一种用于声控发光驻波实验仪的声光转换阵列的制作方法

本发明涉及物理实验教学仪器技术领域，具体是一种用于声控发光驻波实验仪的声光转换阵列。

背景技术：

驻波是由振幅、频率、振动方向均相同而传播方向相反的两列波迭加而成的，例如由扬声器发出的入射声波在管内的另一端发生反射并与入射声波干涉形成驻波。

在利用昆特管演示声驻波的实验中，可观察到环形飞溅的煤油浪花，其中液体振动最激烈的点，称为波腹；液体静止不动，振幅最小的点称为波节。在昆特管中驻波的波腹处，空气振动剧烈，气压小，从而吸起该处的煤油，使得波腹处的煤油飞溅；而在驻波的波节处，驻波能量极小，且两侧波腹处的空气向此聚集，气压大，将此处煤油下压，使得煤油只能向两侧(波腹位置)流动。最终两者达到动态平衡，形成了在实验中看到的“喷泉”现象。利用昆特管演示声驻波，噪声大，不能反映空气振动的相位，使用过程中有一定的危险性，使用后管内仍有煤气残留。

一种感音声驻波演示装置(专利号：zl201520438503.7)通过对采集的声音信号进行模拟放大直接驱动双色led发光，虽然可以显示声驻波的强度和相位，但是控制不够精准，导致双色led发光亮度和颜色与实际声强和相位差别较大，尤其是在低频情况下，且对声音信号频率的检测相应只能做到3.5khz以下。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供一种用于声控发光驻波实验仪的声光转换阵列。

本发明的技术方案为：

一种用于声控发光驻波实验仪的声光转换阵列，该声光转换阵列由若干个声光转换单元并联构成，所述声光转换单元主要由声信号拾取模块、信号放大模块、信号采集处理模块以及声强度和相位显示模块构成；

所述声信号拾取模块，用于将声音信号转换为电信号；

所述信号放大模块，用于将所述声信号拾取模块输出的电信号放大，并输出至所述信号采集处理模块；

所述信号采集处理模块，用于将所述信号放大模块输出的电信号转换为数字量，经过处理后输出pwm信号控制所述声强度和相位显示模块；

所述声强度和相位显示模块，用于根据所述信号采集处理模块输出的pwm信号，通过控制双色led的发光亮度和颜色来反映声音信号的强度和相位。

所述的用于声控发光驻波实验仪的声光转换阵列，所述声信号拾取模块包括四个独立的转换通道，所述转换通道包括咪头、上拉电阻和信号输出耦合电容；

所述信号放大模块包括具有四个反相输入端、四个同相输入端和四个输出端的四通道集成运算放大器、四通道独立的输入电阻、四通道独立的反馈电阻和第一电源滤波电容；

所述信号采集处理模块包括单片机、第一并联接口、第二并联接口、第二电源滤波电容和复位接口；

所述声强度和相位显示模块包括四个双色led和四个限流电阻；

所述咪头的一端接地，另一端通过所述上拉电阻连接到第一电源电压并且通过所述信号输出耦合电容与所述输入电阻的一端连接，所述输入电阻的另一端与四通道集成运算放大器的四个反相输入端一一对应连接；

所述反馈电阻的一端连接到所述输入电阻与四通道集成运算放大器的反相输入端之间，另一端与四通道集成运算放大器的四个输出端一一对应连接；所述第一电源滤波电容的一端连接到第一电源电压，另一端接地；所述四通道集成运算放大器的四个同相输入端连接到所述第一电源滤波电容与第一电源电压之间；

所述单片机具有五个模拟信号输入端，其中四个分别与所述四通道集成运算放大器的四个输出端一一对应连接，剩下的一个连接到所述第一电源滤波电容与第一电源电压之间；

所述单片机具有八个pwm信号输出端，分别与所述双色led的负极一一对应连接，所述双色led的正极通过限流电阻连接到第二电源电压；

所述第一并联接口和第二并联接口分别与所述单片机连接，用于将任意数量的声光转换单元并联构成需要的声光转换阵列，实现阵列间多机通讯；所述第二电源滤波电容的两端分别连接到第二电源电压和地；所述复位接口与所述单片机的复位端连接；

所述单片机用于将接收的五个模拟信号进行adc转换，转换后分别代表参考电位和四个声道电位，四个声道分别与四个双色led一一对应，然后根据每个声道电位与参考电位的数字量大小，使能每个双色led相应颜色的pwm信号，并且根据每个声道电位与参考电位的数字量的差值绝对值控制pwm信号的脉宽。

所述的用于声控发光驻波实验仪的声光转换阵列，所述adc转换由外部信号通过第一并联接口和第二并联接口中断触发控制，对五个模拟信号依次轮询转换。

所述的用于声控发光驻波实验仪的声光转换阵列，所述四通道集成运算放大器选用lm324qfn16芯片。

所述的用于声控发光驻波实验仪的声光转换阵列，所述单片机选用n76e003aq20芯片。

所述的用于声控发光驻波实验仪的声光转换阵列，所述第一并联接口和第二并联接口选用int6-1接口。

所述的用于声控发光驻波实验仪的声光转换阵列，所述双色led选用led1206。

由上述技术方案可知，本发明将声音信号模拟量转换为数字量，经单片机处理后通过pwm信号控制双色led的发光亮度和颜色，信号采集精度高、稳定性强、亮度和颜色显示控制精准，提高了声音信号频率检测范围；本发明所用的电子元件数量少、尺寸小，便于小尺寸高密度集成，易于安装至驻波管内壁，便于研究管内的声波特性。

附图说明

图1是本发明的声光转换单元的结构框图；

图2是本发明的声信号拾取模块的电路原理图；

图3是本发明的信号放大模块的电路原理图；

图4是本发明的信号采集处理模块的电路原理图；

图5是本发明的声强度和相位显示模块的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种用于声控发光驻波实验仪的声光转换阵列，该声光转换阵列由若干个声光转换单元并联构成。如图1所示，声光转换单元主要由声信号拾取模块100、信号放大模块200、信号采集处理模块300以及声强度和相位显示模块400构成。

其中，声信号拾取模块100将声音信号转换为电信号；信号放大模块200将声信号拾取模块100输出的电信号放大，并输出至信号采集处理模块300；信号采集处理模块300将信号放大模块200输出的电信号转换为数字量，经过处理后输出pwm信号控制声强度和相位显示模块400；声强度和相位显示模块400根据信号采集处理模块300输出的pwm信号，通过控制双色led的发光亮度和颜色来反映声音信号的强度和相位。

如图2所示，声信号拾取模块100包括四个独立的转换通道101；102；103；104。转换通道101；102；103；104包括咪头mic1；mic2；mic3；mic4、上拉电阻r11；r21；r31；r41和信号输出耦合电容c11；c21；c31；c41。

咪头mic1；mic2；mic3；mic4的一端接地gnd，另一端通过上拉电阻r11；r21；r31；r41连接到第一电源电压v2.0并且通过信号输出耦合电容c11；c21；c31；c41与信号放大模块200的输入端连接。声信号拾取模块100的输出端与信号放大模块200的输入端连接的网络标号分别为m1_out、m2_out、m3_out、m4_out。

如图3所示，信号放大模块200包括四通道集成运算放大器201、四通道独立的输入电阻r12；r22；r32；r42、四通道独立的反馈电阻r13；r23；r33；r43和第一电源滤波电容c2，四通道集成运算放大器201选用lm324qfn16芯片。

输入电阻r12；r22；r32；r42的一端与声信号拾取模块100的输出端连接，另一端与四通道集成运算放大器201的四个反相输入端一一对应连接。反馈电阻r13；r23；r33；r43的一端连接到输入电阻r12；r22；r32；r42与四通道集成运算放大器201的反相输入端之间，另一端与四通道集成运算放大器201的四个输出端一一对应连接。第一电源滤波电容c2的一端连接到第一电源电压v2.0，另一端接地gnd。四通道集成运算放大器201的四个同相输入端连接到第一电源滤波电容c2与第一电源电压v2.0之间。

信号放大模块200的输出端与信号采集处理模块300的输入端连接的网络标号分别为：ain3、ain5、ain0、ain2、ain1。四通道集成运算放大器201的1～16号引脚依次与网络标号pref、v5、nc、pref、m2_in、a2_out、a3_out、m3_in、pref、nc、gnd、pref、m4_in、a4_out、a1_out、m1_in连接。

如图4所示，信号采集处理模块300包括单片机301、第一并联接口j1、第二并联接口j2、第二电源滤波电容c3和复位接口rst，其中，单片机301选用n76e003aq20芯片，第一并联接口j1和第二并联接口j2选用int6-1接口。

单片机301具有五个模拟信号输入端ain3、ain5、ain0、ain2、ain1，其中，ain3连接到第一电源滤波电容c2与第一电源电压v2.0之间，ain5、ain0、ain2、ain1分别与四通道集成运算放大器201的输出端a1_out、a2_out、a3_out、a4_out一一对应连接。单片机301具有八个pwm信号输出端pwm0、pwm1、pwm1-、pwm2、pwm3、pwm4、pwm5、pwm5-，连接到声强度和相位显示模块400中的双色led。

第一并联接口j1和第二并联接口j2分别与单片机301连接，将任意数量的声光转换单元并联在一起构成需要的声光转换阵列，实现阵列间多机通讯。第二电源滤波电容c3的两端分别连接到第二电源电压v5和地gnd。复位接口rst与单片机301的复位端连接。

单片机301的1～19号引脚依次与网络标号ain2、ain0、gnd、icpda、v5、pwm5、pwm2、pwm1、pwm0、pwm1-、int、pwm3、pwm4、icpck、pwm5-、ain5、ain1、rst、ain3连接，20号引脚悬空备用。其中，4号引脚和14号引脚还分别与网络标号txd1和rxd1连接，即4号引脚和14号引脚既作为程序下载接口(icpda、icpck)，又作为阵列间多机通讯接口(txd1、rxd1)。

并联接口j1的1～6号引脚依次与网络标号rxd1、int、txd1、pref、gnd、v5连接；并联接口j2的1～6号引脚依次与网络标号v5、gnd、pref、txd1、int、rxd1连接。

如图5所示，声强度和相位显示模块400包括四个双色led：le1；le2；le3；le4和四个限流电阻r16；r26；r36；r46，其中，双色led：le1；le2；le3；le4选用led1206。双色led：le1；le2；le3；le4的负极(4、3号引脚)分别与单片机301的pwm信号输出端pwm4、pwm3、pwm1-、pwm1、pwm5-、pwm5、pwm2、pwm0一一对应连接，双色led：le1；le2；le3；le4的正极(1、2号引脚)通过限流电阻r16；r26；r36；r46连接到第二电源电压v5。

声光转换单元可以通过网络标号v5、gnd、pref、txd1、int、rxd1任意数量并联构成需要的声光转换阵列。

单片机301接收的五个模拟信号经其内部的adc转换后分别代表参考电位、声道1电位、声道2电位、声道3电位、声道4电位的数字量。单片机301内部的adc转换由外部信号通过网络标号int触发控制，对五个模拟信号依次轮询转换，然后执行处理和pwm输出控制。

声道1、声道2、声道3、声道4与用于显示的双色led:le1；le2；le3；le4一一对应。以声道1为例，若声道1电位的数字量大于参考电位的数字量，则使能pwm3，le1中pwm3控制的颜色亮；pwm3的脉宽由声道1电位的数字量与参考电位的数字量的差值绝对值控制；若声道1电位的数字量小于参考电位的数字量，则使能pwm4，le1中pwm4控制的颜色亮，pwm4的脉宽由声道1电位的数字量与参考电位的数字量的差值绝对值控制；由le1的发光颜色来反映声音信号的相位，声道1电位的数字量与参考电位的数字量的差值绝对值越大，pwm3/pwm4的脉宽越大，le1的发光亮度越大，说明声音信号的强度越大，即由le1的发光亮度来反映声音信号的强度。声道2、声道3、声道4的控制与声道1类似，此处不再赘述。

综上所述，本发明将声音信号模拟量转换为数字量，经单片机处理后通过pwm信号控制双色led的发光亮度和颜色，信号采集精度高、稳定性强、亮度和颜色显示控制精准，提高了声音信号频率检测范围，最高频率可达到15khz。本发明的声光转换阵列所用的电子元件数量少、尺寸小(芯片尺寸为3mm×3mm，咪头直径为4mm)，在同等电路尺寸的情况下可以进一步提高采集通道的密集度，可以实现每0.5cm一个通道。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。