音樂(lè)彩燈控制器

PAGE 摘要：本課程設(shè)計(jì)任務(wù)是設(shè)計(jì)一種組合式彩燈控制電路，該電路由不同控制方法的彩燈所組成，采用不同顏色的發(fā)光二極管作課題。經(jīng)過(guò)我自己的初步設(shè)計(jì)及思考，我自己的思路是把隨音樂(lè)節(jié)奏和音律強(qiáng)弱控制彩燈電路設(shè)計(jì)成第一個(gè)電路圖，而按音調(diào)高低（信號(hào)頻率高低）控制彩燈這部分再單獨(dú)設(shè)計(jì)制作成一個(gè)電路圖，從而完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)。關(guān)鍵詞：帶通濾波器，放大及整流電路，光耦合驅(qū)動(dòng)電路，直流穩(wěn)壓電源，聲控電路，壓控振蕩器，控制電路，高靈敏度駐極體傳聲器。Abstract：

Thecoursedesigntaskistodesignamodularlightscontrolcircuit,thecircuitofdifferentcontrolmethods,consistingoflights,usingdifferentcolorsoflight-emittingdiodestothesubject.Afterthepreliminarydesignandmyownthinking,myownideawastorhythmandmelodywiththemusic,thestrengthofcontrolLanterncircuitdesignintothefirstcircuit,whilethetonelevel(highandlowfrequency)tocontrollightsindividuallydesignedthispartofthere-intoacircuit,thuscompletingthecurriculumdesigntask,

Keywords：

Band-passfilter,amplification,andrectificationcircuit,thelightcoupleddrivecircuits,DCpowersupplies,voicecircuits,voltagecontrolledoscillator,controlcircuitry,highsensitivityelectretmicrophone.

目錄一前言…………………71.1所用主要元器件……………..71.2設(shè)計(jì)意義…………...7二方案設(shè)計(jì)原理………8三電路設(shè)計(jì)與分析……………………..93.1PROTEL軟件學(xué)習(xí)93.2音樂(lè)彩燈控制電路…………10四系統(tǒng)原理圖的繪制………….…….144.1單元電路設(shè)計(jì)及電路圖144.2仿真原理圖及分析18六參考文獻(xiàn)……………..……………..21一、前言：本聲控音樂(lè)彩燈是音樂(lè)聲響與彩燈燈光的相互組合，使音樂(lè)的旋律伴以亮度、顏色和圖案不斷變換的燈光，使人的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)結(jié)合在一起獲得綜合的藝術(shù)享受。本設(shè)計(jì)任務(wù)利用PROTEL軟件設(shè)計(jì)一個(gè)音樂(lè)彩燈燈光控制電路，這個(gè)課程題目我利用兩個(gè)電路圖實(shí)現(xiàn)：①在設(shè)計(jì)音樂(lè)節(jié)奏和音率強(qiáng)弱控制彩燈部分，該聲控電路由電源電路、聲控電路、壓控振蕩器和控制電路組成原理圖;②在按音調(diào)高低（信號(hào)頻率高低）控制彩燈部分，把輸入的音樂(lè)信號(hào)分為高，中，低三個(gè)頻段，分別控制三種顏色的彩燈，并讓它們分別通過(guò)三個(gè)帶通濾波器通道，得到了放大的音樂(lè)信號(hào)，再通過(guò)一個(gè)放大及整流電路，得到一個(gè)直流信號(hào)，最后利用一個(gè)光耦合電路，實(shí)現(xiàn)音樂(lè)對(duì)燈光的調(diào)節(jié)。1.1所用主要元?dú)饧盒⌒碗娢黄鳎?N4742型硅穩(wěn)壓二極管，BT31型單結(jié)晶體管，TP4520型二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，帶通濾波器，放大及整流電路，光耦合驅(qū)動(dòng)電路，直流穩(wěn)壓電源，聲控電路，壓控振蕩器，控制電路，高靈敏度駐極體傳聲器，S9014型NPN晶體管，S9015型硅PNP晶體管等。1.2設(shè)計(jì)意義：針對(duì)電子線路課程要求，對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)用型電子線路設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試等各環(huán)節(jié)綜合性訓(xùn)練，陪養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用課程中所學(xué)的理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，獨(dú)立的解決實(shí)際問(wèn)題的能力。綜合運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)，掌握一般電子線路分析和設(shè)計(jì)的基本方法和步驟，培養(yǎng)一定的獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力；實(shí)踐利用EDA軟件繪制電子線路原理圖、PCB圖；學(xué)會(huì)說(shuō)明書(shū)的規(guī)范整理和書(shū)寫(xiě)。學(xué)生必須獨(dú)立完成一個(gè)選題的設(shè)計(jì)任務(wù)。通過(guò)本課程設(shè)計(jì),主要訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)過(guò)的電路、低頻、數(shù)字、高頻等課程的相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)實(shí)用的電子電路方面的實(shí)際電路，包括：查閱資料、合理性的設(shè)計(jì)、分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，電路設(shè)計(jì)工具PROTEL的學(xué)習(xí)與應(yīng)用，應(yīng)用計(jì)算機(jī)的能力，用簡(jiǎn)潔的文字,清晰的圖表來(lái)表達(dá)自己設(shè)計(jì)思想的能力。二、方案設(shè)計(jì)原理：（1）通過(guò)查閱資料，根據(jù)課題要求,本控制器可分別用三部分電路實(shí)現(xiàn)。①音樂(lè)的節(jié)奏往往由樂(lè)隊(duì)的鼓點(diǎn)來(lái)體現(xiàn),實(shí)質(zhì)上它是具有一定時(shí)間間隔的節(jié)拍脈沖信號(hào)。因此,可采用計(jì)數(shù)、譯碼驅(qū)動(dòng)構(gòu)成節(jié)拍脈沖信號(hào)發(fā)生器（或稱(chēng)時(shí)間順序控制器），使相應(yīng)的彩燈按節(jié)奏點(diǎn)亮和熄滅。②為實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)強(qiáng)弱的控制，應(yīng)該將聲音信號(hào)變成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、整流濾波，以信號(hào)的平均值驅(qū)動(dòng)彩燈發(fā)亮。信號(hào)強(qiáng)，則燈的亮度大，且點(diǎn)亮燈的數(shù)目增多。③為實(shí)現(xiàn)高、低音（不同頻率信號(hào)）對(duì)彩燈的控制，采用高、低通有源濾波器電路。低通濾波器限制高音頻信號(hào)通過(guò)，而高通濾波器限制低音頻信號(hào)通過(guò)，分頻段輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的發(fā)光二極管點(diǎn)亮。（2）控制器原理圖圖2.1音樂(lè)彩燈控制器原理圖①采用運(yùn)算放大器或555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器,產(chǎn)生矩形波信號(hào)作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖.②計(jì)數(shù)器輸出經(jīng)譯碼器可得多路譯碼輸出信號(hào),再通過(guò)驅(qū)動(dòng)器使相應(yīng)的彩燈點(diǎn)亮。③采用動(dòng)圈式話筒或者揚(yáng)聲器,將聲響信號(hào)變成電信號(hào)輸出,并經(jīng)放大器將其放大。由于音頻信號(hào)的頻率高于發(fā)光元件的響應(yīng)頻率，為使發(fā)光有適當(dāng)?shù)娘@示時(shí)間，可加入延時(shí)電路，減少發(fā)光元件閃爍現(xiàn)象。以上是我從參考資料上查到的設(shè)計(jì)思路，此思路是比較合理的。但是經(jīng)過(guò)我自己的初步設(shè)計(jì)及思考，我自己的思路是把隨音樂(lè)節(jié)奏和音律強(qiáng)弱控制彩燈電路設(shè)計(jì)成第一個(gè)電路圖，而按音調(diào)高低（信號(hào)頻率高低）控制彩燈這部分再單獨(dú)設(shè)計(jì)制作成一個(gè)電路圖，從而完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)，以下是我的具體設(shè)計(jì)分析內(nèi)容，請(qǐng)老師評(píng)閱。三、電路設(shè)計(jì)與分析：3.1PROTEL軟件學(xué)習(xí)：1、首先建立一個(gè)專(zhuān)用文件夾，用以集中存放相關(guān)電路設(shè)計(jì)文件，便于管理；2、當(dāng)直接雙擊“PROTEL99SE”圖標(biāo)后，進(jìn)入第一層“DesignExplorer”設(shè)計(jì)管理器窗口；3、在這個(gè)窗口中，可對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)建立等操作，首先要建立一個(gè)新的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。點(diǎn)擊File/New命令出現(xiàn)建立新的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)路徑對(duì)話框；4、建立設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)后，就要建立需要的各種電路設(shè)計(jì)文件。在進(jìn)入一個(gè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)后，執(zhí)行File/New命令后彈出新文檔對(duì)話框，選擇要增加文件類(lèi)型后單擊OK，新建電路設(shè)計(jì)文件及添加到了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中。5、文件的操作。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理窗口中，在選擇電路設(shè)計(jì)文件上單擊右鍵后，彈出快捷菜單，可對(duì)其文件進(jìn)行操作。6、當(dāng)建立電路文件后可對(duì)其進(jìn)行電路設(shè)計(jì)（編輯）工作，即雙擊電路原理圖文件就進(jìn)入了電路原理圖編輯窗口；7、放置元件。在電路原理圖編輯窗口放置電子元件。首先要裝入需要的數(shù)據(jù)元件庫(kù)，操作方法：?jiǎn)螕粼O(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理窗口中的BrowseSch中的Libraris命令進(jìn)入元件庫(kù)和元件管理器，然后單擊Add/Remove按鈕，選擇\DesignExplorer99SE\Library\Sch路徑，再選擇所用的元件庫(kù)文件，單擊Add按鈕增加到元件庫(kù)管理器，單擊OK，就可以看到選擇的元件庫(kù)已裝到元件庫(kù)管理器窗口中。8、當(dāng)元件管理器裝入元件庫(kù)后就可以放置元件，在元件瀏覽區(qū)中，用鼠標(biāo)左鍵單擊要放置的元件，然后單擊元件瀏覽區(qū)中的Place按鈕，鼠標(biāo)上便附加了光標(biāo)和浮動(dòng)的被選中元件。把光標(biāo)移動(dòng)到要放置的位置后，單擊左鍵，這個(gè)元件就放置好了。在放置元件的過(guò)程如要轉(zhuǎn)動(dòng)元件方向，按一次空格鍵元件就逆時(shí)針轉(zhuǎn)90°。9、布線。選擇所需要的連線工具將電路連接起來(lái)。10、編輯元件的屬性（元件名、封裝、參數(shù)等），鼠標(biāo)左鍵雙擊要編輯元件，就彈出選中元件屬性設(shè)置對(duì)話窗口，根據(jù)需要對(duì)元件屬性進(jìn)行設(shè)置。11、電器規(guī)則檢查，主要是檢查元件之間的相互連接。單擊菜單Tool/ERC,啟動(dòng)電氣規(guī)則檢查設(shè)置對(duì)話框窗口，單擊OK按鈕就開(kāi)始進(jìn)行檢查。12、元件報(bào)告表的產(chǎn)生，點(diǎn)擊菜單Report/BillofMaterial，啟動(dòng)元件生成表，點(diǎn)擊Next系統(tǒng)將生成元件報(bào)告表文件。13、生成網(wǎng)絡(luò)表。啟動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)表菜單Design/CreateNetlist后出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)表設(shè)置對(duì)話框窗口，設(shè)置好后點(diǎn)擊OK，即生成網(wǎng)絡(luò)表格文件。3.2音樂(lè)彩燈控制電路（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計(jì)要求等）：3.2.1隨著音樂(lè)節(jié)奏及音律強(qiáng)弱不斷地變換燈光色彩的電路工作原理：（1）該聲控變色彩燈電路由電源電路、聲控電路、壓控振蕩器和控制電路組成，原理圖如下頁(yè)示：圖3.1聲控變色彩燈電路原理圖該聲控變色彩燈電路的電源電路由降壓電容器，限流電阻器，穩(wěn)壓二極管，整流電路和濾波電容器組成。①聲控電路由傳聲器，電阻器，電容器和晶體管組成。②壓控振蕩器由晶體管，單結(jié)晶體管，可變電阻器，電阻器和電容器組成。③控制電路由電阻器，電容器，同步加法計(jì)數(shù)器集成電路，晶體管，晶閘管組成。④交流220V電壓經(jīng)C1降壓，VS穩(wěn)壓，VD整流及C2濾波后，為聲控電路，壓控振蕩器和控制電路提供12V左右的直流電壓。⑤BM將聲音（音樂(lè)聲）信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)V1放大后送入壓控振蕩器，使其振蕩工作（V1輸出的電信號(hào)使V2的工作電流發(fā)生變化，C5的充電時(shí)間也隨之變化，VU輸出的脈沖頻率也隨著音樂(lè)聲的節(jié)奏及強(qiáng)弱同步變化）,為IC的1腳（CP端）提供計(jì)數(shù)脈沖。IC在計(jì)數(shù)脈沖的作用下，其Q1~Q3輸出端輸出變化的控制信號(hào)，通過(guò)控制V3~V5和VT1~VT3的導(dǎo)通與截止，來(lái)控制3路彩燈（HL1,HL2,HL3）的亮與滅，產(chǎn)生合成燈光效果。（2）具體工作原理：①當(dāng)IC的1腳輸入第1個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，IC的Q1端輸出高電平，Q2端和Q3端輸出低電平，V3和VT1導(dǎo)通，V4，V5和VT2,VT3截止，第一路彩燈HL1點(diǎn)亮，第2路彩燈HL2和第3路彩燈HL3不亮，變色彩燈發(fā)紅色光。②當(dāng)IC的1腳輸入第2個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，IC的Q1端和Q3端輸出低電平，Q2端輸出高電平，V4和VT2導(dǎo)通，V3，V5和VT1,VT3截止，HL1和HL3不亮，HL2點(diǎn)亮，變色彩燈發(fā)綠色光。③當(dāng)IC得1腳輸入第3個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，IC的Q1端和Q2端輸出高電平，Q3端輸出低電平，V5和VT3截止，V3，V4和VT1，VT2導(dǎo)通，HL1和HL2點(diǎn)亮，HL3不亮，變色彩燈發(fā)黃色光。④當(dāng)IC得1腳輸入第4個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，IC的Q3端輸出高電平，Q1端和Q2端輸出低電平，V5和VT3導(dǎo)通，V3，V4和VT1,VT2均截止，HL1和HL2不亮，HL3點(diǎn)亮，變色彩燈發(fā)藍(lán)色光。⑤當(dāng)IC得1腳輸入第5個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，IC的Q1端和Q3輸出高電平，Q2端輸出低電平，V4和VT2截止，V3，V5和VT1,VT3均導(dǎo)通，HL1和HL3點(diǎn)亮，HL2不亮，變色彩燈發(fā)紫色光。⑥當(dāng)IC得1腳輸入第6個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，IC的Q1端輸出低電平，Q2端和Q3端輸出高電平，使V3和VT1截止，V4，V5和VT2,VT3導(dǎo)通，HL1不亮，HL2和HL3點(diǎn)亮，變色彩燈發(fā)青色光。⑦當(dāng)IC得1腳輸入第7個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，IC的Q1~Q3端均輸出高電平，使V3~V5和VT1~VT3均導(dǎo)通，HL1~HL3均點(diǎn)亮，變色彩燈發(fā)白色光。⑧當(dāng)IC得1腳輸入第8個(gè)計(jì)數(shù)脈沖時(shí)，IC的Q1~Q3端均輸出低電平，使V3~V5和VT1~VT3均截止，HL1~HL3均熄滅，變色彩燈不發(fā)光。⑨當(dāng)IC得1腳輸入第9個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，IC的Q1端又輸出高電平，Q2端和Q3端輸出低電平，V3和VT1導(dǎo)通，V4，V5和VT2,VT3截止，第一路彩燈HL1點(diǎn)亮，第2路彩燈HL2和第3路彩燈HL3不亮，變色彩燈發(fā)紅色光。以上工作周而復(fù)始，使變色彩燈有規(guī)律地變換發(fā)光色彩。調(diào)節(jié)RP的阻值，可改變變色彩燈發(fā)光色彩的變換速度。3.2.2隨音樂(lè)彩燈音調(diào)高低（信號(hào)頻率高低）控制彩燈部分：（1）把輸入的音樂(lè)信號(hào)分為高，中，低三個(gè)頻段，分別控制三種顏色的彩燈，并讓它們分別通過(guò)三個(gè)帶通濾波器通道，得到了放大的音樂(lè)信號(hào)，再通過(guò)一個(gè)放大及整流電路，得到一個(gè)直流信號(hào)，最后利用一個(gè)光耦合電路，實(shí)現(xiàn)音樂(lè)對(duì)燈光的調(diào)節(jié)。技術(shù)指標(biāo)：音樂(lè)信號(hào)分為三個(gè)頻段，分別控制紅、綠、藍(lán)三種顏色的彩燈。高頻段控制藍(lán)燈。中頻段控制綠燈。低頻段控制紅燈。每組彩燈的亮度隨各路輸入信號(hào)的大小分八個(gè)等級(jí)。輸入信號(hào)最大時(shí)，彩燈最亮。規(guī)定輸入音樂(lè)信號(hào)大于10mV。(2)設(shè)計(jì)方案:通過(guò)查閱資料及請(qǐng)教老師，根據(jù)要求設(shè)計(jì)方案如下：選取大于10mV的音樂(lè)信號(hào)，讓其通過(guò)三個(gè)不同頻段的帶通濾波器，得到了放大的音樂(lè)信號(hào)，將這個(gè)放大的信號(hào)通過(guò)放大及整流電路，再通過(guò)光耦合驅(qū)動(dòng)電路，使信號(hào)到達(dá)輸出端后輪流輸出不同電平，使得彩燈的亮暗不同，實(shí)現(xiàn)了音樂(lè)對(duì)燈光的調(diào)節(jié)。系統(tǒng)框圖如下：高頻段通道高頻段通道中頻段通道低頻段通道放大器放大器放大器整流整流整流耦合驅(qū)動(dòng)器耦合驅(qū)動(dòng)器耦合驅(qū)動(dòng)器音樂(lè)信號(hào)雙向晶閘管藍(lán)燈雙向晶閘管雙向晶閘管綠燈紅燈圖3.2音樂(lè)彩燈音調(diào)高低控制電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖四、系統(tǒng)原理圖的繪制4.1單元電路設(shè)計(jì)及電路原理圖：（1）帶通濾波器：帶通濾波器由有源低通和高通濾波器組成其上下截止頻率可分別調(diào)整。音樂(lè)通道的參考原理圖如下：圖4.1帶通濾波器原理圖圖中1A,2A分別為低通和高通濾波器，二者串聯(lián)構(gòu)成帶通濾波器，其上限截止頻率取決于低通濾波器，下限截止頻率取決于高通濾波器。上下限截止頻率可由式子（4.1.1），（4.1.2） 決定。Fh=1/2×3.1415RC(4.1.1)Fl=1/2×3.1415R′C′(4.1.2)根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中給定的截止頻率，只要給出合理電容C，C′的值，即可求得電阻R，R′的值。這樣根據(jù)課題中的要求就得到了音樂(lè)信號(hào)的三個(gè)通道。圖中低通濾波器和高通濾波器的增益可分別由式子（4.2.1），（4.2.2）決定。Ah=1+Rf/R1 (4.2.1)Al=1+Rf′/R1′(4.2.2)這樣就得到了整個(gè)帶通濾波器對(duì)音樂(lè)信號(hào)的放大增益。（2）放大整流電路：3A,4A,D1,D2組成的放大整流電路如下：圖4.2放大及整流電路圖3A,4A可對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)放大功能，D1,D2為整流二極管整流。當(dāng)3A的同相輸入端輸入信號(hào)為正半周時(shí)D1導(dǎo)通并通過(guò)R2形成強(qiáng)的負(fù)反饋，使3A工作在電壓跟隨狀態(tài)，其輸出為正。4A的同相輸入端通過(guò)R4接地，D2因反向而截止，4A工作在電壓跟隨狀態(tài)，其輸出為零。當(dāng)3A的同相輸入端輸入負(fù)半周時(shí)，D1截止，D2導(dǎo)通，并通過(guò)R3與4A串聯(lián)組成兩及極電壓跟隨器，使4A為負(fù)半周波形。由于運(yùn)用了理想運(yùn)放的輸入端虛斷，虛短和開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)無(wú)限大的理論，時(shí)整流輸出電壓克服了二極死區(qū)電壓的影響即使輸入電壓的幅度小于0.7V，只要不為零，該電路就可以進(jìn)行整流。音樂(lè)信號(hào)經(jīng)整流后就會(huì)在RP上形成于音樂(lè)信號(hào)的幅度成正比的直流電壓。途中 C1為濾波電容，以減小輸出波形的脈動(dòng)。以選用管壓降小。工作頻率高的鍺管為宜，如2AP9.R2,R3的作用主要是在輸入正半波時(shí)，限制通過(guò)D1流入4A輸出端的電流，這兩個(gè)電阻的阻值應(yīng)該在10kohm 以上。D1和C2組成濾波電路，以減小整流電路的紋波電壓，選