音乐彩灯控制器李艺为.docx

模拟电子技术课程设计说明书 音乐彩灯控制器院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 李艺为 指导教师： 贾雅琼 职称 讲师 专 业： 自动化 班 级： 自本1001班 完成时间： 2012年6月3日 19摘 要 音乐彩灯控制器是音乐声响与彩灯灯光的相互组合，它由音乐声响控制彩灯灯光效果的控制电路.该彩灯控制器有三路,分别由不同颜色的led组成，它随着音乐的节奏、大小、音调的变化而变化的，它的亮度、颜色和图案不断变换，使彩灯在艺术上有了很大的提高，也使人的视觉和听觉结合在一起获得综合的艺术享受。本文的主要内容有以下几点： 1、设计音乐信号放大电路。 2、555时基电路构成单稳态实现音乐大小控制彩灯。 3、555时基电路构成多谐电路实现音乐节奏控制彩灯。 4、设计滤波电路，实现音乐的音调控制彩灯。关键字 555时基电路；音乐大小；音乐节奏；音调高低abstractmusic lights controller is music sounds and the mutual combination light colored lights, it consists of music sound control lights lighting effect of the control circuit. the lights controller have three road, respectively by different colors of led, it along with music rhythm, size, tone changes, its brightness, color and pattern continuously transformation, make the lights on art had the very big enhancement, also make the person of visual and auditory together get comprehensive art enjoyment. the main content of this article have the following: 1, design music signal amplifier circuit. 2, 555, a single state circuit realized music size control lights. 3, 555, more than a circuit circuit implementation music rhythm harmonic control lights.4, design filter circuit, realize the music of tone control lights.key words the 555 circuit; music size; music rhythm; tones discretion目 录1.设计课题-音乐彩灯控制器.11.1设计课题任务.11.2 功能要求说明.11.3 音乐彩灯控制器总体方案介绍及工作原理说明.12.音乐节奏控制彩灯.32.1音乐节奏控制彩灯的工作原理.32.2 音乐节奏控制彩灯的电路设计.32.2.1音频放大电路.32.2.2 多谐振荡器.42.2.3 cd4017电路.42.2.4 音乐节奏控制彩灯总电路图.53.音量大小控制彩灯.63.1音量大小控制彩灯的工作原理.63.2 音量大小控制彩灯的电路设计.63.2.1放大电路设计.63.2.2 单稳态电路设计.63.2.3音量大小控制彩灯总电路图.74.音调高低控制彩灯.84.1音调高低控制彩灯的工作原理.84.2 音调高低控制彩灯的电路设计.84.2.1高通滤波电路.84.2.2 低通滤波电路.94.2.3 音调高低控制彩灯总电路图.95.小功率电源电路的设计.106.设计结论、误差分析、教学建议等.11结束语.12参考文献.13致 谢.14附 录.151. 设计题目-音乐彩灯控制器声控音乐彩灯是音乐声响与彩灯灯光的相互组合，使音乐的旋律伴以亮度、颜色和图案不断变换的灯光，使人的视觉和听觉结合在一起，获得导综合的艺术享受。1.1 设计课题任务设计一个音乐彩灯控制器。要求该音乐彩灯控制器电路由三路不同控制方法的彩灯所组成，采用不同颜色的发光二极管显示。1.2 功能要求说明 第一路为音乐节奏控制彩灯，按音乐节拍变换彩灯花样； 第二路按音量的强弱（信号幅度大小）控制彩灯。强音时，灯的亮度加大，且灯被点亮的数目增多； 第三路按音量高低（信号频率高低）控制彩灯。低音时，某一部分灯点亮；高音时，另一部分灯点亮。1.3 音乐彩灯控制器总体方案介绍及工作原理说明1.3.1设计思路根据课题要求，本控制器可分别用三部分电路实现。音乐的节奏往往由乐队的鼓点来体现，实质上它是具有一定时间间隔的节拍脉冲信号。因此，可采用计数、译码驱动电路构成节拍脉冲信号发生器（或称时间顺序控制器），使相应的彩灯按节奏点亮和熄灭。为实现音量强弱（信号幅度大小）对彩灯的控制，应该将声音信号变成电信号，经过放大、整流滤波，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。为实现音调高低（信号频率高低）对彩灯的控制，采用高低通有源滤波电路。低通滤波器限制高音频信号通过，而高通滤波器限制低音频信号通过，分频段输出信号，经过放大驱动相应的发光二极管点亮。1.3.2 控制器原理框图采用动圈式话筒或者扬声器，将声响信号变成电信号输出，信号源经放大器放大后输出分别送往：（1）单稳态触发器，输出脉冲信号通过驱动电路来驱使彩灯发光；（2）多谐振荡器脉冲输出到计数器，计数脉冲通过计数和译码驱使彩灯发光；（3）送往高低通电路，取出所需要频段信号后驱动彩灯发光。控制器原理图2. 音乐节奏控制彩灯2.1 音乐节奏控制彩灯的原理音乐的节奏往往是由乐队的鼓点来体现，实质上是具有一定时间间隔的脉冲信号。我们的目标是 要彩灯按照节奏依次闪亮。因此，设计了一个多谐振荡器，由音乐信号调谐，产生计数脉冲，使彩灯循环点亮的速率随音乐的节奏而改变。有了节奏脉冲，还应有计数和译码，这样才能依次点亮彩灯。led点亮时，由于脉冲电流过大所以还需要限流电阻保护led。由于在触发节奏脉冲的电压比输出的音频信号大，所以还需要一个音频放大电路。电源与上电路公用一个。电路工作原理：音频信号输入后经过放大电路放大后进入多谐振荡调制其频率，多谐振荡产生出脉冲信号后送计数器计数后译码，再送入驱动电路驱动彩灯闪亮。图3-1 节奏流程框图2.2 音乐节奏控制彩灯的实现2.2.1 音频放大电路放大电路使用基极分压式射极偏置电路：工作电压为12v，同时，为了增强电路稳定静态工作点的效果，同时兼顾其他指标，工程上一般取vbq=(35)v,i1=(510)ibq.2.1另外，（1+）re10(rb1rb2)2.2三极管为9013，9013的放大倍数为229 ,而b-e极限电压为0.7v才能饱和导通，由于9013集电极承受的最大电流为0.5a,r2=5.1k，所以用r1=1m的电阻使电压适合于三极管的放大。2.2.2 多谐振荡器该电路工作电压ucc设为12v，输出级的驱动电流可达225ma。当r4远远大于r3时，,此时输出的波形为理想对称的方波，所以r4使用的可变电阻，这样实现了方波，也使r4可以调节电路的灵敏度。c1在充、放电过程中，其电压在的1/3到2/3之间变化，所以时基电路3脚输出高电平的时间可用以下式表示（即充电周期），即t1=0.7(r3+r4)c42.33脚输出低电平时间（即放电周期）: t2=0.7r4c142.4振荡周期： t=t1+t2=0.7(r3+2r4)c42.5f=15hz根据以上公式可以求出r3、c3、c4，由于电容在市场上的型号不多。所以就选相近的c4=0.47uf,c3=4.7uf2.2.3 cd4017电路cd4017的供电的电压为3v15v为了方便电源供电就选用12v作为供电电压。led的供电电压为2.5v，为了不超过它的最大电流，所以要串联一个稳压电阻，先选取r=320的电阻。2.3 音乐节奏控制彩灯总电路实现三极管构成放大电路,放大后送振荡电路。用ne555够成自激振荡器送出方波，即是脉冲信号，通过计数器和译码器后，经过限流电阻led发光。晶体管q1组成音频放大器，他将音频信号加以放大，然后通过电容c3电位器r7加到ne555时基电路的5脚，对555构成的振荡器进行调制。cd4017为十进制计数/译码器，其cp端输入的计数脉冲来自ne555时基电路组成的多谐振荡器。当cp端源源不断地输入计数脉冲时，通过译码器使彩灯led1led10依次点亮(由于工作区大小有限，发光二极管并未全部画出)。调节电位器，r7改变时基电路u5的振荡频率，故使彩灯led1led4的循环速率。音频信号经过q1放大、通过r7加到u1的5脚，因改变5脚电平的高低，使555的阀值翻转，电平发生变化，即对振荡器频率进行调制，亦使u1的振荡频率随音乐的频率而变化，所以led1led4的循环点亮的速率又随音乐的节奏而改变。调节r7的阻值，则可调节电路的灵敏度。3. 音乐大小控制彩灯3.1 音乐大小控制彩灯的工作原理音乐的大小，是原唱者的声音的强弱起伏，它在音频信号中表现为正弦波的波峰，所以在他达到波峰时说明他的音乐大。在波谷是他就小，所以就需要设计一个触发电路，由声音的强弱控制，根据要求使用了ne555时基电路中的单稳态电路，触发后驱动led发光。由于音频电压过小，所以还要设计一个放大电路。图2-2 音乐大小3. 2 音乐大小控制彩灯的实现3.2.1 音频反向放大电路由于555单稳态电路是低电平触发，触发电压在vdd/3左右，调整555的2脚电压在vdd/3上下波动，这样才能是单稳态电路触发，由于电阻可变,放大倍数不用计算，9013的放大倍数在229之间足以使电压达到单稳态所需vdd/3=4v,所以设计时采用了反向放大，三极管起反向作用，故采用射基偏置电路。vt（s9014c） b-e极承受的极限电压在0.7v，最大电流为0.5a，所以根据基尔霍夫定理得：u-ur=ubc3.1u-i*r=ubc3.2可得：r=330k。3.2.2 单稳态电路由于电容的容量和耐压不好选，所以就先选电容为c5=0.022uf，设单稳态的暂态(高电平)时间为t=0.123ms，f=8khz。根据公式： t=1.1rc3.3得0.123*10-3=1.1*r1*c13.4所以r1取5k限流电阻r15的计算：由于u6的3脚电压为2v，输出级的驱动电流可达225ma。，led的承受电流为30ma，取r的最大取值为：r= =6673.53.3 音乐大小控制彩灯总电路图的实现设计电源电路为了ne555提供稳定的直流电源12v；设计ne555时基电路构成单稳态触发电路，经过限流电阻，点亮电路用led发光二极管。音频输入后，经过由q1组成的音频放大器电压放大。555时基电路与电阻r2、电容c1接成典型的单稳态工作模式，由于r2，c1的取值较小，所以暂态时间非常短，3.6限流电阻构成保护电路，去驱动led闪亮。音频输入时，经q1反向放大，使时基电路2脚电平在上下波动。当电位不大于时，时基电路置位，进入暂态，3脚输出高电平，晶闸管导通，led发光。由于暂态时间很短，很快又翻回稳态，led彩灯熄灭，也就是说彩灯不会有停滞状态，它能随时基电路的2脚电平即音频电信号的变化而变化。当变阻器的电阻越小，静态时555的 2脚电平越高，电路的声控灵敏度就越低，所以根据需要调节电位器。 4. 音调高低控制彩灯4.1 音调高低控制彩灯的工作原理音调主要由声音的频率决定，同时也与声音强度有关。对一定强度的纯音，音调随频率的升降而升降；对一定频率的纯音、低频纯音的音调随声强增加而下降，高频纯音的音调却随强度增加而上升，所以应用滤波器滤出高频、低频，以方便驱动彩灯发光。音调即是声音中的高音和低音，我们人类能识别的声音频率20hz20khz,所以设置1 khz以上为高音、以下则为低音，所以要一个高低音滤波器去驱动彩灯发光。放大电路就和上面电路公用，电源公用一个。音频放大后经高低通滤波，送限流电阻限流后使彩灯发光。图4-1 音调电路结构框图4.2 音调高低控制彩灯的分电路设计4.2.1高通滤波电路rc有源高通滤波器参数的计算（设上限频率f=1khz）： (1)通常电容c的容量宜在微法数量级以下，r的值一般约为几百千欧内，由于电容容量档级较少，常先选用c值，再计算电阻r的值。选择c1=c2=0.01uf,r1=r2=1/(2*pi*f*c)4.1（2）考虑到二价巴特沃斯滤波器的=0.707和4.2故有r4=0.586r3,运算放大器两输入端的外接电阻必须满足平衡条件：由r4=0.586r3和r3/r4=r1+r2=32k4.3得:r3=33k,r4=20k,c1=c2=0.01uf,r1=r2=16k。（3）供电为12v，可led承受的电流为30ma灯泡电压为2.5v，由4.4r5=550。4.2.2低通滤波电路由于高通滤波器与低通滤波器在电路结构上存在对偶关系，他们的幅频响应也存在对偶关系，设置的频率界限为1000hz，所以两个电路参数一样，只是接法不一样。4.3 音调高低控制彩灯的电路图音频经放大（放大电路和节奏电路合用）输入后分别送往高低通电路。高通电路：由入c1经过c4到u1，在u1内滤出低频信号，高频信号输出来,驱动led1发光。低通电路：由r6入经过r7到u2的输入端，滤出高频，低频信号s输出来后使r10导通，使led2发光。 5. 小功率电源电路的设计5.1 电源电路单稳态电路的工作电压在318v之间，选取12v电压为电源电压，所以设计时使用220v交流电压经过变压后得到12v的交流电压，再经过桥式整流、整流滤波后由三端稳压7812稳压为12v，供给各个电路元件使用。1电源电路结构常见小功率直流稳压电源系统由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路等四部分组成，如图。（1）桥式整流二极管参数计算正向平均电流：5.1最大反向电压：5.2（2）滤波电容参数：5.3取c1=1000f，电容耐压：5.4取v,故电容参数为c1:1000f/25v。通过稳压管后稳压为12v，提供给各个电路6. 设计结论、误差分析、教学建议等本次设计主要是应用数字电路和模拟电路的知识来设计音乐彩灯控制器。使用了ne555时基电路的单稳态电路和无稳态电路实现音乐节奏控制彩灯和音乐大小控制彩灯,使用高低通电路实现音调控制彩灯。通过这次设计，我对模拟电路和数字电路有了更加深刻的理解。对一些知识也有了全新的感悟，不像以前一样只停留在课本上。这次设计试验，让我明白了，我所了解的东西都很片面，在实际操作中，仍有许多知识盲点，而且有时候实际的东西并不像课本上所说的那么简单，还需要我们继续深入的学习。这只是设计用的演示电路并不成熟，如果用于实际生活和生产中，还有一定的差距，主要表现在以下几方面：1、电压的匹配上，实验电路的电压在12v，彩灯只有2.5v，但在实际中使用的都是220v电压，这样使用时就不是很方便。并且有了变压器重量增加，不利于生产和运输。2、设计时用了电位器，要随时调节灵敏度，这样即麻烦而且还会使控制器达不到最好的设计效果。结束语本次课程设计主要是应用数字电路和模拟电路的知识来设计音乐彩灯控制器。使用了ne555时基电路的单稳态电路和多谐振荡电路实现音乐节奏控制彩灯和音乐大小控制彩灯；使用高低通电路实现音调控制彩灯。通过这次课程设计，充分的锻炼了我的动手能力，让我对模拟电路和数字电路有了更深一步的理解。对一些知识也有了全新的感悟，不像以前一样只停留在理论上。这次课程设计，让我明白了我所了解的东西都很片面，在实际操作中，仍有许多知识盲点，而且有时候实际的东西并不像理论上所说的那么简单，还需要我们继续深入的学习。经过一个多月的设计，学会了怎么去用multsim11和protel99se这两个软件，熟悉了在multsim11里面仿真和在protel99里制作画原理图和pcb图，这为以后的课程设计打下了坚实的基础，以后我将继续的努力，做到理论与实践相结合,进一步的锻炼自己的动手能力。参考文献1 康华光.电子技术基础：模拟部分.5版.北京：高等教育出版社，20112 阎石.数字电子技术(第五版).北京：高等教育出版社，20113 曹才开等.电路与电子技术实验.长沙：电南大学出版社，20104 熊幸明.电工电子实训教程.北京：清华大学出版社，20115 555定时器_百度百科 /view/1102178.htm6 ne555_百度百科 /view/985862.htm7 cd4017集成电路应用200例 - 豆丁网 /p-56631099.html致 谢 本设计是在贾雅琼老师的悉心指导下完成的，贾老师渊博的知识，严谨的治学态度，一丝不苟的工作作风，平易近人的性格都是我学习的楷模。在此谨向导师表示衷心的感谢和崇高的敬意。同时感谢实验室的老师，他们给我们提供了必要的实验器材，提供了很大的方便。感谢我的同学们，在做这个设计期间，他们在学习上对我有很大的帮助，最后，再一次感谢老师能在百忙之中对我的论文进行审察，由于本人知识有限，不足之处在