课程设计说明书

1 设计课题任务、功能规定阐明及总体方案简介1.1设计课题任务设计一种组合式彩灯控制电路，该电路由三路不同控制措施的彩灯所构成，采用不同颜色的发光二极管作设计实验1.2 功能规定阐明总共有3路电路实现音乐彩灯 第一路为音乐节奏控制彩灯，按音乐节拍变换彩灯把戏。 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。 第三路按音调高下（信号频率高下）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设计课题总体方案简介及工作原理阐明(1) 设计思路根据课题规定，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期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。为实现声音信号强弱的控制，应当将声音信号变成电信号，通过放大、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。为实现高、低音（不同频率信号）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，通过放大驱动相应的发光二极管点亮。(2) 控制器原理框图通过音箱输入电信号，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）送往高下通电路，取出所需要频段信号后驱动彩灯发光。图1.1 控制器原理图2音乐彩灯控制器的仿真分析2.1音乐彩灯控制器的参数选择2.1.1音乐节奏控制彩灯音频放大电路放大电路使用基极分压式射基偏置电路放大：工作电压为12V，三极管为9014，9014的放大倍数在1001000 ,而b-e极电压0.7V才干饱和导通，因此用R22=1M的电阻，同步兼顾其她指标，工程上一般取VBQ=（3-5）V，因此R23取330K，使电压适合于三极管的放大。由于9014承受的最大电流,R24=5.1K。图2.1音频放大电路多谐振荡器图2.2多谐振荡器该电路工作电压Ucc设为12V，当远远不小于时，,此时输出的波形为抱负对称的方波，因此使用的可变电阻，这样实现了方波，也使可以调节电路的敏捷度。C1在充、放电过程中，其电压在的1/3到2/3之间变化，因此时基电路3脚输出高电平的时间可用如下式表达（即充电周期），即t1=0.7(R1+R2)C12.13脚输出低电平时间（即放电周期）: t2=0.7R2c1 2.2振荡周期：T=t1+t2=0.7(R1+2R2)C1 2.3根据以上公式可以求出R1、C1、C2，由于电容在市场上的型号不多。因此就选相近的C1=0.47uF,C2=4.7F。其她电路CD4017的供电的电压为3V15V为了以便电源供电就选用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，因此要串联一种稳压电阻，先选用R=1K的电阻。2.1.2音乐大小控制彩灯放大电路由于555单稳态电路是低电平触发，因此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（9014） b-e极最大电流为0.1A，因此根据基尔霍夫定理得：U-Ur=Ube 2.4U-I*R1=Ube 2.5可得： =330K。同步兼顾其她指标，工程上一般取VBQ=（3-5）V，因此R2=110k图2.3单稳态电路由于电容的容量和耐压不好选，因此就先选电容为，设单稳态的暂态时间为。根据公式： 2.6得 、0.1=1.1*R1*C1 2.7因此R1取5k限流电阻的计算：由于的脚电压为2V，LED的承受电流为30mA，取的最大取值为：R= =6672.8取R=6802.1.3音调高下控制彩灯图2.4高通电路RC有源高通滤波器参数的计算（设上限频率f=1000HZ）： (1)一般电容C的容量宜在微法数量级如下，的值一般约为几百千欧内，vh由于电容容量档级较少，常先选用值，再计算电阻的值。选择,则=16K2.9（2）考虑到二价巴特沃斯滤波器的=0.707和2.10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：2.11由R4=0.586R32.12和2.13得R3=33K,R4=20K,。（3）供电为12V，可LED承受的电流为灯泡电压为，由2.14取R5=550。 图2.5低通滤波电路由于高通滤波器与低通滤波器在电路构造上存在对偶关系，她们的幅频响应也存在对偶关系，设立的频率界线为1000Hz，因此两个电路参数同样，只是接法不同样。2.1.4电源电路参数桥式整流二极管参数计算正向平均电流：2.15 最大反向电压： 2.16滤波电容参数：2.17取C2=1000F电容耐压：2.18取V,故电容参数为C:1000F/25V。通过稳压管7812后 稳压为12V，提供应各个电路。2.2音乐彩灯控制器的仿真成果仿真实验：图2.6 音乐大小控制彩灯仿真波形图2.6中的斜线表达触发经放大后的音频信号，方波表达的是输出信号。由图可知，音频信号通过放大之后进入单稳态集成电路.从图2-6可以看出正弦波处在正半波上升沿是，单稳态触发并输出信号，由此可知当音乐音量大小变化时，正弦波增大，那么彩灯闪亮的速率加快，音量减小时，波的幅度减小，彩灯闪亮减慢或停止。图2.7 节奏电路仿真图 图2.7中斜波表达的是放大后的音频信号，方波表达的是经音频信号调谐多谐振荡后输出的触发信号。从图中可以看出经放大后的音频信号可以调制触发信号的脉宽，从而使触发信号驱动彩灯，并使彩灯随音乐节奏的快慢而闪亮图 2.8 音调高下仿真图图4-5为音调控制的输出仿真图，起伏大的线代表高通x1的波形，起伏小的线代表低通x2的波形，当有高于1000Hz的脉冲到LM358时x1就输出波峰达到3v的波形，而x2的波形就趋近X轴。2.3 音乐彩灯控制器的仿真调试调试措施：一方面在软件中画好电路图，然后检查电路中各元件与否连接对的，连接对的的状况下加入信号，由于此软件不能直接加入音乐信号，因此用正弦（音频电信号是由许多的正弦波叠加而形成）替代，加入信号后观测彩灯的闪亮状况，遇到不正常时及时修改。调试中遇到的故障：故障1：放大电路不匹配。分析：单稳态电路需要的使反向电压，无稳态使用的事完整的正弦波。解决：在两个电路使用独立放大。故障2：接地信号的交叉。分析：交流接地不能直流接地接在一起。解决：两个接地单独接地。3音乐彩灯控制器硬件系统的设计3.1设音乐彩灯控制器硬件系统各模块功能简要简介3.1.1音乐大小控制彩灯的电路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，通过限流电阻，点亮电路用LED发光二极管。图3.1 音乐大小电路图音频输入后，通过由VT构成的音频放大器电压放大。555时基电路与电阻R5、电容C3接成典型的单稳太工作模式，由于R5、C3的取值较小，因此暂态时间非常短，。限流电阻R6构成保护电路，去驱动LED闪亮。音频输入时，经VT反向放大，使时基电路2脚电平在上下波动。当电位不不小于时，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，不久又翻回稳态，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，电路的声控敏捷度就越低，因此根据需要调节变位器。3.1.2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，计数器和译码器用CD4017，她集成了计数和译码两项功能，减小了电路，节省了成本，通过限流电阻LED发光。图3.2 节奏电路图晶体管Q1构成音频放大器，她将音频信号加以放大，然后通过电容C8电位器R26加到ME555时基电路的5脚，对555构成的振荡器进行调制。CD4017为十进制计数器，其CP端输入的计数脉冲来自NE555时基电路构成的多谐振荡器。当CP端源源不断地输入计数脉冲时，它的输出端Q1-Q9就依次循环输出高电平。使彩灯LED1LED10依次点亮。调节电位器，R29因改时基电路A2的振荡频率，故使彩灯LED1LED4的循环速率。音频信号通过Q2放大、通过R21加到A2的5脚，因变化5脚电平的高下，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A2的振荡频率随音乐的频率而变化，因此LED1LED4的循环点亮的速率又随音乐的节奏而变化。调节R29的阻值，则可调节电路的敏捷度。3.1.3音调高下控制彩灯的电路的实现音频经放大（放大电路和节奏电路合用）输入后分别送往高下通电路。高通电路：由C4入通过C5到U2（LM358）的3脚入，滤出低频，1脚出。在LM358内滤出低频信号，高频信号从1脚出来后使Q1导通，驱动LED2发光。低通电路：由R12入通过R10到LM358的5脚入，滤出高频，7脚出。在LM358内滤出低频信号，高频信号从1脚出来后使R13导通，使LED2发光。图3.3 音调电路图3.1.4电源电路设计单稳态电路的工作电压在318V之间，选用12V电压为电源电压，因此设计时使用220V交流电压通过变压后得到12V的交流电压，再通过桥式整流、整流滤波后由三端稳压7812稳压为12V，供应各个电路元件使用。1电源电路构造常用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、稳压电路等四部分构成，如图图3.4 电源电路构造图稳压电路根据调节元件类型可分为电子管稳压电路、三极管稳压电路、可控硅稳压电路，集成稳压电路等。根据调节元件与负载连接措施，可分为并联型和串联型。根据调节元件工作状态不同，可分为线性和开关型稳压电路。本电路重要采用集成三端稳压电路。图3.5 电源电路3.2电路原理图、PCB图图3.6电路原理图图3.7PCB图4设计结论、误差分析、教学建议 4.1音乐彩灯控制器的设计结论及使用阐明本次设计重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；使用高下通电路实现音调控制彩灯。软件仿真和实物都能达到设计规定。4.2设计课题的硬件调试安装完毕后，通电并加入信号。发现彩灯常亮，检修思路：检测电源与否正常，用万用表检测时发现电源电压只有8V，正常应当在12V。然后判断故障是在电源电路是在电源还是负载，断开负载发现电源恢复到12V。证明故障在负载，为了以便检修，把三个负载电路分别断开，分别通电检测。故障1：音乐大小电路，通电检测电压时发现点要只有8V。分析: 证明电路有轻微短路，用电阻发检测各个焊点间无短路状况，证明短路在原件，由此前的经验。电阻坏是不也许是阻值变小，只也许变大。分析电路发现只有一种三极管和一种电容，除了就是NE555有也许坏.解决：分别取下电容和三极管检测，发现三极管的ce极的电阻为0，证明三极管坏，换上新的三极管后，电压正常，彩灯仍旧常亮。故障2：检测NE555的输出端，发现电压为7V，有电压跳变。但跳变时间很短，要仔细才干辨别。分析：有也许使暂态时间过短，或限流电阻过大。解决：检测2脚调谐端，电压为交流-3V,证明各端电压正常在工作。但单稳态电路暂态时间过短，导致我们不能辨认。根据T=1.1RC可知增大电阻或电容都能使时间变大，因此就把电容改为0.1uF.再检测电路，正常。图4.1 故障1.2所在点故障3：节奏电路通电和加入信号彩灯不闪动。分析：也许使电容击穿或是三极管放大有问题。解决：检测电源电压，9V正常用万用表去检测NE555的3脚，发现电压恒为0V,无跳变，再检测2脚和6脚调谐端，V6=V2=0V，分析电路，6脚和2脚通过电容c4接地，断电用电阻法测2脚对地电阻为0。取下c4检测，发现c4穿。换上后电路正常。图4.2 故障所在点再通电在音调电路时，接通后单个彩灯闪亮，电路正常再连接各电路检测，运营正常，调试完毕。4.3音乐彩灯控制器的误差分析由于商店提供的元器件型号有限，因此有些器件是用相近的型号大小替代，因此产生误差。原件自身参数不稳定也是产生误差的重要原由4.4设计体会通过这次设计，我对模拟电路和数字电路有了更加深刻的理解。对某些知识也有了全新的感悟，不像此前同样只停留在课本上。这次设计实验，让我明白了，我所理解的东西都很片面，在实际操作中，仍有许多知识盲点，并且有时候实际的东西并不像课本上所说的那么简朴，还需要我们继续进一步的学习。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，尚有一定的差距，重要表目前如下几方面：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以便。并且有了变压器重量增长，不利于生产和运送。2、设计时用了电位器，要随时调节敏捷度，这样即麻烦并且还会使控制器达不到最佳的设计效果。3、设计时用的是信号直接输入，有线连接，这样不便于安装。下一步的工作将进一步完善电路，使其在实际应用中更加以便，使彩灯早艺术上更加完美。在视觉感受更加美好参照文献1康华光编.电子技术基本(第五版).北京：高等教育出版社，.225132阎 石编.数字电子技术基本（第五版）.北京：高等教育出版社，.4664943曹才开编.电路与电子技术实验.长沙：中南大学出版社，.1992104陈有卿编.555时基集成电路原理与应用.北京：北京机械工业出版社，101122道谢本设计是在贾雅琼教师的悉心指引下完毕的，贾教师渊博的知识，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。在此谨向导师表达衷心的感谢和崇高的敬意。同步感谢实验室的教师，她们给我们提供了必要的实验器材，提供了很大的以便。感谢我的同窗们，在做这个设计期间，她们在学习上对我有很大的协助，尚有感谢自己的辛勤快动，我很爱惜这次的劳动成果。最后，再一次感谢教师能在百忙之中对我的论文进行审察，由于本人知识有限，局限性之处在所难免，还请教师批评指正。附录附1 仿真电路总图附2元器件清单图示标号原件类别数值 数量C1 C2 C4 电容4.7，0.47，1.0uF1C3电容1000uF1C4 C6 C7 C8 C9电容0.1uF5Rb1电阻1M1Rb2 Re R2 R5 R6 R7 R8 R10 电阻1K8R3 R4滑动变阻器1K1R1电阻5.1K1Rb3电阻330K1R12 R13 R17 R18电阻16K4R14 R19电阻33K2R15 R20电阻20K2R16 R21电阻5502R9滑动变阻器100K2R11电阻6801Q1 Q2三极管原则2LED发光二极管2.5V不同颜色若干U1计数器译码器CD40171U3三端集成稳压器LM78121U4 U5运算放大器LM3582A 1 A2555定期器原则2V1交流电源220V/50HZ/01T1变压器NLT_PQ_4_201D1桥式整流器1B4B421导线若干