音乐彩灯控制器论文.doc

郑州科技学院模拟电子技术课程设计 题 目 音乐彩灯控制器 学生姓名 xxx 专业班级 xxx 学 号 xxx 院 （系） xxx 指导教师 xxx 完成时间 xx年xx月xx日 目 录1 课程设计的目的12 课程设计的任务与要求13 设计方案与论证14 设计原理45 元器件的选用46 单元电路设计76.1 电路放大部分电路设计76.2 语音信号的输入部分87 总结9参考文献11附录：实物图12附录：元器件清单131 课程设计的目的 随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色霓虹灯。LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。但目前市场上各式样的LED彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间、模式、闪烁频率等动态参数。这种彩灯控制器结构往往有芯片过多、电路复杂、功率损耗大等缺点。此外从功能效果上看，亮灯模式少而且样式单调，缺乏用户可操作性，影响亮灯效果。因此有必要对现有的彩灯控制器进行改进。2 课程设计的任务与要求 设计一种组合式彩灯控制电路，该电路由不同控制方法的彩灯所组成，采用不同颜色的发光二极管闪烁程度来显示信号的高低。设计音乐彩灯控制器，要求将输入音乐信号分为高、中、低三个频段，并且分别控制三种颜色的彩灯。每组彩灯的亮度随各自输入音乐信号大小分为八个等级。输入信号最大时，彩灯最亮.当输入信号的幅度小于10mv时，要求彩灯全亮。主要技术指标如下：(1) 高频段 2000-4000HZ，控制黄灯(2) 中频短 500-1200HZ，控制蓝灯(3) 低频段 50-250HZ，控制红灯3 设计方案与论证方案一：利用放大电路和集成电路进行主要的控制，话筒则用来输入，话筒把接受到的外界声音转换成电流信号，经三极管放大后送入集成电路，集成电路有十个输出端，分别控制一个LED发光二极管。外界声音的大小和频率对发光二极管的亮度和点亮的个数进行控制，声音越大发光二极管越亮，点亮个数越多。并随着外界音乐节奏的不同而闪烁不同频率的灯光，使之呈流水之型，美轮美奂。对于整流稳压部分电路设计思路：（1）电网供电电压交流220V(有效值)50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。（4）直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，如图3-1。 图3-1 直流稳压电源运作图方案二： 采用多级放大电路和多种控制方式，在集成电路中加入多路多闪动电路的控制。在滤波部分，因为三个彩灯的频率范围都有上下限，故使用带通滤波器执行这一部分功能，带通滤波器由低通与高通串接而成。 振荡电路： 主要用来产生时间基准信号（脉冲信号）。因为循环彩灯对频率的要求不高，只要能产生高低电平就可以了，且脉冲信号的频率可调，所以采用555定时器组成的振荡器，其输出的脉冲作为下一级的时钟信号。方案三：采用声电转换装置将乐曲声响转变为电信号，经放大器放大后分为两路一路经整流滤波后以信号的平均值驱动彩灯发亮，信号强，则灯的亮度大，且点亮灯的数目增多，实现声音强弱对彩灯的控制另一路经高通低通滤波器后分频段输出信号，又经放大驱动相应的发光二极管发光，实现高低音对彩灯的控制。此方案的原理图如图3-2所示。图3-2 音乐彩灯控制器原理图方案比较： 由于方案三比之方案一、方案二较简单易行，其电路简单，更实用，设计成本也比较低，各种功能效果都相差无几，电路比较容易实现。而且，方案一全部由模拟电路来实现电路之间的连通与互换，采用频率电压转换电路来代替滤波器，较之直接使用滤波器更为容易方便。并且市场上较多的音乐彩灯控制器都是用方案一来实现的。而方案二要采用多级放大电路来实现多种控制方式，无论是实验方案的设计，还是在进行硬件安装和调试的过程都比较繁琐，且不容易实现，不能达到预期的效果。综合以上因素我们决定选择方案三。 4 设计原理利用其亮度变化反映音乐信号的强弱.从而使灯的变化规律与音频信号的规律及电平大小相对应，是一种将听信号转换为视信号的装置，话筒把接受到地外界声音转变成电流信号经三极管放大后送入集成电路U1，U1有10个输出端，分别控制一个LED发光管。外界的声音的大小频率对发光管的亮度和点亮的个进行控制。声音越大，发光管越亮，亮的个数也越多。5 元器件的选用1、 脉冲分配器 CD4017是5位Johnson计算器，具有10个译码输出端，CP，CR，INH输入端。时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。INH为低电平时，计算器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。CR为高电平时，计数器清零。Johnson计数器，提供了快速操作，2输入译码选通和无毛刺译码输出。防锁选通，保证了正确的计数顺序。译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。在每10个时钟输入周期CO信号完成一次进位，并用作多级计数链的下级脉动时钟。CD4017提供了16引线多层陶瓷双列直插（d），熔封陶瓷双列直插(J)、塑料双列直插（p）和陶瓷片载体（c）4种封装形式。下图5-1和表5-1分别为CD4017引脚图及真值表。图5-1 CD4017引脚排列图表5-1 CD4017真值表 十进制计数分频器CD4017，其内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是O0、O1、O2、O9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。 CD4017有10个输出端（O0O9）和1个进位输出端Q5-9。每输入10个计数脉冲，Q5-9就可得到1个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。 CD4017有3个输（MR、CP0和CP1），MR为清零端，当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出O0为高电平，其余输出端（0109）均为低电平。CP0和CPl是2个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号由CP0端输入；若要用下降沿来计数，则信号由CPl端输入。设置2个时钟输入端，级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。 由此可见，当CD4017有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器。2、 三极管的选择与应用（1）三极管极性的判断万用表打在二极管测量档位，用红表笔或黑表笔去接三极管一个脚，比如以黑表笔为例；黑表笔接三极管任一脚，用红表笔分别去碰另两个脚，如果比时红表笔测得三极管两个脚是导通状态，那么黑表笔所接触的脚就要找的B极；此三极管为PNP型。如果另两脚没有导通，在将黑表笔换三极管另两个脚，反复测量是否导通，直到找到B极。最后还没有找到B极，则改用红表笔接三极管任一脚，用黑表笔去接另两个脚，方法与上面相同。但此时，红表笔所碰的就为B极，该管为NPN型。参照上面的方法，根据三极管特性：万用表红黑表笔接C，E极，用手磁B极，数字万用表显示：红表笔所磁的那个极能导通为C极（反则不导通），则另一极为E极。（2）三极管的功能作用三极管是一种控制元件，主要用来控制电流的大小，以共发射极接法为例（信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地），当基极电压UB有一个微小的变化时，基极电流IB也会随之有一小的变化，受基极电流IB的控制，集电极电流IC会有一个很大的变化，基极电流IB越大，集电极电流IC也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化。但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多，这就是三极管的放大作用。IC 的变化量与IB变化量之比叫做三极管的放大倍数（=IC/IB, 表示变化量。），三极管的放大倍数一般在几十到几百倍。三极管在放大信号时，首先要进入导通状态，即要先建立合适的静态工作点，也叫建立偏置 ，否则会放大失真。在三极管的集电极与电源之间接一个电阻，可将电流放大转换成电压放大：当基极电压UB升高时，IB变大，IC也变大，IC 在集电极电阻RC的压降也越大，所以三极管集电极电压UC会降低，且UB越高，UC就越低，UC=UB。6 单元电路设计6.1 电路放大部分电路设计 图 6-1是共发射极放大电路。C1是输入电容，C2是输出电容，三极管 VT 就是起放大作用的器件，RB 是基极偏置电阻 ,RC 是集电极负载电阻。1、3 端是输入，2 、3 端是输出。3 端是公共点，通常是接地的，也称“地”端。静态时的直流通路见图 6-2，动态时交流通路见图 6-3。电路的特点是电压放大倍数从十几到一百多，输出电压的相位和输入电压是相反的，性能不够稳定，可用于一般场合。 图6-1 共发射极放大电路图 图6-2 静态时的直流通路图 图6-3 动态时交流通路图6.2 语音信号的输入部分 本实验中，音乐信号的输入由MP3音乐信号实现，MP3音乐信号纯度较好，而且存在小于10mV的语音信号，所以把它作为语音信号的输入部分。音乐信号的输入由小话筒实现,外界的音乐信号通过麦克将声音信号转换成为一定的电信号以驱动后面电路随音乐进行变化。话筒上有两个引脚，一引脚接地，另一引脚输出由话筒转化成的电信号。话筒本身是有源器件，不需要外加直流电源。为了将比较微小的语音信号体现得比较清楚，在输出端给一个外加的直流电源，与1K电阻相连后接到输出端，相当于加一个直流分量。 7 总结经过两周左右的课程设计终于要画上一个完美的句号了。回味整个过程，确实充满着酸甜苦辣。设计的过程并非一帆风顺，遇到了许多困难，但我们努力解决。通过俩周的课程设计，我明白了很多道理。 在刚开始的实训中老师给了我们俩天的时间让我们选课题并确定下来，然后开始查资料并设计自己的电路图，这是一项说起来简单做起来却相当困难的事情，首先对于电路图的确定就相当困难。以前总是觉得自己的物理电学部分学的还可以，最起码简单的题也会做了，但这些理论说起来简单，但要是和实际结合起来却是如此的困难，看着百度上搜的各种各样图形，俩眼迷茫，看着别人画的电路图研究原理就相当困难，何况自己设计呢。最后没办法只能用别人的电路图，然后自己研究原理，做成器件。在电路图画出来后，我们需要仿真，这对于我们而言是一个全新的领域，我们对此一窍不通，再通过老师讲解的过程中明白了一点，但这些远远不够，在绘制系统原理电路图的过程中，由于自身知识的欠缺，不知道一些元器件的正确接法，导致在导出PCB板的时候出现很多错误，在老师和同学的耐心帮助下终于完成了电路图得绘制。 在一切都搞定的时候我们又面临着另一大难题，就是焊接问题。虽然在上学期已经学过焊接技术了，但现在再焊起来还是有点困难。而且极易出现虚焊的情况，没办法我们只能通过看视频，向老师请教来解决问题。待问题解决时真正焊时虽然中间出了很多小意外，但所幸还是焊成了。我记得第一次接通电路时只有一个灯亮而其他不亮时，心情很失落，只好继续研究电路，经过不懈的努力终于找出问题的所在，然后修改电路。当作品成功的那一瞬间整个人都高兴地跳了起来，心情非常激动。也应了那句话一分耕耘一份收获，只有自己真正动手做了，付出努力了，在收获时才会特别有成就感，内心既高兴又充实。 通过这次的课程设计使自己对自己更加有信心，对以后的工作学习都有一定的积极得影响。尤其是仿真软件仿真实验电路的方法。使我我初步学会了设计电子电路的方法与技巧，这对我而言，确实是大有裨益的。我相信有这次设计作基础，我以后会设计出更好的电子电路。在这里我要感谢我的指导老师们，因为在这次课程设计过程中给了我相当大的帮助。相信在以后的学习过程中，我会更加努力拓展自己得知识面，虚心的向老师请教以得到更好的锻炼和提高。参考文献1 杨力，文刚电子技术课程设计第3版中国电力出版社，2009年2 华成英，童诗白模拟电子技术基础第3版高等教育出版社，2006年3 江晓安，董秀峰模拟电子技术第3版西安电子科技大学出版社，2008年4 马建国电子系统设计北京高等教育出版社，2004年 5 周良权模拟电子技术基础北京高等教育出