LED循环发光小夜灯电路设计制作教学案例设计实例
【摘要】针对电子类专业二年级学生掌握一定的理论知识，但实际应用能力不足，进一步钻研探究的兴趣不强的问题，为了提高学生的课堂兴趣，培养工程实践能力，在电子课程中进行了以案例教学为主的教学方法改革，设计了LED 循环发光小夜灯电路设计制作课程的工程教学案例，结果表明学生的独立思考能力与工程应用能力有了很大的提高。

【关键词】电子实践；教学案例；LED小夜灯
1.引言
电子实践教学的涉及内容是电子技术和基础知识的学科，对于培养学生的实践操作能力和对工程的理解能力是非常重要的教学内容，在改革的过程中要对理论与实践结合的问题多加创新和探索。

教师在课堂教学的同时也要对理论知识有深刻的认识和掌握，在教学的过程中多加创造实践的机会，让实践和理论密不可分，让电子技术与现实生活相结合。

教师只有通过实践操作才能让学生将理论知识完美地运用起来，提高整个课堂和教学的质量。

基于此，采用案例教学的方式可以提高学生在工程中综合设计能力、分析调试能力，同时可以了解产品设计的相关知识。

案例教学，是一种新型的、开放式的、互动式的教学方式。

在一般情况下，案例教学要有周密的策划和充分的准备，要使用特定的案例指导学生提前阅读，要组织学生开展讨论，形成反复的互动与交流，还要结合一定理论，通过各种信息、知识的碰撞来达到启示理论和启迪思维的目的[1]。

本文以电子实践课程中的三色LED循环发光小夜灯电路设计制作为课例，探讨案例教学手段在电子实践课程中的应用。

2.教学设计
2.1设计思想
本实验是让学生运用模拟及数字电子技术中的运算放大器、比较器、555定时器、计数器等知识，综合设计一个日常生活中使用的小产品——小夜灯，最后教师通过对比几种典型的设计电路，给出最终的实现电路。

通过本实验学生可以学习电路设计中方案选择、器件选型、降低功耗设计等方法，项目设计结束后教师给出电路板和相应的元器件，以此让学生学习表面贴装知识和相应元件的手工焊接技能。

2.2教学目标
通过本实验让学生掌握脉冲发生器电路设计方法，提高根据工程需求比较选择技术方案的能力；掌握LED开关控制、驱动电路设计以及系统供电开关控制电路设计的方法；了解表面贴装知识，掌握表面贴装元件的手工焊接方法，以实用作品提高学生对电路设计的兴趣。

2.3教学过程
本实验通过设计一个实用的家用产品，实现了从产品设计、方案论证、制作、测试的全过程。

涉及了模拟及数字电子技术中的运算放大器、555定时器、计数器等使用以及电源开关电路设计等。

在课堂之前，提出设计要求，要求学生以三色LED发光管为控制对象，设计一个光控循环发光的小夜灯。

且光线较强时灯不发光，光线暗到一定程度时发光，并考虑降低功耗。

同一时间只能有其中一种颜色LED发光，不同LED灯循环亮的时间约1秒，自主匹配LED灯限流电阻，不同LED灯亮灭时逐渐过渡，不能突然亮灭。

要求学生自己查阅相关资料，设计电路，并把设计好的电路图以预习报告的形式在上课之前提交。

在课堂中讲解几种典型应用电路，并重点介绍LED发光二极管发光强度和通过LED电流大小的关系，根据不同LED发光强度的不同匹配限流电阻。

让学生思考如何实现用三极管对LED亮灭的控制，选择NPN型还是PNP型三极管，使用不同类型三极管在控制电路设计上有什么不同，使用高电平控制LED亮或低电平控制LED亮时又如何设计。

讲解计数器、移位寄存器等器件的CP脉冲电路如何产生，有哪几种实现方案，如何做到频率可调、器件易购、价格较低、焊接方便的最佳电路。

分析电路以后，为学生讲解制作电路中的注意事项，包括布局合理、连线方便、焊接可靠。

最后介绍现代电子设计中使用贴片元件的趋势，给出带有USB接口供电的贴片式三色LED循环发光小夜灯的电路原理PCB图、PCB板及相应元件，学生自己焊接，完成一个可以带走的和其设计功能相同的小产品。

在实验完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

2.4实验原理及方案
图1 三色LED循环发光小夜灯原理框图
图1为实现方案的原理框图，分为脉冲发生器、信号分配单元、LED驱动以及光控开关电路四部分。

首先，从简单的LED亮灭的驱动控制电路设计，可以用NPN型、PNP型三级管逐个控制以及用CD4004、ULN2003等专门的驱动芯片驱动LED，需要考虑控制电平高低、LED电流大小及器件成本问题进行选型[2]。

其次，为了能够分别驱动三个不同颜色的LED交替发光，需要设计一个有三个输出端的电路，并且三个输出端不能同时为高电平或低电平，必须同一时间只能有一个为高电平或者低电平，常见的电路包括计数器输出电路、移位寄存器输出电路等。

信号分配单元工作需要有脉冲驱动，在设计脉冲发生电路可以使用运算放大器、比较器、触发器、555定时器等器件实现[3]。

小夜灯在使用时为避免灯光快速变换对眼睛的刺激，需要设计的脉冲发生器的周期可以调整，需要在设计中使用可变电阻器便于调整。

光控开关电路用于在光线较强时关断电源输入，节约能源。

实际上，为了不使LED发光，可直接控制LED，但是脉冲发生器和信号分配单元依然工作还是会耗电，为此，可以设计运用PNP三极管或者PMOS管作为总电源开关[4]。

由于整体电流不大，选择8550型号的PNP型三极管即可。

3.结语
本实验项目主要面向大学二年级学生在学习完成模拟电子技术、数字电子技术课程以后，参加电子实践课程进行实践训练的一个项目。

以应用产品引导学生自主设计，以USB接口的小夜灯实物应用促进学生学习兴趣，并注重过程考核，而非简单以结果论英雄。

结果表明学生的学习兴趣，自主学习能力，工程实践能力有了明显的提高。

参考文献:
[1] 郑金洲. 案例教学:教师专业发展的新途径[J]. 教育理论与实践，2002（7）：36-41.
[2] 童诗白，华成英. 模拟电子技术基础[M]. 北京：高等教育出版社，2006.
[3] 阎石. 数字电子技术基础[M]. 北京：高等教育出版社，1998.
[4] 王庆有. 光电信息综合实验与设计教程[M]. 北京：电子工艺出版社，2010.。