实验题目：电子工艺认知实践‐无弦激光琴制作

1. 课程简要信息

课程名称：电子工艺认知实践课程学时：课内 16 学时适用专业：通信工程学生年级：2018 级、第四学期

2. 实验内容与任务

理念 1：电子工艺实训是本科电子信息类教学质量国家标准唯一明确要求的工程技术训练科目，而具体针对通信工程专业，本实验项目设置既希望加强通信工程专业同学从实物角度对通信系统的认知，又要让学生切实从实践上感受电子工艺是如何让理论电路图变成实物的。基于此，本实验内容将包括光纤通信系统直观认知演示实验环节和利用 PCB 制版流程制作与光通信本质原理相同的无弦激光琴作品。

理念 2：不设置验证性实验，不管理论课基础好坏，通过演示认知型实验直观接地气的演示本质原理，通过综合性创新实验环节让学生实践电子工艺流程并创新性的制作基于通信原理的无弦激光琴作品。

光通信原理是通信工程专业学生必须掌握的基础知识，理解其本质原理对学生掌握整个通信系统大有裨益。本实验以认知光通信原理为出发点，结合电子工艺设计课程内容，制作一个可演示光通信解调原理的无弦激光琴，引导学生从实验角度直观理解光通信本质原理。实验分为基本任务与拓展任务两种，基本任务为必做任务，学生根据自身情况完成拓展任务。

（1）基本任务：

$\textcircled{1}$ 原理认知：任课教师利用生活中的常见物品，制作磁通信和光通信原理演示仪器。学生通过认知型演示实验，直观了解通信系统的组成，掌握光通信的基本原理，深入理解电光效应与光电效应；

$\textcircled{2}$ 掌握流程：动手实践整个 PCB 制板工艺流程，掌握将电脑上的电路图通过 PCB 制板变成

实物的各个环节操作；

输出打印 PCB 图、烙印PCB 图到单面覆铜板上、腐蚀刻板、钻孔、插装元件、焊接调试$\textcircled{3}$ 完成实物：制作一个基于光通信解调原理的无弦激光琴实物。

（2）拓展任务：

$\textcircled{1}$ 用 C 语言编译源程序代码，使激光琴可以发出其他不同频率的声音；

$\textcircled{2}$ 在原电路图的基础上，增加液晶显示电路，可显示当前音符；

$\textcircled{3}$ 在原电路图的基础上，增加 LED 电路，可随着音调的变化进行闪烁。

3. 实验过程及要求

（1）课前要求：

$\textcircled{1}$ 认真阅读学习任课教师提前发送给大家的单片机烧录流程、PCB 制版流程文档；
$\textcircled{2}$ 查阅资料，预习光通信系统组成、原理；
$\textcircled{3}$ 查阅资料，预习无弦激光琴基本原理；
$\textcircled{4}$ 课前按照分组准备好元件，按元器件清单（见附录 1）清点元件。

（2）实验要求：

$\textcircled{1}$ 认真观看磁通信和光通信原理演示实验，领会通信系统的本质原理；
$\textcircled{2}$ 掌握将 C 语言源程序烧录进单片机中的流程，掌握在 Altium Designer 软件上设置 PCB 图打印参数；
$\textcircled{3}$ 掌握 PCB 转印激光打印机、PCB 热转印机、PCB 切板机、PCB 刻蚀机、PCB 打孔机、台钻的使用方法；
$\textcircled{4}$ 掌握 936 调温焊台使用及维护方法，熟悉手工锡焊基本操作，清点无弦激光琴元件，将元件焊接在制作好的 PCB 板上。
$\textcircled{5}$ 调试焊接好的无弦激光琴，熟悉使用万用表、示波器检测线路状况；

$\textcircled{6}$ 验收时，要求制作完成的无弦激光琴外观美观，能通过遮挡激光头正常发出 8个音符声音；

（3）课后要求：

$\textcircled{1}$ 使用手机录制成品演示视频（约 5 分钟），需包含专业班级姓名介绍、无弦激光琴原理、制作流程的简单阐述，代替纸质实验报告提交；
$\textcircled{2}$ 学有余力的学生可课下自主完成拓展任务，相互交流学习心得。

4. 相关知识及背景

项目以制作演示光通信解调原理的无弦激光琴为例，以实物演示加实物制作的方式，浅显易懂的为学生阐述光通信原理。涉及电光效应、光电效应、音频驱动、信号采集与转换、单片机控制、三极管放大、晶振频率等方面知识与技术方法。还涉及到 PCB 图打印参数设置、各种 PCB 制板设备操作，元器件焊接，线路检测等操作技术。

5. 教学目标与目的

本实验集演示认知实验与综合性创新实验于一体，引导学生从实验的角度理解光通信原理，而不受限于理论知识的掌握程度；实验以演示实验引入，引导学生通过 PCB 制板、元器件焊接、成品调试等电子工艺流程制作无弦激光琴作品，充分调动学生学习思考能力以及实践动手能力，符合工程技术人才培养标准。

6. 教学设计与引导

本实验是一个比较完整的综合性创新实验（并包含演示认知实验环节），需要经历知识预习、课堂演示实验、课堂知识讲解、实际操作、作品调试、验收总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

（1）要求学生提前预习光通信系统的组成、原理，电光效应、光电效应原理，并且能加以叙述；
（2）课堂上，教师为学生讲解相关理论知识与实验注意事项，包括：$\textcircled{1}$ 教师为学生讲解光通信原理和电光、光电效应原理，准备基于光通信原理的趣味演示实验，如“台灯唱歌”、“水流传声”等，引导学生直观的了解光通信；$\textcircled{2}$ 为学生讲解本次实验内容，制作一个演示光通信解调原理的无弦激光琴，讲述激光琴有机的将光通信原理与电子工艺设计课程相结合，让学生通过实物制作的过程浅显易懂的理解光通信；$\textcircled{3}$ 简单介绍 PCB 制板流程，介绍实验操作过程中存在的问题以及注意事项，如打印 PCB图时打印参数的设置，热转印纸的正反放置，裁剪覆铜板的大小，线路修补工具、PCB

转印机、PCB 刻蚀机、PCB 打孔机如何使用，各个元器件引脚的功能，烧录程序时单片机、波特率、串口的选择等；

$\textcircled{4}$ 讲解实验验收要求；

（3）学生动手制作无弦激光琴，激光琴电路原理图、PCB 图以及源程序由教师提供，教师巡视学生制作情况，为学生答疑解惑；

（4）在实验结束后，对本门实验课程进行总结，讲述学生实验过程中存在的问题，反映的问题，并对学生完成的作品进行验收，要求学生演示实物作品，如有问题分析出现问题的原因，直到得到最终可实现相应功能的成品；

（5）教师根据学生完成的最终成品，从功能实现、外观程度、完成时间等方面进行综合评分，学生拍摄成品演示视频，无需提交纸质实验报告，根据学生上交视频的完整性、规范性评定这一门实验课的最终成绩。

7. 实验原理及方案

实验主要涉及光通信系统组成和原理，电光、光电效应原理以及激光琴工作原理。实验方案首先通过演示两个光通信演示实验，简述其工作原理，引入光通信这一知识点，然后介绍以无弦激光琴为例的 PCB 制板工艺流程，最后要求学生自己动手制作无弦激光琴。

（1）实验原理

$\textcircled{1}$ 光通信系统组成如图 1 所示。

图 1 光通信系统组成

光通信系统主要由数据源、光发射机、光学信道和光接收机四大部分组成，其中，数据源即信号源，包括话音、数据、图像等各类业务编码所得信号；光发射机用于将电信号转变为光信号，并对其进行适当处理以在光学信道上进行传输；光学信道用于光信号的传输，如自由空间、光纤、中继放大器 EDFA 等；光接收机用于接收光信号，将其转换为电信号，并还原为原始话音、数据、图像等信息。

$\textcircled{2}$ 光通信原理

光通信原理可简述为在发送端，首先把传送的信息(如语音)变成电信号，然后调制到光发送端，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光学信道发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。

$\textcircled{3}$ 激光琴工作原理

激光琴系统组成结构如图 2 所示。激光发射模块发出 8 个激光束，分别照射到从左到右依次排列的 8 个光敏电阻上。当激光束被遮挡时，对应的光敏电阻感应并产生阻值变化，八个光敏电阻组成的系统产生高低电位的变化，并由单片机读取光敏电阻高低电位变化，完成操作指令的输入，单片机根据指令信息来控制数据通过串行口传输数据，即对扬声器进行赋值，扬声器随即可对应发出不同频率的声音。

图 2 激光琴系统基本组成结构框图

本实验项目中，光通信原理可理解为电信号 $\twoheadrightarrow$ 光信号 $\twoheadrightarrow$ 电信号之间的转换，而激光琴工作原理可理解为电信号 $\twoheadrightarrow$ 光信号 $\twoheadrightarrow$ 电信号 $\twoheadrightarrow$ 声信号之间的信息传输，因此通过制作无弦激光琴，学生从简单易懂的实验角度直观理解光通信原理。

（2）实验方案

$\textcircled{1}$ 基于光通信原理的演示装置-“台灯唱歌”、“水流传声”介绍。如图 3、图 4 所示。

图 3 光通信原理演示装置 1-台灯唱歌

音乐播放器输出端与干电池组串联后直接给 LED 台灯供电，音乐播放器输出随音乐变化的电信号，调制在干电池组的直流电信号中，驱动 LED 台灯发光，LED 台灯的亮度随着音乐而变化，太阳能电池板接收到随音乐变化的光强，产生随音乐变化的电信号，将此电信号送入音响，驱动音响还原音乐信号；当遮挡太阳能电池板，使其不能接收 LED 台灯发出的灯光时，音箱即无音乐产生，当由远至近靠近太阳能电池板和 LED 台灯时，音箱中的音乐声音逐渐增大。

图 4 光通信原理演示装置 2-水流传声

音乐播放器输出随音乐频率幅度变化的电信号，经过音频放大器调制后作为激光器的驱动电源，使激光器发射随音乐频率幅度变化的激光，激光因全反射原沿水柱传输到水柱下方光敏电阻传感模块，光敏电阻传感模块在解调防水装置的保护下接受流水柱中的电信号产生电信号，此电信号送入音响还原音乐信号。

两个演示实验形象生动的演示了光通信的本质原理，学生能更容易的理解光通信。

$\textcircled{2}$ PCB 制板流程介绍

图 5 PCB 制板流程

a) 打印 PCB 图，设置打印参数。无弦激光琴的电路图（附录 2）及 PCB 图（附录 3）由教师提供，学生只需要在 AD 软件上设置打印参数即可。

图 6 无弦激光琴 PCB 图

图 7 PCB 图打印参数设置

b) 裁剪覆铜板。将打印好的无弦激光琴 PCB 图剪成合适大小，并按照该 PCB 图尺寸，使用PCB 切板机裁剪合适大小的覆铜板，使用耐高温胶布将 PCB 图与覆铜板环贴住。

图 8 裁剪覆铜板

c) 热转印。将贴有耐高温胶布的一端放入塑封机中，将 PCB 图转印至覆铜板上。转印完成之后，检查转印线路是否有缺损，若有缺损，使用修补工具（黑色记号笔）补齐线路缺损处。

图 9 热转印 PCB 图

d) 腐蚀电路板。将印有 PCB电路图的覆铜板悬挂于 PCB 刻蚀机中，腐蚀裸露的铜层，腐蚀液由教师配置。腐蚀完成之后，使用洗板水将电路板冲洗干净，风干等待钻孔。

图 10 腐蚀电路板

e) 钻孔。使用 PCB 打孔机对电路板进行钻孔。

图 11 电路板钻孔

f) 元器件焊接。使用电烙铁对各个元器件进行焊接。

图 12 元器件焊接

g) 程序烧录。使用 Keil 软件开发系统、STC-ICP 烧录程序软件，将无弦激光琴源程序烧录进单片机中，无弦激光琴源程序由教师提供（见附录 3）。

图 13 C 语言程序烧录

h) 成品演示。学生对制作完成的激光琴进行功能调试，并录制演示视频，等待教师验收。以下为学生作品。

图 14 学生成品展示

8. 教学实施进程

本实验引导学生从实验的角度认知光通信系统基本原理，并制作基于光通信解调原理的无弦激光琴，整个实验实施过程主要包括任务安排、现场教学、现场操作、结果验收四个部分，教学实施进程如下图所示：

图 15 教学实施进程

具体过程如下：

（1）任务安排

$\textcircled{1}$ 教师在实验开始前一周，要求学生预习光通信原理、组成及优势应用，预习电光效应、光电效应原理；
$\textcircled{2}$ 教师上传 PCB 制板视频与实验操作手册到学生班级群，要求学生在实验前观看视频，熟悉制板流程；
$\textcircled{3}$ 教师制作激光琴元器件清单表，要求学生自行在网上购买实验所需元器件，上课时带到实验室。

（2）现场教学

$\textcircled{1}$ 教师在实验开始时，为学生演示基于光通信原理的演示装置，引出光通信原理；

$\textcircled{2}$ 介绍电子工艺制作流程，讲解如何由 PCB 图到最终实物的整个制作过程；

$\textcircled{3}$ 介绍本次实验任务，制作无弦激光琴；

$\textcircled{4}$ 介绍制作激光琴过程中的注意事项以及最终成品验收条件。

（3）现场操作

学生制作无弦激光琴，从 PCB 图打印、裁剪覆铜板、电路板腐蚀、电路板打孔、元器件焊接，到最后进行线路检测以及成品调试。

（4）结果验收

教师根据学生焊接完成的成品进行验收，主要对成品外观、成品实现功能方面进行评分，学生拍摄成品演示视频，课后上交该视频，作为最终课程成绩评定标准之一。

9. 实验报告要求

项目以成品演示视频作为实验报告，无需提交纸质版的实验报告，演示视频要求拍摄清晰、完整，并且口头叙述专业班级姓名介绍、无弦激光琴原理、制作流程。

10.考核要求与方法

1）实物验收：依据最终焊接完成的作品能否实现“弹奏”功能，作品外观美观程度，作品完成时间进行验收。

2）实验质量：元器件焊接质量、组装工艺。

3）自主创新：作品外观设计创新，作品实现功能创新，自主思考与独立实践能力。

4）实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。

5） 实验报告：作品演示视频拍摄是否规范性与完整性。

6）成绩评定：课程成绩 $\fallingdotseq$ 实验操作过程 $\times 6 0 % +$ 最终作品 $\times 2 0 % +$ 成品演示视频 $\times 2 0 %$ 。

11.项目特色或创新

（1）电子工艺实训是本科电子信息类教学质量国家标准唯一明确要求的工程技术训练科目，而具体针对通信工程专业，本实验项目设置既加强通信工程专业同学从实物角度对通信系统的认知，又让学生切实从实践上感受电子工艺是如何让理论电路图变成实物的。包括光纤通信系统直观认知演示实验环节和利用 PCB 制版流程制作与光通信本质原理相同的无弦激光琴作品。

（2）不设置验证性实验，不管理论课基础好坏，通过演示认知型实验直观接地气的演示本质原理，通过综合性创新实验环节让学生实践电子工艺流程并创新性的制作基于通信原理的无弦激光琴作品。

（3）项目在实验报告上提出大胆创新，学生无需提交纸质版实验报告，直接拍摄成作品演示视频，叙述作品工作原理即可，体现了“无纸化教学”这一理念。

附录

附录 1：无弦激光琴元器件清单与位置表

附录 2：激光琴电路图

单片机最小系统：

单片机最小系统是利用最少的外围元器件使单片机工作的电路组织形式，本实验项目的最小系统包括了振荡电路等。

激光发射电路：

选用 6mm 外径的铜材半导体激光管，功率为 5mW，可直接接在 5V 的电源上发出激光 8 个铜管正极接在一起，连接到单片机的 VCC，再讲 8 个铜管的负极接在一起，连接到单片机的 GND。

激光接收电路：

采用 8 个光敏电阻，利用分压原理，将可调电阻和光敏电阻串联，单片机工作时，光敏电阻在激光的照射下电阻仅为几欧姆，电压都加到了可调电阻上，使得 P2 口引脚的电平为低电平，用手遮挡激光，光敏电阻阻值迅速上升至 20KΩ左右，P2 口引脚的电平为高电平，从而通过单片机读取引脚变化来确定音符信息。

音频驱动电路：

扬声器的功率为 3W，电阻为 $4 \Omega$ ，通过单片机的 VCC 端给扬声器供电，P1.0 引脚接到三极管的基极，单片机通过该引脚输出不同的音频脉冲，从而使扬声器发出不同的声音。

附录 3：激光琴 PCB 图

附录 4：激光琴源程序

#include<reg52.h>

#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit beep $\ J = \mathrm { P } 1 { \hat { \mathbf { \zeta } } } 0$ ; // 定义 P1.0 口为扬声器信号输出uint table[] $=$ {64578,64684,64777,64820,64898,64968,65030,65057};// 音阶谱码，中音 1-7，高音 1
uchar yinfu;
uchar STH0;
uchar STL0;
void main()
{

TMOD=0X01; // 定时器 0 工作方式 1$\mathrm { E T 0 = 1 }$ ; // 开定时器 0 中断$\mathrm { E A } { = } 1$ ; // 开总中断$\mathrm { P 2 \mathrm { = } 0 } \mathrm { x f f }$ ; // 读数据先置 1while(1){if $( \mathrm { P 2 } \ \mathrm { : = } \ 0 \mathrm { x f f } )$ {switch(~P2){case 0x80 : yinfu $\mathrm { \Omega } = 7$ ;break;case $0 \mathrm { x 4 0 }$ : yinfu $1 { = } 6$ ;break;case $0 \mathrm { x 2 0 }$ : yinfu $1 { = } 5$ ;break;case 0x10 : yinfu $\mathord { \left. \kern - delimiterspace \right.} \frac { - 4 } { - \frac { 3 } { 2 } } $ ;break;case $0 \mathrm { x } 0 8$ : yinfu $\it { \Delta } = 3$ ;break;case $0 \mathrm { { x } 0 4 }$ : yinfu $\it { \Delta } = \mathrm { { 2 } }$ ;break;case $0 \mathrm { x 0 2 }$ : yinfu $\sp { = 1 }$ ;break;case 0x01 : yinfu $\scriptstyle { \frac { - 0 } { . } }$ ;break;}STH0 $| =$ table[yinfu]/256; //定时器高 8 位重新赋初值STL0 $| =$ table[yinfu] $% 2 5 6$ ; //定时器低 8 位重新赋初值$\mathrm { T R 0 = 1 }$ ; // 启动定时器 0}else{beep $\lvert = \rvert 1$ ; // 启动扬声器$\mathrm { T R 0 = 0 }$ ; // 关闭定时器 0}}}void time0() interrupt 1 // 定时器 0 中断函数

TH0=STH0;TL0=STL0;beep $\bullet \widehat { \mathbf { \xi } }$ ~beep;}

附录 5：学生实验室制作照片与学生提交的录像演示实验报告截图

参赛信息表