小型电子声光礼花器设计-毕业论文

哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -I- 摘摘要要 小型电子声光礼花器是模拟礼花燃放装置，节日和庆典时燃放礼花， 其绚丽缤纷的图案， 热烈的爆炸声、 欢乐的气氛， 能给人们留下美好的印象， 但有一定的烟尘污染和爆炸危险隐患。本课题设计可以模拟礼花燃放装置， 达到声型兼备的效果，给人们在安全、环保的环境中带来轻松愉快的氛围。 电路结构新颖、元件不多、调试容易，适合自制。也可供小型企业工程技术 人员开发设计参考。该装置可用于家庭庆典、朋友聚会、联欢晚会、儿童玩 具及一些趣味性等场所。 关键词：关键词：小型电子声光礼花器；节日礼花；环保 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -II- Abstract Small electronic acousto-optic ceremony flower is simulated fireworks setting-off device, festivals and celebrations when the discharge of fireworks, the radiance of a pattern, a warm explosion, the joyful atmosphere, can give people a good impression, but there are some dust pollution and the danger of explosion hazard. This topic design can simulate fireworks setting-off device, to achieve sound type and effect, safety, environmental protection to the people in the environment brings a relaxed and happy atmosphere. Novel circuit structure, element is not much, easy debugging, suitable for homemade. Also available for small enterprise engineering and technical personnel open design reference. The device can be used for the celebration of family, friends, Gala, childrens toys and some interesting places. Keywords： Small electronic acousto-optic ceremony Flower ；Festival fireworks ；environmental protection 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -III- 目录 摘要 I Abstract.II 第 1 章绪论.1 1.1 课题背景及目的和意义1 1.1.1 课题背景1 1.1.2 课题目的和意义2 1.2 小型电子声光礼花器的发展概况.2 1.3 国内外发展动态2 1.4 课题研究的主要工作3 第 2 章小型电子声光礼花器的设计方案.4 2.1 小型电子声光礼花器的主要技术指标 4 2.2 系统结构框图 4 2.2.1 系统电路功能设计. 4 2.3 方案设计.6 2.3.1 引言.6 2.3.2 基于时基集成 555 振荡电路的电路设计6 2.4 单元电路的设计8 2.4.1 发光电路8 2.4.2 发声电路10 2.5 小型电子声光礼花器的工作原理及原理图11 本章小结14 第 3 章电路的仿真及结果.15 3.1 Proteus 仿真软件15 3.2 小型电子声光礼花器的 Proteus 仿真结果17 本章小结18 第 4 章电路的组装与调试19 4.1 电路的安装与检查19 4.2 电路的调试.20 4.2.1 调试仪器20 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -IV- 4.2.2 电路在调试中遇到的问题及解决的方法. 20 4.3 小型电子声光礼花器电路实物图.20 本章小结21 结论.22 致谢23 参考文献24 附录 1 译文26 附录 2 英文参考资料. 29 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -1- 第 1 章绪论 1.1课题背景及目的和意义课题背景及目的和意义 1.1.1 课题背景 随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关 系日益密切，而当下我国正在大力提倡建立和谐社会，而建设和谐社会的一 个重要方面就是环境保护，随着环境保护力度的加强，我国各大城市相继规 定，节假日在市区范围内禁止燃放礼花炮竹，城市环境在得到良好改善的同 时，节日欢娱的气氛却降低了不少，受到电子鞭炮的启发，本设计采用 LED 作为光源模拟礼花绽放时的形态，用 LED 取代小型灯泡作为电子礼花器的 显示器件具有节能，工作寿命长，高亮度，多发光颜色，响应快等优点。 更 促进了电子礼花器技术的迅速发展。 电子礼花器是利用现代电力电子技术制 作出的模拟烟随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、 生活的关系日益密切，而当下我国正在大力提倡建立和谐社会，而建设和谐 社会的一个重要方面就是环境保护，随着环境保护力度的加强，我国各大城 市相继规定，节假日在市区范围内禁止燃放礼花炮竹，城市环境在得到良好 改善的同时，节日欢娱的气氛却降低了不少，受到电子鞭炮的启发，本设计 采用 LED 作为光源模拟礼花绽放时的形态，用 LED 取代小型灯泡作为电子 礼花器的显示器件具有花燃放的电子产品，随着电力电子技术的发展和创 新，使得电子礼花器制作技术在不断地创新，电子礼花器和花炮相比，二者 的成本都随着能出现更加绚丽缤纷的图案而增加， 但电子礼花器对环境不会 有任何的污染而花炮则会产生更严重的环境污染， 这一成本反转点日益向电 子礼花器移动，这为电子礼花器提供了广泛的发展空间。 电子礼花器环保化是其发展的方向，环保化使电子礼花器市场化，并使 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -2- 电子礼花器进入更广泛的应用领域，特别是在娱乐场所的应用，另外电子礼 花器的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意 义。 1.1.2 课题目的和意义 工程上的目的和意义：节日和庆典时燃放礼花，其绚丽缤纷的图案， 热烈的爆炸声、欢乐的气氛，能给人们留下美好的印象，但有一定的烟尘污 染和爆炸危险隐患。本电路可以模拟礼花燃放装置，达到声型兼备的效果， 给人们在安全、环保的环境中带来轻松愉快的氛围。电路结构新颖、元件不 多、调试容易，适合自制。也可供小型企业工程技术人员开放设计参考。该 装置可用于家庭庆典、 朋友聚会、 联欢晚会、 儿童玩具及一些趣味性等场所。 设计上的目的和意义： 该设计的课题在完成的过程中将用到我大学四年 学到的知识，尤其是检验我对数字电子技术和模拟电子技术的学习情况，考 查我设计电路，搭接电路，调试电路及焊接电路的能力。对我的专业知识和 动手能力进行考核。 1.2 小型电子声光礼花器的发展概况小型电子声光礼花器的发展概况 随着科学技术的不断发展小型电子声光礼花器模拟礼花燃放， 能够达到 燃放烟花的的效果，主要以围绕各类集成电路，集成芯片，高频振荡电路之 间相互控制作用的高新电子技术，以单片机为基础来设计模拟礼花燃放。 1.3 国内外发展动态国内外发展动态 国外欧美发达国家极少生产烟花，其主要原因是生产，储存及运输过程 中容易产生爆炸，非常危险。这些国家主要从发展中国家进口，中国作为火 药发明国和法炮生产的传统地，自然是最大的输出国。在国外也有一些发展 中国家的专业厂家生产礼花器。这些企业对烟花生产的研究很少，主要从事 燃放效果的的研究，如采用计算机来控制燃放时间和燃放的先后次序，以达 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -3- 到理想的燃放效果。 我国是世界花炮的主要原产地，约占世界忠产值的 80%，年产值超过 100 亿元。在国内，湖南省和江西省是主要烟花生产基地。湖南省浏阳市是 我国最大的花炮生产基地，全市共有花炮生产企业 774 家，其中出口花炮企 业 106 家， 产品畅销 100 多个国家和地区， 年产值 30 亿元， 约占浏阳市 GDP 的 10%。 礼花器是浏阳花炮中的主要出口产品，也是国外庆典必备的消费品，约 占全市总产量的 33%。现在，浏阳生产的礼花弹主要以黄板纸为材料，纸张 等原辅材料的消耗居高不下， 边角废料不能充分利用以及纸张价格的上涨已 成为礼花弹发展的瓶颈。以年产礼花弹 10 万箱，创产值 2000 万元的企业为 例， 年耗做礼花弹壳的黄板纸为 150 吨， 按现行价格 1900 元/吨计算， 需 28.5 万元。 纸张的损耗高达 35%， 即每年有近 6 万元资金变成角废料而白白流失。 这种规模的企业每年各种纸张的边角废料高达 30 万吨，这不能不说是一笔 惊人的浪费。然而限于目前的生产工艺，这种浪费是无法避免的。 1.4 课题研究的主要工作课题研究的主要工作 本毕业设计主要是分析对比了烟花礼炮的优缺点。 研究思路针对相对简 单的电子电力技术来设计的简单的电子线路，依据时基集成电路的原理，通 过十进制集成电路，通过双向模拟开关来驱动相应的三极管，点亮相应的 LED。 重点针对电子礼花器发光部分的工作特性。 利用时基集成电路 555IC2 构造了电子礼花器的发声系统。本工作针对电子礼花器，主要采用电子制作 装置，由模拟礼花色彩的发光电路和模拟礼花爆炸声的发声电路两部分构 成。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -4- 第第 2 章章小型电子声光礼花器的设计方案小型电子声光礼花器的设计方案 2.1 小型电子声光礼花器的主要技术指标小型电子声光礼花器的主要技术指标 1、模拟的礼花燃放声音要有 0.11s 的停顿时间 2、效果模仿时，要讲红绿蓝三个发光二极管程三角形装置 3、有条件可在发光的前方装置由透光口组成的礼花图案的面板 2.2 系统结构框图系统结构框图 图 2-1小型电子声光礼花器基本组成方框图 2.2.1 系统电路功能设计 1.电源 AC：为电路的正常工作提供维持电路中有持续电流，为电路提 供电能。 2.时基集成振荡电路：由它构成方波发生器，发出的方波振荡信号分二 路送出。一路送至发电路部分，光另一路送至发声电路部分。 3.发光电路：由时基集成电路 555IC1 发出振荡信号触发十进制集成电 时基集成 55 5 振荡电路 时基集成 55 发光 电路 发声 电路 电源 AC 5V 电源 AC 5V 电源 AC 5V 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -5- 路计数器 IC3（CD4017） ，输出导通集成电双向模拟开关 CD4066 ，驱动三 极管 T1T3 ，导通发光二极管 LED1LED6 发光. 4.发声电路：由时基集成电路 555IC1 输出方波信号经过微分电路使 IC2 的 4 脚才能保持高电平“1”来驱动扬声器。 5.时基集成电路 555IC1，IC2 的工作原理：根据 555 定时器的结构和工 作原理，、C 是 555 定时器的外接元件，定时器 2 脚和 6 脚连接起 来接，晶体管 VT 集电极（7 脚）接到 R1 和的连接点上。 接通电源前，电容 C 上无电荷，所以在接通电源的一瞬间，因电容 C 来不及充电，故电容 C 两端的电压为 0V，输出端为高电平，VT 截止，直流电源通过电阻、向电容 C 充电，电容电压开始上升，充电 的时间常数 （2-1） 当电容 C 充电达到 2Ucc/3 时， 电路的状态发生翻转， 端输出低电平， VT 饱和导通，此时电容 C、和 VT 构成了放电回路，电容 C 开始放电， 放电常数 （2-2） 当电容两端电压下降到,时，输入端又变回了低电平，则端输出 高电平，同时晶体管 VT 由导通变截止；电源通过 R1、重新向 C 充电， 重复上述过程。 电容充电时，时间常数，起始值，终 了值，转换值=，代入 RC 过渡过程计算公式可得，电容 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -6- 充时间为（2-3） 电容放电时，时间常数，起始值，终了值 ，转换值=，代入 RC 过渡过程计算电容的放电时间 为CRT 22 7 . 0（2-4） 根据课题的技术指标要求，设定模拟礼花燃放声音 0.77 秒，停顿时间 0.7 秒，根据 IC1 的时基振荡电路将 C2 定位为 10uF 由公式（2-3）和（2-4） 可求的 R1 的值为 10K 和 VR1 的值为 100K。 调整电位器 VR2 可改变 IC2 的 振荡频率，以使扬声器发出类似礼花的声响，根据 IC2 的时基振荡电路将 C5 定位为 100uF 由公式（2-3）和（2-4）可求的 R5 的值为 28K 和 VR2 的 值为 14K。 2.3 方案设计方案设计 2.3.1 引言 本课题研究的小型电子声光礼花器是将主要通过 555 振荡电路来驱动 模拟礼花色彩的发光电路和模拟礼花爆炸声的发声电路，模拟礼花燃放装 置，达到声型兼并的效果。在本课题中用到的是 555， C4017，CD4066 芯片。 2.3.2 基于时基集成 555 振荡电路的电路设计 时基集成电路 555 在电路结构上是由模拟电路和数字电路组合而成， 它 将模拟功能和逻辑功能兼融为一体，能够产生精确的时间延迟和振荡，由它 构成方波发生器发出方波振荡信号给发光电路部分和发声电路部分送去脉 冲触发信号；根据其工作原理和计算公式（2-3） ， （2-4）计算出发出振荡信 号时间为 0.77 秒，停顿的时间为 0.7 秒。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -7- 图 2-2555 定时器内部结构图 2-3555 引脚排列 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -8- 2.4 单元电路的设计单元电路的设计 2.4.1 发光电路 发光电路是由十进制集成电路计数器 CD4017，二极管 D1D12，集成 电双向模拟开关 CD4066（1） 、 （ 2） 、 （ 3） ，三极管 T1T3 ，发光二极管 LED1LED6 组成；由时基集成电路 555IC1 构成的方波发生器发出方波振 荡信号送至十进制集成电路计数器 CD4017 作为触发信号，使其进行计数。 每次计数的结果（CD4017 的 Q0Q6 之一为“1”时） ，分别由二极管 D1 D12 传输到相应的集成电双向模拟开关 CD4066 的控制端，可使三个 CD4066（1） 、 （ 2） 、 （ 3）或单独或组合导通。这样 NE555IC1 的方波信号 就可以通过模拟开关驱动相应的三极管 T1T3 饱和导通， 点亮相应的发光 二极管 LED1LED6。 方波振荡信号驱动三极管时，要先经过一个由电阻 Rb 和电容 Cb 组成 的微分电路，根据微分电路的特点，后接的三极管是在方波上升沿开始后导 通，然后 Vb 点的电压按指数规律率减至 0，因此三极管驱动的 LED 也有 一个从突然点亮而渐暗的短暂过程，这个过程的长短可由 Rb 和 Cb 的数值 （时间常数）来调整。 当 CD4017 的 Q7 端为“1”时，计数器复位。随着 555 集成电路 IC1 的 振荡信号不断产生， 、发光二极管发出的多种色彩（单色或三基色合成色） 也循环不断， 并且每种光色的点亮过程会有一种类似烟花闪烁后迅速熄灭的 感觉。 CD4017 的工作原理：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O5-9。每输入 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -9- 10 个计数脉冲，O5-9 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（O1O9）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。 图 2-4CD4017 引脚图 CD4066 的工作原理： CD4066 的每个封装内部有 4 个独立的模拟开关，每个模拟开关有输 入、输出、控制三个端子，其中输入端和输出端可互换。当控制端加高电平 时，开关导通；当控制端加低电平时开关截止。模拟开关导通时，导通电阻 为几十欧姆；模拟开关截止时，呈现很高的阻抗，可以看成为开路。模拟开 关可传输数字信号和模拟信号，可传输的模拟信号的上限频率为 40MHz。 各开关间的串扰很小，典型值为50dB。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -10- CD4066 是四双向模拟开关，主要用作模拟或数字信号的多路传输。引 出端排列与 CC4016 一致，但具有比较低的导通阻抗。另外，导通阻抗在整 个输入信号范围内基本不变。CD4066 由四个相互独立的双向开关组成，每 个开关有一个控制信号，开关中的 p 和 n 器件在控制信号作用下同时开关。 这种结构消除了开关晶体管阈值电压随输入信号的变化， 因此在整个工作信 号范围内导通阻抗比较低。与单通道开关相比，具有输入信号峰值电压范围 等于电源电压以及在输入信号范围内导通阻抗比较稳定等优点。 但若应用于 采保电路，仍推荐 CD4016。 当模拟开关的电源电压采用双电源时，例如 =5V， =5V（均对地 0V 而言） ，则输入电压对称于 0V 的正、负信号电压（5V5V）均能传 输。这时要求控制信号 C=“1”为+5V，C=“0”为-5V，否则只能传输正极性的 信号电压。 图 2-5 元件电路管脚图 2.4.2 发声电路 发声电路由时基集成电路 555IC2 和扬声器组成。模拟燃放礼花的声音 由时基集成电路 555IC2 来完成，该电路同样也是一个振荡器，不过，其复 位端 4 脚所接的电位器是由 IC1 输出的方波信号经过一个微分电路后产生 的即从方波上升沿起及之后的一段时间内， IC2 的 4 脚才能保持高电平“1”， 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -11- 并使其工作，所产生的振荡信号直接驱动扬声器和三极管驱动的 LED 点亮 同步，发出类似礼花爆炸的声响。 扬声器的工作原理： 扬声器在音响设备中是一个最薄弱的器件，而对于音响效果而言，它又 是一个最重要的部件。扬声器的种类繁多，而且价格相差很大。音频电能通 过电磁， 压电或静电效应， 使其纸盆或膜片振动并与周围的空气产生共振 （共 鸣）而发出声音。按换能机理和结构分动圈式（电动式） 、电容式（静电式） 、 压电式（晶体或陶瓷） 、电磁式（压簧式） 、电离子式和气动式扬声器等，电 动式扬声器具有电声性能好、结构牢固、成本低等优点，应用广泛；按声辐 射材料分纸盆式、号筒式、膜片式扬声器；按纸盆形状分圆形、椭圆形、双 纸盆和橡皮折环；按工作频率分低音、中音、高音，有的还分成录音机专用、 电视机专用、普通和高保真扬声器等；按音圈阻抗分低阻抗和高阻抗；按效 果分直辐和环境声等。扬声器分为内置扬声器和外置扬声器，而外置扬声器 即一般所指的音箱。内置扬声器是指 MP4 播放器具有内置的喇叭，这样用 户不仅可以通过耳机插孔还可以通过内置扬声器来收听 MP4 播放器发出的 声音。具有内置扬声器的 MP4 播放器，可以不用外接音箱，也可以避免了 长时间配带耳机所带来的不便。 2.5 小型电子声光礼花器的工作原理及原理图小型电子声光礼花器的工作原理及原理图 基于小型电子声光礼花器设计的原理图如下图 2-6 所示。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -12- 图 2-6 小型电子声光礼花器设计的原理图 小型光电子声光礼花器的工作原理： 采用该电路制作装置， 由模拟礼花色彩的发光电路和模拟礼花爆炸声的 发声电路两个部分组成。图中 IC1 为时基集成电路 555，由它构成方波发生 器，发出的方波振荡信号分二路送出。一路送至十进制集成电路计数器 IC3 （CD4017）作为触发信号，使其进行计数。每次计数的结果（CD4017 的 Q0Q6 之一为“1”时） ，分别由二极管 D1D12 传输到相应的集成电双向 模拟开关 CD4066 的控制端，可使三个 CD4066（1） 、 （ 2） 、 （ 3）或单独 或组合导通。这样 IC1 的方波信号就可以通过模拟开关驱动相应的三极管 T1T3 饱和导通，点亮相应的发光二极管 LED1LED3。 方波振荡信号驱动三极管时，要先经过一个由电阻 Rb 和电容 Cb 组成 的微分电路，根据微分电路的特点，后接的三极管是在方波上升沿开始后导 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -13- 通，然后 Vb 点的电压按指数规律率减至 0，因此三极管驱动的 LED 也有 一个从突然点亮而渐暗的短暂过程，这个过程的长短可由 Rb 和 Cb 的数值 （时间常数）来调整。 CD4017 计数器的输出与 CD4066 模拟开关的接通状态即发光二极管 LED 的点亮情况由附表所示。当 CD4017 的 Q7 端为“1”时，计数器复位。 随着 555 集成电路 IC1 的振荡信号不断产生， 图 （2-7） 所列现象循环出现， 发光二极管发出的 7 种色彩（单色或三基色合成色）也循环不断，并且每 种光色的点亮过程会有一种类似烟花闪烁后迅速熄灭的感觉。 三极管 T1、 T2、 T3 都是由 RC 微分电路驱动的， 如果将三极管 T1 改 为 RC 积分电路（R 与 C 在电路中的位置互换）驱动则可使红 LED 在点 燃时间上有一个后延，如此当两个以上 LED 都点亮时就会产生时序上的差 异，产生动画般的层次感。另一路模拟燃放礼花的声音由时基集成电路 555IC2 来完成，该电路同样也是一个振荡器，不过，其复位端 4 脚所接的 电位器是由 IC1 输出的方波信号经过 R1 和 C1 组成的微分电路后产生的 即从方波上升沿起及之后的一段时间内，IC2 的 4 脚才能保持高电平“1”， 并使其工作，所产生的振荡信号直接驱动扬声器和三极管驱动的 LED 点亮 同步，发出类似礼花爆炸的声响。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -14- 表 2-7 发光二极管循环列表 CD4017 输出CD4066发光二极管 Q0CD4066(1)红、红 LED Q1CD4066(2)黄、绿 LED Q2CD4066(3)蓝、绿 LED Q3CD4066(1)、(2)红、红、绿、黄 LED Q4CD4066(1)、(3)红、红、蓝、绿 LED Q5CD4066(2)、(3)黄、绿、蓝、绿 LED Q6CD4066(1)、(2)、 （3）红、蓝、黄、绿 LED 本章小结本章小结 本章主要介绍了课题的技术指标，画出了系统方框图，对各部分电路的 功能进行了详细的介绍，在整体的方案设计上做出了详细的讲解，把整体的 电路主要分成三部分：555 时基集成电路，发光部分电路，发声部分电路， 并对他们各部分进行了更加详细地介绍。最后介绍了本课题的核心内容：小 型光电子声光礼花器的工作原理，并给出了整体的工作原理图。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -15- 第 3 章电路的仿真及结果 3.1 Proteus 仿真软件仿真软件 Proteus 软件是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具软件 （该 软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司） 。 它不仅具有其它 EDA 工具 软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机 及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从 事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。 Proteus 是世界上著名的 EDA 工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调 试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到 PCB 设计，真正实现了从概 念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB 设计软件 和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持 8051、HC11、 PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086 和 MSP430 等，2010 年 又增加了 Cortex 和 DSP 系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在 编译方面，它也支持 IAR、Keil 和 MPLAB 等多种编译器。 功能特点：Proteus 软件具有其它 EDA 工具软件（例：multisim）的功 能。这些功能是：原理布图；PCB 自动或人工布线；SPICE 电路仿真。革命 性的特点 1互动的电路仿真用户甚至可以实时采用诸如 RAM，ROM，键 盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分 SPI 器件，部分 IIC 器件。2仿真 处理器及其外围电路，可以仿真 51 系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流 单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出， 能看到运行后输入输出的效果。 配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、 示波器等， Proteus 建立了完备的电子设计开发环境。 功能模块： 丰富的器件库： 超过 27000 种元器件， 可方便地创建新元件； 智能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的连线 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -16- 功能：自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；支持总线结 构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；可输出高质量图纸：通 过个性化设置，可以生成印刷质量的 BMP 图纸，可以方便地供 WORD、 POWERPOINT 等多种文档使用。 电路仿真：在 PROTEUS 绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文 件： *.HEX， 可以在 PROTEUS 的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。 PROTEUS 是单片机课堂教学的先进助手。PROTEUS 不仅可将许多单片机 实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程 度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。它 的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度 上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路 检测、电路修改、软件调试、运行结果等。课程设计、毕业设计是学生走向 就业的重要实践环节。 由于 PROTEUS 提供了实验室无法相比的大量的元器 件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相 比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台。 随着科技的发展， “计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手 段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、 耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。相信在单片机开发应用中 PROTEUS 也能茯得愈来愈广泛的应用。使用 Proteus 软件进行单片机系统 仿真设计，是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于 培养学生的电路设计能力及仿真软件的操作能力； 在单片机课程设计和全国 大学生电子设计竞赛中，我们使用 Proteus 开发环境对学生进行培训，在不 需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知 识更容易接受，更容易提高。实践证明，在使用 Proteus 进行系统仿真开发 成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。因此，Proteus 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -17- 有较高的推广利用价值。目前 Proteus 的最新版为 7.9,ARM cortex 处理器被 增加，在 7.9 中已经增加 DSP 系列（TMS320） 。 3.2 小型电子声光礼花器的小型电子声光礼花器的 Proteus 仿真结果仿真结果 根据原理图通过 proteus 仿真软件连接电路进行了仿真， 连接好电路点 击开始按钮整个电路正常工作， 模拟礼花色彩的发光电路和模拟礼花爆炸声 的发声电路同时工作。发光部分电路中的发光二极管发出的 7 种色彩（单 色或三基色合成色）也循环不断，并且每种光色的点亮过程会有一种类似烟 花闪烁后迅速熄灭的感觉； 发声部分电路中扬声器发出的声音和三极管驱动 的发光二极管 LED 点亮同步，发出类似礼花爆炸的声响。 根据课题的技术指标要求模拟礼花色彩的燃放声音要有 0.1-1 秒的停顿 将和c2的值选定后，改变和 VR1 的值可以模拟礼花燃放声音的时间， 和 VR1 的值越大模拟礼花燃放声音的时间越长；相反和 VR1 的值越 小电话铃声的周期越小。改变 R5 和 VR2 的值，电路的震荡频率就会改变。 如果所需的各个电阻大小电容大小在市场上没有这种大小， 就需要购买的电 容大小规格尽量接近计算值，然后通过公式（2-3） 、 （2-4） ，计算出的大小， 的大小规格在市场上不能直接买到可以通过电阻的串并联来实现。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -18- 图 3-1小型电子声光礼花器的 Proteus 仿真图 本章小结本章小结 本章主要介绍 Proteus 仿真软件及它的功能特点，功能模块，电路仿真， 小型电子声光礼花器的 Proteus 的仿真结果，该设计电路完全符合毕设课题 的要求。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -19- 第第 4 章章电路的组装与调试电路的组装与调试 4.1 电路的安装与检查电路的安装与检查 接到毕业设计任务书后，开始设计课题“小型电子声光礼花器”的原理 图，经过查找资料和精心的设计后画出了原理图，根据原理图在 Proteus 仿 真软件中画出原理图对电路进行仿真检验可行性， 如果不可行就要重新对电 路各个部分原理进行分析计算。经过不断的分析，计算，检验并实现电路的 可行性后就开始进行硬件安装， 进行硬件安装时要分别检查各个部分电路和 各个元器件、导线。在电路板上连接电路时应严格按图连接引脚，注意走线 整齐，布局合理，首先对照原理图在电路板上进行合理的整体布局，包括元 器件合理的摆放使其便于元器件间的连接和美观、整体走线合理美观、尽量 使接地线和接电源线分别集中。然后对应安装好元器件。并通过检查确认没 问题才进行下一步操作。另外芯片的安装要注意管脚的大小顺序、三极管、 二极管、滑动变阻器、极性电容、扬声器的安装一定要注意极性。千万别装 反了。插拨芯片时要注意用力均匀，避免芯片的管脚在插拨的过程中弯曲、 折断。实践证明，新安装的电路板往往难达到预期的效果，这是因为在设计 的时候不可能周全的考虑元件的误差，器件参数的分散性、寄生参数等各种 各样的客观因素。此外，电路板的安装中仍存在有可能没有查出来的错误。 需要通过由电路板的整体测试与调整，才可以发现设计方案中的不足。之后 查出电路安装中的错误并采取措施加以改进和纠正， 就可以使之达到预期的 技术要求。电路安装完毕后，必须在不通电的情况下，对电路板进行认真细 致的检查，以便纠正安装错误。检查应特别注意：元器件引脚间有无短路、 断路、IC 座是否插反。电源的正负极性有没有接反，正负极间有没有短路 想现象。电源线、地线是否接触良好。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -20- 4.2 电路的调试电路的调试 4.2.1 调试仪器 电路检查达到要求后，根据整机的工作原理，电路只要安装正确便可正 常工作，调整电位器 VR1 可改变 IC1 的振荡频率，以使每次礼花燃放期间 有一个合适的短暂停顿， 即模拟礼花燃放发出声音和模拟礼花色彩发光的时 间。发光二极管 LED1 用于指示其工作状态。调整电位器 VR2 可改变 IC2 的振荡频率， 以使扬声器发出类似礼花的声响， LED2 用于指示其工作状态。 4.2.2 电路在调试中遇到的问题及解决的方法 电路在调试的过程中，按照设计好的周期、震荡频率、发光二极管 LED 发光时间计算出的各个电阻大小、电容大小在市场上没有这种大小，就需要 购买的电容大小规格尽量接近计算值，然后通过公式（2-3） 、 （2-4） ，计算 出所需元器件的大小， 如果其中有的元器件的大小规格在市场上不能直接买 到可以通过电阻的串并联来实现。 4.3 小型电子声光礼花器电路实物图小型电子声光礼花器电路实物图 经过对电路的精心设计和不断的修改完善后得到了符合毕设课题的电 路原理图，通过购买所需元器件、合适电路板的大小，然后按照电路原理图 进行合理的布局、正确的搭接、不断的调试，最后做出了小型电子声光礼花 器电路实物图完成了毕设课题的硬件部分，电路实物图如图 4-1 所示。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -21- 图 4-1小型电子声光礼花器的电路实物图 本章小结本章小结 电路有易有难，功率有大有小，输出效果多种多样。只要抓住其核心的 东西， 即充分熟悉电子礼花器的基本结构以及发光电路部分及发声电路部分 模块的特性，它们工作的基本条件。总之，小型电子礼花器电路结构新颖、 元件不多、调试容易，适合自制。也可供小型企业工程技术人员开放设计参 考。该装置可用于家庭庆典、朋友聚会、联欢晚会、儿童玩具及一些趣味性 等场所。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -22- 结结论论 本文设计了一种基于时基集成电路 555，由它构成方波发生器，发出的 方波振荡信号控制发光的电路部分和发声的电路部分， 在设计该电路的过程 当中，对时基集成电路 555，十进制计数器，双向模拟开关，微分电路，LED 的种类及工作条件等进行了研究。 首先介绍了国内外电子礼花器的发展动态以及课题的研究意义， 其次对 电子礼花器的基本原理进行介绍。然后对整个电路进行电路仿真，得到的仿 真结果说明了每个子模块都能够完成相应功能。 最后给出了芯片的工作原理 以及版图，子模块的工作原理，先对子模块进行分析计算，然后把各个子模 块搭建连接到整体电路中并进行模拟仿真， 得到的仿真结果表明了电路能够 完成基本功能，本电路可以模拟礼花燃放装置，达到声型兼备的效果，给人 们在安全、环保的环境中带来轻松愉快的氛围。电路结构新颖、元件不多、 调试容易，适合自制。也可供小型企业工程技术人员开放设计参考。该装置 可用于家庭庆典、朋友聚会、联欢晚会、儿童玩具及一些趣味性等场所。 本文中的电路采用了纯硬件的电路设计， 其实可以再添加些有关单片机 的电路，利用程序来控制一些输出现象，视觉上的效果会更好。但是由于课 题的要求以及作者时间和水平的有限，无论是对各种芯片工作原理、版图还 是整体电路的设计，都没有进行深层级的研究，一些细节问题也还没有得到 很好的解决方式，还需要进一步修改和完善。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -23- 致谢 至此感谢郭秀娥老师，在郭老师的督促指导下，我顺利的完成了毕业设 计和论文，从此次毕业论文设计中，我得到了动手能力的培养，从设计到仿 真、安装、调试，每一个步骤都让我学到了很多知识，为我步入社会，走向 工作岗位，打下了良好的基础，让我在人才济济的社会中能有自己的立足之 地，通过此次毕业设计我的能力有大幅度的提高，既了解了社会的需求，又 掌握了当今社会热门的技术。在我们小组共同努力下，完成了毕业设计，此 次设计也让我有了团队精神，在今后走向社会的道路上有了新的体会和目 标。再次感谢我的指导老师，郭秀娥老师。这是我人生的刚刚开始，任重道 远，希望能让我所掌握的知识能有用武之地。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -24- 参考文献 1 康华光.电子技术基础数字部分（第五版）.主编高等教育出版社 2 肖景和编著.555 集成电路应用精粹.人民邮电出版社 3 童诗白，华成英 .模拟电子技术.高等教育出版社 4 阎石 .数字电子技术.高等教育出版社 5 单片机原理与嵌入式系统设计：原理、应用、proteus 仿真、实验设计 6 李银华 .电子设计线路指导.北京航空航天大学出版社 7 何希才，尤克 .振荡电路的设计与应用 .科学出版社 8 洪乃刚.电力电了技术基础.北京：清华大学出版社，2008 9 孙肖子， 张企民.模拟电子技术基础.西安： 西安电子科技大学出版社2001. 10 Thomas L.Floyd,David Buchla.模拟电子技术基础（第 2 版影印版） （美） . 北京：高等教育出版社，2004. 11 卫行萼，李森生.模拟电子技术基础.北京：电子工业出版社，2005 12 U.Tietze Ch. Schenk. Electronic Circuits. Handbook for Design and Application, Berlin, New Youk: Springer-Verlag, 2005 13 贾新章.OrCAD/Pspice 9 实用教程.西安：西安电子科技大学出版社， 2001. 14 高文焕，汪蕙.模拟电路的计算机分析与设计Pspice 程序应用.北京清 华大学出版社，2003. 15 童梅.电路的计算机辅助分析：Pspice 和 MATLAB.北京：机械工业出版 社，2005. 16 宋贵林.模拟电子线路.北京：电子工业出版社，2005. 17 杜武林，邬国扬，董春生.模拟电子线路基础.北京：高等教育出版社， 2006. 18 谭中华.模拟电子线路， 北京:电子工业出版社，2004. 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -25- 19 周雪.模拟电子技术(第二版).西安：西安电子科技大学出版社, 2005. 20 闵锐， 徐勇， 孙峥.电子线路基础.西安： 西安电子科技大学出版社， 2003. 21 杨刚.电子系统设计与实践.北京：电子工业出版社，2004. 22 杨茂宇，王俐，赵永红.电工电子技术基础实验.北京：华东理工大学出 版社，2005. 23 高吉祥， 丁文霞， 陆岷， 刘安芝.电子技术基础实验与课程设计(第二版). 北京:电子工业出版社，2005. 24 施金鸿，陈光明.电子技术基础实验与综合实践教程. 北京：北京航空 航天大学出版社，2006. 25 王传新.电子技术基础实验-分析、调试、综合设计(含光盘) .北京：高等 教育出版社，2006. 26 李正发.电工电子技术基础实验. 北京：科学出版社 2004. 27 李怀甫.电工电子技术基础(实验与实训).北京：机械工业出版社，2005. 28 杨茂宇.电工电子技术基础实验.上海：华东理工大学出版社，2005 29 王小海， 蔡忠法.电子技术基础实验教程(电工电子实验系列教材).北京： 高等教育出版社，2005. 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -26- 附录 1 译文 小型电子声光礼花器 小型电子声光礼花器是一种模拟礼花燃放的电路， 主要的工作内容是模 拟礼花色彩的发光和模拟礼花爆炸声的发声，广泛应用于家庭庆典、朋友聚 会、联欢晚会、儿童玩具及一些趣味性等场所的电子产品。 小型电子声光 礼花器实质就是用一个振荡电路发出方波振荡信号触发模拟礼花色彩的发 光电路和模拟礼花爆炸声的发声的电路的方式， 不仅应用在电子声光礼花器 电路，在其它的电路应用也很普遍，如模拟电话铃声电路、简易催眠器、直 流电机调速控制电路、门铃电路等。小型电子声光礼花器与礼花炮相比具有 环保、安全、适合在室内等优点，缺点是没有礼花炮燃放时的那种像飘落了 流星雨的感觉，而且电路复杂不易维修等。 在谈小型电子声光礼花器之前，先熟悉一下时基集成电路 555 振荡电 路，555 集成电路开始是作定时器应用的，所以叫做 555 定时器或 555 时基 电路。但后来经过开发，它除了作定时延时控制外，还可用于调光、调温、 调压、调速等多种控制及计量检测。此外，还可以组成脉冲振荡、单稳、双 稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。 由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中， 555 集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、基本 R-S 触发器、 放电管以及缓冲器等，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路的混合体,如 图 1 所示。 555 集成电路是 8 脚封装，双列直插型，如图 2(A)所示，按输入输出的 排列可看成如图 2(B)所示。其中 6 脚称阈值端(TH)，是上比较器的输入；2 脚称触发端(TR)，是下比较器的输入；3 脚是输出端(Vo)，它有 O 和 1 两种 状态，由输入端所加的电平决定；7 脚是放电端(DIS)，它是内部放电管的输 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文） -27- 出， 有悬空和接地两种状态， 也是由输入端的状态决定； 4 脚是复位端(MR)， 加上低电平时可