电子学：第013课——实验 14：可穿戴的脉冲发光体

实验 14：可穿戴的脉冲发光体

到目前为止，我一直在鼓励你把各种器件连接到一起，却没有太多的理论或计划。“发现学习法”就是这样，有计划带你一步步实现目标。

需要的物品

• 连接线、剪线钳、剥线钳、万用表、15W 烙铁、辅助工具
• 9 V 电池和连接器，或 9 V 交流—直流适配器
• 细焊丝（0.6mm）
• 普通多孔板
• 电阻器：470 Ω 2 个、100 kΩ 1 个、4.7 kΩ 2 个、470 kΩ 2 个
• 电容器：3.3 μF 2 个、220 μF 1 个
• 2N2222 晶体管 3 个
• 通用 LED 1 个

复习振荡现象

请翻回到图 2-116，重拾对这个电路的记忆。现在，你的任务是把它做得尽可能小，这样就可以把它戴在身上了。

图 3-66 展示了我为减小电路尺寸进行的一次最成功的尝试，电路搭建在一片 0.9×1.3 英寸的普通多孔板上。以下是一些方法。

• 使用额定功率 1/8 W 的小电阻器，而非 1/4 W 的电阻器。
• 垂直安装电阻器。
• 如果多孔板上的孔足够大，把两根引线穿在同一个孔里。

元件之间的连接线在哪里呢？在板子下面。在图 3-67 中，我把元件画成了灰色，略去了板子，这样你就可以看见接线方法了。

如果将这幅电路图非常仔细地与图 2-116 中的电路图相比较，你会发现，元件间的连接方式完全相同

图 3-68 展示了另一种视图，这一次略去了元件，只显示电路板，这样你就能明白连接线如何适应了电路板上 0.1×0.1 英寸的小孔网格。

最后，图 3-69 展示了向右翻转的电路板，这样你就看见了它的背面。这张图将帮助你连接电路元件。你一定会试一试的，对吧？

弯曲引脚并焊接

那么你应该如何进行所有的连接呢？

这并不困难。电阻器、电容器和晶体管的引脚通常至少长 1/2 英寸。因此，你可以把它们插入多孔板上的小孔内，然后弯曲引脚，使它们互相接触，再把它们焊接在一起。剪掉多余的引脚，连接电池，工作就完成了。

你需要注意三个主要问题。

• 使电路板在工作时保持稳定需要一定的谨慎和耐心。使用辅助工具很有必要。
• 元件和焊接点之间的距离将非常近，请使用铜质弹簧夹提供散热保护。
• 把电路板翻来覆去很麻烦，你很容易把导线连错位置。我认为这才是最困难的部分。

或许你见过这样的多孔板：每个小孔周围都加了一圈铜。这样的多孔板适合本实验吗？铜圈的有点是可以牢固固定元件，但是它们也能在距离很近的导线之间形成短路。我认为裸电路板对于这样的一个小项目来说更容易一些。图 3-22 展示了一个例子。有些多孔板上的孔更大，但是并没有太显著的差异。

按步操作

以下是搭建电路的具体步骤。
裁下一块普通多孔板，大小为 0.9×1.3 英寸。（不需要用有刻度的尺子，数好板子上孔的排数就行。）

准备好所有的元件，仔细地把三四个元件插入小孔，数一数孔的个数，确保元件的位置正确。

把板子翻过来，弯曲元件的引脚，使它们固定在板子上，做成如图 3-69 所示的连接。如果有的引脚
不够长，你就得用一段 22 线规的导线来补充。要剥除导线的绝缘层，因为绝缘层有阻碍作用。

用剪线钳大概修剪一下导线。

用烙铁进行焊接。
现在是最重要的部分：用近距离放大镜检查每个焊接点，用尖嘴钳扭动导线。如果焊料不够，不能形成牢固的焊接点，就重新加热，再加一点焊料。如果焊料形成的连接位置有误，你可以用美工刀在焊料上平行切两刀，刮除中间的部分。

通常，我一次只焊接三四个元件，因为如果数量太多，我就容易糊涂。如果我把一个元件焊错了位置，改正错误还不太困难——除非我在发现错误时已经又焊上了更多元件。

注意：迸飞的导线段

剪线钳的钳口力量很大，在剪断导线时，力量会达到顶峰，然后突然释放。这种力量会转化为被剪下的导线段突然具有的动能。有些导线比较软，不会造成威胁，但是晶体管和 LED 的引脚比较硬，可能有危险。小段导线会以不可预知的角度高速飞出，在你进行近距离工作时，对眼睛十分危险。

普通的眼镜能在修剪导线时保护你的眼睛。如果你不戴眼镜，使用塑料护目镜也是非常好的方法。

完成工作

我通常使用明亮的灯光照明。这并不是奢侈，而是必需。如果你还没有台灯，就买一盏。台灯不需要很昂贵，便宜的就可以。

我使用日光光谱 LED 台灯，因为它能帮助我更可靠地辨认出电阻器上的色带。我原来用的是荧光台灯，当我发现灯管涂层上的任何小瑕疵都会让紫外线泄漏出来之后，我就不再用它了。近距离在灯下工作时，紫外线辐射会构成威胁。

无论视力有多好，你都应该用放大镜检查每个焊接点。你将会对某些焊接点的不完美程度感到吃。把放大镜尽量靠近眼睛，然后拿起电路板，慢慢靠近放大镜，直到你观察的焊接点变得清晰为止。

最后，你做成的电路发出的脉冲应当像心跳一样。是不是？如果电路不能工作，请回头检查每个连接点，将其与电路图比较。如果没有发现问题，就给电路加上电源，将万用表的黑色表笔与负极连接，用红色表笔检查电路各点的电压。电路工作时，各部分都应该至少具有一定的电压。如果你发现有的连接点处电压为零，可能是因为焊接点断裂了，或者根本没有焊接。

做完电路后，又该干什么呢？现在你可以从电子学爱好者转变成手工艺爱好者了。你可以试着想出一个方法，把电路做成可穿戴的器件。

首先需要考虑的是电源。由于所用元件的要求，电路需要 9 V 电源才能正常工作。如何在带着一个庞大的 9 V 电池的情况下把这个电路改造成可穿戴器件呢？

我想到了三种方法。

• 可以把电池放在口袋里，把闪光装置安装在口袋外面，一根细导线穿过口袋。
• 可以把电池安装在棒球帽的帽顶里面，闪光装置安装在前面。
• 可以把三节 3 V 纽扣电池摞在一起，放在塑料夹子里，但是我不确定它们能用多长时间。

我必须说明一下，本实验的 2N2222 晶体管并不理想，因为它们使用的电能比场效应晶体管（也
叫 MOSFET）更多。但是，我决定在本书中只使用一个类别的晶体管，而双极型 NPN 型晶体管是最基本的类型。

再说一说 LED 的选择。透明的 LED 会产生边界清晰的光束，对于此实验可能不太适合，而漫射光束更惹人喜欢。为了扩散 LED 的光束，你可以把LED 装在一块厚度至少为 1/4 英寸的透明丙烯酸塑料
中，如图 3-70 所示。用细砂纸把丙烯酸塑料的外表磨粗糙，最好使用旋转式砂光机，它不会磨出明显的图案。这样，丙烯酸塑料就变得半透明。

在丙烯酸塑料的背面钻一个比 LED 略大的孔，但不要钻透。向孔中吹入一些压缩空气，清除孔中的碎屑和尘土。如果你没有空气压缩机，用水冲洗也可以。

在钻孔完全干燥后，用一些透明的硅树脂或混合一些透明的环氧树脂，滴一滴在钻孔的底部。

然后把 LED 推入钻孔中，让环氧树脂填满 LED 周围，形成严密的密封。

点亮 LED，如果有必要，继续用砂纸打磨丙烯酸塑料。最后，你可以决定把电路安装在丙烯酸塑料的背面，还是引出一根导线连接到别的地方。
你可以选择振荡器电路中的电阻器阻值，使 LED 的闪烁频率接近人体静止时心脏跳动的频率。

这样整个器件看起来就像正在测量你的脉搏，如果你把器件装在胸膛中央或用带子绑在手腕上，那就更像了。如果你喜欢恶作剧，就可以宣称自己的身体简直太好了，甚至连你进行剧烈运动时，脉搏都能保持恒定。

为了给器件做一个美观的外壳，我考虑了几种方案，从把整个器件安装在透明环氧树脂中到寻找维多利亚风格的小盒，等等。其他选择方案就留给你自己考虑吧，因为这是一本电子学教材，而不是手工艺教材。但是，我还要说明一个与手工艺有关的问题，而现在正是好机会。

背景知识：让人抓狂的度量制

本书中，我主要使用英寸为度量单位，但是有时我也冒险使用公制度量单位，例如“5 mm
LED”。不是因为我个人没有做到统一，这反映了电子工业矛盾的现状：日常生活中英寸和毫米都很常用，经常在同一张数据表上出现。例如，表面安装芯片的引脚间距通常用毫米表示，但通孔芯片的引脚间距仍然表示为 0.1 英寸，并且可能一直保持下去。

使事情更复杂的是，在使用英寸的场所，分数的英寸有两种不同表示方法。例如，钻头的尺寸用
1/64 英寸的倍数表示。金属垫片以 1/1000 英寸的倍数（0.001 英寸、0.002 英寸，等等）划分等级。更令人困惑的是，金属片的厚度通常用“线规”表示，例如 16 线规钢片的厚度大约为 1/16 英。

为什么美国不改用公制度量系统呢？公制看起来更加合理啊！

我们可以讨论一下它的合理性。当公制度量系统于 1875 年正式提出时，“米”的定义是沿一条穿过巴黎的线，从北极到赤道之间距离的 1/10 000 000。为什么是巴黎？因为这个概念是法国人提出的。从那以后，经过一系列为提高科学应用中的精度而进行的努力，“米”又被重新定义了三次。

说到十进制系统的实用性，移动一个小数点当然比计算一英寸的 1/64 更简单，但是我们使用十进制的唯一原因是我们恰好习惯了用十个手指计算。十二进制系统确实更方便，因为数字可以被 2和 3 整除。

以上内容均为猜想。事实是，我们无法摆脱长度测量的矛盾，所以我画了四张表格，帮助你进行系统间的转换。从表格中你能看出，若需要为 5 mm 的 LED 钻一个孔，3/16 英寸的钻头比较合适。（实际上，这个孔比真正以 5 mm 钻出的孔更小。）

图 3-71 将帮助你在 1/64 英寸和 1/100 英寸的倍数间转换。灰色的一列被均分成 64 份，蓝色的一列分成 32 份，绿色的一列分成 16 份，橘黄色的一列分成 8 份。通常，如果一个值可以用较大的单位精确表示，我们就采用这种表示方法；因而我们不说一英寸的 8/64，而说一英寸的 1/8。在你试图比较两个测量值孰大孰小时，这种表示方法又会引发混乱——例如，11/32 英寸比 5/8 英寸大吗？

请查看图表以证实猜测。

因为数据表经常使用单位为英寸的十进制小数表示尺寸，所以图 3-72 中的第二个表格进行了十进制和 64 进制之间的转换。你很有可能见到 0.375 英寸这样的测量值，要知道它等于 3/8 英寸，类知识非常有用。

很多数据表同时提供毫米和英寸测量值，但一些数据表现在只使用毫米表示。如果你仍然习惯用英寸思考，或者想知道元件是否适合面包板或多孔板上 1/10 英寸的孔间距，那么牢记 1/10 英寸等于 2.54 mm 将十分有用。假如元件很小，那么 2.5 mm 倍数的引脚间距可以接受。但是，不小于 25 mm的引脚间距可能不适应间距为 25.4 mm（即一英寸或以上）的孔。

图 3-73 展示了毫米、1/100 英寸的倍数和 1/64 英寸的倍数之间的转换关系。

图 3-74 是图 3-73 的放大版，展示了 0.1 mm 的倍数和 1/1000 英寸的倍数之间的转换关系。

过去四十年中，美国在采用公制度量系统方面作出了一些进步，但是转换完成还需要数十年时间。在此期间，任何使用美国生产或销售的零件或工具的人员都应该熟悉这两种度量系统，除此之外没有其他的方法。