數(shù)電課程設(shè)計報告 音樂彩燈控制器

1、 電子技術(shù)課程設(shè)計題目名稱： 音樂彩燈控制器 設(shè)計任務(wù)和要求(1) 任務(wù)設(shè)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(shè)計實驗。(2) 要求 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。 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。 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。 摘 要隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展和夜市的興起，各種彩燈裝飾層出不窮，給城市的夜間帶來絢麗的色彩。夜間漫步于城市的每一個角落，觸目可及變幻莫測、搖曳生姿的各式彩燈，無一不誘惑著人們

2、好奇的雙眼。門面店鋪燈光裝潢大都采用時明時暗或部分循環(huán)點亮的流水模式，有新意的要屬那些旋轉(zhuǎn)上升變化的廣告裝飾燈。在公園里有樹狀的彩燈，它從底部開始亮起，然后快速沿枝干向上竄升，到達頂端后向各處散開，遠遠望去猶如仙女散花，煞是好看。有音樂的娛樂場所，比如說舞廳，酒吧間和咖啡廳的彩燈會隨著悠揚的音樂閃爍生輝，這些場所的燈光一般比較幽暗，更加顯得彩燈撲朔迷離、捉摸不定，一如可望而不可即的魑魅。而氣勢磅礴、規(guī)模宏大的當然是大型的節(jié)日彩燈，把許多組彩燈進行不同的組合，便得到花樣眾多的主題字型或代表喜慶吉祥的圖案。這些彩燈不僅增添了節(jié)日的氣氛，而且豐富了人們多姿多彩的生活。 本文介紹的彩燈控制器是一種組合

3、式彩燈控制電路。聲控彩燈是音樂聲響與彩燈燈光的相互組合，使音樂的旋律伴以亮度、顏色和圖案不斷變換的燈光，使人的視覺和聽覺結(jié)合在一起獲得綜合的藝術(shù)享受。本設(shè)計伴隨音樂的節(jié)奏、大小、音調(diào)而變化的彩燈控制器。使彩燈在藝術(shù)上有了很大的提高，本文的主要內(nèi)容有以下幾點：設(shè)計音樂信號放大電路；設(shè)計濾波電路，實現(xiàn)音樂的音調(diào)控制彩燈；555基本電路構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)實現(xiàn)音樂大小控制彩燈；555基本電路構(gòu)成多諧電路實現(xiàn)音樂節(jié)奏控制彩燈。 其次本文還詳細闡述了音樂彩燈控制器的結(jié)構(gòu)和功能，并對各組成部分的工作原理進行了比較詳細的分析，而且對各組成部分的附加元件的參數(shù)設(shè)定也做了較為嚴密的計算。 關(guān)鍵字：音樂的強弱 節(jié)奏 音調(diào)

4、彩燈控制器 整流濾波 高低通濾波 555基本電路 一方案設(shè)計(1) 設(shè)計思路根據(jù)課題要求，本控制器可分別用三部分電路實現(xiàn)。音樂的節(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(gòu)成節(jié)拍脈沖信號發(fā)生器（或稱時間順序控制器），使相應(yīng)的彩燈按節(jié)奏點亮和熄滅。為實現(xiàn)聲音信號強弱的控制，應(yīng)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。為實現(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

5、大驅(qū)動相應(yīng)的發(fā)光二極管點亮。(2) 控制器原理框圖 采用運算放大器或555定時器構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生矩形波信號作為計數(shù)器的時鐘脈沖。 計數(shù)器輸出經(jīng)譯碼器可得多路譯碼輸出信號，再通過驅(qū)動器使相應(yīng)的彩燈點亮。 采用動圈式話筒或者揚聲器，將聲響信號變成電信號輸出，并經(jīng)放大器將其放大。由于音頻信號的頻率高于發(fā)光元件的響應(yīng)頻率，為使發(fā)光元件有適當?shù)娘@示時間，可加入延時電路，減少發(fā)光元件閃爍現(xiàn)象。 人耳聽覺范圍的信號頻率在20Hz-20kHz，為簡單起見，可將音頻信號分成兩個不同頻段，分別用低、高通濾波器來區(qū)分這兩段頻率信號，然后經(jīng)驅(qū)動電路使音響放大器的設(shè)計?？刂破髟韴D具體方案的分塊實現(xiàn) .節(jié)奏控制彩燈

6、 1.1樂節(jié)奏控制彩燈的工作原理.音樂的節(jié)奏往往是由樂隊的鼓點來體現(xiàn)，實質(zhì)上是具有一定時間間隔的脈沖信號。我們的目標是 要彩燈按照節(jié)奏依次閃亮。因此，設(shè)計了一個多諧振蕩器，由音樂信號調(diào)諧，產(chǎn)生計數(shù)脈沖，使彩燈循環(huán)點亮的速率隨音樂的節(jié)奏而改變。有了節(jié)奏脈沖，還應(yīng)有相應(yīng)的計數(shù)器和譯碼器，這樣才能依次點亮彩燈。當綠色的LED點亮時，由于脈沖電流過大所以還需要限流電阻保護LED。由于在觸發(fā)節(jié)奏脈沖的電壓比輸出的音頻信號大，所以還需要一個音頻放大電路。電源與上電路公用一個。電路工作原理：音頻信號輸入后經(jīng)過放大電路放大后進入多諧振蕩調(diào)制其頻率，多諧振蕩產(chǎn)生出脈沖信號后送計數(shù)器計數(shù)后譯碼，再送入驅(qū)動電路驅(qū)動

7、綠色的LED彩燈閃亮。圖1-1節(jié)奏流程框圖實現(xiàn)1、音頻放大電路放大電路使用共集電極放大：工作電壓為12V，三極管為9014，9014的放大倍數(shù)在1001000 ,而b-e極電壓小于0.7V才能飽和導通，所以用1M的電阻使電壓適合于三極管的放大。由于9014承受的最大電流,。 2、無穩(wěn)態(tài)電路 圖1-2 無穩(wěn)態(tài)電路該電路工作電壓設(shè)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。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3腳輸出低電平時間（即放電周期）

8、: 振蕩周期： 振蕩頻率為： 輸出脈沖占空比： 根據(jù)以上公式可以求出、，由于電容在市場上的型號不多。所以就選相近的,。3 其他電路CD4017的供電的電壓為3V15V為了方便電源供電就選用12V作為供電電壓。LED的供電電壓為3V，電流為15mA，所以要串聯(lián)一個穩(wěn)壓電阻，由基爾霍夫定理得： U-U=U, 所以=600總電路實現(xiàn)三極管構(gòu)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)過限流電阻使綠色的LED發(fā)光。圖1-3節(jié)奏電路圖用BJT晶體管Q1組成音頻放大器，他將音頻信號加以放

9、大，然后通過電容C2，滑動變阻器R3加到ME555時基電路的5腳，對555構(gòu)成的振蕩器進行調(diào)制。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。使彩燈LED1LED10依次點亮。調(diào)節(jié)滑動變阻器，因改時基電路的振蕩頻率，故使彩燈LED1LED4的循環(huán)速率。音頻信號經(jīng)過放大、通過RP2加到A1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U1的振蕩頻率隨音樂的頻率而變化，所以LED1LED4的循環(huán)點亮的速率又隨音樂的節(jié)奏而改變。調(diào)節(jié)的阻

10、值，則可調(diào)節(jié)電路的靈敏度。 音樂的音量強弱，是原唱者的聲音的強弱起伏，它在音頻信號中表現(xiàn)為正弦波的波峰，所以在他達到波峰時說明他的音樂大。在波谷是他就小，所以就需要設(shè)計一個觸發(fā)電路，由聲音的強弱控制，根據(jù)要求使用了NE555時基電路中的單穩(wěn)態(tài)電路，觸發(fā)后驅(qū)動紅色的LED發(fā)光二極管發(fā)光。但由于音頻電壓過小，所以還要重新設(shè)計一個放大電路。圖2-1音樂的音樂強弱2.1樂的音量強弱控制彩燈的電路實現(xiàn).電源電路設(shè)計單穩(wěn)態(tài)電路的工作電壓在318V之間，選取12V電壓為電源電壓，所以設(shè)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

11、路元件使用。1電源電路結(jié)構(gòu)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2-2所示。圖2-2電源電路結(jié)構(gòu)圖穩(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(guān)型穩(wěn)壓電路。本電路主要采用集成三端穩(wěn)壓電路。圖2-3電源電路2.1.2 電源電路的參數(shù)計算（1）橋式整流二極管參數(shù)計算正向平均電流： 最大反向電壓： （2）濾波電容參數(shù)：取C2=1000F電容耐壓：取V,故電容參數(shù)為C:1000F/25V。通過穩(wěn)壓管7812后 穩(wěn)壓為

12、12V，提供給各個電路。由于555單穩(wěn)態(tài)電路是低電平觸發(fā)，所以設(shè)計時采用了反向放大，三極管起反向作用，放大電源由可得如圖2-5所示。圖2-5 放大電路VT（9014） b-e極承受的極限電壓在0.7V，最大電流為0.1A，所以根據(jù)基爾霍夫定理得： U-U=U U-IR=U 可得： =330KRP為調(diào)諧電阻，由于單穩(wěn)態(tài)電路的觸發(fā)電壓在Vdd/3左右，所以調(diào)整555的2腳電壓在Vdd/3 上下波動，這樣才能是單穩(wěn)態(tài)電路觸發(fā)，由于電阻可變放大倍數(shù)不用計算，VT(9014)的放大倍數(shù)在1001000之間足以使電壓達到單穩(wěn)態(tài)所需的Vdd/3 =4V。 圖：2-7放大電路仿真圖3單穩(wěn)態(tài)電路：圖2-7單穩(wěn)態(tài)

13、電路由于電容的容量和耐壓不好選，所以就先選電容為，設(shè)單穩(wěn)態(tài)的暫態(tài)時間為。根據(jù)公式： 得 所以取5k的計算由于的腳電壓為2V，LED的承受電流為30mA，取的最大取值為：=667 =680設(shè)計電源電路為了NE555提供穩(wěn)定的直流電源12V；設(shè)計NE555時基電路構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，經(jīng)過限流電阻，點亮電路用紅色LED發(fā)光二極管。圖2-8音樂的音量強弱的電路圖音頻輸入后，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、電容接成典型的但問他了工作模式，由于、的取值較小，所以暫態(tài)時間非常短，。限流電阻構(gòu)成保護電路，去驅(qū)動紅色的LED閃亮。音頻輸入時，經(jīng)VT反向放大，使時基電路2腳電平在 1/3

14、V上下波動。當電位不大于1/3V 時，時基電路置位，進入暫態(tài)，3腳輸出高電平，晶閘管導通，紅色的LED發(fā)光。由于暫態(tài)時間很短，很快又翻回穩(wěn)態(tài)，紅色的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。 3.調(diào)高低控制彩燈 音調(diào)高低控制彩燈的工作原理 音調(diào)主要由聲音的 HYPERLINK :/baike.baidu /view/30964.htm t _blank 頻率決定，同時也與聲音強度有關(guān)。對一定強度的純音，音調(diào)隨頻率的升降而升降；對一定頻率的純音、低

15、頻純音的音調(diào)隨聲強增加而下降，高頻純音的音調(diào)卻隨強度增加而上升，所以應(yīng)用濾波器濾出高頻、低頻，以方便驅(qū)動藍色LED彩燈發(fā)光。音調(diào)即是聲音中的高音和低音，我們?nèi)祟惸茏R別的聲音頻率2020,所以設(shè)置1以上為高音、以下則為低音，所以要一個高低音濾波器去驅(qū)動彩燈發(fā)光。放大電路就和上面電路公用，電源公用一個。音頻放大后經(jīng)高低通濾波，送限流電阻限流后使藍色LED彩燈發(fā)光.圖3-1音調(diào)電路結(jié)構(gòu)框圖電路設(shè)計3.2.1 高通/低通濾波電路 由運算放大器構(gòu)成的高通/低通濾波電路如圖3.2.1（a）所示，它由高通濾波器和低通濾波器兩部分組成。高通濾波器使低于特定截止頻率fc的所有頻率衰減，而讓高于fc的頻率通過；低

16、通濾波器則相反，它使高于特定截止頻率fc的所有頻率衰減，而讓低于fc的頻率通過。語言或音樂是頻率處于2020000Hz之間的聲振動，因此取高通/低通濾波器的截止頻率為fc=1kHz。此電路的高通濾波器是一個二階無限增益多路反饋有源RC濾波器。信號從反向端輸入，電容C31和R31電阻構(gòu)成一個分壓器。當Vo2的頻率低于fc時，C31的容抗很大，降壓大部分Vo2，R31上的電壓降很小，并且由于電路是跟隨器，所以VH也低；當Vo2的頻率增加到高于fc時，C31的容抗很小，使更多的Vo2降到R31上，因此VH變得較大。 設(shè)定高通濾波器的增益AV=1，品質(zhì)因數(shù)Q=0.707（為衰減系數(shù)），則高通濾波器的圖

17、3.2.1（a）高通/低通濾波電路 各特性參數(shù)為： AV = 根據(jù)fc=1kHz，取C31=C32F=C；由AV=1可得電容C33=C31/AVF； R31 = = Q（1+2AV）= = 3376kR32 =750 此電路的低通濾波器部分是一個二階無限增益多路反饋有源RC濾波器。電路接成一個電壓跟隨器，在反向輸入端的電阻R33和電容C34構(gòu)成一個分壓器。對于低于fc頻率的Vo2，電容的容抗很大，幾乎所有的Vo2都降到C34上，Vo2大，VL也大，對于這些較低頻率的輸入信號，級增益最大。如果Vo2的頻率增加到高于fc，電容器的容抗減小，大部分Vo2降到電阻上，結(jié)果，電容把較多的Vo2分流到地，

18、則Vo2小，VL也小。設(shè)定該低通濾波器的增益AV=1，品質(zhì)因數(shù)Q=0.707（為衰減系數(shù)），則低通濾波器的各特性參數(shù)為： AV= 根據(jù)fc=1kHz，取C34F=C，則C35=F； R35 = 計算可得： R35=8146 或 R35=3109 R33=R34=將R35=8.1k 和 R35=3.1k分別代入可得： R34=1563 或 R34=4085根據(jù)以上計算，我們?nèi)∑渲幸唤M數(shù)據(jù)，即：R35= R33， R34。高通/低通濾波電路將輸入信號Vo2分兩個頻段輸出，即高通濾波器讓頻率高于1kHz的輸入信號通過，再經(jīng)放大后驅(qū)動其中一部分彩燈發(fā)亮；而低通濾波器則讓低于1kHz輸入信號通過，經(jīng)放大

19、后驅(qū)動另一部分彩燈發(fā)亮。由此達到以高、低音控制彩燈的目的。 電腦作圖：高低通電路到此，整個彩燈控制器設(shè)計完畢，上述部分包括了彩燈控制器的各個功能對應(yīng)的電路，從圖中可具體了解到不同功能又怎樣的電路構(gòu)成從而得以實現(xiàn)。元件清單圖示標號元件類別參數(shù)數(shù)量T1變壓器NLTPQ4-10220/12V1R1電阻430K1R2 R6 R7滑動變阻器100K3R3電阻5K1R4電阻680K1R5電阻10K1R8 R9 R10電阻1K3R11 R16 R21電阻1K3R12 R14電阻32K4R17 R18電阻32K2R13 R19電阻168K2R15 R20電阻100K2C1電容1C2 C5 C6電容3C7 C8

20、 C9電容3C3電容1C4電容1C10電容1C11電容25V/1000uF1Q1三極管2N9101D9整流二極管1B4B424U1三端穩(wěn)壓78091U2 U3555定時器NE5552U4十進制計數(shù)譯碼CD40171U5運算放大器LM3581總的電路圖如下圖所示： 三設(shè)計收獲、體會和建議 課程設(shè)計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程.回顧起此次課程設(shè)計，至今我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實踐，在短短的一個星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的

21、知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識，比如說在此次課程設(shè)計中我基本上學會了Multisim仿真軟件的用法。通過這次數(shù)電課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做數(shù)電課程設(shè)計，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。 這次課程設(shè)計終于順利完成了，在設(shè)計中遇到了很多問題，最后在自己不懈的努力和同學的幫助下，終于迎刃而解。同時，在老師和同學的身上我學得到很多實用的知識。總體來說,這次實習我受益匪淺.在摸索該如何設(shè)計程序使之實現(xiàn)所需功能的過程中,特別有趣,培養(yǎng)了我的設(shè)計思維,增加了實際操作能力.在讓我體會到了設(shè)計的艱辛的同時,更讓我體會到成功的喜悅和快樂. 這次課程設(shè)計,雖然短暫但是讓我得到多方面的提高：1、提高了我們的邏輯思維能力，使我們在邏輯電路的分析與設(shè)計上有了