基于模塊化平臺的聲光聯控路燈綜合設計實驗

陳瓊 陳凱倫

關鍵詞 模塊化 聲光檢測 實驗效率 綜合實驗

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.09.024

Keywords modularization; acousto-optic detection; experimental efficiency; comprehensive experiment

0 引言

實踐是檢驗基礎知識掌握程度的最好方式。模擬電子技術基礎課程與數字電子技術基礎課程作為理論性和實踐性都極強的學科，僅通過課堂上抽象的理論講解，學生們是無法完全掌握的。聲光聯控路燈綜合設計實驗采用模塊化設計，不但與書本內容緊密相連，而且減輕了學生們一些不必要的實驗負擔。[1]通過該實驗既可以讓學生們掌握相關的理論知識，加深對概念的理解，做到學以致用;同時又可以提高實驗效率，讓學生們有更多精力去處理調試中出現的各種問題，針對不同的調試問題，提出不同的解決方案。經過這一系列學以致用的過程，培養了學生們的實驗功底，開闊了學生們的眼界，增添了學生們的獲得感與榮譽感。實現了讓學生們在快樂中學習，在學習中求真知的理想目標。

1 設計內容及要求

設計一個聲光聯控路燈電路。要求：白天的時候有響聲路燈不會亮，晚上的時候有響聲路燈才會亮，延時一段時間后燈自動滅，再有響聲，燈再次點亮。

2 設計原理

該聲光聯控路燈綜合設計實驗采用模塊化設計，實驗主要分為檢測和控制兩部分，由檢測模塊、聲光聯控模塊、定時模塊、控制模塊組成，其系統框圖如圖1所示。借助光敏元件，利用光信號檢測模塊檢測光的強度;借助聲敏元件，利用語音信號檢測模塊檢測聲音的強弱;當無光且有聲音發出時，路燈定時模塊才會輸出有效的定時信號;最后利用控制模塊來控制路燈的亮滅，從而實現了聲光聯控路燈的效果。當然，這只是本實驗的一個參考思路，由于給出的模塊不僅于此，有能力的同學可以設計出更加簡潔、實用的電路。同時，為增強學生們的能動性，激發學生們的實驗興趣，本實驗各個模塊元器件參數可供學生們自行設計。

通過語音信號檢測模塊來識別語音信號，其原理圖如圖2所示。

2.2 光信號檢測模塊

光敏電阻的電導率隨著光照強度的變化而變化。本實驗采用市場上常用的光敏元件 3系列型號為GL3516。根據國際標準，在-30℃至+70℃的環境下，其亮電阻為5-10k ，暗電阻為0.6M 。利用光敏電阻阻值隨光照強度變化而變化的特性，光信號檢測模塊電路如圖3所示。若有較強光照時，光敏電阻阻值較小，輸出電壓Uo近似為0V;若無光照時，光敏電阻阻值較大，輸出電壓Uo近似為5V，從而輸出有效的控制信號。

聲光聯控電路采用2輸入與非門來實現，如圖4所示。A腳輸入光信號轉變的電壓變化量;B腳輸入語音信號轉變的電壓變化量。二極管D1和D2用來保護與非門，R1和R2為限流電阻。

2.4 路燈定時模塊

路燈定時模塊采用555定時器構成的單穩態電路，具有穩態和暫態兩種工作狀態。當沒有外部信號觸發時，電路處于穩態;有外部信號觸發時，電路從穩態翻轉到暫態，經過一段時間后，電路又會自動回到穩態。通過控制暫態時間即可實現對路燈的定時控制。

555單穩態電路模塊如圖5所示，該模塊采用555定時器的2腳作為觸發信號的輸入端，3腳作為輸出端。當外界信號為高電平時，該電路表現為穩態，Uo輸出為低電平;當輸入端2腳有低電平觸發時，該電路表現為暫態，Uo輸出為高電平。輸出暫態脈沖寬度Tw的大小由外接電阻R和電容C來決定。由于Tw等于電容電壓在充電過程中從0上升到2/3Vcc所需要的時間，[3]因此得到：

例如當R取100k，C取100uf時，暫態時間Tw等于10s。需要注意的是隨著Tw寬度的增加，它的精度和穩定度也將下降。

2.5 可控硅路燈控制模塊

可控硅是一種大功率元件，有單向、雙向兩種類型。其具有的體積小、效率高、壽命長的優點，是實現小功率控件控制大功率器件設備的理想元件。光耦MOC3041可用來隔離可控硅上的交流高壓和直流低壓控制信號，其輸出用來觸發可控硅?？煽毓杪窡艨刂齐娐啡鐖D6所示，該電路采用220V電壓供電，因此更偏向于實際生活中的路燈控制。當輸入端Vi為高電平時，可控硅即可正常工作，此時負載端通過200V交流電壓供電，CON2接口連接的路燈被點亮。

硬件線路連接好，并不意味著可以得出正確的實驗結果。實際的情況往往是，大部分的學生都無法一次實驗成功。此時，調試的作用就顯得尤為重要。樹立學生們的調試理念，培養學生們的調試能力，是增強學生們實驗成功率的重要途徑。克服實驗失敗時的負面情緒，理性分析問題的原因，才能夠讓學生們不斷成長，不斷進步。本實驗采用的模塊化實驗理念，通過分模塊調試可以給學生們帶來極大的便利。

語音檢測電路調試：在MIKE傳感器周圍發聲，若在輸出端有高低電平變化，則表明電路工作正常。

光檢測電路調試：在無光照情況下，若輸出端Uo為高電平，則表明電路正常工作。

聲光聯控電路調試：在AB兩個輸入端加高低電平，若有且只有當AB都為高電平，輸出才為低電平，則表明電路正常工作。

路燈定時電路調試：設定好RC參數以后，當給其輸入端一個低電平時，通過示波器觀察輸出端產生的高電平脈沖時間是否與計算的Tw一致。若相同，則表明電路正常工作。

可控硅路燈控制電路調試：輸入端加一高電平，若CON接口連接15W的白熾燈被點亮，表明電路正常工作。

4 結束語

基于模塊化平臺的聲光聯控路燈綜合設計實驗是對模擬電子技術基礎課程和數字電子技術基礎課程中一些重要知識點的整合。首先，該實驗項目貼近實際生活，可以讓學生們領略模電和數電在生活中的魅力，激發學生們的學習興趣;其次，通過模塊化的實驗設計，既加強了學生們對理論知識的理解、提高了學生們的基本實驗技能，達到理論與實踐相結合的目的，同時也減輕了他們的實驗負擔，不必再為雜亂無序的導線而苦惱，使他們有更多的精力去考量、去總結;再次，該實驗為綜合設計實驗，有助于提高學生們的綜合實踐能力、建立完整的系統觀和工程觀、培養學生們的創新精神;最后，對于不同專業、不同層次的學生，可以節選實驗模塊進行實驗，提高實驗的能動性。

基金項目：江西省教育科學“十二五”規劃課題，項目編號：10YB080

參考文獻

[1] 陳瓊，郭啟利.基于模塊化實驗平臺的電子系統實驗改革[J].實驗室科學，2011（3）.

[2] 沈廣楠，李金平，畢佳宇，張鵬.聲傳感器垂直線陣列測距技術研究[J].科技創新與應用，2018（02）：7-8.

[3] 臧殿紅.基于555定時器典型應用電路的分析[J].電子世界，2017（06）：66-67.