验与思考

1．电路设计与数学计算

电子电路设计离不开数学计算。如何根据电路的功能设计电阻分压器的参数呢？其实仔细分析非门电路的原理，不难找出计算分压器的数学公式。下面以电极测量电阻在以下区间为例，给出一个计算的例子。

假设分档区间为0～10kΩ，红灯；10kΩ～100kΩ，黄灯；大于100kΩ，绿灯。则根据非门性质，其转折电压为电源电压的一半，所以电阻分压器应保证在转折电压时，分压电阻与探测电阻相等。设R1=x，R2＝y，则有以下方程组成立：

即R1可取45kΩ，R2可取55kΩ，即可满足要求。

2．如何设计全自动视力保护提醒器

本书在上一章中介绍了一种光线减弱自动提醒器，它可以在光线变暗时发出闪动的灯光，提醒人注意光线太弱。但是当光线变黑时，它仍然会持续发出闪动的灯光。如果有一种提醒装置，在光线变得适合阅读时，不发出灯光；在光线全黑时，也不发出灯光；只有在光线变得较弱时，才会发出闪动的灯光。那么这种提醒器就可以无需电源开关，自动工作；使用时将它放在书包中，基本上不消耗电流，只有在光线不足时才工作。利用本电路的原理就能够解决全自动视力保护提醒器的问题。

当然，电路设计有一定难度，现提示如下。电路最好增加一4011与非门电路，用来控制灯光脉冲驱动信号；当全黑状态时，一路电路控制与非门停止输出；当光线较亮时，另一路电路控制与非门停止输出。具体设计可百花齐放，不拘一格。

3．四种电阻快速分类检测器

电子爱好者手头有大量的电阻，最好能够按照阻值分类存放。如何将一些不知道阻值的电阻快速测量并分类呢？可以利用本电路的原理设计一种电阻快速分类器。当然，如果分成3个区间不免有些粗糙。能否分成4个阻值区间呢？例如按照①0～10kΩ，②10～100kΩ，③100～1MΩ，④1MΩ以上。提示，用三元一次方程组进行设计。

以上介绍了这种电路在水质检验、光线检测、电阻阻值分类等用途；它还有什么用途呢？

十、 双6点电子骰子

设计背景

前面已经介绍了电子6点骰子。在麻将游戏中，人们一次使用2枚骰子。本电路就是模拟麻将游戏中的2枚骰子，设计出双6点电子骰子；它有两组6点电子灯光骰子，使用也和2枚骰子一样，只要按动一次开关，就可以得到2组电子骰子的结果；2枚电子骰子之间是相互独立的，也就是它们产生的随机数结果是互相独立，互不干扰。本电路可在麻将游戏中取代实物骰子。

电路原理

电路图见图33-101。电路由定时开关、整形电路、6点电子骰子电路组成。定时开关的作用是每按动一下按钮，电路就会工作一次，显示双6点骰子的结果，结果维持约10秒钟自动熄灭，电路同时自动关机。整形电路由施密特触发器组成，可保证开关脉冲工作可靠驱动6点骰子电路产生随机结果。

图33-101

制作要点

电路可在面包板上组装。要注意使用高亮度发光二极管。两组骰子可以采用颜色不同的灯光。电池电压在4.5V或者6V，电压高可提高灯光的亮度。在使用中，按动电钮的时间长短虽然可影响产生的结果，但是松开按钮的一瞬间，是无法得到结果的。电路设计考虑到尽量避免人为因素，当人松开按钮后，积分电路放电，经过一段时间才随机出结果。结果保持时间也可进行调整。

学习、实验与思考

1．电路设计服从于使用目标

这个电路完全是为了在麻将游戏中取代实物骰子而设计的。这样，设计目标就很明确，电子骰子的性能和使用方法应该与用手投掷完全相同。为此，就要求做到①按动一次按钮，自动出结果；②电路没有电源开关，出结果后，电路会自动关闭并复位；③2组骰子彼此独立产生结果。这样做会增加电路设计的难度，但只有解决遇到的问题，才能设计出实用的电子产品。

2．简化电路的意义

简化电路在电子设计中具有十分重要的意义；相同功能的不同设计，更简化的无疑是好的电路。将复杂的电路加以简化，仍能保持原有功能就是一种创新。

简化电路的最重要的意义是提高电子产品的可靠性。在电子设备中，整机的可靠性是由每个元器件的可靠性来实现的。在电子设计中有一句名言：可靠性最高的零件是节省下来的零件。此外，简化电路还可以减小体积、节省能源、降低成本。在本电路中，简化设计、尽量减少元器件的使用数量，做到一物多用充分得到了体现。就拿骰子的声音提示功能来说，它利用了产生随机数的脉冲振荡信号，驱动压电陶瓷片发声。即为电子骰子增加了功能，又避免了电路的复杂化。

如果手头没有40106施密特触发器，也可使用4069等电路代替。在这种情况下，不能用4069直接代替40106，电路会复杂一些。

3．双6点电子骰子产生随机数实验

双6点骰子每次产生的随机数为2枚6点骰子之和，在2～12之间。这个双6点电子骰子能够产生随机数吗？光从理论分析是不够的，还是应该通过实验来验证。

实验方法，取一支笔，一張纸，分别在2～12这11个数字下面记录实验时发生的次数。每按动一次按钮，得出结果后，在相应的数字下写一笔“正”字。一次实验至少记录1000个数据，然后将结果进行分析。你制作的双6点电子骰子结果如何？你认为它公正吗？2点（12点）、3点、4点、5点、6点、7点出现的几率分别是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。如果发现了一个数字，例如4的出现次数明显偏离理论值，你能解释这一现象吗？如何加以改进呢？

实际上在这个电路中，由于各个数字出现时，发光二极管亮的数目不同，从而影响了电源负载的变化，间接影响到脉冲开关的工作，在制作过程中，的确遇到了结果有明显偏离统计规律的现象；经过多次实验，采用了整形电路，加上大电容量的电源滤波电路，基本上解决了骰子产生结果不公正的问题。如果另辟思路，采用两路振荡电路，分别由两路开关进行控制，可以完全避免这个问题。

如果在实验中发现明显出现不均匀现象，一种点数明显偏多而另一种点数明显偏少，可在灯光电路中加电阻电容滤波电路，使得电路免受电流变化的影响。

十一、通用数字倒计时器

在上世纪中国迎接香港和澳门回归的日子，北京天安门广场东边矗立起了香港、澳门回归倒计时牌，以秒和天为单位向世人显示距1999年12月20日澳门回归还有多少天和多少秒。能不能自己动手制作一个和天安门广场上的倒计时牌的功能相同的回归倒计时牌呢？本文介绍一种微型通用数字倒计时器，它不但具有回归计时牌的全部功能，而且还可利用其内部的时钟，任意选定迎接的时间。

电路原理

电路原理图见图33-111。倒计时器采用40系列CMOS集成电路制作。整个电路由时钟发生器、倒计数器、译码及显示输出、时钟设置及调整电路和电源等组成。

图33-111

时钟电路产生并输出秒、分、天等时间信号。用IC1（4060）、32768Hz晶振、R1和C1，C2组成时钟振荡电路，产生32768Hz的脉冲信号，并经过分频输出2Hz的脉冲到由IC2和IC3（4040）组成的分频电路。第一级IC2为120分频，产生秒信号和分信号，并将秒信号输出到由IC4-IC11组成的秒显示倒计数器，将分信号输出到第二级分频电路。第二级IC3为1440分频，产生以1天为单位的时钟信号，并将它输出到由IC20-IC22组成的天显示倒计数器。R1的阻值要在10M以上，以保证在3V的工作电压下正常起振。分频电路所用的二极管D1-D8为普通硅二极管，对型号无特殊要求。

倒计数器由4510级连组成，由8个4510（IC4-IC11）组成8位秒显示倒计数器，由3个4510（IC20-IC22）组成3位天数显示倒计数器。倒计数器设有加减开关K3，用来控制计数器的加计数和减计数状态。开关位于减计数状态即组成倒计数器，开关位于加计数状态即组成正计数器。

输出显示采用七段LED数码显示管，用4511进行译码和驱动。为简便计，采用共阴极数码管LC5011（红色）和LC5021（绿色），用4511直接驱动。在本电路中，一只数码显示管用一个4511驱动。

电源电压为3V，采用双电源供电，时钟发生器和计数器部分用一组电池供电。因为时钟发生器和计数器部分耗电极低，用两节5号电池可工作1年以上，为保证工作可靠，不设电源开关；显示驱动电路耗电大，需经常更换电池，故另用一组电源，用电源开关K1控制。本机一旦开始工作，可用电源开关K1随时关闭显示部分的电源停止显示，而时钟和计数电路不受影响，在需要的时候只要接通电源，就能够看到正确的时间显示结果。

本机的天计数器和秒计数器电路开机后自动设置为0，由人工根据当时制作完成时间进行初始时间的设置。用三档调速按钮AN1-AN3配合加减开关K3和计数/复位开关K2调整和校正时间。AN1为超快调整按钮，按下约5秒钟可调整1天；AN2为快速调整按钮， 按下1秒钟可调整256秒；AN3为慢速调整按钮，按下1秒钟可调整4秒；AN4为停止计数按钮，按下它可以暂停计数，用它可以微调时间。

制作要点

1．元器件选择

本机所有元器件均为通用常规型号，爱好者可在电子市场上购齐所有零件。可将所有元器件安装在一印刷电路板上。可制作一块专用印刷电路板，也可用成品的面包板电路印刷板。

R8-R18为LED数码显示管的限流电阻，可根据显示管的大小进行调整，一般1吋以内的数码显示管，可在50欧姆范围以内选择。本机采用的LC5011和LC5021，也可不用限流电阻R8-R18，把接地管脚直接接地。

本机所用的CMOS集成电路均为16脚双排列的，其中第8脚都要接地，第16脚接电源正极。要把4060、4040和4510的第16脚都接在那组没有电源开关的3V电池的正极上。其它没有标明接线的管脚可以悬空（空置，不接线）。

2．调整初始时间

本机制作完成后硬件不需调整即可工作。接通电源后，如果电路工作正常，显示状态为“000”天和“00000000”秒。为了使澳门回归倒计时器开始正常工作，必须进行天数和秒数的初始设置和倒计时器的启动。下面通过一个例子介绍一种倒计时器的初始设置和启动的方法。

确定启动之时的天数和秒数：假定我们准备在1998年11月30日进行初始设置，则可确定在1998年12月1日的零时启动，设置调整工作应在1998年12月1日的零时之前完成；先计算出启动之日零时时刻距离澳门回归的天数和秒数，1998年12月1日零时距澳门回归日1999年12月20日零时有384天，合86400×384=33177600秒。②接通电源之前的设置：将计数器的加减开关K3拨到加计数的位置，计数/复位开关K2拨到计数的位置。③接通电源开机。④将倒计时器的天数设置成384：按下超快调整按钮AN1，将天数从000调整到384后释放AN1；按照5秒钟调整1天的速度计算，这项工作大约需要半小时；在使用按钮开关AN1调整天数的过程中，出现中断现象不影响调整工作；也可以在按钮开关AN1上并联一个拨动开关，以减轻工作强度。⑤将倒计时器的秒数设置成33177600：天数设置成384后，此时的秒数可能会比33177600多一些；将加减开关K3拨到减计数的位置，将开关K2拨到复位的位置再返回到计数位置，然后用调整按钮AN2和AN3将秒数调整为33177600秒。⑥锁定启动时间：将K2拨到复位的位置，此时倒计数器停止工作，天数和秒数也被锁定为384和33177600。⑦等待：将锁定状态保持到午夜12月1日零时到来的时刻。⑧启动：启动之时午夜12月1日零时到来的时刻，将开关K2拨到计数的位置，澳门回归倒计时器即开始工作了。

以上初始设置工作的原理是要把天数和秒数进行正确设置并保持同步变化，因为1天等于86400秒，所以秒数必须是天数的86400倍。例如天数为205，秒数必须是205×86400=17712000。为了灵活地处理设置过程中的各种异常情况，例如出现了天数显示5，而秒数不在432000和518399之间，而显示683000，该如何处理呢？假如我们的目标是天数为5，秒数是432000，按刚才介绍的方法，把秒数减少到432000，则天数就可能变成2了。这时就可以使用计数/复位开关K2解决这个问题。首先介绍K2的工作原理。K2可以控制计数分频集成电路IC2和IC3（4040）的11号复位（RESET）管脚的电位。11脚取低电位（接地），4040进行计数工作；11脚取高电位（接电源正极电压），4040复位并同时停止计数工作，各输出端均保持低电位。而每次将11脚从高电位返回到低电位，4040也重新开始计数工作，各输出端均重新开始计数；在本电路中时钟的秒数和天数就被设置成同步计数状态，也就是秒数变化为86400，天数变化为1。如要把天数和秒数设置为5和432000，而当前显示为5和683000，则应在减计数状态下，将K2拨到复位状态之后再返回到计数状态，再用AN1或AN2，把秒数减少；如果数字减少量小于86400，则天数不会改变，比如我们减少了70000，然后暂停减少，再用K2复位一次后，就可以继续减少小于86400的秒数。如此重复操作，就可以把秒数任意减少而同时保持天数不变。

学习、实验与思考

1．调整时间误差

关于时间快慢的调整。如果在使用过程中发现时间有误差，只能在倒计时状态下进行校正。例如发现倒计数器快了20秒，则可按下K4暂停开关20秒钟，就可以得到准确的时间。如果发现比正确时间慢了若干秒，则可用AN2-3，调整到正确时间。要注意倒计数器比标准时间快，不能用加计数状态往回拨，这样会导致秒数和天数产生不同步的现象。

关于天数和秒数同步变化问题。为了保证到了1999年12月20日零时，倒计数器的天数和秒数同步变到0天0秒，可在每天的零时天计数器变化的时刻，观察秒计数器的秒数是否为天数的86400倍。如果到了每天的零时，出现天数变化和秒数不同步的现象，则应按以下程序进行调整：在午夜零时之前，将秒数和天数调整为正确的倍数关系；将K2置于复位的位置，把正确的天数和秒数进行锁定；等到午夜零时，将K2拨回到计数的位置即可。

前面介绍了一种在午夜零时启动倒计时器的方法，读者也可以在任意时刻设置和启动倒计时器。同样是刚才举的例子，假定当前是1998年11月30日上午10时正，我们要进行初始设置并立即启动倒计时器。首先按照11月30日零时启动计算初始设置的天数和秒数：天数是385，秒数是33264000。然后按照上面介绍的方法②-⑥对这两个数字进行设置，设置完成之后立即启动倒计时器。此时我们不妨认为倒计时器慢了若干秒，只要按照时间的校正方法调准时间就可以了。如果现在的时间是11月30日上午11时，显示的秒数33264000慢了11小时，合3600×11=39600秒，正确的天数和秒数应为385和33224400。只要使用调整按钮把秒数减少到33224400就可以了。

2．增加显示方式

本机采用1吋以下的数码显示管，可供近距离使用。爱好者如有兴趣，也可制作一个大型的，放在室外，供更多的人欣赏。为此只需采用大面积的发光二极管数字显示器即可。为了增大驱动能力，可将七段数码显示输出的每一段笔划分别接到一个大功率三极管的基极，经过三极管电流放大后驱动数字显示器相应的数字笔划段。关于这方面的具体制作方法读者不难自己解决。

本机与天安门广场上的倒计时牌的功能相同，设有天数显示和秒数显示。为了简便，可以把显示秒数的部分省去，只制作3位天数显示的倒计时器。

3．如何加快调整时间的速度

本电路由于受到限制，调整时间的速度不够快，有时需要等待几十分钟。其实这是可以改进的。一个简单的方法是将计数脉冲跳过秒计数器，直接输送到10秒计数器，则可将最快调整速度提高为原来的10倍。当然，最后应将时间停止在10秒整数倍上，以保持同步。具体的电路请读者自己完成设计。相信这个实验成功后，还可再接再厉，将速度提高100倍。

十二、多媒体电脑脉搏计数器

设计背景

这是一个奇妙的作品，见图33-121。一个肥皂盒大小的脉搏计数器，把它放在电脑旁边，这个盒子与电脑之间没有任何导线连接；你把手指放到盒子上，只需几秒钟，电脑显示器上就会显示出每分钟你心跳的次数；同时电脑的喇叭里还会发出你心跳的声音，在电脑显示器上还会画出一条表示你心跳次数变化的曲线。你也许认为这是一台高科技产品，价格很昂贵。其实，它的成本不过几十元，而且凡是会一些电子技术的爱好者都能够制作。

图33-121

电路原理

电路图见图33-122和图33-123。电路包括两部分，脉搏信号发射器和电脑脉搏信号接收器。

脉搏信号发射器的原理是将人体的脉搏信号转换成电脉冲，再用红外信号向外发射。俗话说“十指连心”，手指的透光率是随着脉搏跳动而变化。使用时把手指放在一个光敏电阻上，光敏电阻的电阻值就会按照脉搏变化的规律发生变化。这个电阻值变化被转换成电压变化，通过放大、整形，变成电脉冲信号，再用红外信号向外发射。电脑脉搏信号接收器放置在电脑键盘内，它利用键盘的电源作为工作电源，上面有一个红外信号接收器，用来接收脉搏信号发射器发出的人体脉搏信号，然后再把脉搏信号转换成电脉冲信号，这个脉冲信号由键盘输入电脑，电脑中专用的程序就会将脉搏信号的信息转换成每分钟跳动的次数、变化图像以及模拟的人体心跳的声音，然后通过电脑显示器和喇叭输出结果。

图33-122

图33-123

制作要点

手指脉搏接收传感器需要自制，是整机制作的关键。因为脉搏跳动引起的手指透光率的变化十分微弱，所以必须做到以下两点。首先是必须采用高灵敏度的光敏电阻，这种光敏电阻的亮阻很小，在几百欧姆的数量级；它的暗阻很大，在几兆欧姆以上。就笔者目前掌握的资料来看，这种光敏电阻产自国外。笔者是在多年前在北京某电子市场上购买到的；后来市场上没货供应，曾到一家专门生产光敏电阻的国营大企业购买未果。其次是采用双光敏电阻抗干扰传感器。它的原理与前面介绍的防啸叫话筒相同，都是利用电桥原理，消除远距离干扰。

可用一个作废的收音机上的中周变压器，把其内部线圈拆除，再把Rg1的两端焊在两个接线脚上，装入中周变压器的铝壳内即可，为了增大透光量，可把原来铝壳上的圆孔的直径扩大到6 毫米。将光敏电阻装入铝壳内，上面用有机玻璃密封。组装时，将传感器放在一微动按钮开关上，用此按钮开关作电源开关；这样，将手指放到传感器上稍微用力下压，就会同时打开电源，使用十分方便。另一个平衡光敏电阻同样安装在铝壳内，外部应进行必要的遮挡处理，可用红纸包裹数层，使其电阻阻值变到与另一个采集手指信号的光敏电阻阻值大致相等；之所以要用红色的纸遮挡Rg2，是因为手指尖所透过的光线是红色的，这样可保证在自然光线下工作时，两个光敏电阻的变化尽可能地一致，从而最大限度的减少环境变化所产生的不利影响，保证放大器在各种环境下都能正常工作。实践证明，本显示器不需专用光源，可在日光、室内自然光及白炽灯下正常工作，并无须调整；通过实验证明，在各种光源里，以白炽灯效果最好。红外发射管HFD采用2只串联在电路中，可以充分利用电源，以增大输出功率；安装时将2只发射管并排同方向发射即可。

C2可用4.7μF的，是光线传感器与放大电路的耦合电容，不能用电解电容，可用独石电容。其余元器件均无特殊要求。

电脑键盘的电源电压为5V，可作为接收器的电源。接收器用红外接收管HJD接收红外信号，红外信号中携带着脉搏信号，通过电路将脉搏信号从红外信号中挑选出来，通过放大、整形，变成电脉冲信号。接收器可焊接在一个火柴盒大小的印刷电路板上，红外接收管安装在侧面，在键盘旁边相应的位置上打一个小孔，使得红外接收管正好从小孔接收到外面的红外信号。本机有效的遥控距离为0.5米，角度约为90度。

控制电脑的脉冲信号通过一个并联在键盘上一个字母键电路两端的光敏电阻输入到电脑。在没有脉冲信号时，光敏电阻呈现很高的电阻，字母键电路不受任何影响；一旦接收到一个脉搏脉冲信号，发光二极管同步发光，照射的光敏电阻上，光敏电阻阻值变小，相当于按动了这个字母键，脉搏信号就输入到电脑。本电路用字母“O”键；可以选用任何一个字母键。下面的工作就由电脑完成了。电脑是用一段程序完成收集随着脉搏变化的按键次数，并将收集到的信息通过计算转化成脉搏计数结果的。这对电脑来说是轻而易举的工作。这段程序是用VB语言编写的。由于这种程序十分好学，功能又十分强大，只要会用电脑，就能够自学编写。笔者就是为了处理在电脑上再现脉搏信号，通过自学，自己编写了电脑程序。

学习、实验与思考

1．手指透光现象实验

这个电路是根据现有技术而开始的。从资料上得知，已经有人利用手指透光性能随着脉搏跳动而变化的现象，制成了脉搏电子计数器。但是如果自己打算这样的脉搏计数器，仍有许多问题有待解决。首先是如何采集脉搏信号。理论上得知可用光敏电阻，但是用什么样的光敏电阻，以及采用什么光源，都亟待解决。为了解决电路设计中的问题，首先弄清楚脉搏透光现象。为此应进行眼睛观察手指的脉搏信号的实验。

用一张大黑纸，中间打一个孔，将手指肚放在孔上，打开一盏40W电灯，用灯光照射手指，就可以观察到手指呈红色；仔细观察，可以发现透光的亮度不断发生微弱的变化，其变化频率大约是人体的心跳频率。

记录下单位时间内手指透光变化次数，然后记录相同时间内脉搏跳动次数，可以得出结论，手指透光变化的频率就是脉搏跳动的频率。

注意，这个手指透光现象的观察实验看似简单，但是要做成功并不是想当然的事情。它需要细心调整环境光线亮度，遮光的黑纸的面积，照明灯光的强度等因素，通过仔细观察才能得出结论。

结论有2个，一是手指透光性能的确随着脉搏跳动而变化；二是这个变化人眼能够观察出，当然也能够使光敏电阻产生电阻阻值变化。这样，下面的设计就有了实践基础。

2．光源问题

既然是利用手指透光性进行脉搏信号的采集，就要决定采用什么光源的问题。最好的方案是使用环境光线。因为这样整机电路最简单。可选用的方案还有专用红外光线、专用照明灯光等。使用环境光线的问题是光线性能不稳定，以及存在干扰。比如室内在使用过程中，周围有人路过，开窗等现象都可能造成光线强度变化，从而影响脉搏信号的采集。为了解决这一问题，电路采用了两组光敏电阻，其中一个用来采集脉搏信号，另一个用来平衡环境光线。设计时将平衡光线的光敏电阻进行适当的遮挡，使之与另一个被手指遮挡的光敏电阻阻值尽量相等。这样，就有效地解决了采用自然光的干扰问题。

3．如何利用电脑键盘

电脑键盘有很多种，可以利用的有机械式和导电橡胶式键盘。这两种键盘上面都有印刷电路板。按动一个字母键，这个键在电路板上的电压就会改变。将这个字母键的高电位端引出，接在脉搏信号接收器的输出端。这样，脉搏信号产生的脉冲就可以起到按动这个字母键同样的效果。在不使用脉搏计数器的时候，它对电脑的正常使用没有任何影响。

4．电脑程序设计原理

电脑程序是根据脉搏信号的时间间隔来计算出每分钟脉搏跳动的次数的。这种计算对于电脑来说是最容易的了。例如两次脉搏的时间间隔是0.93秒，则可计算出相当于每分钟跳动60÷0.93=64.5次。电脑即可测量出任意时刻的每分钟跳动次数，也可测量出从开始到最后的每分钟平均跳动次数。

电脑不仅仅具有计算功能，还能进行复杂的推理和运算。利用这一功能，程序中对测量中可能产生的误差进行了自动校正。例如测量中由于偶然事故，漏掉了一次脉搏，则程序会自动加以识别，避免做出错误的计算。

5．抓住偶然性

在进行制作和调试过程中，曾经遇到一次偶然发现。一次在程序中增加了一条发声命令“BEEP”。当时还不知道电脑是如何执行这条命令的，最初的想法是试试看，争取能够做到让电脑的喇叭按照脉搏跳动的规律发出一种模拟的声音。但是却发现电脑能够根据脉搏的信号，发出在电脑的WINDOWS操作系统中对 “默认事件” 指派的声音。原来电脑中对各种操作可以指派一种声音；所谓指派是可以人为改变的。在使用电脑脉搏计数器之前，这台多媒体电脑凡遇到“默认事件”就会发出一种设定的声音效果。而VB程序中的“BEEP”命令，恰恰是激活了一次默认事件。有了这个发现，我录制了几种模拟的心跳声音，每种长度大约是0.2秒钟，用来模拟心跳声音，十分生动。

6．程序设计

输出信息有数字显示结果、坐标曲线、模拟声音、模拟画面4部分。

程序包括输入分脉冲检测识别、有效数据计算，输出数值结果、输出图像坐标、输出模拟声音，无效脉冲自动保护复位等部分。

输入脉冲检测识别是程序的第一步。首先是对每个脉冲进行检验，看看它与前面1个脉冲的相关性如何，也就是将这个脉冲与前面1个的时间间隔进行比较。正常的脉搏信号，虽然有快有慢，但是相邻的2次脉搏不会相差50%。但是，如果丢失了一次脉搏脉冲，或者电路受到干扰，出现了一些脉冲干扰信号，这个干扰信号的频率就会与前1个脉冲的时间间隔相差很大；程序一旦检测到这样的输入脉冲，就停止计算，自动清零。只有相关性可以通过程序的规定的连续脉冲，才可以进入计算和显示结果的程序。可通过修改相差的倍数，来控制抗干扰的能力。

计算公式只是简单的算术计算。在数值显示结果方面，给出了即时数据和总和数据，又给出了最后3次脉搏跳动的平均值。

除了可以输出模拟心跳声音之外，还在画面上输出一个心脏跳动的画面。这个画面是根据脉搏次数不断改变颜色的心脏图形。

7．电脑具有强大的信息处理功能

电子设备与电脑相配合，可以利用电脑强大的计算功能和输出方式。程序的重点是可以自动纠错和自动以模拟的声音和画面同步输出。如果用电路来实现这个功能，则要设计和制作很复杂的电子装备。外界的数据一般是通过电脑的串口或并口输入到电脑的。本电路采用了从键盘输入脉冲的方式，利用脉冲的时间间隔作为传递信息的载体，具有电路简单，程序简单等优点；缺点是传输的信息量小。如果要用电脑处理较为复杂的信息，还是应该从电脑的接口处输入。