面包板上的制作——面包板4033数字秒表 2019-12-17
一、面包板制作是普及电子制作活动的有效途径
1． 从面包板实验到面包板制作
人们对面包板并不陌生，在科研、生产中广泛地使用面包板进行电子电路实验。笔者经过多年的研发，改进了原有的面包板实验技术，用面包板制作开发了包括玩具、科普仪器、用具等多种面包板电子产品，如变音报警器、静电显示器、电子灯光骰子、悬浮触摸开关、手机辐射演示器、数字密码锁、彩色夜明珠、数字秒表、声音频率计等作品。这些作品的使用情况证明，在业余电子制作活动中，面包板电子制作完全可以取代手工焊接。
2． 面包板制作促进电子制作普及
在面包板上开展电子制作活动，只需利用钳子等少量工具，不用焊接、不需要使用220V 电源，十分安全；做到“任何人、在任何地方、任何时间”都可以进行电子制作活动。
3． 面包板制作有利于提高电子制作水平
用焊接进行电子制作是根据已有的电路进行制作，它偏重于学习和掌握已有技术。无庸讳言，简单地学习和模仿不利于创新型人才的培养。用面包板进行电子制作的重点在于实验与探索。在面包板上进行电子制作的过程，也是不断进行实验的过程。通过面包板制作可以较快地掌握现有电子技术，并通过制作者的实验和探索发现和开发出新电子技术和新的电子作品。用面包板进行电子制作，有助于制作者实现从“制造”到“智造”的飞跃，进而提高创新能力。
二、电子“拼装”面包板
面包板电子制作是在电子拼装面包板上完成的。这里的“拼装”有两个含义：一个是指把面包板、电池盒等拼装在一起；另一个是指根据需要将面包板进行拆拼。
面包板也叫万用线路板，是专为电子电路的无焊接实验设计制造的。面包板上有很多插孔，两个相邻的小孔间距为2.54mm；小孔的深度约为8mm。由于2.54mm 是标准IC 插脚的间距，它的整倍数是绝大多数元器件管脚的标准间距，电子元器件可以直接在面包板上插拔，节省了电路的组装时间。面包板的大小有多种规格，一种简易面包板如图1 所示。板中央有水平凹槽，凹槽上下两边分别有若干列垂直分布的5 个小孔，这5 个小孔在电气上通过内置的金属条相互连通。每一列垂直的5 个
小孔相互连通导电，而水平方向之间不同列的小孔之间是相互绝缘的。面包板上下边缘各有一行水平分布的在电气上分段相连的若干个小孔，分别作为电源与地线插孔用。
标准的宽行面包板上下各有两行水平插孔，中间的垂直插孔从左到右共有63 列；如图2 所示。面包板的基板用塑料制作，其背面有一层海绵胶，平时用一张纸覆盖；如需将面包板固定在一个母板上，只需揭下面纸，用海绵胶粘在板上就可以了。此外这种面包板内部的连线弹簧片质量好，接线牢固。建议初学者使用这种面包板。
2． 电子“拼装”面包板
在单个面包板上面组装电路，需用导线引入电源，使用起来十分不便。必须设法将电源（电池盒）与面包板组装在一起。比较可行的方法是把面包板、电池盒都固定在一个母板上。通常母板可用塑料板、有机玻璃板、纤维板制作。经过实验，“KT”板成为拼装面包板母板的首选。KT 板是一种由PS 颗粒经过发泡生成板芯，经过表面覆膜压合而成的一种新型材料，板体挺括、轻盈、极易加工，主要用于制作展板。由于有许多废旧的展板可以被利用，所以使用它几乎不用花费任何成本。它的另一个优点在于可以用普通的裁刀将它加工成任何形状，十分方便快捷。
以制作有一块面包板的拼装面包板为例，取一块厚约5.5mm 的KT 板，根据面包板和电池盒的大小画出所需形状，用裁刀切割成型；将面包板背面的纸揭去，粘在KT 板上；然后用双面海绵胶把电池盒也粘在母板上。
电池盒上还有两根导线，红色的为电源正极，黑色的为电源负极。一般为软芯导线，在端头处露出一段镀锡的线头。用剥线钳把线头的绝缘皮剥出约8mm 的金属头，分别插在面包板上面的电源孔内；如果电池盒没有电源线，则需要焊接两根硬芯导线（必要的焊接还是需要的）。建议使用一种带电源开关的电池盒。组装好的KT 板拼装面包板如图3 所示。
（1）专用面包线
一种专用面包板连接线如图4 所示；它是将普通导线两端装上插针，以便插入面包板小孔中连接电路的连线。由于面包线用量极多，除了备置几十根各色专用面包线外，绝大部分面包线需自制。
（2）自制面包插线
材料：各色绝缘硬芯导线。导线直径0.6mm 为最佳，必备红色、黑色两种，其它颜色如蓝色、绿色、褐色、黄色、白色、灰色等应备用3 种以上。工具：剥线钳、斜口钳、扁嘴钳。剥线钳用来剥离导线绝缘皮；常用的剥线钳有3 种：自动剥线钳、鹰嘴剥线钳和简易剥线钳；分别如图5、图6、图7 所示。无论使用哪种剥线钳，都要选用可以剥直径0.6mm 导线的。鹰嘴剥线钳使用最为方便，缺点是易伤导线。
自制面包板插线的长度根据两孔之间的距离而定，两端用剥线钳剥出8mm 的裸线头即可。自制面包线插入面包板后导线紧贴在面包板上，体积很小，如图11 所示。专用面包插线插入孔后，其导线垂直于面包板平面。
1．电路原理
此款秒表采用发光数码管显示，计时精度为百分之一秒，最大计时时间为9.99s。
电路原理图如图8 所示。电路由时钟电路、计数/ 译码/ 显示电路、手动计时控制电路组成。时钟脉冲发生器用4069 组成晶体振荡器产生38000Hz 的脉冲信号，再由4040 计数/ 分频器生成周期为百分之一秒的时钟信号。时钟脉冲输出到4033 计数/ 译码/ 显示电路，由7 段数码管显示时间。按一下计时按钮AN1，秒表开始计时；再按一下秒表停止计时，同时显示计时结果。按动清零恢复按钮AN2，显示结果消失，秒表返回0 值。
（1）如何获得时钟脉冲信号
秒表的关键是获得准确的时钟信号。本电路采用4069 组成石英晶体振荡器电路，产生38000Hz的脉冲信号；再经过4040 进行分频系数为380 的分
频，输出周期为0.01 秒的时钟脉冲信号。
（2）如何设计分频系数为380 的分频器
电路中4040 分频器的分频系数是38000Hz/100Hz=380。用4040 组成分频系数为380的分频器的步骤如下。
将分频系数380 化成2 进制数：
380=1011111002=28+26+25+24+23+22。
把上式中6 个乘方的指数分别加1，即把8、6、 5、4、3、2 分别加1，得到9、7、6、5、4、3；从而确定使用4040 的Q9、Q7、Q6、Q5、Q4、Q3 这6 个输出端；如图8 所示。
（3）秒表控制电路———开关键电路
手动计时按钮电路的功能是操作秒表，按动一下秒表开始计时，再按动一下秒表停止计时并显示两次按动所经过的时间。本电路采用4069 组成双稳态记忆电路，结合使用一个普通按钮开关AN1 组成开关键电路。每按动一下这个按钮，4069 门6 的输出电位就在高电位和低电位之间改变一次状态；这个输出电信号连接在4040 分频器的复位端。当4040 的复位端为低电位信号控制时，它可正常计数；当4040 的复位端为高电位信号控制时，它停止计数。
（4）清零恢复按钮电路
它的功能是在一次计时完成之后，将计数器清零，以便准备进行下一次的计时工作。电路由下拉电阻R 和一个普通的按钮开关AN2 组成；平时由于下拉电阻R6 的作用，4033 的复位端被控制在低电位，此时如果有时钟信号从输入端输入，则4033 正常计数；一旦按动一下这个按钮，3 个4033 的复位端就得到一个高电位脉冲，从而使4033 计数器的各个数位的输出端都强迫变成0。
（5） 十进制加计数/7 段译码器集成电路4033特性
4033 的管脚接线图如图9 所示。它可完成十进制计数功能、译码及显示驱动功能。主要管脚功能如下：
CP：计数器时钟输入端；
INH：计数器时钟禁止，高电平有效；
RBI：零消隐端，低电平有效；
RBO：零消隐级连输出端；
CO：计数十进制进位输出端；
a-g：7 段阿拉伯数字段码，显示时输出高电平；
LT：显示测试端，高电平有效；
R：复位端，高电平有效。
4033 的独特功能在于可以设置单独的零消隐功能以及多位级连零消隐功能，以节约电能。本电路中“秒”位设置了零消隐功能；小数点后面的则没有设置该功能。
4033 的译码驱动电路输出的电流比起其它相同功能的集成电路如40110、4511 来要小很多；如使用5V 电源电压，4033 每个段码的驱动电流最大为3mA，而后面的两种可达20mA。4033 的这个特点现在变成了优点。原来为了数码管显示足够的亮度，每个段码的驱动电流一般需要15mA；7 段段码的驱动电流最大高达100mA。如果使用4 位数码管，总驱动电流高达400mA；所以用数码管的电路很少采用电池供电。即便如此，一些旧型号的数码管所发出的光线在室外仍感觉不够亮。而随着超高亮度LED 的出现，一些新型数码管也使用了超高亮度的发光芯片；每个段码用15mA 的工作电流，其发出的光亮足以保证在室外可辨认。实验证明，采用超高亮度的数码管，每个段码仅仅用1mA 的驱动电流，即可在室内使用；用4033 驱动绰绰有余。这样，按照每个数码管平均驱动的电流为5mA，3 位数字秒表的驱动电流仅仅为15 mA，可用5 号电池供电。本作品采用1/2 英寸的超高亮度共阴极数码管，发光颜色不限。一种5011 型数码管的管脚接线图如图10 所示。
本机数码管是8 段的，每个数码管上面都有一个小数点；这里只用了秒位数码管里的小数点。
2． 在拼装面包板上组装电路
（1）元器件布局
首先根据电路图的元器件个数确定采用几个面包板，可用一块宽行面包板组装本作品。元器件在面包板上的布局的顺序是首先安装集成块；先根据电路图把各个集成电路的位置确定好，然后插入集成电路。建议将IC1～IC8 按照从左到右的顺序安装：即4069、4040、4033、数码管（百分之一秒）、数码管（十分之一秒）、4033、数码管（秒）、4033；如图11 所示。
为了连线方便，数码管倒置安装；也就是小数点在上方。所以3 位4033 的顺序是秒位在最右边。使用时将面包板倒置后，可以按正常数字显示观察秒表的结果。
（2）组装连线并调试
在用面包线连线的同时安装电阻电容等元件。建议分步组装、分步调试。
最先连线数码管及驱动电路，完成后接电源调试。调试方法是把一根面包板插线的一端接在4033的计数输入端，另一端先插接电源正极、然后再接地；3 位数码显示管应显示数字发生变化，表示这部分电路工作正常。
第二步连线时钟电路并调试。电路成功的标志是数码管可显示百分之一秒计时。
最后连线秒表控制电路，以实现用两个按钮操作秒表。
3． 测定秒表的精度
可用另一个秒表对自制的秒表进行精度调试。例如使用手机秒表，用两手分别控制手机秒表和自制秒表，同时按下开始计时，过10 秒钟后同时按下停止按钮；如果自制的秒表与手机秒表相差在百分之几秒内，可以认为制作成功。如果误差超过0.1秒，则应检查电路，找出问题所在。
4． 拓展实验
（1）普通亮度数码管驱动实验
如果没有超高亮度数码管，可减小数码管接地电阻的阻值，以增加输出电流。
（2）32000Hz 时钟分频器设计
如果采用32000Hz 晶体振荡器，该如何设计4040 分频器电路呢？
（3）多位数如何零消隐
如果制作计时99.99 秒的秒表，则可将“十秒”与“秒”的两个4033 设置成多位级连消隐功能：0秒———秒和 10 秒位均消隐不亮，1～9 秒———10 秒位消隐不亮，10 秒———秒位显示“0”；方法是将十位4033 的RBI 端接地、RBO 端与个位4033 的RBI 端相连。