陈琼 陈凯伦

关键词 模块化 声光检测 实验效率 综合实验

中图分类号：G642                                  文献标识码：A   DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.09.024

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

0 引言

實践是检验基础知识掌握程度的最好方式。模拟电子技术基础课程与数字电子技术基础课程作为理论性和实践性都极强的学科，仅通过课堂上抽象的理论讲解，学生们是无法完全掌握的。声光联控路灯综合设计实验采用模块化设计，不但与书本内容紧密相连，而且减轻了学生们一些不必要的实验负担。[1]通过该实验既可以让学生们掌握相关的理论知识，加深对概念的理解，做到学以致用;同时又可以提高实验效率，让学生们有更多精力去处理调试中出现的各种问题，针对不同的调试问题，提出不同的解决方案。经过这一系列学以致用的过程，培养了学生们的实验功底，开阔了学生们的眼界，增添了学生们的获得感与荣誉感。实现了让学生们在快乐中学习，在学习中求真知的理想目标。

1 设计内容及要求

设计一个声光联控路灯电路。要求：白天的时候有响声路灯不会亮，晚上的时候有响声路灯才会亮，延时一段时间后灯自动灭，再有响声，灯再次点亮。

2 设计原理

该声光联控路灯综合设计实验采用模块化设计，实验主要分为检测和控制两部分，由检测模块、声光联控模块、定时模块、控制模块组成，其系统框图如图1所示。借助光敏元件，利用光信号检测模块检测光的强度;借助声敏元件，利用语音信号检测模块检测声音的强弱;当无光且有声音发出时，路灯定时模块才会输出有效的定时信号;最后利用控制模块来控制路灯的亮灭，从而实现了声光联控路灯的效果。当然，这只是本实验的一个参考思路，由于给出的模块不仅于此，有能力的同学可以设计出更加简洁、实用的电路。同时，为增强学生们的能动性，激发学生们的实验兴趣，本实验各个模块元器件参数可供学生们自行设计。

通过语音信号检测模块来识别语音信号，其原理图如图2所示。

2.2 光信号检测模块

光敏电阻的电导率随着光照强度的变化而变化。本实验采用市场上常用的光敏元件 3系列型号为GL3516。根据国际标准，在-30℃至+70℃的环境下，其亮电阻为5-10k ，暗电阻为0.6M 。利用光敏电阻阻值随光照强度变化而变化的特性，光信号检测模块电路如图3所示。若有较强光照时，光敏电阻阻值较小，输出电压Uo近似为0V;若无光照时，光敏电阻阻值较大，输出电压Uo近似为5V，从而输出有效的控制信号。

声光联控电路采用2输入与非门来实现，如图4所示。A脚输入光信号转变的电压变化量;B脚输入语音信号转变的电压变化量。二极管D1和D2用来保护与非门，R1和R2为限流电阻。

2.4 路灯定时模块

路灯定时模块采用555定时器构成的单稳态电路，具有稳态和暂态两种工作状态。当没有外部信号触发时，电路处于稳态;有外部信号触发时，电路从稳态翻转到暂态，经过一段时间后，电路又会自动回到稳态。通过控制暂态时间即可实现对路灯的定时控制。

555单稳态电路模块如图5所示，该模块采用555定时器的2脚作为触发信号的输入端，3脚作为输出端。当外界信号为高电平时，该电路表现为稳态，Uo输出为低电平;当输入端2脚有低电平触发时，该电路表现为暂态，Uo输出为高电平。输出暂态脉冲宽度Tw的大小由外接电阻R和电容C来决定。由于Tw等于电容电压在充电过程中从0上升到2/3Vcc所需要的时间，[3]因此得到：

例如当R取100k，C取100uf时，暂态时间Tw等于10s。需要注意的是随着Tw宽度的增加，它的精度和稳定度也将下降。

2.5 可控硅路灯控制模块

可控硅是一种大功率元件，有单向、双向两种类型。其具有的体积小、效率高、寿命长的优点，是实现小功率控件控制大功率器件设备的理想元件。光耦MOC3041可用来隔离可控硅上的交流高压和直流低压控制信号，其输出用来触发可控硅。可控硅路灯控制电路如图6所示，該电路采用220V电压供电，因此更偏向于实际生活中的路灯控制。当输入端Vi为高电平时，可控硅即可正常工作，此时负载端通过200V交流电压供电，CON2接口连接的路灯被点亮。

硬件线路连接好，并不意味着可以得出正确的实验结果。实际的情况往往是，大部分的学生都无法一次实验成功。此时，调试的作用就显得尤为重要。树立学生们的调试理念，培养学生们的调试能力，是增强学生们实验成功率的重要途径。克服实验失败时的负面情绪，理性分析问题的原因，才能够让学生们不断成长，不断进步。本实验采用的模块化实验理念，通过分模块调试可以给学生们带来极大的便利。

语音检测电路调试：在MIKE传感器周围发声，若在输出端有高低电平变化，则表明电路工作正常。

光检测电路调试：在无光照情况下，若输出端Uo为高电平，则表明电路正常工作。

声光联控电路调试：在AB两个输入端加高低电平，若有且只有当AB都为高电平，输出才为低电平，则表明电路正常工作。

路灯定时电路调试：设定好RC参数以后，当给其输入端一个低电平时，通过示波器观察输出端产生的高电平脉冲时间是否与计算的Tw一致。若相同，则表明电路正常工作。

可控硅路灯控制电路调试：输入端加一高电平，若CON接口连接15W的白炽灯被点亮，表明电路正常工作。

4 结束语

基于模块化平台的声光联控路灯综合设计实验是对模拟电子技术基础课程和数字电子技术基础课程中一些重要知识点的整合。首先，该实验项目贴近实际生活，可以让学生们领略模电和数电在生活中的魅力，激发学生们的学习兴趣;其次，通过模块化的实验设计，既加强了学生们对理论知识的理解、提高了学生们的基本实验技能，达到理论与实践相结合的目的，同时也减轻了他们的实验负担，不必再为杂乱无序的导线而苦恼，使他们有更多的精力去考量、去总结;再次，该实验为综合设计实验，有助于提高学生们的综合实践能力、建立完整的系统观和工程观、培养学生们的创新精神;最后，对于不同专业、不同层次的学生，可以节选实验模块进行实验，提高实验的能动性。

基金项目：江西省教育科学“十二五”规划课题，项目编号：10YB080

参考文献

[1] 陈琼，郭启利.基于模块化实验平台的电子系统实验改革[J].实验室科学，2011（3）.

[2] 沈广楠，李金平，毕佳宇，张鹏.声传感器垂直线阵列测距技术研究[J].科技创新与应用，2018（02）：7-8.

[3] 臧殿红.基于555定时器典型应用电路的分析[J].电子世界，2017（06）：66-67.