任务二 制作声控照明系统
声音是由物体振动产生的声波，是通过任何物质传播形成的运动，与大众生活、生产息息相关的物理量。声音传感器使用的是与人类耳朵相似、具有频率反应的电麦克风，它能将声音信号转换成电信号，从而更好的指挥与控制执行部件工作。例如声控洒水灭尘装置、声控开关等，其功能的实现依靠的都是声音传感器。
任务实施之前，通过搭建的应用场景，体验声音传感器的作用，为后续的学习提供直观的认知。
任务实施过程中，首先要求能识读电路图，做好器件与工具的准备；然后，通过仿真电路不断调整参数，体验声控效果；再将元件器拼搭到面包板上，使用电烙铁焊接某些部件，正确接通电源后，运行和测试电路功能，实现声音控制亮灯的效果；最后，通过传感器工作波形分析和示程理解其工作原理。
1.声音传感器应用体验
声音传感器在生活、生产中广泛应用，现以家居室内声控照明场景为例，来体验声音传感器的应用。
（1）应用场景搭建
如图2-1所示，家居室内声控照明场景共有三个模块，分别是：左下方的声音传感模块、右下方的继电器模块、上方的指示灯模块。该场景中，指示灯模块用来模拟室内照明设备，当声音发出时，指示灯亮，室内照明系统启动。
对照图2-2，将三个模块分别放置到实验平台的相应位置上。
操作步骤如下：
① 使用一条黄色（颜色可自选，仅为了便于区分）连接线将声音传感模块的比较输出接口与继电器模块的J2接口连接；
② 使用一条蓝色连接线将GND接口与继电器模块的J7接口相连接；
③ 再使用一条黄色连接线将继电器模块的J8接口与12V电压的正极接口相连接，效果如图1-52所示。
图2-1 声控模拟场景四个模块图 2-2 声音传感模块与继电器模块连接
④ 使用一条蓝色连接线将继电器模块的J9接口与指示灯模块的正极接口相连接；
⑤ 再使用一条蓝色连接线将指示灯模块的负极接口与12V电源的负极接口相连接，如图2-3所示。
连接完成后的效果如图2-4所示，此时可启动实验平台的电源，并开始工作。
图2-3 继电器模块与指示灯模块的连接图
图2-4 声控照明场景环境搭建效果
（2）设定声控阀值
声控阀值是场景中所要控制的声音采集灵敏度边界值，当外界的声音，即感受声音，高于该值时，指示灯亮，模拟室内照明系统启动。
声控阀值可通过声音传感模块中的蓝色旋钮来调节。
（3）场景体验
若当前室内安静时，即感受声音低于声控阀值，则指示灯不亮，照明系统不工作，如图2-5所示；用手机开启音乐，当感受声音值超过声控阀值时，指示灯亮起，模拟照明系统工作，如图2-6、2-7所示；当音乐关闭，感受声音值下降，恢复到原先状态。
图2-7 模拟声控照明开启效果
2.任务要求与准备
（1）任务要求
任务中所要制作的简易声控照明装置电路如图2-8所示，该电路中能感受声音变化的传感器为驻极体话筒，即引起驻极体电阻发生变化，电阻变化又会引起驻极体话筒两端电压U的变化，实现声—电的变换。当外界音量增大时，驻极体电阻变化越明显，当晶闸管MCR控制集电压高于0.65V时，MCR导通，从而二极管LED发光，模拟照明系统启动。
图2-8 声控照明装置电路图
任务要求制作者对照声控照明装置电路图，通过仿真软件进行功能模拟，快速体验声控照明装置电路图的工作过程；准备好相应的电子元器件和各类工具，借助面包板，实现电路拼搭，并进行功能测试与验证；在原有基础上对电路进行优化，提高声控敏感度。对照面包板所拼搭的电路通过焊接技能将其转化为实际传感器电路作品，并进行功能测试与验证
（2）任务准备
1）元器件准备与检测
按表2-1准备相关元器件，对照电路图和图示表项，将所对应的图形符号填入图形符号表项中。
表2-1 声控照明装置电路元器件清单
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元器件 |
说明 |
图示 |
图形符号 |
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驻极体话筒 RV1 |
1KΩ |
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电位器RP |
5.1K |
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R1 |
2KΩ |
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R2 |
1MΩ |
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R3 |
10KΩ |
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R4 |
100Ω |
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1µF |
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LED灯 |
Ø3或Ø4 |
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三极管 |
9014 |
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2）工具
除万用表、示波器等工具之外，该任务包括焊接操作，需要相关的焊接工具。
① 电烙铁
是电子制作和电器维修的必备工具，主要用途是焊接元件及导线，如图2-9所示，按机械结构可分为内热式电烙铁和外热式电烙铁，按功能可分为无吸锡电烙铁和吸锡式电烙铁，根据用途不同又分为大功率电烙铁和小功率电烙铁。
② 简易焊接台
为了方便学生焊接实验，固定焊接物件，可使用焊接台，如图2-10所示。
图2-9 电烙铁
图2-10 学生实验用焊接台
使用功能强大的Proteus
8 Professional仿真软件，运行所给定的仿真电路，所给定的电路如图2-11所示。
具体操作步骤如下：
① 打开仿真软件Proteus 8 Professional，选择菜单File->Open
Project,浏览到“素材
文件夹”，并选择“声控照明装置电路1.pdsprj”文件。
② 选择菜单Debug->Start VSM Debugging，开始仿真。电路图中显示的箭头方向，就是电路工作时电流的方向。
③ 选择菜单Debug->Stop VSM Debugging，停止仿真。
在仿真环境下，进行如下尝试，体验电位器阻值变化与亮灯之间的关联：
在未开始调试的情况下，对RV1电位器，按向下的箭头，调小电阻值，使得在仿真状态下，D1灯不亮；在D1灯不亮的情况下，对RV1电位器，按向上的箭头，调大电阻值，当晶闸管的控制极K的电压（RV1(3)）的值大于0.65时，晶闸管突然导通，D1灯亮；在晶闸管导通后，不论怎么增大或减少RV1电位器的电阻值，都不影响晶闸管的导通情况，所以D1灯长亮，除非停止仿真。
实际电路搭建时，选择的元件参数不同，与仿真软件的计算结果有一定的差别，这并不影响我们对电路工作原理的理解。
图示2-11 声控照明电路仿真电路
通过仿真实验，已经了解了声控照明装置电路的工作过程，现要求使用面包板将元器件拼搭成直观的电路，并运行测试。
对照电路图，按一定的顺序将元器件逐一接入面包板。
步骤一 电路搭接
（1）电源正极连接
将红色杜邦线插入面包板的X行第1列孔槽中，用于连接电源的正极，如图2-12所示。
图2-12 电源正极连接线
（2）发光二极管连接
观察发光二极管的二只引脚，有长短之分，长的为正极，短的为负极。将正极引脚（长针）插入X行第14列孔槽中，连接电源正极，将负极引脚插入A行第16列孔槽中，如图2-13所示。
图2-13 发光二极管连接
（3）晶闸管连接
将晶闸管的K极、G极、A极三只引脚分别插入C行第14、15、16列孔槽中，集电极与二极管的负极相连，如图2-14所示。
图2-14 三极管连接
（4）晶闸管G极连接
使用连接线一端插入D行第15列孔槽中与晶闸管G极连接，另一端插入第D行第5列孔槽中，如图2-15所示。
图2-15 连接线1
（5）晶闸管K极连接
使用连接线一端插入E行第14列孔槽中，与晶闸管K极连接，另一端插入F行第14列孔槽中，再用连接线一端插入J行第14列孔槽中，另一端插入Y行第12列孔槽中，将晶闸管K极与地线相连，效果如图2-16所示。
图2-16 连接线2
（6）可调电阻连接
使用连接线一端插入E行第5列孔槽中，另一端插入F行第5列孔槽中，将电位器的三只引脚分别插入第G行5、6、7三列孔槽中，5列孔槽与晶闸管G极连接，如图1-67（a），使用连接线一端插入I行第6列孔槽中，另一端插入I行第7列孔槽中，再用连接线一端插入J行第7列孔槽中，另一端插入Y行第6列孔槽中，将电位器两脚与地线连接，如图2-17（b）所示。
(a)
(b)
图2-17可调电阻连接
（7）
驻极体话筒
将万用表拨至R×1kΩ档，黑表笔接任一极，红表笔接另一极。再对调两表笔，比较两次测量结果，阻值较小时，黑表笔接的是源极，红表笔接的是漏极。源极连接电源负极，漏极接电源正极。
对照图2-18，将话筒的漏极引脚插入X行第5列孔槽中与电源正极相连，源极引脚插入第A行第5列孔槽中与电位器相连。
图2-18 电容式驻电极话筒连接
（8）连接电源负极
对照图2-19，使用黑色杜邦线插入Y行1列孔槽中，用于连接电源负极。
图2-19 电源负极连接线
步骤二 万用表测试
将万用表开关打开，拨动转动开关到蜂鸣档，把万用表的红黑表笔连接在一起，万用表有蜂鸣声发出，说明表笔接触良好；在电路通电测试之前，用万用表正负表笔分别连接待测电路的电源线和接地线，如果有蜂鸣声，说明待测电路有短路现象存在。然后逐段检测，找出短路的位置。万用表测试正常后再通电使用，保障电路安全。
步骤三 电源接通
使用直流稳压可调电源将电压调整到3V左右，太高的电压可能烧毁LED灯。将红色夹头连接正极，黑色夹头连接负极，开启电源观察电路工作情况，如图2-20所示。
图2-20 电路功能运行
步骤四 功能测试
首先，通过电位器上方的旋钮进行调整，将灯光调整到亮暗的边界状态，这样便于快速测试。
然后，通过对着话筒拍手或吹气来产生声音，若声音足够大，则灯亮起，声音消失后灯熄灭。
实际上该装置是希望声音打开灯后一直亮着，关灯采用手动的方式。
步骤五 电路优化与测试
前面步骤所完成的电路中，外界声音所转换后的电信号太弱，声音非常响亮时功能效果才能呈现，这与实际应用不符。现需对电路进行优化，对所采集的信号进行放大，促使声音感受敏感度提高，电路图如图2-21所示。
图2-21 声控照明优化电路
（1）电源正极连接
将红色杜邦线插入面包板的X行第1列孔槽中，用于连接电源的正极，如图2-22所示。
图2-22 电源正极
（2）电阻连接
将电阻R1的一支引脚插入第X行第5列孔槽中与电源正极相连接，另一支引脚插入第C行第5列孔槽中，如图2-23所示。
图2-23 电阻连接
（3）驻极体话筒、电位器连接
将驻极体话筒的正极引脚插入第E行第5列孔槽中，与R1电阻相连接，负极引脚插入第F行第5列孔槽中，如图2-24（a），与电容器正极和电位器RP相连接，电位器RP引脚分别插入H行第3、4、5列孔槽中，如图2-24（b）所示，再用导线插入I行第3、4孔槽中，用另一根导线插入J行第3列到Y行第3列孔槽中，让电位器两只管脚与电源地线连接，如图2-24（c）所示。
（a） (b)
（c）
图2-24 驻极体话筒、电位器连接
（4）电容器连接
用万用表最大电阻档，用红黑表笔接触电容引解，看到明显读数增加时，表明在充电，此时，红表笔接触为正，黑笔为负，反之，读数为零。外观上看，长脚为正，短脚为负。
判断极性后，将电容器的正极引脚插入第J行第5列，与驻极体话筒负极和电位器RP相连接，负极引脚插入J行第8列，如图2-25（a）所示，与电阻R2相连接，再将电阻R2另外一只引脚插入X行第7列孔槽中，与电源正极连接如图2-25（b）所示，用一根导线将H行第8列和H行第12列孔槽连接，如图2-25（c）所示。
(a) (b)
(c)
图2-25 电容器连接
（5）三极管连接
将三极管的集电极、基极、发射极三只引脚分别插入G行11、12、13列孔槽中，用导线插入J行11列，另外一端插入Y行第10列孔槽中，把三极管的发射极与电源地线相连接；基极通过导线与电容负极连接，集电极与电阻R3相连，再将电阻R3的另一端插入X行第11列孔槽中，与电源正极连接，如图2-26所示。
图2-26 三极管连接
（6）晶闸管连接
晶闸管的阴极、控制极、阳极分别插入第G行第15、16、17孔槽中，其中第16孔槽通过导线与电阻R3相连接，15孔槽通过导线与Y行第13列孔槽连接，将晶闸管阴极与电源地线连接，如图2-27所示。
图2-27 晶闸管连接
（7）发光二极管连接
发光二极管的二只引脚，有长短之分，长的为正极，短的为负极。将负极引脚插入I行第17列孔槽中，与晶闸管阳极连接，将正极引脚（长针）插入I行第19列孔槽中，连接电阻R4， 再将电阻另一端插入X行第21孔槽中，与电源正极连接，如果2-28所示。
图2-28 发光二极管连接
（8）连接线搭接
用黑色杜邦线插入Y行第1孔槽，连接电源负极，如图2-29所示。
图2-29 电源负极连接
（9）通电测试
电路优化后，与原电路相比，其对声音的敏感度大大增强，一旦发出较低的声音，灯就会点亮，如图2-30所示。
图2-30
通电测试
5.电路焊接与装配
在完成仿真和面包板电路搭建实验之后,为了能更正贴近真实情况,实验者还需通过焊接技术将电子元件器焊接到电路板上,组成一个完整的声控照明装置“准”产品，并能正常运行使用。
步骤一 焊接前准备
在焊接前先准备一块多功能多孔板，认真观察该板的正反面，其中表面没铜箔的是正面，在焊接电路的时候通常会把上面的铜箔当做电源正极（VCC）,把下面的铜箔当做电源的负极（GND），如图2-31（a)所示,;电路板有铜箔是反面，如图2-31（b)所示。
(a) 正面
(b)
反面
图2-31 万能板
观察电路共需要多少条导线，并采用已掌握的双绞线剥线方法来制作导线。
检查元件器是否齐全，并用万用表测量可用性。
步骤二 固定元件与焊接
在电路焊接过程中，元件的固定与排版是很关键的环节。在焊接导线之前我们必须先对电路板的空间与位置进行合理的规划，达到电路排版要求。电路焊接方法一般分为两种，一种是在元件布局规范且固定完毕的前提下一次性焊接全部导线，另一种方法是根据原理图中的元件与电源线的位置逐一焊接与连接的方式来完成电路焊接。
下面以第二种焊接方法为例，即导线元件逐一焊接。
（1）制作焊接需要的连接导线。
利用剥线钳对双绞线进行正确的剥离，裸露导线部分4mm-8mm之间不宜太长，具体如图2-32所示。
图2-32 导线剥离
（2）固定电路板和导线，并焊接
首先在焊接之前我们需要把剥好的导线插入电路板最上方一条横线上的孔里面，将该线路做为电源正极VCC，利用夹子将导线固定在多功能板上防止我们在焊接时导线随意滑动，如图2-33(a)所示，然后还需要把多功能板固定在焊接架上面，反面朝上,目的是为了焊接导线以及元件时操作方便，具体操作如图2-33 (b)所示，在万用板背面有铜箔的一侧，用电烙铁配合焊锡丝，焊接导线，先用电烙铁以45度角度加热导线引脚和电路板焊盘，再用焊锡丝以45度角度贴到加热后的焊盘上，待焊锡熔化，覆盖万用板的孔和铜导线时，移除焊锡丝，再移除电烙铁。注意控制加热的时间，不要太多的焊锡。焊点以圆锥形为佳。需要多次练习。如图2-33(c)所示,用斜口钳剪掉多余的导线，如图2-33（d）所示。以同样的方式将导线插入电路板最下方横线的孔里，将该线作为电源负极GND,也称地线。
(a) (b)
(c) (d)
图 2-33 固定导线与焊接
（2）安装电阻R1与焊接
取2K电阻插到电路板如图2-34位置，注意！电子元件两只管脚不可插在同一根铜箔上！电阻上端与电源VCC连接，下端连接驻极体话筒。
（3）驻极话筒安装与焊接
驻极体话筒又称为主机体麦克风，由声电转换和阻抗变换两部分组成。声电转换的关键元件是驻极体振动膜。它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层金属薄膜。然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。在驻极体话筒中，有一只场效应管做预放大，因此驻极体话筒在正常工作时，需要一定偏置电压，这个偏置电压一般情况下不大于10v。驻极体话筒焊接及极性参考教材前面面包板实验搭建。将驻极体话筒正极与电阻R1连接，负极与电位器RP连接，如图2-35所示，焊接背面的元件管脚，再用斜口钳剪掉多余的管脚。
图2-34 安装电阻R1
图2-35 驻极体话筒的安装与焊接
（4）电位器、电容与R2的安装与焊接
用导线连接驻极体话筒的负极与电位器RP，再把RP另外两只管脚与地线GND连接；将电容的正极与驻极体话筒的负极连接，电容的负极与电阻R2连接，再把电阻R2的另外一端与电源VCC连接，如图2-36所示，焊接背面的元件管脚，再用斜口钳剪掉多余的管脚。
（5）三极管与R3的安装与焊接
用导线从电容的负极连接到三极管9014的基极，将R3电阻一端与三极管的集电极连接，另外一端与电源的正极VCC连接，再把三极管的发射极通过导线与电源的负极GND相连接，如图1-37所示，焊接背面的元件管脚，再用斜口钳剪掉多余的管脚。
图1-36 电位器、电容与R2的安装 图1-37 三极管与R3的安装
（7）晶闸管的安装与焊接
晶闸管又称可控硅，是一种可控硅整流元件的简称，是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件，亦称为晶闸管。具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。该器件被广泛应用于各种电子设备和电子产品中，多用来作可控整流、逆变、变频、调压、无触点开关等。家用电器中的调光灯、调速风扇、空调机、电视机、电冰箱、洗衣机、照相机、组合音响、声光电路、定时控制器、玩具装置、无线电遥控、摄像机及工业控制等都大量使用了可控硅器件。本次案例中使用的晶闸管型号是MCR100-6。
MCR100-6极性如图2-38（a）所示。
用导线将三极管的集电极与晶闸管的G脚相连接，再用导线把晶闸管的K脚与电源地线GND相连接，如图2-38（b）所示，插接前请注意引脚极性A、K、G，不可插错，焊接背面的元件管脚，再用斜口钳剪掉多余的管脚。
（a） （b）
图2-38
晶闸管的安装
（8）LED与R4的安装与焊接
在安装LED灯的过程中一定要注意LED灯的引脚极性，在DIP直插系列封装的LED中长引脚为LED正极，短引脚为LED负极。将LED的负极与晶闸管的A脚相连接，LED的正极与电阻R4相连接，电阻R4的另外一端与电源正极VCC相连接，如图2-39所示，焊接背面的元件管脚，再用斜口钳剪掉多余的管脚。
图2-39 安装LED与焊接
（9）焊点检查
到此步为止，声控灯电路安装焊接已接近尾声，随着元件的逐一安装与固定焊接，接下来的步骤就是检查各个焊点是否有虚焊？有没有焊短路？有无元件管脚忘记剪掉？完整的焊接面如图2-40所示。
图2-40完整的焊接面
步骤三 通电调试与运行
当电路板完成安装与焊接之后，我们即将进入最后一个流程，那就是调试阶段，在调试之前首先要给电路板接通电源，让电路能够正常工作，图2-41所示为电源接线方式、图中蓝色的导线接电源正极，也就是VCC，电源控制在3~5V左右，绿色导线为电源负极，也就是GND。
当给电路电源接进之后，我们需要对电路进行功能测试，因为是声控灯电路，所以电路触发信号是声音，当电路检测到声音之后电路中的红色LED就会点亮，当声音停止时电路中LED自动熄灭，此时可视为电路焊接正确。如果声音信号产生之后电路中LED没有被点亮被视为电路焊接失败，此时该做的就是按照书中的电路原理图进行故障排除。
6.声音传感器原理解析
（1）工作过程测量-波形分析
用示波器表笔的负极（黑色夹子）夹住电路板负极，再用示波器表笔的正极连接到LED的负极端，用手机在驻极体话筒旁播放音乐，当音乐响起示波器就能检测到一次震荡信号，得出如图2-41 的波形。
图2-41波形检测
（2）声音传感器的工作特性
声音测量是通过某种传声器将外界作用于其上的声信号转换成电信号，然后将这个电信号输送给后面的电测系统以实现测量。所以声电变换传声器，是实现声音测量的最基本和最重要的器件。传声器的性能，还与它的尺寸大小有关，如尺寸大的，其灵敏度较高和可测声级的下限也较低，但其频率范围较窄；而尺寸小的，其灵敏度虽较低，但其频率范围宽和可测声级的上限也较高。
驻极体是声音传感器的核心部件，由声电转换和阻抗变换两部分组成。驻极体中的薄膜生产时就注入了一定的永久电荷，由于没有放电回路，这个电荷量是不变的，在声波的作用下，薄膜随着声音震动而产生位移时，改变了电容两极板之间的距离，从而引起电容的容量发生变化，由于驻极体上的电荷数始终保持恒定，根据公式：Q =CU 所以当C变化时必然引起电容器两端电压U的变化，从而输出电信号，实现声—电的变换。由于实际电容器的电容量很小，输出的电信号极为微弱，输出阻抗极高，可达数百兆欧以上。因此，它不能直接与放大电路相连接，必须连接阻抗变换器。通常用一个专用的场效应管和一个二极管复合组成阻抗变换器。一般驻极体经阻抗变换后输出电阻小于2千欧。
【任务总结】
本任务全面考核学生的专业能力和关键能力，采用过程性评价和结果评价相结合，定性评价与定量评价相结合的考核方法。考核由学习与工作中的观察、口头或书面提问、专业技能考核等几部分形成，由老师结合考勤情况、学习工作表现、团队合作情况、子任务完成情况、最终项目吴现效果等，综合评定学生成绩。应注重对学生动手能力和在实践中分析问题、解决问题能力的考核，对在学习和应用上有创新的学生给予特别鼓励。
1.考核评价表
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内
容 |
目 标 |
标 准 |
方 式 |
权重 |
自评 |
评价 |
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出勤与安全状况 |
让学生养成良好的工作习惯 |
100 |
以100 分为基础，按这五项的权值给分，其中“任务完成及项目展示汇报情况”具体评价见“任务完成度”评价表。 |
10% |
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学习、工作表现 |
学生参与工作的态度与能力 |
15% |
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回答问题的表现 |
学生掌握知识与技能的程度 |
15% |
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团队合作情况 |
小组团队合作情况 |
10% |
|
|
||
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任务完成及项目展示汇报情况 |
小组任务完成及汇报情况 |
40% |
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|
||
|
拓展能力情况 |
拓展能力提升状态，任务完成情况 |
10% |
|
|
||
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创造性学习（附加分） |
考核学生创新意识 |
10 |
教师以10分为上限，奖励工作中有突出表现和特色做法的学生 |
加分项 |
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学习情境成绩=出勤状况×20%+学习及工作表现×20%+知识及技能掌握×20%+ 团队合作情况×10%+任务完成情况×30%+创造性学习。 |
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||||
总评成绩为各学习情境的平均成绩，或以其中某一学习情境作为考核成绩。
2.任务完成度评价表
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任务要点 |
要求 |
权重 |
分值 |
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声音传感器应用体验 |
搭建应用环境，实现温度传感器功能，体验应用效果。 |
10 |
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声音传感器应用仿真 |
根据传感电路图，绘制仿真电路，并进行功能测试。 |
10 |
|
|
声音传感器搭接与测试 |
根据传感电路图，使用面包板和元器件，物理拼搭温度传感器电路，并进行功能测试。 |
30 |
|
|
声音电路焊接与装配 |
根据传感电器图，使用电烙铁将元器件进行焊接，装配成传感器电路实体. |
30 |
|
|
声音传感器原理解析 |
解析声音传感器工作原理。 |
10 |
|
|
总结与汇报 |
呈现任务实施效果，做任务竣工汇报。 |
10 |
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3.任务总结
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任务学习情况： |
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心得与反思： |