制作与调试电子生日蜡烛的方法简介

◇教学目标◇

◇任务描述◇

电子生日蜡烛是模拟蜡烛工作的，具有点火灯亮，风吹灯灭的特点，而且比蜡烛更环保、安全。所以，现在生日聚会更常使用电子生日蜡烛。图5-1是一个简单的电子生日蜡烛电路，通过打火机点燃热敏电阻，二极管发光；嘴吹话筒，二极管熄灭，从而实现蜡烛的功能。

图5-1 电子生日蜡烛电路图

◇任务要求◇

（1）根据电路图设计单面PCB板，元器件布局合理，大面积接地。

（2）单面PCB板的设计和安装，面积小于 10 cm×10 cm。

（3）集成电路采用插座安装，电位器安装在方便调节位置。

◇相关知识◇

一、CD4013

CD4013是CMOS双D触发器，内部集成了两个性能相同、相互独立（电源共用）的D触发器。它采用14引脚双列直插塑料封装，是目前设计开发电子电路的一种常用器件。它的使用相当灵活方便且易掌握，受到许多电子爱好者的喜爱。CD4013引脚功能如图5-2 所示。

图5-2 CD4013引脚功能

CD4013各引脚功能说明如下：

（1）1D、2D：数据输入端。

（2）1CP、2CP：时钟输入端（时钟上升沿触发有效）。

（3）1Q、2Q：原码（逻辑正）输出端。

（4）1、2：反码（逻辑负）输出端。

（5）1SD、2SD：异步置位端（高电平有效）。

（6）1RD、2RD：异步复位端（高电平有效）。

（7）VDD：电源正端。

（8）VSS：系统地（0 V）。

图5-3为CD4013内部结构。它由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成，每个触发器有独立的数据（D）、置位（SD）、复位（RD）、时钟输入（CP）及输出（Q）。CD4013可用作移位寄存器，且通过将输出端Q连接到数据输入端，可用作计数器和触发器。在时钟上升沿触发时，加在输入端D的逻辑电平传送到输出端Q。置位和复位与时钟无关，分别由置位或复位线上的高电平完成。CD4013工作电压VDD推荐使用为5～15V，输入端口必须接VDD、VSS或其他输入脚。

图5-3 CD4013内部结构

CD4013的每个D触发器都有6个端子，其中2个输出，4个控制。4个控制分别是R、S、CP、D，其中，R和S不能同时为高电平。

（1）当R为1、S为0时，输出Q一定为0，因此R可称为复位端。

（2）当S为1、R为0时，输出Q一定为1。

（3）当R、S均为0时，Q在CP端有脉冲上升沿到来时动作，具体是Q=D，即若D为1则Q也为1，若D为0则Q也为0。

CD4013真值表。

表5-1 CD4013真值表

设电路初始状态均在复位状态，Q1、Q2端均为低电平。当fi信号输入时，由于输入端异或门的作用，其输出还受到触发器IC2的Q2端的反馈控制（非门F2是增加的一级延迟门，A点波形与Q2相同）。在第1个fi时钟脉冲的上升沿作用下，触发器IC1、IC2均翻转。由于Q2端的反馈作用，使得异或门输出一个很窄的正脉冲，宽度由两级D触发器和反相门的延时决定。当第1个fi脉冲下跳时，异或门输出又立即上跳，使IC1触发器再次翻转，而IC2触发器状态不变。这样，在第1个输入时钟的半个周期内促使IC1触发器的时钟脉冲端CL1有一个完整周期的输入。在之后的输入时钟的作用下，由于IC2触发器的Q2端为高电平，IC1触发器的时钟输入会跟随fi信号（反相或同相）。原本IC1触发器输入两个完整的输入脉冲便可输出一个完整周期的脉冲，现在由于异或门及IC2触发器Q2端的反馈控制作用，在第1个fi脉冲的作用下，得到一个周期的脉冲输出，所以实现了每输入一个半时钟脉冲，在IC1触发器的Q1端会取得一个完整周期的输出。

二、温度传感器（热敏电阻）

热敏电阻是热敏元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。热敏电阻的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻值越低。它们同属于半导体器件。

本电路采用负温度系数热敏电阻器（NTC），常温下的电阻值为100 kΩ左右。检测时，用万用表欧姆挡直接测量，实际测量值为80 ～100 kΩ。当用打火机点燃后，电阻值急速下降挡10 kΩ以下。

三、驻极体话筒

驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中，属于最常用的电容话筒。由于其输入和输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此，驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。

将模拟式万用表拨至R×100挡，两表笔分别连接话筒两电极（注意不能错接到话筒的接地极），待万用表显示一定读数后，用嘴对准话筒轻轻吹气（吹气速度慢而均匀），边吹气边观察表针的摆动幅度。吹气瞬间表针摆动幅度越大，话筒灵敏度就越高，送话、录音效果就越好。若摆动幅度不大（微动）或根本不摆动，说明此话筒性能差，不宜应用。

四、工作原理

本电路利用双D触发器CD4013中的一个D触发器，接成R-S触发器形式。接通电源后，R7、C3组成的微分电路产生一个高电平微分脉冲加到IC1的1RD端，强制电路复位。1Q端输出低电平，送到三极管V4的基极也为低电平，V4截止，发光二极管D1不发光。

当用打火机烧热敏电阻R2后（烧的时间不能太长，否则容易烧坏热敏电阻），R2的阻值突然变小，呈现低电阻状态，三极管V1导通，产生的高电平脉冲送到CD4013的1SD端，使1Q端翻转变为高电平，送到三极管V4的基极也为高电平，V4导通，发光二极管D1发光。这一过程相当于火柴点燃蜡烛。此时即使打火机离开热敏电阻R2后，电路状态也不会发生改变，发光二极管D1维持发光。

当用嘴吹驻极体话筒M1时，M1输出的音频信号经过C2送到V2的基极，触发V2导通。因R5的阻值比较大，故V2的集电极电位降得很低，PNP型三极管V3的基极电位也就很低，从而使V3导通，高电平脉冲送到CD4013的1RD端。触发器复位，1Q端由高电平变为低电平，V4截止，发光二极管D1熄灭，从而实现风吹火熄的仿真效果。

◇软件仿真◇

一、Proteus软件介绍

1．Proteus概述

Proteus是英国Labcenter公司开发的EDA工具软件，它集合了原理图设计、电路分析与仿真、单片机代码级调试与仿真、系统测试与功能验证以及PCB设计完整的电子设计过程。Proteus ISIS是智能原理图输入系统，利用该系统既可以进行智能原理图的设计、绘制和编辑，又可以进行电路分析与实物仿真。尤为突出的是，它是到目前为止最适合单片机系统开发使用的设计与仿真平台。

Proteus ISIS运行于Windows操作系统上，其主要特点如下：

（1）具有强大的原理图绘制功能。

（2）实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。Proteus ISIS具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS-232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真等功能。Proteus ISIS还具有示波器、信号发生器等多种虚拟仪器。(www.xing528.com)

（3）提供软件调试功能。Proteus ISIS具有全速、单步、设置断点等调试功能，可以观察各个变量、寄存器等的当前值，支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 μVision2、Matlab IDE等软件。

（4）支持主流单片机系统的仿真。目前Proteus ISIS支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。

总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。

2．启动Proteus ISIS

在计算机上安装好Proteus后，双击桌面上的ISIS 8 Professional图标或者通过选择屏幕左下方的“开始”→“程序”→“Proteus 78Professional”→“ISIS 8 Professional”，启动Proteus软件。启动后，出现如图5-4所示的画面，表明此时已进入Proteus ISIS集成环境。

图5-4 Proteus ISIS启动界面

3．工作界面简介

Proteus ISIS的工作界面是一种标准的Windows界面，如图5-5所示，包括标题栏、菜单栏、工具栏、对象预览窗口、器件选择按钮、对象选择区、编辑区、仿真控制按钮和状态栏。

图5-5 Proteus ISIS的工作界面

下面简单介绍Proteus ISIS工作界面各部分的作用。

（1）编辑区：在编辑区中可编辑原理图，设计各种电路、符号和器件模型等。同时，它也是各种电路的仿真平台。

注意：这个窗口是没有滚动条的，可用预览窗口来改变原理图的可视范围。同时，它的操作不同于常用的Windows应用程序，正确的操作是：鼠标单击左键放置元件，滚动中键放缩原理图，单击右键选择元件，双击右键删除元件，先右键后单击左键编辑元件属性，先右键后长按左键拖曳为拖动元件，连线用左键，删除用右键。

（2）对象预览窗口：对象预览窗口可显示两个内容，一个是在元件列表中选择一个元件时，会显示该元件的预览图；另一个是当鼠标左键单击空白编辑区或在编辑区中放置元件时，会显示整张原理图的缩略图，并会显示一个绿色的方框，绿色方框里面的内容就是当前原理图窗口中显示的内容。因此，可在对象预览窗口中单击鼠标左键来改变绿色方框的位置，从而改变原理图的可视范围。

二、原理图绘制

进入Proteus仿真软件，从元件库中选择CD4013、发光二极管、三极管、电阻等，并置入对象选择器窗口，再放置到图形编辑窗口。在图形编辑窗口中画好仿真原理图，如图5-6所示。

图5-6 电子生日蜡烛电路仿真原理图

三、仿真调试

在对象选择器中找到“Instruments”，在其中找到“oscilloscope（双踪示波器）”，连接到CD4013的1Q端，单击“虚拟仪表”按钮，按照图5-7所示的电子蜡烛电路仿真原理图布置并连接好。按下“仿真”按钮，观察并记录发光二极管的状态和记录示波器显示的波形。

图 5-7 电子蜡烛电路仿真波形

◇任务实施◇

一、电路的安装

（1）焊接。在万能板上对元器件进行布局，并依次焊接。焊接时，注意电解电容及三极管的极性。

（2）检查。检查焊点，查看是否有虚焊、漏焊；检查电解电容及三极管的极性，看是否连接正确。

（3）元件清单（表5-2）。

表5-2 元件清单

二、电路的测试与调整

1．工作原理分析

本电路主要组成部分为温度传感器、驻极体话筒及CD4013控制电路。

2．调试与排除故障

电路安装完毕，经检查无误后即可通电调试，按表5-3要求调试、测量数据，并将测量数据填入表5-3中。

表5-3 电子生日蜡烛调试波形

◇思考题◇

如果在调试时发生以下故障，请分析原因，写出排除故障的方法。

①

②

③

三、总结

本任务使你学习到了哪些知识？积累了哪些经验？填入表5-4中，有利于提升自己的技能水平。

表5-4 工作总结

四、工作岗位6S处理

工作任务全部完成后，关闭工作台总电源，拆下测量线和连接导线，归还借用工具仪器。组员对工作岗位进行“整理、整顿、清扫、清洁、安全、素养”处理。维护和保养测量仪器、仪表，确保其运行在最佳工作状态。

◇任务评价◇

表5-5 电子生日蜡烛装调评价表