音樂彩燈控制課程設計說明書

1、<p>　　1 設計課題任務、功能要求說明及總體方案介紹</p><p><b>　　1.1設計課題任務</b></p><p>　　設計一種組合式彩燈控制電路，該電路由三路不同控制方法的彩燈所組成，采用不同顏色的發(fā)光二極管作設計實驗</p><p>　　1.2 功能要求說明</p><p>　　總共有3路電路

2、實現(xiàn)音樂彩燈</p><p>　　① 第一路為音樂節(jié)奏控制彩燈，按音樂節(jié)拍變換彩燈花樣。</p><p>　　② 第二路按音量的強弱（信號幅度大?。┛刂撇薀?。強音時，燈的亮度加大，且燈被點亮的數(shù)目增多。</p><p>　?、?第三路按音調(diào)高低（信號頻率高低）控制彩燈。低音時，某一部分燈點亮；高音時，另一部分燈點亮。</p><p>　　1.

3、3設計課題總體方案介紹及工作原理說明</p><p><b>　　(1) 設計思路</b></p><p>　　根據(jù)課題要求，本控制器可分別用三部分電路實現(xiàn)。</p><p>　?、僖魳返墓?jié)奏往往由樂隊的鼓點來體現(xiàn)，實質(zhì)上它是具有一定時間間隔的節(jié)拍脈沖信號。因此，可采用計數(shù)、譯碼驅(qū)動電路構成節(jié)拍脈沖信號發(fā)生器（或稱時間順序控制器），使相應的彩燈

4、按節(jié)奏點亮和熄滅。</p><p>　?、跒閷崿F(xiàn)聲音信號強弱的控制，應該將聲音信號變成電信號，經(jīng)過放大、整流濾波，以信號的平均值驅(qū)動彩燈發(fā)亮。信號強，則燈的亮度大，且點亮燈的數(shù)目增多。</p><p>　?、蹫閷崿F(xiàn)高、低音（不同頻率信號）對彩燈的控制，采用高、低通有源濾波電路。低通濾波器限制高音頻信號通過，而高通濾波器限制低音頻信號通過，分頻段輸出信號，經(jīng)過放大驅(qū)動相應的發(fā)光二極管點亮。&

5、lt;/p><p>　　(2) 控制器原理框圖</p><p>　　通過音箱輸入電信號，信號源經(jīng)放大器放大后輸出分別送往：（1）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，輸出脈沖信號通過驅(qū)動電路來驅(qū)使彩燈發(fā)光；（2）多諧振蕩器脈沖輸出到計數(shù)器，計數(shù)脈沖通過計數(shù)和譯碼驅(qū)使彩燈發(fā)光；（3）送往高低通電路，取出所需要頻段信號后驅(qū)動彩燈發(fā)光。</p><p>　　圖1.1 控制器原理圖</p>

6、<p>　　2音樂彩燈控制器的仿真分析</p><p>　　2.1音樂彩燈控制器的參數(shù)選擇</p><p>　　2.1.1音樂節(jié)奏控制彩燈</p><p><b>　　音頻放大電路</b></p><p>　　放大電路使用基極分壓式射基偏置電路放大：工作電壓為12V，三極管為9014，9014的放大倍數(shù)在1

7、00~1000 ,而b-e極電壓0.7V才能飽和導通，所以用R22=1M的電阻，同時兼顧其他指標，工程上一般取VBQ=（3-5）V，所以R23取330K，使電壓適合于三極管的放大。由于9014承受的最大電流,R24=5.1K。</p><p>　　圖2.1音頻放大電路</p><p><b>　　多諧振蕩器</b></p><p><b&

8、gt;　　圖2.2多諧振蕩器</b></p><p>　　該電路工作電壓Ucc設為12V，當遠遠大于時，,此時輸出的波形為理想對稱的方波，所以使用的可變電阻，這樣實現(xiàn)了方波，也使可以調(diào)節(jié)電路的靈敏度。</p><p>　　C1在充、放電過程中，其電壓在的1/3到2/3之間變化，所以時基電路3腳輸出高電平的時間可用以下式表示（即充電周期），即</p><p&g

9、t;　　…………………………2.1</p><p>　　3腳輸出低電平時間（即放電周期）: </p><p>　　……………………………2.2</p><p><b>　　振蕩周期：</b></p><p><b>　　………………2.3</b></p><p>　　根據(jù)以上

10、公式可以求出R1、C1、C2，由于電容在市場上的型號不多。所以就選相近的,。</p><p><b>　　其他電路</b></p><p>　　CD4017的供電的電壓為3V～15V為了方便電源供電就選用12V作為供電電壓。</p><p>　　LED的供電電壓為2.5V，為了不超過它的最大電流，所以要串聯(lián)一個穩(wěn)壓電阻，先選取R=1K的電阻。&

11、lt;/p><p>　　2.1.2音樂大小控制彩燈</p><p><b>　　放大電路</b></p><p>　　由于555單穩(wěn)態(tài)電路是低電平觸發(fā)，所以設計時采用了反向放大，三極管起反向作用，故采用射基偏置電路。VT（9014） b-e極最大電流為0.1A，所以根據(jù)基爾霍夫定理得：</p><p>　　………………………

12、2.4</p><p>　　……………………2.5</p><p>　　可得： =330K。同時兼顧其他指標，工程上一般取VBQ=（3-5）V，所以R2=110k</p><p><b>　　圖2.3單穩(wěn)態(tài)電路</b></p><p>　　由于電容的容量和耐壓不好選，所以就先選電容為，設單穩(wěn)態(tài)的暫態(tài)時間為。</p&

13、gt;<p>　　根據(jù)公式： </p><p>　　……………………2.6</p><p>　　得 、</p><p>　　…………………2.7</p><p><b>　　所以R1取5k</b></p><p>　　限流電阻的計算：

14、由于的腳電壓為2V，LED的承受電流為30mA，取的最大取值為：</p><p><b>　　……………2.8</b></p><p><b>　　取R=680?</b></p><p>　　2.1.3音調(diào)高低控制彩燈</p><p><b>　　圖2.4高通電路</b><

15、;/p><p>　　RC有源高通濾波器參數(shù)的計算（設上限頻率f=1000HZ）： </p><p>　　(1)通常電容C的容量宜在微法數(shù)量級以下，的值一般約為幾百千歐內(nèi)，vh由于電容容量檔級較少，常先選用值，再計算電阻的值。選擇,則</p><p>　　=16K…………2.9</p><p>　?。?）考慮到二價巴特沃斯濾波器的=0.707和&l

16、t;/p><p>　　……………………2.10</p><p>　　故有R4=0.586R3,運算放大器兩輸入端的外接電阻必須滿足平衡條件：……………………2.11</p><p><b>　　由</b></p><p>　　……………………2.12</p><p><b>　　和</

17、b></p><p>　　…………………2.13</p><p><b>　　得</b></p><p><b>　　,,,。</b></p><p>　　（3）供電為12V，可LED承受的電流為燈泡電壓為，由</p><p>　　……………………2.14</p&

18、gt;<p><b>　　取R5=550。</b></p><p>　　圖2.5低通濾波電路</p><p>　　由于高通濾波器與低通濾波器在電路結構上存在對偶關系，他們的幅頻響應也存在對偶關系，設置的頻率界限為1000Hz，所以兩個電路參數(shù)一樣，只是接法不一樣。</p><p>　　2.1.4電源電路參數(shù)</p>

19、<p>　　橋式整流二極管參數(shù)計算</p><p><b>　　正向平均電流：</b></p><p>　　………………2.15 </p><p><b>　　最大反向電壓：</b></p><p>　　………………2.16</p><p&

20、gt;<b>　　濾波電容參數(shù)：</b></p><p>　　………………2.17</p><p>　　取C2=1000μF</p><p><b>　　電容耐壓：</b></p><p>　　…………………………2.18</p><p>　　取V,故電容參數(shù)為C:1000

21、μF/25V。</p><p>　　通過穩(wěn)壓管7812后 穩(wěn)壓為12V，提供給各個電路。</p><p>　　2.2音樂彩燈控制器的仿真結果</p><p><b>　　仿真實驗：</b></p><p>　　圖2.6 音樂大小控制彩燈仿真波形</p><p>　　圖2.6中的斜線表示觸發(fā)經(jīng)放大后

22、的音頻信號，方波表示的是輸出信號。由圖可知，音頻信號經(jīng)過放大之后進入單穩(wěn)態(tài)集成電路.從圖2-6可以看出正弦波處于正半波上升沿是，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)并輸出信號，由此可知當音樂音量大小改變時，正弦波增大，那么彩燈閃亮的速率加快，音量減小時，波的幅度減小，彩燈閃亮減慢或停止。</p><p>　　圖2.7 節(jié)奏電路仿真圖 </p><p>　　圖2.7中斜波表示的是放大后的音頻信號，方波表示的是經(jīng)音頻信

23、號調(diào)諧多諧振蕩后輸出的觸發(fā)信號。從圖中可以看出經(jīng)放大后的音頻信號可以調(diào)制觸發(fā)信號的脈寬，從而使觸發(fā)信號驅(qū)動彩燈，并使彩燈隨音樂節(jié)奏的快慢而閃亮</p><p>　　圖 2.8 音調(diào)高低仿真圖</p><p>　　圖4-5為音調(diào)控制的輸出仿真圖，起伏大的線代表高通x1的波形，起伏小的線代表低通x2的波形，當有高于1000Hz的脈沖到LM358時x1就輸出波峰達到3v的波形，而x2的波形就趨

24、近X軸。</p><p>　　2.3 音樂彩燈控制器的仿真調(diào)試</p><p>　　調(diào)試方法：首先在軟件中畫好電路圖，然后檢查電路中各元件是否連接正確，連接正確的情況下加入信號，由于此軟件不能直接加入音樂信號，所以用正弦（音頻電信號是由許多的正弦波疊加而形成）代替，加入信號后觀察彩燈的閃亮情況，遇到不正常時及時修改。</p><p><b>　　調(diào)試中遇

25、到的故障：</b></p><p>　　故障1：放大電路不匹配。</p><p>　　分析：單穩(wěn)態(tài)電路需要的使反向電壓，無穩(wěn)態(tài)使用的事完整的正弦波。</p><p>　　解決：在兩個電路使用獨立放大。</p><p>　　故障2：接地信號的交叉。</p><p>　　分析：交流接地不能直流接地接在一起。&l

26、t;/p><p>　　解決：兩個接地單獨接地。</p><p>　　3音樂彩燈控制器硬件系統(tǒng)的設計</p><p>　　3.1設音樂彩燈控制器硬件系統(tǒng)各模塊功能簡要介紹</p><p>　　3.1.1音樂大小控制彩燈的電路的實現(xiàn)</p><p>　　設計電源電路為了NE555提供穩(wěn)定的直流電源12V；設計NE555時基電路

27、構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，經(jīng)過限流電阻，點亮電路用LED發(fā)光二極管。</p><p>　　圖3.1 音樂大小電路圖</p><p>　　音頻輸入后，經(jīng)過由VT組成的音頻放大器電壓放大。555時基電路與電阻R5、電容C3接成典型的單穩(wěn)太工作模式，由于R5、C3的取值較小，所以暫態(tài)時間非常短，。限流電阻R6構成保護電路，去驅(qū)動LED閃亮。</p><p>　　音頻輸入時，經(jīng)V

28、T反向放大，使時基電路2腳電平在上下波動。當電位不大于時，時基電路置位，進入暫態(tài)，3腳輸出高電平，晶閘管導通，LED發(fā)光。由于暫態(tài)時間很短，很快又翻回穩(wěn)態(tài)，LED彩燈熄滅，也就是說彩燈不會有停滯狀態(tài)，它能隨時基電路的2腳電平即音頻電信號的變化而變化。當變阻器的電阻越小，靜態(tài)時555的 2腳電平越高，電路的聲控靈敏度就越低，所以根據(jù)需要調(diào)節(jié)變位器。</p><p>　　3.1.2音樂節(jié)奏控制彩燈總電路實現(xiàn)</

29、p><p>　　三極管構成放大電路,放大后送振蕩電路。用NE555夠成自激振蕩器送出方波，即是脈沖信號，計數(shù)器和譯碼器用CD4017，他集成了計數(shù)和譯碼兩項功能，減小了電路，節(jié)約了成本，經(jīng)過限流電阻LED發(fā)光。</p><p>　　圖3.2 節(jié)奏電路圖</p><p>　　晶體管Q1組成音頻放大器，他將音頻信號加以放大，然后通過電容C8電位器R26加到ME555時基電路

30、的5腳，對555構成的振蕩器進行調(diào)制。</p><p>　　CD4017為十進制計數(shù)器，其CP端輸入的計數(shù)脈沖來自NE555時基電路組成的多諧振蕩器。當CP端源源不斷地輸入計數(shù)脈沖時，它的輸出端Q1-Q9就依次循環(huán)輸出高電平。</p><p>　　使彩燈LED1～LED10依次點亮。調(diào)節(jié)電位器，R29因改時基電路A2的振蕩頻率，故使彩燈LED1～LED4的循環(huán)速率。音頻信號經(jīng)過Q2放大、通

31、過R21加到A2的5腳，因改變5腳電平的高低，使555的閥值翻轉(zhuǎn)，電平發(fā)生變化，即對振蕩器頻率進行調(diào)制，亦使A2的振蕩頻率隨音樂的頻率而變化，所以LED1～LED4的循環(huán)點亮的速率又隨音樂的節(jié)奏而改變。調(diào)節(jié)R29的阻值，則可調(diào)節(jié)電路的靈敏度。</p><p>　　3.1.3音調(diào)高低控制彩燈的電路的實現(xiàn)</p><p>　　音頻經(jīng)放大（放大電路和節(jié)奏電路合用）輸入后分別送往高低通電路。<

32、;/p><p>　　高通電路：由C4入經(jīng)過C5到U2（LM358）的3腳入，濾出低頻，1腳出。在LM358內(nèi)濾出低頻信號，高頻信號從1腳出來后使Q1導通，驅(qū)動LED2發(fā)光。</p><p>　　低通電路：由R12入經(jīng)過R10到LM358的5腳入，濾出高頻，7腳出。在LM358內(nèi)濾出低頻信號，高頻信號從1腳出來后使R13導通，使LED2發(fā)光。</p><p>　　圖3.3

33、 音調(diào)電路圖</p><p>　　3.1.4電源電路設計</p><p>　　單穩(wěn)態(tài)電路的工作電壓在3～18V之間，選取12V電壓為電源電壓，所以設計時使用220V交流電壓經(jīng)過變壓后得到12V的交流電壓，再經(jīng)過橋式整流、整流濾波后由三端穩(wěn)壓7812穩(wěn)壓為12V，供給各個電路元件使用。</p><p><b>　　1．電源電路結構</b><

34、/p><p>　　常見小功率直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路等四部分組成，如圖</p><p>　　圖3.4 電源電路結構圖</p><p>　　穩(wěn)壓電路根據(jù)調(diào)整元件類型可分為電子管穩(wěn)壓電路、三極管穩(wěn)壓電路、可控硅穩(wěn)壓電路，集成穩(wěn)壓電路等。根據(jù)調(diào)整元件與負載連接方法，可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型。根據(jù)調(diào)整元件工作狀態(tài)不同，可分為線性和開關型穩(wěn)壓電路。本

35、電路主要采用集成三端穩(wěn)壓電路。</p><p><b>　　圖3.5 電源電路</b></p><p>　　3.2電路原理圖、PCB圖</p><p><b>　　圖3.6電路原理圖</b></p><p><b>　　圖3.7PCB圖</b></p><p

36、>　　4設計結論、誤差分析、教學建議</p><p>　　4.1音樂彩燈控制器的設計結論及使用說明</p><p>　　本次設計主要是應用數(shù)字電路和模擬電路的知識來設計音樂彩燈控制器。使用了NE555時基電路的單穩(wěn)態(tài)電路和無穩(wěn)態(tài)電路實現(xiàn)音樂節(jié)奏控制彩燈和音樂大小控制彩燈；使用高低通電路實現(xiàn)音調(diào)控制彩燈。軟件仿真和實物都能達到設計要求。</p><p>　　4.

37、2設計課題的硬件調(diào)試</p><p>　　安裝完成后，通電并加入信號。發(fā)現(xiàn)彩燈常亮，檢修思路：檢測電源是否正常，用萬用表檢測時發(fā)現(xiàn)電源電壓只有8V，正常應當在12V。然后判斷故障是在電源電路是在電源還是負載，斷開負載發(fā)現(xiàn)電源恢復到12V。證明故障在負載，為了方便檢修，把三個負載電路分別斷開，分別通電檢測。</p><p>　　故障1：音樂大小電路，通電檢測電壓時發(fā)現(xiàn)點要只有8V。</

38、p><p>　　分析: 證明電路有輕微短路，用電阻發(fā)檢測各個焊點間無短路狀況，證明短路在原件，由以前的經(jīng)驗。電阻壞是不可能是阻值變小，只可能變大。分析電路發(fā)現(xiàn)只有一個三極管和一個電容，除了就是NE555有可能壞.</p><p>　　解決：分別取下電容和三極管檢測，發(fā)現(xiàn)三極管的ce極的電阻為0，證明三極管壞，換上新的三極管后，電壓正常，彩燈依舊常亮。</p><p>　

39、　故障2：檢測NE555的輸出端，發(fā)現(xiàn)電壓為7V，有電壓跳變。但跳變時間很短，要仔細才能分辨。</p><p>　　分析：有可能使暫態(tài)時間過短，或限流電阻過大。</p><p>　　解決：檢測2腳調(diào)諧端，電壓為交流-3V,證明各端電壓正常在工作。但單穩(wěn)態(tài)電路暫態(tài)時間過短，導致我們不能識別。根據(jù)T=1.1RC可知增大電阻或電容都能使時間變大，所以就把電容改為0.1uF.再檢測電路，正常。&l

40、t;/p><p>　　圖4.1 故障1.2所在點</p><p>　　故障3：節(jié)奏電路通電和加入信號彩燈不閃動。</p><p>　　分析：可能使電容擊穿或是三極管放大有問題。</p><p>　　解決：檢測電源電壓，9V正常用萬用表去檢測NE555的3腳，發(fā)現(xiàn)電壓恒為0V,無跳變，再檢測2腳和6腳調(diào)諧端，V6=V2=0V，分析電路，6腳和2腳通

41、過電容c4接地，斷電用電阻法測2腳對地電阻為0。取下c4檢測，發(fā)現(xiàn)c4穿。換上后電路正常。</p><p>　　圖4.2 故障所在點</p><p>　　再通電在音調(diào)電路時，接通后單個彩燈閃亮，電路正常再連接各電路檢測，運行正常，調(diào)試完成。</p><p>　　4.3音樂彩燈控制器的誤差分析</p><p>　　由于商店提供的元器件型號有限，

42、所以有些器件是用相近的型號大小代替，因此產(chǎn)生誤差。原件本身參數(shù)不穩(wěn)定也是產(chǎn)生誤差的重要原由</p><p><b>　　4.4設計體會</b></p><p>　　通過這次設計，我對模擬電路和數(shù)字電路有了更加深刻的理解。對一些知識也有了全新的感悟，不像以前一樣只停留在課本上。這次設計試驗，讓我明白了，我所了解的東西都很片面，在實際操作中，仍有許多知識盲點，而且有時候?qū)?/p>

43、際的東西并不像課本上所說的那么簡單，還需要我們繼續(xù)深入的學習。</p><p>　　這只是設計用的演示電路并不成熟，如果用于實際生活和生產(chǎn)中，還有一定的差距，主要表現(xiàn)在以下幾方面：</p><p>　　1、電壓的匹配上，實驗電路的電壓在12V，彩燈只有2.5V，但在實際中使用的都是220V電壓，這樣使用時就不是很方便。并且有了變壓器重量增加，不利于生產(chǎn)和運輸。</p><

44、;p>　　2、設計時用了電位器，要隨時調(diào)節(jié)靈敏度，這樣即麻煩而且還會使控制器達不到最好的設計效果。</p><p>　　3、設計時用的是信號直接輸入，有線連接，這樣不便于安裝。</p><p>　　下一步的工作將進一步完善電路，使其在實際應用中更加方便，使彩燈早藝術上更加完美。在視覺感受更加美好</p><p><b>　　參考文獻</b>

45、;</p><p>　　[1]康華光編.電子技術基礎(第五版).北京：高等教育出版社，2006.22~513</p><p>　　[2]閻 石編.數(shù)字電子技術基礎（第五版）.北京：高等教育出版社，2004.466~494</p><p>　　[3]曹才開編.電路與電子技術實驗.長沙：中南大學出版社，2009.199~210</p><p>

46、　　[4]陳有卿編.555時基集成電路原理與應用.北京：北京機械工業(yè)出版社，2006年101~122</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本設計是在xxx老師的悉心指導下完成的，xx老師淵博的知識，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，一絲不茍的工作作風，平易近人的性格都是我學習的楷模。在此謹向?qū)煴硎局孕牡母兄x和崇高的敬意。同時感謝實驗室的老師，他們給我們提供了

47、必要的實驗器材，提供了很大的方便。感謝我的同學們，在做這個設計期間，他們在學習上對我有很大的幫助，還有感謝自己的辛勤勞動，我很珍惜這次的勞動成果。最后，再一次感謝老師能在百忙之中對我的論文進行審察，由于本人知識有限，不足之處在所難免，還請老師批評指正。</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　附1 仿真電路總圖</b>