电子实验-激光图案控制电路的设计和焊接.doc

激光图案控制电路的设计和焊接（中山大学 理工学院 2008级）摘要：利用控制电路对电机进行可逆调速，实现对激光束的调制，可获得一系列合成的激光图案。本文介绍了一种基于芯片的实用型激光图案控制电路的核心原理和具体设计，并动手制作出一块能正常工作的控制电路，同时通过测量可给出合成出花瓣型图案所对应的两电机各自转向及端口电压值。关键词：电路设计与焊接 电机调速 激光图案 【实验目的】1.熟悉常用的电子元件和器件，认识线路合理布局的重要性；2.锻炼并加强电路焊接技巧和故障判断与排查的动手能力；3.能够对原有电路进行优化和拓展。【实验器材】1.电阻若干，电容若干，开关二极管（25个），滑动变阻器（16个）；2.继电器（2个），拾音器（1个），整流桥（1个）；3.集成芯片：555（2块），LM324N（2块），4017（1块），4013（1块）；4.三极管：9013（2个），5609（4个）；5.15V交流电源，20W电烙铁，万用表；6.钳子，剪刀，镊子，锡线，吸锡器，导线等。【实验原理】一.激光图案产生的原理如图1所示，一定倾角的反射镜P1 和P2分别安装在两电机转轴上, 由之驱动不断旋转的。P1 和P2先后反射激光器发出的高亮度光束, 当两反射镜的转速成一定比例和按一定的转向组合时, 实现了光束的空间动态合成, 在接收屏幕上将得到某一稳定图形。若改变两电机电枢上所加的电压大小及正负极性, 即对之进行可逆调速, 或手工调节附设于镜面及电机壳座上的微调旋钮, 改变两反射镜面倾角, 则可得到诸如三叶玫瑰线等一系列花瓣形状的形态各异、内容丰富的图案来。图1 激光产生图案原理图二. 控制电机可逆调速的原理1. 电机转速控制电路的设计思想要使电机转动，就得有驱动电路。要使电机的转速不同，即要求驱动电压不同，由此就产生了分压电路。要使激光管发射的激光有多个图案，就得有多路分压，因此就要有路输出的脉冲分配器。脉冲分配器，需要脉冲输入信号，若要自动改变激光图案，就应有一个多谐振荡器作信号源；若要用声音改变图案的变化，就得用拾音机把声音信号变为电信号，然后经过放大器放大，再整形为脉冲信号送给脉冲分配器；若要增加激光图案，可用一个简单的方法，控制其中一个小电机可正转、反转，这样激光图案就可增加一倍，因此就得用一个控制电机反转电路。为提供上述各部分的工作电压，就需要一个直流稳压电路。2. 控制电路原理方框图根据上述设计思想，可得控制电路原理方框图，如图2所示：图2 控制电路原理方框图3. 控制电路各主要部分的介绍3.1 12V直流稳压电源。采用15V交流电源作为输入，经过桥式整流使波形全部变为正向，最后经过7812的整流作用，和电容阻高频通低频的特性，最终输出12V的稳恒直流电源。电路图如图3所示。图3. 直流稳压电源电路图3.2 自动振荡器该电路采用555集成块，该电路的设计主要是根据振荡频率选择电阻电容参数，其频率视激光图案变化时间间隔而定，通常要求约10S变化一次，即振荡周期为10S左右。在本实验中，由于 ，故产生的矩形波的周期T=8s。电路图如图4所示。图4 自动振荡器电路图3.3 声控振荡器图5为声控工作模式下的4017提供触发源电路图。咪头接收声波，并产生脉冲电流，经过LM324N二级放大，产生较大电流；通过555集成块整形变为矩形波。同时拾音器的灵敏度可以通过调节电位器VR1阻值进行调整。图5 声控振荡器电路图3.4 脉冲分配器：该电路根据需要脉冲图案的个数而决定输出路数，可采用计数分配器4017集成块。脉冲分配器每一路输出再分为两路分别送到两个驱动电路，一路电压为固定，一路电压为可调。当令两电机的转速比为整数倍时，可使激光图案稳定。实验中使用了3、2、4、7这么四个高电平有效的输出端口，并且将10端口连接到15端口“Reset”，构成四进制计数器。当3、2、4、7为“1”时，即高电平，对外部输出约12V电压。电路图如图6所示。图6.脉冲分配器电路图3.5 驱动电路：分压后出来的两路信号，送入LM324N中进行放大和整流，固定端送入下方的放大器中经过集成运放和晶体管放大电路送到输出接口M2中，另一路送到上方的放大电路中并将输出送到继电器中进行电压反转的操作。其中的两个三极管5009对电路电流起两级放大作用，并联起来主要是为了保证电路的稳定性和对称性。电路如图7所示。图7. 驱动电路图3.6 控制电机反转电路：该电路用D触发器、三极管和继电器构成。4013是一个双D触发器，当4017的3脚电平变化的时候，D触发器都发生变化，使到4013的1脚电平状态发生变化，然后引起继电器的开合状态的改变。因为两个继电器是1的常开端和2的常闭端，1的常闭端和2的常开端接触。故当继电器的状态发生改变时，可使电机接口M1的电平状态发生翻转。这样利用一个4013使到电机发生反转，就可使原来4017的4路输出的基础上产生8个不同图形。电路见图8。图8. 控制电机反转电路图3.7 分压电路 分压电路由两路组成，一路为固定端，另一路为可变端，用电位器进行调节。当3、2、4、7为“1”高电平时，对应的那一路的二极管接通，电路就选择了这一路的分压比，进而分两路送到驱动电路中去驱动电机工作。电路图如图9所示。图9.分压电路图【实验内容】一、设计布局按原理电路图上标示的器件，将实物器件分辨出来并分类摆放（特别不同阻值的电阻）。进行焊接之前进行合理的布线，可以大大提高电路制作的速度和准确性，并且有利于以后调试的查错。电路板的连接线全部用裸线；按照功能单元将各个部分排布；允许一些线从正面走；地线电源线围绕整个电路四周排布。同时应尽可能地满足如下布局原则：1.元件应放置在栅格上且相互平行或垂直排列，以求整齐、美观，一般情况下不允许元件重叠；元件排列要紧凑，输入和输出元件尽量远离。 2.某元器件或导线之间可能存在较高的电位差，应加大它们的距离，以免因放电、击穿而引起意外短路。 3.带高电压的元件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。 4.元器件的外侧距板边的距离为约5毫米，贴装元件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于约3毫米。 5.元件在整个板面上应分布均匀、疏密一致，按照信号走向布局原则，以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它进行布局。 6.对于电位器、可变电容器、可调电感线圈或微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。 7.有极性的器件在以同一板上的极性标示方向尽量保持一致。 8. 按电路模块进行布局，实现同一功能的相关电路称为一个模块，电路模块中的元件应采用就近。二、焊接电路对于阻容元件，则相对容易焊一些，可先在一个焊点上点上锡，然后放上元件的一头，用镊子夹住元件，焊上一头之后，再看看是否放正了；如果已放正，就再焊上另外一头。但是对于集成芯片的焊接显得比较困难。下面主要以芯片焊接为例，进行说明焊接方法。1.先用镊子小心地将芯片底座放到电路板上，注意不要损坏引脚。使其与焊盘对齐，要保证芯片的放置方向正确。把烙铁的温度调到300多摄氏度，将烙铁头尖沾上少量的焊锡，用工具向下按住已对准位置的底座，在两个对角位置的引脚上加少量的焊剂，仍然向下按住底座，焊接两个对角位置上的引脚，使底座固定而不能移动。在焊完对角后重新检查底座的位置是否对准。如有必要可进行调整或拆除并重新在电路板上对准位置。2.再开始焊接所有的引脚时，应在烙铁尖上加上焊锡，将所有的引脚涂上焊剂使引脚保持湿润。用烙铁尖接触芯片每个引脚的末端，直到看见焊锡流入引脚。在焊接时要保持烙铁尖与被焊引脚并行，但防止因焊锡过量发生搭接。3.当焊完所有的引脚后，用焊剂浸湿所有引脚以便清洗焊锡。在需要的地方吸掉多余的焊锡，以消除任何短路和搭接。最后用镊子检查是否有虚焊，检查完成后，从电路板上清除焊剂，将硬毛刷浸上酒精沿引脚方向仔细擦拭，直到焊剂消失为止。三、调试并排障1.电路调试装上所有芯片，接口M1和M2接到电机上，连通上15v交流电源，打开He-Ne激光器；先把开关S扳到“声控档”，在咪头附件鼓掌，观察输出图案的变化，同时调节输出对应的滑动电阻器，使激光图案尽量避免重复。再把先把开关S扳到“自动档”，当时间每过8秒左右，观察图案的变化。若再“声控档”和“自动档”的情况下，都能得到8个不同的激光图案，则说明控制电路已经能正常工作。否则需对控制电路进行检查并排障。2.电路排障若电路未能正常工作，一般先根据出现的故障现象判断大致的故障范围。再外观观察，重点为较大的元件和发热量大的元件。然后扳动电路板， 用手摇动可疑元件，同时观察其引脚焊点有否出现松动。常见问题有：比较原理图和实际焊接图，依次检查对应的部分是否有漏焊，少焊，焊反等现象，尤其是电容器，二极管是否焊接反了，地线和元器件之间的连线是否漏焊等等。可从以下具体方面入手，进行排障：1.元器件和电线的焊接问题，常用万用表来检测两点之间是否连通。2. 供电电路电解电容爆浆，一般都是电解电容正负极接反了。3.电容或三极管或集成电路芯片发热，可以判断电路中有短路。4.激光图案只有4个，4个图案变化完之后其中一个电机就停了下来，原因很可能是4017没有接反馈。5.两个继电器频繁的吸合，很可能是电路中某些地方有虚焊现象，检查每个焊接点，或者给每个焊接点重新上焊锡。6.继电器没有吸合现象，一个循环只有4个图案的变化。原因可能是继电器部分没有正确焊接，检查此部分电路。7.电机的固定端或者变化端接口电压过大或过小。原因很可能是驱动电路中二极管反接了，或者某些地方短路，或者继电器的常开常闭端没有正确连接。8.声控部分的指示灯不闪。或许可以调节声控部分的电位器，直接拍打拾音器。因为确实有些拾音器的拾音质量不好，或者放大电路焊接有问题，放大作用不明显，这个时候一般很难直接用声音触发电路。【实验结果】本激光图案控制电路能显示图案内容丰富, 可实现共8个图案的转换。通过万用电表测量两接口的输出电压，可以得到激光图案与两接口电压的对应关系。如表1所示，为合成出三叶玫瑰线等几何图案和所对应的两电机转向组合及各自端电压值。其中: 电机的旋转方向是面向反射镜镀膜层观察而得到的, 屏幕上各图案均为顺时针旋转。表1. 激光图案和对应的两接口的输出电压【实验心得】通过完成实验,我们的动手能力得到很大提高, 而且我对电路的设计, 对元器件的认识, 故障排查, 线路的布局,电路的焊接, 以至于最后电路调试, 我们都有较大程度的收获。整个过程中我们在老师的谆谆教导下,不断调试和修改自己设计电路, 才使控制电路正常工作。由于我们是第一次正式接触到电路焊接操作的，故一开始就体现了动手能力很差，焊接得也很丑。但是随着我们不断锻炼和反思，电路焊接能力也得到很明显的增强。随着实验的进展，我们深切体会到在实际操作中如何运用书本知识。实验中最难的要算焊接完毕后的调试。面对这样一个复杂电路，当其无法正常工作时，如何来查找并排除错误是不容易的。在此过程中，更加体现如何综合运用已学知识，确定检查思路，步步逼近出错点。可以先检查基本的如电压、开关等是否正常，继而芯片的引脚功能是否如预期所设想的等。假如出现异常情况，我们要如何根据书本知识来进行判断、推理。可以检查各个模块的功能，逐步缩小出错点的范围，并最终排除错误，实现激光图案电路系统正常工作。这整个过程使我们对已学书本的电路知识得到一次综合运用，提升了实验动手的操作技能。总之，我非常有收获，非常喜欢此实验课，非常感谢老师们！【实验拓展】本实验虽然已能完成很多功能，有很高的性能。但仍然存在不少优化和拓展空间。如下方向，都是可以的：1.所有的集成运算放大器都可集成到一块LM324N芯片上，而比原先少用一块芯片，集成度显得更高，芯片利用更充分。2.由于4017芯片有10个输出端，故理论上可以做成10路即能显示出20个激光图案的控制电路，使控制电路功能更加强大。3.对电路引入“光控振荡器”，实现“自动挡”，“声控档”，“光控档”等多种途径的控制，使控制电路能适用于不同的环境。【参考文献】1 洪澜电子技术课程教学存在的问题与改革思路J中山大学学报论丛，2003，23(1)：139141；2 洪澜引导开放式电子技术实验教学,全面提高理科学生的动手、创新能力J中山大学学报论丛，2004，24(3)：7071；3 罗振中，吴春煌激光图案电子控制盒的工作原理调试及常见故障分析J广州自动化，1994，15(44)：3135；4 林远芳，黄元庆.一种单片机控制的实用新型的激光图案投射仪J. 自动化与仪器仪表, 1998, 5: 2123；Design and Welding of a Control Circuit for Laser PatternInformation of Optics,School of Physics and Engineering, Sun Yat-sen UniversityAbstract: By control the spee