青少年电子制作培训教材

1 青少年电子制作青少年电子制作培训教材培训教材 竞赛篇竞赛篇 第一讲第一讲 电子制作锦标赛简介电子制作锦标赛简介 一一 全国青少年电子制作锦标赛发展概况 全国青少年电子制作锦标赛发展概况 全国青少年电子制作锦标赛是由国家体育总局 教育部 中国科协 全国妇联 共青团中央 联合主办的一项全国性赛事 已被国家体育总局正式列入科技竞技体育运动项目 其目的是为了 更好的对青少年进行全面素质教育 锦标赛从1998年立项至今已成功举办了十余届 全国竞赛每年一次 现每届都有十多个省市 的一百多个代表队参加 参赛选手已达2600多人次 有小学 初中 高中 含职高 技校 男 女 学生 还有不少幼儿园的小朋友也来参加 为了便于各地区青少年参赛 近年开始举办各地区的锦标赛 获奖的规格与全国锦标赛相同 为了促进各地青少年电子制作活动的开展和推广 全国锦标赛组委会还经常派专家或辅导老 师去各地举办教练员 辅导员 裁判员培训班 协助举办省 市 县的电子制作竞赛活动和各地 区的锦标赛工作 每年定期举办两次全国性的教练员 辅导员 裁判员培训班 以利于竞赛水平 和成绩的提高 全国青少年电子制作锦标赛的发展过程是一个发展中创新 创新中发展的过程 无论是竞赛 的程序 规则还是竞赛的内容 题型都在不断改进 提高和完善 最初竞赛是用指定器材BD 型118种电路的 百拼电子世界 来进行电路拼装 后来又开发了 118种电路加强包A型 简称加强 包 新增了200多个电路 两者合併作为竞赛的指定器材 百拼电子世界 用这套器材中列举的 电路进行改造 设计 创新就可以完成上千 乃至上万个电路的实验 从而为广大青少年增强创 新意识 发展创新思维 提高创新能力 培养创新精神提供了一个广阔平台 如果仅仅是电路创新设计竞赛 那么它与青少年电子制作锦标赛还有较大的差距 只评审已 完成的电路实验 则难以了解青少年的电子制作水平 为此 自从2003年开始 锦标赛增设了 现 场电子制作工艺竞赛 现称现场电子制作竞赛 参赛选手自带工具 在竞赛现场定时完成指定的 电子作品的制作 并当场显示电路的功能 通过现场电子制作竞赛 进一步考察青少年的动手能 力和制作技能 这就使全国青少年电子制作锦标赛更加名副其实 并且为培养 提高青少年的实 践能力又开劈了一个重要的途径 2006年 全国电子制作锦标赛的竞赛内容又有拓展和创新 基础型机器人竞赛又被国家体育 总局航空无线电模型运动管理中心批准列入全国青少年电子制作锦标赛的竞赛项目 并单独设立 单项奖 全能奖和团体奬 2006年8月在杭州举行的第九届全国青少年电子制作锦标赛中 参加新 设置的 基础型机器人竞赛 的小学 初中 高中选手达到1200多人 2007年研制 开发了智能车 经一年多的研讨 试验和改进 并制定了相应的规则和程序 还在多个省市进行试赛 2008年 经国家体育总局航空无线电模型运动管理中心批准 智能车竞 赛正式列入全国电子制作锦标赛项目 并相应设有单项奖 全能奖和团体奖 2009年改称基础型 寻轨器竞赛 2008年8月初在浙江省委党校举行的笫十一届全国青少年电子制作锦标赛中 参加智能车竞赛 2 的小学 初中 高中学生就达八百人之多 第12届全国锦标赛是2009年9月在南京十月军校举行的 青少年电子制作活动与竞赛是一门综合素质教育活动课程 融中 小学劳动技术教育 科技 创新教育和科技竞技体育活动于一体 旨在培养青少年的创新精神和实践能力 也是基础教育新 一轮课程改革实施综合实践和通用技术教育的有效途径之一 青少年电子制作活动与竞赛己引起 各地教育行政 教研部门的密切关注 也吸引了越来越多的中 小学校参与 创造是民族的灵魂 创新是人类的永恆 我们相信 全国青少年电子制作锦标赛一定会在发 展中不断地创新 在创新中不断地发展 二二 福建省青少年电子制作锦标赛发展概况 福建省青少年电子制作锦标赛发展概况 第一届 于 2005 年厦门市松柏中学举行 2006 年龙岩师范附属小学举办 2007 年漳州市实验小学举办 2010 年前埔南区小学举办 2011 年五缘实验小学举办 附部分比赛照片 三三 福建省青少年电子制作锦标赛竞赛内容 福建省青少年电子制作锦标赛竞赛内容 A 电子百拼 电子百拼 B 电子小拼 电子小拼 C 基础型机器人 基础型机器人 D 基础型寻轨器 基础型寻轨器 E 基础焊接 基础焊接 F 绿色栽培 绿色栽培 现对各项竞赛内容作简单介绍 A A 电子百拼 电子百拼 1 指定电路个人赛 2 团体赛 指定电路个人的前四名的总和为团体赛成绩 3 创新电路个人赛 B B 电子小拼 电子小拼 1 指定电路个人赛 2 团体赛 指定电路个人的前四名的总和为团体赛成绩 3 创新电路个人赛 C C 基础型机器人竞赛 基础型机器人竞赛 两个项目 两个项目 1 基础型机器人制作赛 2 基础型机器人行走定点赛 3 团体赛 D D 基础型寻轨器竞赛 基础型寻轨器竞赛 两个项目 两个项目 3 1 基础型寻轨器制作赛 2 基础型寻轨器行驶赛 3 团体赛 E E 基础焊接 基础焊接 1 基础焊接制作赛 2 基础焊接团体赛 F F 绿色栽培 绿色栽培 1 成果赛 2 观察赛 中学组 小学组全能团体赛中学组 小学组全能团体赛 第二讲第二讲 常用电子元器件的识别和应用常用电子元器件的识别和应用 1 1 电阻 固定 可变二类 电阻 固定 可变二类 电阻器简称电阻 电阻具有阻碍电流并造成能量损耗的作用 电阻在电路原理图中 常用 符号 R 表示 单位是 欧姆 用希腊字母 表示 超过 1000 的电阻常用 K M 表示 电路图标注通常还省略 1000 1K 1000K 1M 电阻在电路中常用来限 制电路中的电流 控制分配电压等作用 可以手动调节的电阻又称为电位器 可变电阻有三个引脚 其中两个引脚之间的电阻值固 定 第三个引脚与任两个引脚间的电阻值可以随着轴臂的旋转而改变 电阻值随外界光照强弱 明暗 变化而变化的电阻叫光敏电阻 光越强阻值越小 光越弱 阻值越大 按材料由碳膜电阻 金属膜电阻 线绕电阻 水泥电阻 等 按功率由 1 16W 1 8W 1 4W 1 2W 1W 2W 等 a a 色环电阻 以色环表示阻值 色环电阻 以色环表示阻值 图图 1717 4 色环颜色含义对照表 色环电阻的辨认 色环电阻辨认练习 单位 色环颜色 例 阻值备注 1 棕黑黑 10 末环为黑 几十欧 2 棕黑棕 100 棕 几百欧 3 棕黑红 1k 红 几千欧 4 棕黑橙 10k 橙 几十千欧 5 棕黑黄 100k 黄 几百千欧 6 棕黑绿 1M 绿 几兆欧 b b 电阻的图形符号 电阻的图形符号 图图 1818 c c 电阻的单位换算 电阻的单位换算 2 2 电容器 电容器 固定和可变二类固定和可变二类 电容的作用 具有储存电荷的能力 在电路中具有 通高频 阻低频 和 通交流 隔直 流 的能力 表示电容器电荷容量大小的基本单位是 法拉 用字母 F 表示 我们通常只使用更小 的单位 微法 常用字母 uF 表示 微微法 又叫 皮法 常用 pF 表示 色环颜色阻值 1 绿棕黑 51 2 红黑棕 200 3 绿蓝红 5 6k 4 红黑橙 20k 5 绿黑黄 500k 6 红黑绿 2M 5 1F 1000000uF 1uF 1000000pF 电容值在电路图中的具体表示方法较多 有的电路图直接标出单位 例如 150pF 0 01uF 220uF 等 有的电路图则用数字表示 如 103 为 0 01uF 104 为 0 1uF 这类电容的表示方法实际上采用 pF 为基本单位 前两位是有效数字 第三位表示有效 数字后面 0 的个数 例如 271 表示 270pF a a 电容器的分类 电容器的分类 按材料分有陶瓷 涤伦 聚丙烯 铝电解 钽电解 等电容器 按耐压分有 16V 25V 63V 100V 160V 250V 1000V 等 按极性分有无极性和有极性二类 电解电容属有极性电容 它的负极在外壳一侧 有明显 的浅灰色细条作为标记 b b 电容器的图形符号 电容器的图形符号 图图 1919 c c 电容器单位换算 电容器单位换算 d d 电容器的识别 电容器的识别 只用数码表示电容器的方法 凡不带小数点的整数 不标单位 则单位是 PF 微微法 如 300 表示 300PF 凡带有小数点的数 不标单位 则单位是 F 如 0 22 表示 0 22 F 三位有效数字表示电容的方法 第 1 2 位表示 有效数字 第 3 位是倍率 如 103 表示 10000pF 0 01 F 如 104 表示 100000pF 0 1 F 3 3 晶体三极管晶体三极管 NPN NPN PNPPNP 二类二类 晶体管是电子装置中的重要元器件 由半导体材料制成 包括二极管和三极管 半导体是一种具有特殊性质的物质 它不像导体一样能够完全导电 又不像绝缘体那样不 能导电 它介于两者之间 所以称为半导体 二极管有正负极性 并具有正向导通 反向不导通的特性 根据不同的用途 分为会发光 的发光二极管 检波二极管 整流二极管和稳压二极管等 一般电路图会给出具体型号 实验运用的时候要对号入座 注意极性 常用二极管封装为圆柱状 有环形标志的一端是负极 发光二极管的长脚为正极 参见符 号元器件对照表 二极管不要直接和电源两端相连接 例如发光二极管一般都要通过限流 6 电阻接到电源两端才能正常工作 否则就会损坏 基本参数 符号 管脚排列图示如下 详见知识篇第六讲 NPNNPN 和和 PNPPNP 主要是电流方向和电压正负不同主要是电流方向和电压正负不同 NPN 是用 B E 的电流 IB 控制 C E 的电流 IC E 极电位最低 且正常放大时通常 C 极电位最高 即 VC VB VE PNP 是用 E B 的电流 IB 控制 E C 的电流 IC E 极电位最高 且正常放大时通常 C 极电位最低 即 VC VB ub ue 通过基极电流控制集电极电流的大小 且两者变化一致 要大都大 要小都小 发射区向基 区发射电子 基区中电子的扩散与复合 集电区收集电子 ie ic ib 饱和 随着集电极电流增大 集电极外接电阻分压导致集电极 uc 降低 ub uc 进入饱和 集电极电流不受基极 信号左右 电流基本不变 且大于放大时电流 截止 Ub ue 电子总是跑向高电位 发射区不能向基区发射电子 三极管处于截止状态 集电极 电压等于 VCC 最后一种情况不常见 4 4 二极管 二极管 图图 2121 7 图图 2222 1 普通二极管 整流或检波用 2 光电二极管 光电二极管在使用时是反向接入电路中的 它的正极和电源负极相通 负 极和电源正极相通 无光照时内阻很大 受光照以后内阻变得很小 为此 利用光接收 光电 转换应用于控制电路中 如基础型寻轨器 3 变容二极管 使用时也反接 反向电压变化 时 变容二极管的 PN 结电容随之变化 此特性可应用在自动 频率微调 电调谐等电路中 4 发光二极管 有红色 绿色 白色 黄色 蓝色 橙色 多变色 等 工作电压有 1 7v 1 85v 2 3v 2 8v 等 详见知识篇第五讲 4 4 集成电路 集成电路 随着半导体工艺技术的突飞猛进 人们能够按照需要 在一小片半导体材料上集成 并连 接许多晶体管和部分阻容元件 完成某种或多种特定功能 并将其封装留出引脚备用 这 就是集成电路 集成电路是一种采用特殊工艺 将晶体管 电阻 电容等元件集成在硅基片上而形成的具 有一定功能的器件 英文为 Integrate Circuit 缩写为 IC 也俗称芯片 集成电路的出现大力推动了电子技术的发展 如今的多数家用电器都用上集成电路 特别 是家用电脑主要是由集成电路构成 集成电路根据不同的功能用途分为模拟和数字两大派别 而具体功能更是数不胜数 其应 用遍及人类生活的方方面面 集成电路根据内部的集成度分为大规模中规模小规模三类 其封装又有许多形式 双列直插 和 单列直插 的最为常见 按封装材料分有陶瓷和塑料二类 按引脚引出的方式分为扁平和双列直插式二种 目前我们接触到的有三个集成电路 1 CD 4069 六反相器 十四脚 塑封 双列直插式 2 555 时基电路 八脚 塑封 双列直插式 3 LM 358 双运放 八脚 塑封 双列直插式 以上集成电路都配有标准配套插座 现场制作时 应先将插座焊于线路板上 待全部焊接制 作完畢后 经检查无误 方可插入集成电路 以免静电及无故 损坏集成电路 1 集成电路正面引脚排列图示 反时针方向 图 24 2 集成电路插座 八脚 十四脚 图 25 8 图图 2424 图图 2525 3 集成电路底视引脚排列图示 顺时针方向 图 26 图图 2626 图图 2727 4 集成电路 CD 4069 外引线排列图 图 26 27 5 集成电路 LM358 外引线排列图 图 28 图图 2828 图图 2929 6 集成电路 555 正面外引线排列图 图 29 555 时基电路内电路功能详见知识篇第十讲 电感器电感器 电感器是根据电磁感应原理用漆包线绕制而成 一般都是根据具体需要制成专用电感元件 在电 子制作材料中往往都有具体的绕制说明 9 电感器常用 L 表示 基本单位是亨利 字母符号 H 常用更小单位毫亨 mH 微亨 uH 1H 1000mH 1mH 1000uH 电感器的特性恰恰与电容的特性相反 它具有阻止交流电通过而让直流电通过的特性 常和电容 器一起工作 构成 LC 滤波器 LC 振荡器等 电路图符号电路图符号 收音机磁棒线圈收音机磁棒线圈 感应线圈的缠绕及相关感应线圈的缠绕及相关 用一尺寸适合的白纸片中间垫上一条卡纸包裹在磁棒上做骨架 用胶 水粘牢 待干后用漆包线在骨架上并密绕 75 圈 为了防止线圈松动 然 后拔掉垫在中间的卡纸条 检查磁棒能否在线圈中自由移动即可 余出 6 厘米左右的线头 要记得将线头的绝缘漆刮掉露出铜约 1 厘米 调感式收音机省略体积较大的可变电容器 但要注意防止磁棒摔到 地上 磁棒材料较脆 容易断裂 不小心损坏看用 502 水粘合 第三讲第三讲 电子百拼和小拼电子百拼和小拼 指定电路 创新电路及有关 指定电路 创新电路及有关 电子元器件知识补充电子元器件知识补充 指定电路 指定电路 比赛中的指定电路是由说明书里的电路图中选出来的及拼装出和书本一样的电路图 创新电路 创新电路 创新电路是指在原有的书本上加以修改的简易图形 根据选手理解的方式自行拼 装 达到要求即可 10 判断百拼图拼装 创新正确与无效的规定 判断百拼图拼装 创新正确与无效的规定 选手在现场宣布的规定时间内 逐一独立完成各种指定电路 选手每正确完成一种电路 通过声 光 电等效果判断 由裁判员现场 计时 计时精确到秒 凡不能按题意显示效果的其成绩无效 虽能显示效果 但有下列情况之一者 该题完成时间为指定完成时间再加5 分钟 1 未采用指定器材或零配件的参赛者 11 2 拼装不平整 中学组如选用导线太长 而导致不齐除外 或层次混乱 3 无底板拼装或连接点超出底板 4 非指定零配件在底板上出现或指定的零配件不在底板上 5 元器件的极性颠倒或配件不全 6 拼装层次超过三层 创新拼装和创新设计除外 7 未用子母扣连接或子母连接不牢固影响电路正常工作 8 导线或元器件在相邻层交叉 9 合上开关 电路需调整或调试后才能显示功能 10 计时生效再次触动 更改或增减拼装板上的零件 11 主动或被动给予或接受别人帮助 12 不服从裁判或不按申诉程序提出申诉 且严重影响竞赛进行者 13 违反竞赛其它相关规定者 电子百拼电路图有出现电动机和干簧管 底板上少扇叶和磁铁是为未采用指定零配件 电子小拼实验插板使用说明电子小拼实验插板使用说明 46 列实验插板中间有一凹槽 其两边分布 23 列五个内部相连的插孔 列与列之间的插孔相互绝缘 插板的上下另外分布两条编号为 X 和 Y 五个一排共四组的插孔 内部分别相连 分布在同一列五孔的元器件管脚连接在一起 12 13 电子小拼装图例 使用面包板注意事项 在插板上完成电路拼装 要注意将元件引脚垂直顺势插入实验板 避免过分用力折 弯引脚 并确保与插孔簧片接触良好 对于集成电路 三级管和发光二级管等引脚容易折断的元器件 尽量不要 将引脚张得太大 以免引起器件损坏 在拼装电路顺序上 先安排这些元器件定位 后拼插其它长脚元器件 元器件要按指定电路器件参数的要求拼装 注意极性不要颠倒 其他元器件可以根据实际情况适当剪脚 每列五孔不够用或者元器件引脚交叉跨接的时候 可以用跳线连接扩展 14 判断小拼图拼装 创新正确与无效的规定 非幼儿园组竞赛项目 判断小拼图拼装 创新正确与无效的规定 非幼儿园组竞赛项目 工艺评分办法 1 发光二极管 三极管和集成电路引脚弯曲拱起 跨距在于两格 元路件引 脚交等每处加 10 秒 收音机磁棒不能自由移动 元器件参数与电路图不符等每处加 30 秒 2 规定时间内没有按时完成或没有效果的 其完成时间为指定时间再加 5 分 钟 在规定时间内完成的要经过振动电路板来确定效果 振动电路板 失效或效果 不稳定的时间加 30 秒 3 凡属下列条款之一者 其完成时间为该题指定时间再加 5 分钟 1 未采用指定器材的参赛者 2 主动或被动给予或接受别人的帮助 3 不服从裁判 又不按申诉程序提交申诉 且严重影响竞赛进行者 4 违反竞赛其它相关规定者 15 第四讲第四讲 现场电子制作竞赛现场电子制作竞赛 焊接焊接 针对机器人 寻轨器和 针对机器人 寻轨器和 基础焊接 基础焊接 现场电子制作并非只是简单的 焊接 而是学习电子电路的另一种形式 它与实际结合更 加紧密 不仅可以亲身体验一下电子制作工艺的方法和技巧 同时可以熟悉 掌握各类电子元器 件的特性以及在电路中的应用特点 可以更进一步地熟悉 掌握基本电路的实际应用方法 通过 现场电子制作 的实践 锻练 动手动脑 使广大青少年不仅能看懂电路原理图 而且能进一 步熟悉 掌握看懂印刷电路板工艺装配图 结合 电路创新设计 的拼搭图 将三图融为一体 一 焊接技术 一 焊接技术 1 1 电子制作的常用工具 电子制作的常用工具 电烙铁 220V 内热式 20 35W 焊接材料 焊锡丝 1mm 松香 烙铁架 成品或 自制 斜口钳 螺丝刀 十字和一字 印制线路板焊接夹具 自制或可用橡皮泥代 镊子 单 面刀片 砂纸 万用表 指针式或数字式 带开关接线板 电源线长 2 3 米 等 2 2 电烙铁的使用方法 电烙铁的使用方法 使用前 必须做到 a a 检查电烙铁是否良好 用万用表检查加热内阻丝电阻约为 1k R 5k 否则电烙铁存在 内部短路或断路 用万用表检查 220V 插头任意一端与外壳之间的绝缘电阻不小于 5M b b 新烙铁在第一次使用前 首先必须进行上锡 俗话说 磨刀不误砍柴工 新烙铁第 一次上锡不好 会影响今后的使用 烙铁使用一段时间后 应日久氧化腐蚀严重 烙铁头会出现 凹坑 需用锉刀将斜面锉平 其形状以实际使用合适为准 然后再进行上锡 在每次用完电烙铁 烙铁头表面应有一层很薄的锡 其余残渣应用刀片刮干净 c c 最好采用具有三芯电源插头的电烙铁 使用时比较安全 对于目前市场销售较多的廉价 二芯电烙铁 在使用时 必须格外注意安全 使用前 应仔细地检查 电烙铁电源线是否与烙铁 外壳短路 内部加热圈是否有短路现象 等 另外 在焊集成电路 甚至三极管 时 应拨出电 源后 再进行焊接 以免因 静电 而损坏器件 3 3 焊接技术 焊接技术 焊接的实质 利用热能加速金属原子间的扩散 由于金属原子间的吸引力使金属之间的 连接处 形成牢固的合金结合在一起 锡焊的特征 焊锡和元件之间呈浸润状态 请看下面示图 a a 焊接方法 焊接方法 16 焊接之前 应根据图文资料中的印刷电路板工艺安装图 将电路所需元器件有序地从无铜箔面 一一插入印刷电路板相应的位置 并将铜箔面向上 采用专用焊接夹具将所有元器件位置固定妥 善 采用橡皮泥方法以及其它自制办法均可 总之 要使焊接更方便 更可靠 更有序 更简单 这就是焊接前最基本的准备工作 接着就可以开始进行焊接了 具体方法步骤如下 图图 15 一般焊接时 右手拿电烙铁 左手拿焊锡丝 常称之为送锡焊接法 图 1 表示第一步首先将 1 1 电烙铁靠近焊件引线底部 与印刷板铜箔交界处 开始对焊件预热 图 2 表示电烙铁加热同时 左手焊锡丝开始送锡 2 2 图 3 电烙铁开始加热 熔锡并浸润于引脚与铜箔之间 3 3 图 4 撤回焊锡丝后 接着撤回电烙铁 引脚与铜箔之间巳形成一个具有向内均匀收缩锥 4 4 面 左右 前后对称的光亮焊点 b b 焊接质量的鉴别 焊接质量的鉴别 17 图图 1616 上面为焊接质量示意图 图中 1 为正确焊点 焊点牢固 光亮 锡量适中 图中 2 焊锡太多 图中 3 加温不足而造成虚焊 图中 4 焊锡太少 c c 防止虚焊的措施 防止虚焊的措施 什么叫虚焊 顾名思义 就是虚假的焊接 这是初学者最容易犯的毛病 从焊点表面看好象是焊上了 其实并未焊上 如果稍用力一 拉 焊点也许就脱开了 虚焊 会造成电路时断时通 引起这样的故障就难以查找和及时排除 为此 在焊接时必须注意如下几点 先刮后焊 1 元器件引线表面有氧化物或油渍等 锡不易浸润 即使勉强把焊锡 糊 上去 其结果只 能是造成虚焊 所以对引线表面若有氧化层时 必须先刮除氧化层后再进行焊接 对于新的元器 件 因引线表面镀层较好 一般情况下就不需要再刮了 可以直接进行焊接 总之 必须根据实 际情况 因地制宜 掌握温度 2 如果焊接时温度不够 焊锡流动性差 易凝固 温度过高 焊锡易滴淌 使焊点上存不住 锡 要想温度适当 一要根据元件大小选用功率合适的烙铁 若用瓦数小的烙铁去焊接大型元 件或在金属底板上焊接地线 最易形成虚焊 二要掌握加热时间 当焊锡从 焊锡丝 烙铁 头上自动流散到被焊物上时 说明加热时间己够 此时先 在与水平线左 45 度方向 移开焊锡丝 然后 在右 45 度方向 迅速移开烙铁头 便留下一个光亮 圆滑的焊点 上锡适量 3 最好一次成功 初学者 开始宁少勿多 锡少可以再次补上 但千万不能像燕子筑窝那 样一点 一点堆焊 必须使锡都熔化并已浸润于焊件才移开烙铁 扶稳不晃 4 被焊物必须扶稳夹牢 特别是在移开烙铁后的焊锡凝固阶段 不可晃动 否则也容易形 成虚焊 焊点表面同样会变成豆腐渣一样 尽量少用焊膏 5 焊膏是一种酸性助焊剂 对金属有腐蚀作用 即使要用 焊后必须将残留焊膏擦干净 避免严重时造成焊点脱开或印刷电路断路 4 4 焊接装配工艺要求 焊接装配工艺要求 元器件引脚由印刷电路板的无铜箔面插入 1 18 电阻可水平安装 若位置受限 也可直立安装 2 三极管应直立安装 引脚保留高度 5 10mm 为宜 3 发光二极管应直立安装 保留管脚长短应根据实际需要而定 以便于观察 对称 美观为 4 准 电容器应直立安装 对于大容量电解电容可紧贴板面安装 其它电容安装可以控制在离板 5 高度为 2 3mm 带外壳的器件 如电位器 插座 开关等应紧贴印刷电路板 应避免外壳与周围其它元器 6 件发生短路现象 一般先将元器件插入印刷电路板 全部或部分 然后进行焊接 焊接完毕 再剪去过长的 7 引线 无少焊或漏焊 焊接后的元器件 电气接触良好 机械结合牢固 无论摇动整块电路板或 8 个别元器件 都不会影响电路的工作效果 焊点要圆滑 光亮 清洁 无虚焊 无搭焊 无针孔 无锡尖 无残渣 无散锡 9 元器件排列美观 均匀 整齐 高低有序 便于检查和辨认规格型号 10 第五讲第五讲 基础型机器人基础型机器人 基础型机器人顾名思义是一种简单的机器人 我们说相比于 单片机 机器人 优点在于 不需要编程 结构和控制电路都比较简单 而且价格低廉 便于学生动手制作 是初步学习电子 电路应用 机电一体化 理论与实践相结合的重要环节之一 目前是全国电子制作锦标赛三大项 目中的一项 通过 基础型机器人 的制作竞赛活动 将进一步激发广大青少年对电子电路 电子科技 知识的兴趣 不断拓宽知识面 从实践中培养了独立思考和独立工作能力 是青少年 动手动脑 展示智慧 才华的良好教育平台 一 构造 一 构造 19 分机械和电路两部分 1 1 机械结构 机械结构 模拟人是由躯体 左右对称的上下肢 L 形连杆 C 形脚等组成 行走动力是由 带有减速箱的小直流电机所提供 通过电机两边的曲轴 分别带动左 右上 下肢及 C 形脚 作 行走轨迹的交替循环运动 2 2 控制电路 控制电路 采用 NE 555 时基电路组成的电容外放电式单稳态定时电路 用 1M 和 100K 电位器调节定时时间 定时范围为 5 秒 180 秒 3 分钟 用一刀二掷拨动开关作为电源控 制开关 当开关处于 关 状态时 定时电容为放电复零状态 当打开电源 4 5V 定时电路开始工 作 红色指示亮 电机同步工作 电机工作电压为 3V 此时单稳态定时电路处于 暂态 当到 达预置时间 定时电路停止工作 绿色指示亮 红色指示熄灭 电路处于 稳态 电机同时停止 工作 拨动开关拨回 关 时 定时电容放电清零 以上就是 基础型机器人 的基本工作原理 关于控制电路原理和电路分析 下面作进一步 详细介绍 二二 原理 原理 1 1 控制电路原理分析 控制电路原理分析 20 原理图原理图 2 2 几点说明 几点说明 1 555 电路有双极型和 CMOS 二种 前者输出功率大 而后者耗电省 本电路采用双 极型 NE 555 其工作电压为 4 5V 2 电源开关采用拨动开关 单刀二掷 一挡为 4 5V 电源负极与电路地接通端 另一挡 为电源关 同时又是 定时电容 220 f 放电清零端 3 电源电压二种 4 5V 为电路工作电源 3V 为电机工作电源 3 3 电路原理分析 电路原理分析 1 当拨动开关置于 关 的位置时 定时电容 220 f 清零 由于 4 5V 电源处于 关 的 状态 因此 555 单稳态定时电路处于不工作状态 当然电机不转 2 当拨动开关置于 开 的位置时 555 单稳态定时电路开始工作 并由 稳态 转入 暂态 电源 4 5V 正极经电位器 1M 100K 电阻 100K 后对电容 220 f 开始充电 此 时 555 单稳态定时电路输出端 3 脚由原来 稳态 输出低电位转为 暂态 输出高电位 使 输出管 8050 导通 红色发光管点亮 同时电机因电源接通开始工作 使 筒易机器人 动作 3 555 单稳态定时电路 暂态 的时间长短 取决于电路 RC 充 放电时间常数 由于 电路定时电容放电采用拨动开关在电源 关 的状态下同时进行 所以电路 暂态 的时间长短 取决于电路 RC 充电时间常数 t RC 4 从 555 时基电路的内部逻辑图可以知道 555 内部三个 5K 电阻将电源电压 VCC 分 成三段 而 1 3VCC 2 3VCC 分别为触发极 TR 2 脚 阀值极 TH 6 脚 相应地作为内部二个输 入比较器的标准参考电压 并具有如下特性 1 V6 V2 1 3VCC 时 555 输出 3 脚 为高电位 2 2 3VCC V2 6 1 3VCC 时 555 输出 3 脚 保持 3 V2 6 2 3VCC 时 555 输出 3 脚 为低电位 当电容充电电压 VC 2 3VCC 为稳态 电机停止工作 由于 8050 管截止 集电极电位升高 使绿色发光管点亮 而红色发光管熄灭 此时 555 单稳态定时电路处于 稳态 拨动开关 置于 关 时 绿色发光管熄灭 充电电容开始放电清零 准备再次开始工作 筒易机器人 就如此周而复始地工作 21 5 定时电路的时间长短 决定于充电电路 RC 由于电容是固定值 所以电路以调节可变电位 器 1M 100K 大小调节定时时间 因 1M 电位器阻值大 调节较明显 称之 粗调 而 100K 为细调 效果不明显 6 电路中二只 0 1 F 电容 主要用来防止电机工作时产生的高频尖脉冲的干扰 4 4 工作波形图 止 工作波形图 止 UCC 为电源电压 4 5V TwH R1 R2 C 充电时间常数 基础型机器人 定时电路单稳态的暂稳态时间即为定时时间 三三 制作 制作 1 1 基础型机器人基础型机器人 制作程序图 制作程序图 A A 准备工作 准备工作 1 左右 上下肢体的组装 22 2 躯干部件的安装 3 控制电路板的焊装 1 1 左右 上下肢体的组装 上肢组装 用中号自攻螺丝把上肢和上连杆 Z 形连杆 连接起来 1 注意 左 右上肢不同 上肢的光面向外 上肢的方向不能装反 下肢组装 用小号自攻螺丝把下肢和 C 形脚连接起来 2 注意 左 右下肢不同 下肢的光面向外 下肢的方向不能装反 上 下肢的连接 3 用中号螺栓 垫片把下肢和 L 形连杆连接起来 再用大号螺栓和花形螺帽把 Z 形 上 连杆和 L 形 下 连杆连接起来 注意 L 形连杆左右不同 Z 形连杆在螺帽和 L 形连杆的中间 2 2 上 下肢的连接视图 B B 躯 躯干部件的安干部件的安 装 装 1 画轴线 图中所标尺寸仅供 参考 2 按装电 动机 1 把电动机 带 齿轮箱 放在底板的正面 使中缝线与竖 直中轴线重合 用小号自攻螺丝把电动 2 机固定在底板 上 电动机安装视图 注 3 意 上方两只小自攻螺丝在装配时 应 23 确保电机水平轴与躯干水平线相一致 注意 上方两只小自攻螺丝在装配时 应确保电机水平轴与躯干水平线相一致 3 安装电池盒 把电池盒放在底板的反面 使电池盒上边框与水平轴线重合 并使电池盒中缝线与底板竖 1 直中轴线重合 用小号自攻螺丝把电池盒固定在底板上 2 4 安装开关 用小号自攻螺丝把开关支架固定在底板头顶部 使它正好与顶部的园内接 1 用小号螺栓把开关固定在支架上 2 C C 控制电路板的焊装控制电路板的焊装 1 元器件 主要作用 NE555时基电路 构成定时电路 1 可调电阻 105 104 调节RC时间常数 2 电源 4 5V 3V两组电源 3 开关 一 电源开关 二 定时电容放电 4 电动机 工作电压 3v 机械传动的动力 5 2 印刷电路板装配图 见下图 印刷电路板图印刷电路板图 印刷电印刷电 路板路板无铜箔面图无铜箔面图 3 印刷电路板的装配和焊接 检查元器件 依据图文资 1 料 致细检查 插装元器件 先小后大 2 先低后高 先难后易 焊接元器件和印刷电路板的 3 引出导线元器件焊接要符合常规 多余引脚要剪平整 24 4 印刷电路板的装配和焊接 2 2 整体组装 整体组装 1 躯体安装电路板 固定印刷电路板 用小号自攻螺丝把印刷电路板固定在底板反面的电池盒上方恰当位置 注意上下 左右的对称 2 整机电路接线 A 电池盒白线 印刷电路板 a 点 B 电池盒红线 电动机正端 C 电动机负端 印刷电路板 b 点黄线 D 电池盒黑线 开关单触点 左或右均可 E 开关中间常触点 印刷电路板 c 点黑线 F 开关另一单触点 印刷电路板 d 点蓝线 25 3 左 右 肢体与躯体相 连 A 用中号自攻 螺丝把曲柄和 L 形连杆连接起 来 曲柄与电 动机相连 B 左 右肢体与躯体相连 左 右肢体在肩膀轴线两侧与躯体相连 请看右视图 2 2 基础型机器人的调试 基础型机器人的调试 1 手提调试 手提机器人 接通电源 进行机械动作 定时时间的调试 A 机械动作的调试 观察机器人机械动作 适当调节肩部 上下连杆间 曲柄与下连杆间的螺丝的松紧 使 动作协调自如 B 定时时间测试 定时最小值的测试 1 定时最小值应 30 sec 一般为 15 20sec 方法 将 1M 100K 可调电阻调至最小值 顺时针方向旋到底 通电后 记下机器人 停止动作所用的时间就是定时最小值 定时最大值的测试 2 方法 将 1M 100K 可调电阻调至最大值 逆时针方向旋到底 通电后记下机 器人停止动作所用时间就是定时最大值 2 行走调试 A 行走方向的调试 方法 若行走方向发生偏离 主要靠反复调试两侧的肩部螺丝 连杆上的各种螺丝 螺钉 26 松紧程度 以及调节下肢微调长孔 调节左 右肢相对长短来加以纠正的 B 定点行走的时间调试 3 调试 方法 估计所需时间 参考定时的最大值 粗调 1M 可调电阻 使机器人行走定点在最高分值区 可能要进行多次试走和粗调 采用三点调试法较简便 即最大 最小 中间最佳值三点调试法 估算最佳分值所需时间 168cm 2 8cm s 60s 1M 其中 机器人行走速度 选 2 8cm s 可以采用实测法 最高分值区距离 168cm A 粗调 根据比赛跑道长度和机器人行走的快慢 B 微调 在定点行走时间粗调基本完成的基础上 再微调 100K 可调电阻 尽可能使机 器人行走定点在最高分值区的中间位置 一般微调作用不明显 附 基础型机器人 定点行走赛专用跑道示意图 五五 竞赛规则 程序 竞赛规则 程序 一 基础型机器人竞赛规则一 基础型机器人竞赛规则 注 竞赛规则以当年公布的为准 本教材的所有规则仅供参考 1 竞赛项目 竞赛项目 1 1 高中 初中 小学组基础型机器人制作竞赛 简称制作赛 2 2 高中 初中 小学组行走定点竞赛 简称定点赛 2 竞赛办法 竞赛办法 1 1 基础型机器人制作赛 基础型机器人制作赛 参赛选手自带制作工具和未经任何处理的指定基础型机器人制 作套材 在规定时间内 40 分钟 完成基础型机器人的制作 并完成行走 30 秒内的定时功能调 试 2 2 基础型机器人行走定点赛 基础型机器人行走定点赛 参赛选手在规定时间内 20 分钟 在抽签决定的专用跑 道上完成基础型机器人的行走调试和定点调试 随后在该专用跑道上连续完成两次定点行走 3 评判规定 评判规定 A 基础型机器人制作赛评判规定 基础型机器人制作赛评判规定 凡属下列情况之一者 均判基础型机器人制作不合格 无成绩 或给予加时处罚 27 1 1 事先对基础型机器人套材的元器件进行了加工处理 2 2 未按基础型机器人图纸和说明书要求组装 3 3 未按基础型机器人控制电路说明书要求制作 4 4 未能在限定时间 40 分钟 内完成基础型机器人制作 5 5 基础型机器人不能正常行走或行走时跌倒 6 6 基础型机器人行走时发生零部件脱落 7 7 基础型机器人虽能行走 但红 绿灯指示不正常 8 8 基础型机器人控制电路未能调节到 30 秒内定时功能 9 9 基础型机器人控制电路的安装 焊接违反现场电子制作有关规定 1010 不服从裁判 又不按程序提出申诉 并严重影响竞赛进行者 违反锦标赛其他有关 规定者 B 基础型机器人行走定点赛评判规定 基础型机器人行走定点赛评判规定 凡属下列情况之一者 均判基础型机器人这次定点行走无成绩 1 1 裁判尚未发出 预备 开始 的口令 基础型机器人已开始行走 2 2 基础型机器人行走时跌倒 3 3 基础型机器人行走或停止时踩到 超越边线 底线或起跑线 4 4 基础型机器人行走或停止时发生零部件脱落 5 5 基础型机器人行走过程中提供任何人为帮助 6 6 基础型机器人行走超过 3 分钟而不停止 7 7 基础型机器人红 绿灯指示不正常 8 8 不服从裁判 又不按程序提出申诉 并严重影响竞赛进行者 违反锦标赛其他有关规 定者 4 名次评定 名次评定 A 基础型机器人制作赛名次评定 基础型机器人制作赛名次评定 基础型机器人制作判定合格的选手 以其完成制作的时间作为制作成绩 精确到秒 制作时 间少者 名次在先 基础型机器人制作判定不合格的选手 则无成绩 不参与名次的评定 B 基础型机器人行走定点赛名次评定 基础型机器人行走定点赛名次评定 参赛选手的基础型机器人在行走定点赛中 停止行走时 所用时间为行走时间 精确到秒 所在区域的分值为行走分值 行走时间和行走分值为一次定点赛成绩 连续两次定点赛成绩之和 为该选手最终成绩 分值多者名次在先 分值相同时 以行走时间少者名次在先 行走分值是以 机器人停止行走时 接触跑道的 C 型脚所在区域的分值为准 若 C 型脚同时接触两个区域 则取 分值少者为行走分值 6 竞赛 竞赛 1 基础型机器人行走定点赛场地 基础型机器人竞赛专用跑道 要求平整 无明显坡度 无障碍 2 专用跑道长 198 厘厘米 宽 100 厘厘米 区域间隔见示意 图 区域间隔线宽 0 5 厘米 3 专用跑道示意图 28 二 基础型机器人竞赛程序二 基础型机器人竞赛程序 A 基础型机器人制作竞赛程序 基础型机器人制作竞赛程序 1 检录 检录 参赛选手自带参赛证 未经处理的指定基础型机器人套材和制作工具 电烙铁 烙 铁架 松香焊锡丝 钭嘴钳 螺丝刀 镊子等 按竞赛日程表规定的检录时间到检录室报到 检 录裁判说明检录注意事项并进行相关检查 样机不得带入检录室和赛场 2 入场 入场 由检录裁判按序 分批将参赛选手带入指定赛场 赛场裁判指挥选手对号入座 参 赛选手展示参赛证 自带未经处理的指定器材和制作工具 3 宣讲 宣讲 赛场裁判长宣讲制作竞赛注意事项 并进行安全教育 4 检查 检查 赛场裁判检查选手参赛证 自带的未经处理的指定器材和制作工 具 5 准备 准备 接通电源 赛场裁判在躯干 底板 印刷电路板上做规定的记 号 在完成相关准备工作后 由赛场裁判长向发令裁判长示意 6 开赛 开赛 根据发令裁判长的指令 计时裁判回表 当发令裁判发出 预备 开始 的指令 后 计时开始 7 完成 参 完成 参赛选手在完成基础型机器人的制作和相关的调试 行走 30 秒内的定时功能 后 即可起立 报号 离座 计时裁判随即终止该选手的制作计时 精确到秒 8 评判 评判 赛场裁判根据选手制作的机器人的制作情况 行走情况 30 秒 内定时功能情况来评判制作的机器人是否合格 并说明判不合格的依据 评判后的机器人放在桌 上角 选手不得接触 调试 9 签字 签字 赛场裁判将记有制作是否合格和制作时间的成绩表交选手签字认 可 若对评判不服 可在签字后注明要申诉 并按有关程序进行申诉 10 结束 结束 基础型机器人制作赛限时 40 分钟 结束前 3 分钟发令裁判长会发出 还有最后 3 分钟 的提示 限定的时间到后 发令裁判长会发出 时间到 的口令 制作赛结束 未完成 制作者 作超时论处 制作赛无成绩 B 基础型机器人行走定点竞赛程序 基础型机器人行走定点竞赛程序 1 准备 准备 赛场裁判长宣讲定点竞赛注意事项 抽签确定选手跑道 准备工作完成后 赛场裁 判长应向发令裁判长示意比赛准备就绪 2 调试 调试 当发令裁判长发出 调试开始 的口令后 选手即可在既定的跑道上进行行走 定 点的调试 调试时间限定 20 分钟 在调试结束前 3 分钟 发令裁判长会发出 还有 3 分钟 的提 示 制作赛不合格而兼报定时赛的选手 允许在这 20 分钟内继续完成制作和调试 时间到 的 口令发出后 停止任何操作 裁判对在调试时间内继续完成制作的机器人应确认是否合格 能否 29 参加定点赛 参加定点赛的机器人按序排放在跑道边 不得再进行校正或调试 3 行走 行走 选手在裁判指令下作好机器人定点行走的准备 裁判发出 预备 开始 的口令 后 行走计时开始 选手接通开关 让机器人从指定跑道的起跑区内开始自由行走 直到行走停 止 随即计时终止 精确到秒 4 评判 评判 裁判根据规则评判本次行走是否合格 有效 并记下本次定点行走的成绩 分值和 时间 5 再走 再走 随即进行笫二次定点行走 6 再判 再判 评判第二次定点行走是否合格 有效 并记下第二次成绩 分值和时间 7 签字 签字 裁判将记有两次定点行走分值和时间的成绩表交选手签字认可 若有异议 可在签 字后注明要申诉 并按有关程序进行申诉 签字后选手即可离开赛场 第六讲第六讲 基础型寻轨器基础型寻轨器 A A型型 2008年 经国家体育总局航空无线电模型运动管理中心批准 全国青少年电子制作锦标赛又 推出了基础型寻轨器 原智能车 竞赛项目 也相应设有单项奖 全能奖和团体奖 关于基础型寻轨器 我们将从构造 原理 制作 竞赛四个方面作简单的介绍 一 一 基础型寻轨器的构造 基础型寻轨器的构造 如上图所示 基础型寻轨器的构造主要分为机械部分和电路部分 一 机械部分一 机械部分 30 机械部分由 1 主架 2 主轮 3 尾轮 4 升降板 5 伸缩板和附件 螺丝 螺帽 垫 片 防滑圈等 组成 31 图图 39 二 电路部分二 电路部分 电路部分由 1 电池盒 2 开关 3 直流 电动机 4 印 刷电路板等组成 图图 40 图图 41 二 二 基础型寻轨器的电路原理 基础型寻轨器的电路原理 一 电路图一 电路图 32 二 电路原理简介二 电路原理简介 1 基础型寻轨器的运动状态是由电动机的停或转来确定的 基础型寻轨器的运动状态是由电动机的停或转来确定的 M1 停止 M2 转动 基础型寻轨器左转弯 M2 停止 M1 转动 基础型寻轨器右转弯 M1 M2 都停止 基础型寻轨器停止运动 M1 M2 都转动 基础型寻轨器直线前进 若两电机转速不一致 则会发生偏转 2 电动机的停或转是通过三极管的截止或导通来控制的 电动机的停或转是通过三极管的截止或导通来控制的 V1 截止 M1 停止 指示灯 D3 亮 V1 导通 M1 转动 D3 熄灭 V2 截止 M2 停止 指示灯 D4 亮 V2 导通 M2 转动 D4 熄灭 3 三极管的截止或导通是由双运放 三极管的截止或导通是由双运放 LM358 的输出端电位的高 低来决定的 的输出端电位的高 低来决定的 双运算放大集成电路 简称双运放 LM358 的 8 4 脚接电源正 负极 1 2 3 脚为一组运 放 5 6 7 脚为另一组运放 1 7 脚为各组的输出端 3 5 脚为各组的同相输入端 2 6 脚为 各组的反相输入端 只有当同相输入端电位高于反相输入端电位时 输出端才会是高电位 对应的三极管才会导 通 对应的电动机才会转动 反之 输出端为低电位 对应的三极管截止 对应的电动机停止 33 4 影响同 反相输入端的电位高 低的主要因素 影响同 反相输入端的电位高 低的主要因素 1 2 6 脚反相输入端的电位 可以分别通过 500k 电位器来调节 2 3 5 脚正相输入端的电位 取决于光耦的工作状态 每个光电耦合传感器 简称光耦 都由一只红外发射管和一只反向接入的光电二极管组成 光电二极管只有接收到红外线时 才有电流通过该管 通过的电流大小取决于接收到的红外线强 弱 光电二极管通过的电流越大 则同相输入端 3 或 5 脚的电位越高 由于轨道的白色部位反射红外线的能力比黑色部位强 基础型寻轨器光耦处在白色部位时通 过光电二极管的电流 比处在黑色部位时大 这时同相输入端的电位就高于反相输入端的电位 反相输入端的电位通过 500k 电位器调在合适位置时 输出端为高电位 对应的三极管导通 对应的电动机转动 反之 电动机停止 当左 右电动机都转动时 基础型寻轨器向前 当左 右电动机都停止时 基础型寻轨器停止 当左 右电动机中一个在转动 另一个停止时 基础型 寻轨器就会向停转电机侧拐弯 这就是基础型寻轨器能自动寻轨的机理 5 部分元器件的作用 部分元器件的作用 1 稳压二极管 D1反向接入电路时 它两端的电压较稳定 500k 电位器与稳压管并联 电 位器两端电压也相对稳定 从而使运放的反向输入端的电位也稳定 2 500k 电位器用来调节反相输入端电位的高低 3 绿色发光二极管 D2是电源指示 若稳压二极管不是反向接入的 D2 就不会亮 红色