基于模塊化平臺的聲光聯(lián)控路燈綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

陳瓊 陳凱倫

關(guān)鍵詞 模塊化 聲光檢測 實(shí)驗(yàn)效率 綜合實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(shí)踐是檢驗(yàn)基礎(chǔ)知識掌握程度的最好方式。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程與數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程作為理論性和實(shí)踐性都極強(qiáng)的學(xué)科，僅通過課堂上抽象的理論講解，學(xué)生們是無法完全掌握的。聲光聯(lián)控路燈綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)采用模塊化設(shè)計(jì)，不但與書本內(nèi)容緊密相連，而且減輕了學(xué)生們一些不必要的實(shí)驗(yàn)負(fù)擔(dān)。[1]通過該實(shí)驗(yàn)既可以讓學(xué)生們掌握相關(guān)的理論知識，加深對概念的理解，做到學(xué)以致用;同時(shí)又可以提高實(shí)驗(yàn)效率，讓學(xué)生們有更多精力去處理調(diào)試中出現(xiàn)的各種問題，針對不同的調(diào)試問題，提出不同的解決方案。經(jīng)過這一系列學(xué)以致用的過程，培養(yǎng)了學(xué)生們的實(shí)驗(yàn)功底，開闊了學(xué)生們的眼界，增添了學(xué)生們的獲得感與榮譽(yù)感。實(shí)現(xiàn)了讓學(xué)生們在快樂中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中求真知的理想目標(biāo)。

1 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求

設(shè)計(jì)一個(gè)聲光聯(lián)控路燈電路。要求：白天的時(shí)候有響聲路燈不會(huì)亮，晚上的時(shí)候有響聲路燈才會(huì)亮，延時(shí)一段時(shí)間后燈自動(dòng)滅，再有響聲，燈再次點(diǎn)亮。

2 設(shè)計(jì)原理

該聲光聯(lián)控路燈綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)主要分為檢測和控制兩部分，由檢測模塊、聲光聯(lián)控模塊、定時(shí)模塊、控制模塊組成，其系統(tǒng)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(qiáng)度;借助聲敏元件，利用語音信號檢測模塊檢測聲音的強(qiáng)弱;當(dāng)無光且有聲音發(fā)出時(shí)，路燈定時(shí)模塊才會(huì)輸出有效的定時(shí)信號;最后利用控制模塊來控制路燈的亮滅，從而實(shí)現(xiàn)了聲光聯(lián)控路燈的效果。當(dāng)然，這只是本實(shí)驗(yàn)的一個(gè)參考思路，由于給出的模塊不僅于此，有能力的同學(xué)可以設(shè)計(jì)出更加簡潔、實(shí)用的電路。同時(shí)，為增強(qiáng)學(xué)生們的能動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生們的實(shí)驗(yàn)興趣，本實(shí)驗(yàn)各個(gè)模塊元器件參數(shù)可供學(xué)生們自行設(shè)計(jì)。

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(dǎo)率隨著光照強(qiáng)度的變化而變化。本實(shí)驗(yàn)采用市場上常用的光敏元件 3系列型號為GL3516。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)，在-30℃至+70℃的環(huán)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(qiáng)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(qiáng)光照時(shí)，光敏電阻阻值較小，輸出電壓Uo近似為0V;若無光照時(shí)，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(lián)控電路采用2輸入與非門來實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。A腳輸入光信號轉(zhuǎn)變的電壓變化量;B腳輸入語音信號轉(zhuǎn)變的電壓變化量。二極管D1和D2用來保護(hù)與非門，R1和R2為限流電阻。

2.4 路燈定時(shí)模塊

路燈定時(shí)模塊采用555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路，具有穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩種工作狀態(tài)。當(dāng)沒有外部信號觸發(fā)時(shí)，電路處于穩(wěn)態(tài);有外部信號觸發(fā)時(shí)，電路從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫態(tài)，經(jīng)過一段時(shí)間后，電路又會(huì)自動(dòng)回到穩(wěn)態(tài)。通過控制暫態(tài)時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)對路燈的定時(shí)控制。

555單穩(wěn)態(tài)電路模塊如圖5所示，該模塊采用555定時(shí)器的2腳作為觸發(fā)信號的輸入端，3腳作為輸出端。當(dāng)外界信號為高電平時(shí)，該電路表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)，Uo輸出為低電平;當(dāng)輸入端2腳有低電平觸發(fā)時(shí)，該電路表現(xiàn)為暫態(tài)，Uo輸出為高電平。輸出暫態(tài)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(shí)間，[3]因此得到：

例如當(dāng)R取100k，C取100uf時(shí)，暫態(tài)時(shí)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(wěn)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(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)小功率控件控制大功率器件設(shè)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(fā)可控硅。可控硅路燈控制電路如圖6所示，該電路采用220V電壓供電，因此更偏向于實(shí)際生活中的路燈控制。當(dāng)輸入端Vi為高電平時(shí)，可控硅即可正常工作，此時(shí)負(fù)載端通過200V交流電壓供電，CON2接口連接的路燈被點(diǎn)亮。

硬件線路連接好，并不意味著可以得出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)際的情況往往是，大部分的學(xué)生都無法一次實(shí)驗(yàn)成功。此時(shí)，調(diào)試的作用就顯得尤為重要。樹立學(xué)生們的調(diào)試?yán)砟睿囵B(yǎng)學(xué)生們的調(diào)試能力，是增強(qiáng)學(xué)生們實(shí)驗(yàn)成功率的重要途徑?？朔?shí)驗(yàn)失敗時(shí)的負(fù)面情緒，理性分析問題的原因，才能夠讓學(xué)生們不斷成長，不斷進(jìn)步。本實(shí)驗(yàn)采用的模塊化實(shí)驗(yàn)理念，通過分模塊調(diào)試可以給學(xué)生們帶來極大的便利。

語音檢測電路調(diào)試：在MIKE傳感器周圍發(fā)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(diào)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(lián)控電路調(diào)試：在AB兩個(gè)輸入端加高低電平，若有且只有當(dāng)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(shí)電路調(diào)試：設(shè)定好RC參數(shù)以后，當(dāng)給其輸入端一個(gè)低電平時(shí)，通過示波器觀察輸出端產(chǎn)生的高電平脈沖時(shí)間是否與計(jì)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(diào)試：輸入端加一高電平，若CON接口連接15W的白熾燈被點(diǎn)亮，表明電路正常工作。

4 結(jié)束語

基于模塊化平臺的聲光聯(lián)控路燈綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是對模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程和數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程中一些重要知識點(diǎn)的整合。首先，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目貼近實(shí)際生活，可以讓學(xué)生們領(lǐng)略模電和數(shù)電在生活中的魅力，激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣;其次，通過模塊化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，既加強(qiáng)了學(xué)生們對理論知識的理解、提高了學(xué)生們的基本實(shí)驗(yàn)技能，達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合的目的，同時(shí)也減輕了他們的實(shí)驗(yàn)負(fù)擔(dān)，不必再為雜亂無序的導(dǎo)線而苦惱，使他們有更多的精力去考量、去總結(jié);再次，該實(shí)驗(yàn)為綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，有助于提高學(xué)生們的綜合實(shí)踐能力、建立完整的系統(tǒng)觀和工程觀、培養(yǎng)學(xué)生們的創(chuàng)新精神;最后，對于不同專業(yè)、不同層次的學(xué)生，可以節(jié)選實(shí)驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)的能動(dòng)性。

基金項(xiàng)目：江西省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題，項(xiàng)目編號：10YB080

參考文獻(xiàn)

[1] 陳瓊，郭啟利.基于模塊化實(shí)驗(yàn)平臺的電子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)改革[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，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(shù)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018（02）：7-8.

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