1、题目：音乐彩灯控制器设计 班级：10 机电材成 2 班 学号：2010103402xxx 姓名：李 指导：江老师 时间：06,1706,24 景德镇陶瓷学院2电工电子技术课程设计任务书姓名： 班级：10 材成（2）班 指导老师：江老师 设计课题：音乐彩灯控制器设计设计任务与要求设计一个（感兴趣的电工电子技术应用）电路，要求电子元件超过 3050个或以上，根据应用电路的功能，确定封面上的题目，然后完成以下任务：1、分析电路由几个部分组成，并用方框图对它进行整体描述；2、对电路的每个部分分别进行单独说明，画出对应的单元电路，分析电路原理、元件参数、所起的作用、以及与其他部分电路的关系等等；3、用简
2、单的电路图绘图软件绘出整体电路图，在电路图中加上自己的班级名称、学号、姓名等信息；4、对整体电路原理进行完整功能描述；5、列出标准的元件清单。设计步骤1、查阅相关资料，开始撰写设计说明书；2、先给出总体方案并对工作原理进行大致的说明；3、依次对各部分分别给出单元电路，并进行相应的原理、参数分析计算、功能以及与其他部分电路的关系等等说明；4、列出标准的元件清单；5、总体电路的绘制及总体电路原理相关说明；6、列出设计中所涉及的所有参考文献资料。参考文献【1】秦曾煌；电工学简明教程；高等教育出版社；2007.6【2】王澄非；电路与数字逻辑设计实践；东南大学出版社；1999.10【3】李银华；电子线路
3、设计指导；北京航空航天大学出版社；2005.6【4】韩振振；数字电路逻辑设计；大连理工大学出版社；2000.1【5】高吉祥；电子技术基础实验与课程设计；电子工业出版社；2002.2【6】康光华；电子技术基础（第五版） ；北京：高等教育出版社；2006【7】朱红永 陈勇 王博；555 定时器构成的报警电路设计；海军蚌埠士官学校基础部,安徽蚌埠 233012 ； 2009 年增刊【8】李健； 555 定时器及其应用；沈阳师范大学物理科学与技术学院 辽宁 沈阳 110000【9】黄晓春；555 定时器原理及应用；湖北省英山理工中专【10】陈辉； 555 定时器在定时控制电路中的应用研究； 西北师范大
4、学物理与电子工程学院 甘肃 兰州 730070【11】杨宇 赵玉霞 徐刚 ；555 定时器功能及应用的探讨；陆军航空兵学院信息技术教研室， 北京 101123 ；2007.53目录1 前言51.1 技术指标51.2 要求完成的任务52 设计任务分析53 系统设计方案74 单元电路分析与设计744.1 同步脉冲发生器和阶梯波发生器的工作原理和设计74.2 带通滤波器的工作原理和设计104.3 精密整流器的工作原理和设计114.4 电压比较器和同步脉冲控制电路114.5 10mV 音乐信号鉴别器的原理与设计125 系统原理电路及印刷电路的绘制135.1 系统原理电路136 心得与体会15参考文献5
5、16附录171 引言音乐彩灯控制器是用音乐信号控制多组颜色的灯泡，利用其亮度变化反映音乐信号。是一种将听信号转换为视信号的装置，随着音乐节奏的起伏彩灯的亮度有节奏得变换来调节听众欣赏音乐时的情绪和气氛。1.1 技术指标要求电路把输入的音乐信号分为高、中、低三个频段，并分别控制三种颜色的彩灯。每组彩灯的亮度随各自输入音乐信号的大小分八个等级。输入信号最大时，彩灯最亮。当输入音乐信号的幅度小于 10mV 时，要求彩灯全亮。（1）高频段 2000Hz 一 4000Hz 控制蓝灯（2）中频段 500Hz 一 1200Hz 控制绿灯（3）低频段 50Hz 一 250Hz 控制红灯（4）电源电压交流 22
6、0V，输入音乐信号10mV。1.2 要求完成的任务（1）计算参数，安装、调试电路。（2）画出总电路图，写出设计总结报告。2 设计任务分析图 1 是一个双向可控硅控制灯泡亮度电路，图 2 为控制波形图。如果输入交流 220V 正弦波电压过零点时在双向可控硅的控制极和阴极之间连续加入幅度大于 3V，宽度大于 1ms 的同步触发脉冲，可控硅就可连续导通，忽略可控硅导通压降，正弦波电压将全部加到灯泡上，灯泡最亮。如果触发脉冲消失，可控硅就会在输入正弦波电压下一个过零点时自然截止，灯泡熄灭。可以设想，把6同步触发脉冲每八个分为一组，利用音乐信号的大小控制每组脉冲出现的个数，就可以控制加在灯泡正弦波半波的
7、个数，从而也就控制了灯泡的亮度。把音乐信号分成三个频率段可用带通滤波器去实现。组成带通滤波器电路的形式很多，其中最简单的并且上、下限截止频率分别可调的是由低、高通滤波电路串联而成的带通滤波器。这种电路的缺点是所用元件较多，优点是调整方便，很容易实现指标要求。图 1 双向可控硅控制灯泡亮度电路7图 2 控制波形图通过带通滤波器选出所需要的频率段的音乐信号，经过精密整流器变为直流，其直流电平随音乐信号大小而上下浮动。此电平作为参考电压加在电压比较器的一个输入端，由同步触发脉冲作为计数信号的数模转换器，输出阶梯波作为比较电压加在电压比较器的另一个输入端，使电压比较器的输出电压高电平的时间与参考电压成
8、正比，并控制与门打开时间，以决定放过同步脉冲的个数去触发可控硅，从而控制灯泡的亮度。3 系统设计方案图 3 音乐彩灯控制器方框图由上述分析可知，音乐彩灯控制器大致由下面几个部分组成：同步脉冲发生器，阶梯波发生器，带通滤波器和放大器，精密整流器，电压比较器，与门和双向可控硅执行机构等组成。方框图如图 132 所示。4 单元电路分析与设计从图 3 方框图可以看出，除三个频率通道滤波器外，其他部分都相同。下8面就一个频率通道电路，简述它们的电路组成工作原理和设计方法。4.1 同步脉冲发生器和阶梯波发生器的工作原理和设计同步脉冲和阶梯波产生电路如图 4 所示。变压器副边输出交流 10V 电压经D1D4
9、二极管组成的全波整流电路和滤波电容 C1、C 2，得到12V 直流电压，作为各运算放大器的电源。+12V 经集成稳压电路 W7805 稳压后得到十 5V 电压，供电乎转移电路和各 TTL 数字集成电路使用。图 4 同步脉冲和阶梯波产生电路D5是隔离二极管。C 1输出电压的平均值为十 l 2V，当 uA全波整流电压低于12V 时，D 5因反偏而截止，当 uA电压波形高于 12V 时，D 5导通被限幅，所以 uA电压波形是被削顶的近似全波整流波形。u A、u B 、u C、u D、u E各点电压波形如图 5 所示。A1、R 3、R 4组成滞回电压比较器。二极管 D6的正向导通电压 UR作为比较器的
10、参考电压，R 5是 D6的限流电阻。由电路参数可算出比较器的阈值电压 UTH。设 D6导通电压 UR=0.7V，运算放大器的正，负饱和输出电压 Uc=10V,则有公式 19Uc=10v 代入上式可得公式 2图 5 uA uB uC uD uE电压波形图可见阈值电压 UTH 只与 R3和 R4的比值有关。因为比较器的输入电压 uB由全波整流电压经分压电阻得到，其值都为正值，为保证比较器可靠翻转，所以必须满足 UTH0 这个条件，由此得到公式 3如设定 R3和 R4的比值和其中一个电阻值，另外一个电阻值很容易算出，并得到公式 4公式 5代入已设定的 R3R 4的值，U TH1和 UTH2即可算出1
11、0为使可控硅可靠触发，同步触发脉冲宽度不应小于 1ms。由图 134 可知脉冲宽度 TW=t 1+t 2，按照正弦波变化规律，可以列出 UTH1和 UTH2的表达式，其中，U m为变压器副边输出正弦波峰值电压。如设定 R1和 R2的比值并把已算出的 UTH1和 UTH2代入以上二式，可算出t 1和t 2，如发现 TW=t 1+t 2小于1ms，重新设定 R1和 R 2的比值再计算直至 TW1ms 为止。公式 6公式 7图 133 中 CC40163 四位二进制计数器和运算放大器 A2组成了阶梯波发生器。用反馈归零法使 CC40163 构成八进制计数器。R 7、R 8、R 9、R 10为权电阻，
12、如使 R78R 11,R8=4R11，R 9=2R11,R10=R11，就可以使 A2的输出 uF为八个台阶的阶梯波电压，如设计数器 Q 端输出高电平为 5V，低电平为 0V，那么每个台阶的高度为 580625V，为了减轻 CC40163 的负载 R11的选择不应小于 l0k。因为计数器用同步触发脉冲作计数脉冲，所以每个台阶的宽度为 l0ms。4.2 带通滤波器的工作原理和设计11图 6 音乐通道电路原理图音乐通道电路结构如图 6 所示。A 3和 A4分别为低通和高通滤波器。只要这两种滤波器相串联并且使通频带相重叠，就可组成带通滤波器，其上限截止频率取决于低通滤波,其下限截止频率取决于高通滤波
13、器。如果选 R12R 13、C 7C 8、R 16R 17、C 9C 10，其上、下限截止频率分别由下式决定公式 8fH和 fL是技术指标给定的已知量，如设定 C7和 C9的值，运用上两式可以很方便地求出 R12和 R16的值。为了避免自激振荡，R 14R 15和 R18R l9，的比值应小于 2。43 精密整流器的工作原理和设计在图 6 中，A 5、A 6组成半波精密整流电路。D 8、D 9为整流二极管。当 A5的同相输入端输入信号为正半波时，D 8导通并通过 R20形成强的负反馈，A 5工作在电压跟随状态，其输出为正。A 6的同相输入端通过 R22接地，D 9因反偏而截止，A6同样工作在电
14、压跟随状态，其输出为零。当 A5的同相输入端输入负半波时，D8截止，D 9导通，并通过 R21与 A6串联组成两级电压跟随器使 A6输出为负半波波形，由于运用了理想运放输入端虚断、虚短和开环电压放大倍数无穷大的概念，使整流输出电压克服了二极管死区电压的影响，即使输入电压的幅度小于07V，只要大于 0V，该整流器也可以进行精密整流。音乐信号被整流后，就会在 RW上形成与音乐信号的幅度成正比的负的直流电压。C 11是滤波电容，以减小输出波形的脉动。D8、D 9以选用管压降小的锗管为宜。R 20和 R21的作用主要是在输入正半波时，限制通过 D8流入 A6输出端的电流，因此 R20和 R21的电阻值
15、应选在 l0k 以上。C11和 R22起平滑作用以减小输出波形的脉动，但还必须保证输出电压能跟12随输入音乐信号的变化，所以 C11和 R22的乘积不能太大。它们的数值可以在调试中确定。44 电压比较器和同步脉冲控制电路在图 6 中，A 7和 T2组成电压比较器和同步触发脉冲控制电路。由 A6输出反映音乐信号大小的负直流电压的变化要比阶梯波的变化缓慢，因此可把 uG看成比较器的参考电压。阶梯波 uF作为被比较电压，当|u F|u G|时，A 7输出低电平，T 2饱和导通，其集电极输出为高电平，与门打开，同步触发脉冲 uE通过与门，由射极跟随器输出 uH去触发可控硅。当阶梯波的变化为|u F|u
16、G|时，A 7输出高电平，T 2截止，其集电极输出为低电平，与门被封锁，同步触发脉冲通不过，可控硅截止。图 7 uH uO uT uG uF电压波形图由此可见，|u G|的大小决定了 A 7输出低电平的时间，同时也决定了通过与13门同步触发脉冲的个数及彩灯的亮度。u F、u G、u T、u H的波形对应关系如图 7所示。R 23和 R26分别为 T2和 T3的基极偏流电阻和 A7和与门输出端的限流电阻，它们的阻值选择关系到电路能否正常工作。R 25在 T2截止时是与门的接地电阻，要保证相应的与门的输入端为低电平，R 25应小于与门的开门电阻 RON。45 10mV 音乐信号鉴别器的原理与设计技
17、术指标要求，输入音乐信号小于 10mV 时。彩灯全亮。当输入音乐信号大于 10mV 时彩灯亮度随输入音乐信号的大小分为八个等级。为实现此项要求，电路中必须设有 10mV 音乐信号鉴别电路，如图 137 所示。在图 8 中，A 8为电压放大器，A 9是电压比较器。音乐信号通过耦合电容经A8放大后由 R31和 D10进行半波整流。当整流输出负电压的值高于 A9反相输入端闭值电压0.7V 时，A 9输出 uL为高电平，此时 T4饱和导通，并通过 R28给 T 2提供偏流，T 2也饱和导通，其集电极输出高电平，与门打开，同步触发脉冲连续通过与门，彩灯全亮。当输入信号高于 10mV 时，u L为低电平，
18、T 4截止,A 7输出低电乎的时间受音乐信号强弱的控制，使彩灯的亮度随输入音乐信号的大小而变化。由以上分析可知，合理选择 R30和 R29的比值，是设计 10mV 鉴别电路的关键。A9 的阈值电压为0.7V，要使输入音乐信号在 10mV 以上时 A9翻转输出 uL为低电平，A 8的电压放大倍数必须大于 70。图 8 10mv 音乐信号鉴别电路原理图5 系统原理电路分析51 系统原理电路14假设电路选择的是中频段，利用 PROTEL 软件绘制的原理电路如下图所示，在同步脉冲和阶梯波产生电路的设计中,没有使用模块电路中的电源电路,因为在 PROTEL 软件中有备用的12V 和5V 的直流电源。如图
19、所示，系统原理电路由同步脉冲发生器、阶梯波发生器、带通滤波器和放大器、精密整流器、电压比较器、与门和双向可控硅执行机构等组成。152 314 11A1A *5674 11A3B *9 1084 11A4C *1413 124 11A5D *2 314 11A6A *5674 11A7B *9 1084 11A8C *1413 124 11A9D *R1 10K R2 10KR3 10KR4 200KR5 2.7KR6 10KR7 80KR8 40KR9 20KR10 10KR11 10KR12 13KR13 13KR1410K R15 10KR16 33KR17 33KR18 10K R19
20、10KR20 10KR21 10KR22 20KR23 25KR24 10KR25 0.68KR26 10KR27 2KR28 10KR29 5KR30 360KR31 10KR32 2.2KR33 10KC7 0.01uFC8 0.01uFC9 0.01uFC10 0.01uFC11 10uFC12 10uFC13 0.01uFQ1 TRIACD6 1N34D7 1N34D8 1N34D9 1N34D10 1N34D11 1N343 214 11A2AT1 2N930T3 2N930T4 2N930T2 2N29041 23U1A 74F00Rw POT21 23U2A 74F08DS1 L
21、AMPP03 P14 O-0 14P25 O-1 13P36 O-2 12O-3 11CET10CEP7 CP2 TC 15PE9 SR1A0 40162121312 U3A74F10-12V+5V+5V+12V+5V+12V+5V+12V+12V+12V+12V+12V+12V+12V+12V+12V-12V-12V-12V-12V-12V-12V-12V-12V-12VINPUT图 9 系统原理电路图16参 考 文 献1 杨自厚.自动控制原理M.北京:冶金工业出版社,1998.2 黄继昌. 检测专用集成电路及其应用M. 北京：人民邮电出版社，2006-10.3 徐凤霞，赵成安AT89C51
22、 单片机温度控制系统J齐齐哈尔大学学报，2004-03，20（1):64-664 王锦标,方崇智. 过程计算机控制M.北京：清华大学出版社，1997.5 邵惠鹤. 工控制原理M.北京：国防工业出版社，2000.7 刘泊春. 智能 PID 调节器的设计及应用D.北京:电子自动化,1995 . 8 谭浩强. C 程序设计M. 北京：清华大学出版社,1999.9 Katsuhiko Ogata. Moden Control EngineeringM. Publishing house of electronics industry,2000. 10ISD Inc, ISD data book,2nd
23、 Edition,1996.11何立民.单片机应用系统设计M.北京:北京航空航天大学出版社,1994.512王京,王宝光.语音芯片 ISD 及其应用J.电子与自动化,2000(2):38-40.13蒋根深,李圣怡.基于 DS18B20 的数字式温度控制系统J.控制工程，2003-09，10（5）：419-432.14戴忠达.自动控制原理M.北京:清华大学出版社,1991.15陈在平,赵相宾.可编程序控制器技术与应用系统设计M.北京:机械工业出版社,2002.16杨自厚.自动控制原理M.北京:冶金工业出版社,1998.17 Micromachined polycrystalline hin fi
24、lm temperature sensors. EI, 1999.10 653-66318 The ISD chipcorder product line:sizes,row lengths and other useful details for addressable ISD productsJ. Application Information for ChipCorder Products. .17附 录方案实现过程中的参数选择：(1)同步脉冲发生器和阶梯波发生器电路参数的选择：R72.7k，R 310k，R 4200k，R 110k，R 230k，R 1110k，R 1010k，R92
25、0k，R 840k，R 780k。(2)音乐通道电路参数的选择：C7C 90.01uF，R 12=13k，R 16=33k，R 12=R13，C 7=C8，R 16=R17，C 9C 10，R 20R 2110k，D 8、D 9选择点接触型锗管 2AP9 型，C1110uF，R 2220k，R 240.68k，R 2325k，R 272k。(3)10mV 音乐信号鉴别电路的参数选择：R295k，R 30360k，C 1210uF，R 322.2k。18九、参考文献【1】秦曾煌；电工学简明教程；高等教育出版社；2007.6【2】王澄非；电路与数字逻辑设计实践；东南大学出版社；1999.10【3】
26、李银华；电子线路设计指导；北京航空航天大学出版社；2005.6【4】韩振振；数字电路逻辑设计；大连理工大学出版社；2000.1【5】高吉祥；电子技术基础实验与课程设计；电子工业出版社；2002.2【6】康光华；电子技术基础（第五版） ；北京：高等教育出版社；2006【7】朱红永； 陈勇 王博；555 定时器构成的报警电路设计；海军蚌埠士官学校基础部,安徽蚌埠 233012 ； 2009 年增刊【8】李健； 555 定时器及其应用；沈阳师范大学物理科学与技术学院 辽宁 沈阳 110000【9】黄晓春；555 定时器原理及应用；湖北省英山理工中专【10】陈辉； 555 定时器在定时控制电路中的应用
27、研究； 西北师范大学物理与电子工程学院 甘肃 兰州 730070【11】杨宇 赵玉霞 徐刚 ；555 定时器功能及应用的探讨；陆军航空兵学院信息技术教研室， 北京 101123 ；2007.519十、设计心得体会一个星期很快就过去了，虽然只有短短的一周，但我知道了非法入侵报警电路是怎样设计出来的，并知道了它的原理，现在我可以自豪的说给我原件我可以自己做一个非法入侵报警电路。刚开始找到题目并从网上找到了相关要实现的内容和基本的原理，经过一周的时间我不断从网上、图书馆、课本查找相关的内容，不断扩充我的知识，加强了我的薄弱的知识点，从中学到了很多知识，概而言之，主要可以归纳为以下几点：第一，加深了对
28、课本知识的理解。激发了学习的积极性。我以前上理论课时，总是不太重视，以为这些书本上的东西离现实太远了。其实，这些知识正是我们在日常生活中经常用到的，电子技术的知识无处不在。通过这次课程设计，我真正认识到了学好专业知识的重要，相信以后会在这方面我会更加重视的。第二，这次实验设计使我对 555 定时器的原理及其应用有了更深的认识，知道了它的作用。第三，通过课程设计，加深对相关课程基础知识与基本理论的理解和掌握，培养学生综合运用所学知识的能力，并增强解决实际问题的能力。增强理论分析、设计计算、制图标准与规范、查阅设计手册与资料的能力，同时加强我们的计算机的应用能力，使我的动手能力有了很大的提高。最后，也是很重要的一点，就是要理论联系实际。任何理论，只要脱离了现实，都是空洞无说服力的。实现一个设计目的往往有多种方案，要从环境和条件、工艺和成本、稳定性和可靠性、操作的便利性和响应的快速性等方面全面比较、综合考虑，从中优选出最佳方案。电路基本原理图绘制好后，对于元件的选择，一定要考虑实际工作情况。
