音乐彩灯电力电子课设

编号： 课程设计报告书课 题： 迷你音乐彩灯设计 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 陆嘉生 学 号： 1300120118 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 201 6 年 1 月 14 日 前言 现如今，科学技术飞速发展，人们生活水平不断提高，不再仅仅满足于吃饱穿暖的基本要求，而追求更深层次的精神需求。音乐彩灯的出现，让人们对声音和视觉的美感有了更深的认识，彩灯随着音乐的节奏的变化而忽暗忽明，美不胜收，让人有了视觉和听觉上的双重享受。 本次设计的是一种迷你音乐彩灯控制电路，声控音乐彩灯是音控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、听觉结合在一起获得综合的艺术享受。 性能指标要求： （1）设计一种组合式彩灯控制电路，该电路由于路不问控制方法的彩灯所组成色的发光二极管作课题实验。 （2）第一路为音乐节奏控制彩灯，按音乐节拍变换彩灯花样。 （3）第二路按音量的强弱(信号幅度大小)控制彩灯。强音时的数量增多。 （4）第三路按音调高低(信号频率高低)控制彩灯。低音时，某部分灯点亮；高音时，另一部分灯点亮。设计彩灯的资料主要从学习课程教材系及图书馆书本获得。 工作过程：1、 参考有关资料设计初步方案并绘制大致原理图。2、 用Mulitisim对电路图进行仿真，并对故障部分就行修正。3、 用DXP绘制原理图及PCB图。4、 根据原理图购买所需元器件。5、 印制PCB板并焊接好各个元器件。6、 板子做好后，对其进行相应的功能测试，看其是否能实现相应功能。7、 如有功能障碍，对其进行排除。 目录第1章 系统概述1 1.1 设计思路1 1.2 实验与实际2 1.3 信号输入3 1.4 总体设计方案框图3 1.5 基本原理4第2章 单元电路设计与仿真5 2.1 前级放大电路5 2.1.1 前级放大电路的原理5 2.1.2 前级放大电路的实现62.2 音乐节奏控制彩灯9 2.2.1 音乐节奏控制彩灯的原理9 2.2.2 音乐节奏控制彩灯的实现102.3 音乐大小控制彩灯12 2.3.1 音乐大小控制彩灯的原理12 2.3.2 音乐大小控制彩灯的实现142.4 高低音控制彩灯16 2.4.1 高低音控制彩灯的原理16 2.4.2 高低音控制彩灯的实现17第3章 电路安装与调试213.1 Mulitisim仿真213.2 PCB绘制213.3 电路板制作233.4 电路板调试24 第4章 结束语25 附录126附录2275第1章 系统概述1.1 设计思路音乐节奏往往是由乐队的鼓点来实现的，实质上相当于是具有一定时间间隔的脉冲信号。根据设计要求，彩灯需要随着音乐节奏依次闪亮。首先需要一个放大电路对脉冲信号进行放大，因而选择了LM358运算放大器来组成放大电路；其次，产生计数脉冲后，还需要计数器和译码器来驱动LED灯闪亮，故选择了NE555将输入的正弦信号转化为方波，给74LS192计数，最后74LS138译码来驱动LED闪亮。音频在电信号中变现为多个正弦波叠加而成。音乐的大小变现为演唱者声音的大小，它在音频信号中表现为正弦波的波峰和波谷，它的幅值决定声音大小。根据设计要求，需要随着音乐大小来亮不同数量的彩灯，所以就需要一个LM339组成的比较电路来控制LED灯闪亮的数目。音调主要由声音的频率决定，同时也与声音强度有关，对于一定强度的纯音，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的增加而下降，高频纯音则随声强的增加而上升，所以应用滤波器滤出高频、低频，以方便驱动彩灯发光。1.2 实验与实际实际电路的迷你彩灯供电电压为220V，经触发电路出俩的脉冲，经过触发晶闸管导通来实现彩灯的点亮。实际电路图如下：实际电路时，灯用发光二极管模拟，比较电路部分用LM339加上拉电阻来驱动LED实验电路如下：电路中加了一个限流电阻，防止LED灯烧坏。1.3 信号输入信号输入可采用直接音频输入或者麦克风输入，因为采用麦克风电路输入参杂其他信号较多，因此本设计采用直接音频输入。1.4 总体设计方案框图1.5 基本原理前级放大电路，将音频信号输入的几毫伏的电压放大，经放大器放大后分别送往：1、 计数器，技术脉冲通过计数和译码驱使彩灯发光。2、 通过电压比较器，取出一定电压值的信号将彩灯点亮，实现音量越大，点亮的彩灯越多。3、 送往高低通路，取出所需频段信号后驱动彩灯发光。第2章 单元电路设计与仿真2.1 前级放大电路 2.1.1 前级放大电路的原理由于音频输入信号很小，故需要设计一个前级放大电路把信号放大，故选用双运放LM358LM358是由两个独立的高增益运算放大器组成。可以是单电源工作，也可以是双电源工作，电源的电流消耗与电源电压大小无关。应用范围包括变频放大器、DC增益部件和所有常规运算放大电路。 2.1.2 前置放大电路的实现电路如下图所示：放大倍数：A1=-PR1/R2=-200K/20K=-10 A2=-PR2/R4=-1M/20K=-50采用滑动变阻器是为了方便调节阻值，得到需要的电压。仿真图如下：2.2 音乐节奏控制彩灯 2.2.1 音乐节奏控制彩灯的原理多谐振荡电路 接通电源后，假定是高电平，则T截止，电容C充电。充电回路是VCCR1R2C地，按指数规律上升，当上升到时（TH、端电平大于），输出翻转为低电平。是低电平，T导通，C放电，放电回路为CR2T地，按指数规律下降，当下降到时（TH、端电平小于），输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如下所示：74LS138为3线8线译码器，共有54/74S138和54/74LS138两种线路结构型式，其工作原理如下：当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/(G2A)和/(G2B)）为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。 2.2.2 音乐节奏控制彩灯的实现设计电路如下图：NE555不断将放大后的正弦音频信号转化为方波脉冲送往74ls192计数器，后经74ls138译码器进行译码后驱动相应的LED灯。仿真结果如图:2.3 音乐大小控制彩灯 2.3.1 音乐大小控制彩灯的原理本路彩灯的要求是按音量的强弱（信号幅度大小）控制彩灯。强音时数量增多，。由此，我们设计了一个多组的电压比较电路。整流电路：利用集成运放虚地、虚短、虚断特性，不难得出输出电压与输入电压在数值上呈线性比例关系，即整流器输出全波成比例正的直流信号。仿真结果如下：比较器电路：电压比较是集成运放的另一类基本应用电路，是对两个模拟电压进行比较，并判断出其中哪一个电压高，哪一个电压低，并在输出端以高电平或低电平的形式表现出来。2.3.2 音乐大小控制彩灯的实现设计电路如下图：正弦输入信号经过整流电路后输出直流信号进入由LM339集成运放来组成的比较电路，比较电压由05V依次递增，当音量大于一定值时，低于该电压的那几路触发电路输出高脉冲，点亮LED。仿真结果如下：因为8个比较电路原理一样，所以为了方便，选取其中一部分来进行仿真。2.4 高低音控制彩灯 2.4.1 高低音控制彩灯的原理音调即是声音中的低音和高音，我们人类能识别的声音频率为20Hz20kHz，所以设置1kHz以上为高音，1kHz以下为低音，所以需要一个高低音滤波器来驱动彩灯发光 2.4.2 高低音控制彩灯的实现高通电路： 1、先选取电容C1=C2=0.1F， 则R1=R2=1/2wC=1/（2*3.14*1000*0.1*10-6）=16k2、考虑到二阶巴特沃斯滤波器的Q=0.707和Af=1+R4/R3=1.586，所以，R3=0.586R4,运放两个输入端的外接电阻必须满足平衡条件R3/R4=R+R=32K得出R3=20K,R4=33K低通电路： 由于高通滤波器和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1kHz，所以两个电路只是接发不一样，参数一致。高低音控制彩灯电路图：音频信号经放大后分别送往高、低通滤波电路，滤出相应的高频、低频信号，再送往驱动电路。仿真如下：低通电路：100Hz时，输出完整波形。1100Hz时，输出几乎为0第3章 电路安装与调试整体电路设计完成以后，首先在软件上仿真，仿真正确，再绘出PCB图，刻出印版，安装元器件，进行调试至功能全部实现，所以，实物的制作和调试分以下几步：软件仿真制作PCB安装元件实物调试。3.1 软件仿真 整体设计完成以后，第一步工作就是仿真，测试其性能，我们用的仿真软件是Mulitisim，首先仿真调试分电路，之后再调试总电路。 调试方法：首先在软件中画好图，然后检查各个元器件是否连接正确，连接正确情况下加入信号，在仿真中，我们用函数发生器输出正弦波来代替音频信号，之后用示波器观察各个输出点的波形及彩灯的闪亮情况，遇到不正常时及时修改。调试中遇到的故障：1、 电路连接正确LED灯不亮分析：触发电压有了，但触发电流不足以驱动LED解决：在LM339接个上拉电阻。3.2 PCB的制作 在软件仿真完成后，下一步就是PCB板的制作，以方便元件的安装和实物的调试。分为2个内容：用软件绘制PCB图，制作实物印板。我们选用Altinm Designer软件来绘制PCB图，它是一款专门制作PCB的软件，具有强大的布线功能。制作时首先在软件上画出电路原理图，连接好各个元件的网络飞线，填好各个元件的封装，然后生成网络表，调节好各个元件的位置，然后自动布线。电路PCB图如下：3.3 电路板的制作 按照电路图，将相应元件插入孔中并用焊锡焊接。在插器件的时候，要注意元件的正负极，保证各个管脚接触良好，不能弯曲或折断。 3.4 电路调试 首先按照功能进行操作，若电路满足要求，说明电路没有故障，若有些功能不能实现，就要想方设法查找并排除故障，排除故障可按信号流程方向查找。第4章 结束语 本次课程设计要求设计一种音乐彩灯控制器。应用所学知识及在图书馆搜集的资料，对题目所要求的电路进行了设计。通过本次实验，我学到了好多东西，像NE555、74ls192、LM358等相应的应用电路。通过看芯片的真值表和引脚图来确定芯片的功能及电路连接。让我深深意识到学会看真值表和引脚图的重要性。设计时用到了模电和