电子制作入门“兴奋团扇”连载第3期:硬件制作,是不需要焊接,只需将电子器件插入电路板进行简单的工作就能完成电子电路的制作。

让我们确认要使用的器件吧

构成“兴奋团扇”的关键电子器件是“控制”部的电子制作电路板GR-SAKURA、心跳“感知”部的传感器和团扇“扇动”部的伺服马达。另外,还使用一些其他的电子器件,这些器件都是很容易买到的通用产品(图1)。

由于是使用以试制和实验为目的的“实验电路板”,所以并不需要焊接,只需将电子器件和跨接线插入电路板就能完成电子电路的制作,非常简单!

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器件名 商品号 销售商
GR-SAKURA-FULL   RS Components
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心跳传感器 SFE-SEN-11574 Sparkfun (Switch Science)
公头杜邦线 EIC-UL1007-MM-015 Switch Science
SparkFun超小型实验电路板(白色) SFE-PRT-12043 Sparkfun (Switch Science)
可用于实验电路板的DC插座(2.1mm) SSCI-DC-BB Switch Science
伺服马达GWS MICRO/2BBMG/JR型 M-01725 GWS (Akizukiki Denshi Tsusho)
碳膜电阻1/4W1k Ω R-25102 Akizuki Denshi Tsusho
通用小信号高速开关二极管(60V150mA)1S2076A I-03015 Akizuki Denshi Tsusho
陶瓷电容器0.1?F50V P-05202 Akizuki Denshi Tsusho
电解电容器 100?F25V85℃ P-03122 Akizuki Denshi Tsusho
带2.1mmDC插头的电池扣 P-06687 Akizuki Denshi Tsusho
电池盒 5号×4个 并排串联型 P-02682 Akizuki Denshi Tsusho

图1:“兴奋团扇”的器件一览表(因为是通用器件,销售商仅供参考)

※此外还需要用于连接GR-SAKURA和PC的USB数据线和4个5号镍氢充电电池。

看到上图中的电阻、二极管、电容器等电子器件,您是否有些担心?其实没关系,不用把它们想得太难,只要将其连接起来就可以。具体方法将在本文的后半部分进行说明。

GR-SAKURA通过PC的USB接口提供的电源进行工作,但是由于伺服马达工作需要更大的电力,这次使用4节5号镍氢充电电池。所以需要装电池的“电池盒”、连接电路板的“带DC插头的电池扣”、以及插在实验电路板上的 “DC插座”。

让我们通过电路图了解其工作原理吧

“兴奋团扇”的电路图如图2所示。工作原理是:心跳传感器将取到的心跳信息作为模拟信号(电压变化)传送到GR-SAKURA的RX63N单片机的A/D转换器,将模拟信号转换为数字信号后,由单片机处理(程序/软件)被转换后的数字信号并将控制指示(脉冲信号)输出到伺服马达(详细的工作原理说明请参阅“电子制作入门①”

电路图是指表示(1)器件分类、(2)器件常数和(3)器件连接关系并能让人们理解电子电路的工作原理的图。

图2:“兴奋团扇”电路图

图2:“兴奋团扇”电路图

对于GR-SAKURA,只画出了有关“兴奋团扇”的输入/输出。详细电路图请参阅  此处

只需插入电子器件就完成制作

下面说明实际的制作流程。硬件制作似乎是一项很困难的工作,但是这次制作约在30分钟内便可完成。让我们轻松愉快地进行吧!

1. 心跳传感器的准备

传感器的表面(贴在手指上的面)印有心型图案,请将附属的透明保护膜贴于此面。背面有裸露的接线柱,将附属的圆形尼龙带扣贴于此面并使带状的尼龙带扣朝上卷起。使用时,将LED灯光对准手指内侧(以指纹为中心),并缠紧尼龙带扣(请参阅销售商的资料“ Getting Started Guide)。

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2. 心跳传感器与GR-SAKURA的连接

如图3所示,将心跳传感器的3条线连接GR-SAKURA。红色线连接GR-SAKURA的正极插孔(+3.3V),黑色线连接GR-SAKURA的负极插孔(GND),便可从GR-SAKURA给心跳传感器供电。用紫色线将心跳传感器的信号输入到GR-SAKURA的信号插孔(AD0)。

3. GR-SAKURA与实验电路板的连接

用2条跨接线连接GR-SAKURA和实验电路板。用第1条跨接线连接GR-SAKURA的负极插孔(GND)和实验电路板的负极插孔。由于GR-SAKURA的信号从IO7插孔输出,所以用第2条跨接线连接IO7插孔和实验电路板的输入插孔。请参阅图3和图4。

图3:GR-SAKURA的布线图

图3:GR-SAKURA的布线图

4. 实验电路板的器件配置和布线

这是唯一使用工具的工作。由于插入实验电路板的电阻、电容器和二极管的引脚(从电子器件露出的金属线)太长,所以用钳子剪短。但是,如果将引脚剪得过短,就无法插紧实验电路板而引起接触不良从而导致产生错误动作。电子器件是可以悬空插在实验电路板上的,所以引脚要留长一些。连接2孔时即使跨接线绕个大弯也没关系。仔细对照以下的图4,用跨接线连接所有器件。

图4:实验电路板的器件配置和接线图

图4:实验电路板的器件配置和接线图

请注意二极管和电解电容器的极性。

  • 请将二极管的黑色横线端按此图的方向布线。
  • 电解电容器灰色横线侧的引脚是负极。

伺服马达有橙色、茶色和红色3条线,线端 部分是连接器。将跨接线插入连接器插孔来连接实验电路板。

跨接线有各种颜色,颜色的使用方法有粗略的规定,电源正极用红色,负极(GND)用黑色 。请制订一个颜色规则以免混乱。

制作的关键!让我们确认心拍传感器的输出信号

首先,为了观察心跳传感器的输出电压,我们用示波器测量了一下输出信号(图5)(大家在制作时不需要示波器)。

图5:用示波器测量的心拍传感器输出信号

图5:用示波器测量的心拍传感器输出信号

测量时,使用5V作为心跳传感器的电源电压。可从图5看到输出电压的宽度随心跳输出1.5V左右到5V左右的模拟信号(电压变化)。

这是关键,即此心跳传感器的输出电压和最大电源电压是同等程度的电压。但是,GR-SAKURA的RX63N单片机的A/D转换器最大输入电压是3.3V。因此为了避免损坏单片机,从GR-SAKURA的3.3V插孔获得传感器的电源,这样便可使心跳传感器的输出信号控制在3.3V以内。将心跳传感器的输出信号传送给可输入模拟信号的插孔(AD0)(参阅上述的心跳传感器与GR-SAKURA的连接)。

安全第一 保护对策

由于在这次电子制作中使用单片机控制马达工作,所以需要考虑几个问题。首先是噪声对策,如果马达产生的噪声影响到GR-SAKURA,就会产生错误动作。因此,通过并联电解电容器和陶瓷电容器,抑止电源线的电压波动并吸收噪声(制作提示①)。

另一个是单片机的保护问题。由于通过GR-SAKURA的IO7插孔的PWM输出对伺服马达进行控制,因此插孔是5V耐压,如果能保证伺服马达的正常工作,也可以直接连接伺服马达的输入信号。但是,如果因发生意外情况而5V以上电压从伺服马达倒灌到GR-SAKURA,就会损坏单片机。所以,将连接电阻(制作提示②)作为安全对策之一,为避免在马达内信号和接地短路时产生过电流,还使用二极管(制作提示③),以便在马达发生过电压时形成一个正极放电回路。

制作提示①:电容器

是积蓄电荷(蓄电)或者释放电荷(放电)的无源元件。在马达等突然启动时,通过释放积蓄的电荷来抑止电压波动。电压波动会引起噪声,通过抑止电压波动,可使噪声变小并且不影响单片机。

制作提示②:电阻

这是持有固定电阻值的无源元件。通过限制流过的电流,将限流特性用于防止过电流,以保护单片机。

制作提示③:二极管

这是单向电流传导并有整流作用的有源元件。这次电子制作中,用于在伺服马达发生过电压或逆电压时保护单片机。

参考:

电子电路入门(1) 无源元件

电子电路入门(2) 二极管、晶体管、FET

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最后,请再次确认是否有布线错误。下期将着手软件制作并进行实物运行。如何根据传感器的输出来检测"兴奋团扇"的信号?成功就在眼前了,敬请期待下期的"软件开发篇"!