單片機(jī)課程設(shè)計(jì)（論文）-單片機(jī)音樂(lè)彩燈控制器的設(shè)計(jì)

目 錄 II 電子工程學(xué)院 課程 設(shè)計(jì) （ 設(shè)計(jì) ） 課 題 音樂(lè)彩燈控制器設(shè)計(jì) 教 研 室 專 業(yè) 應(yīng)用電子 班 級(jí) 08級(jí)電子 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 導(dǎo)師姓名 職稱 2011 年 月 日 目 錄 III 摘 要 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。 設(shè)計(jì)了一個(gè)由音樂(lè)聲響控制彩燈燈光效果的控制電路 .該彩燈控制器有兩路 ,分別由不同顏色的 LED 組成 ；駐極體話筒拾取語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放放大以及電容耦合 ,RC 濾波后去控制后續(xù)電路 .第一路通過(guò)一組電壓比較器對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行比較達(dá)到點(diǎn)亮不同數(shù)目的 LED 的目的 ；音量大 ,彩燈被點(diǎn)亮的數(shù)目增多 ,音量低 ,彩燈被點(diǎn)亮數(shù)目減少 ；第二路分別通過(guò)一個(gè)高通濾波器和低通濾波器達(dá)到按音調(diào)高低控制彩燈的目的 .低音時(shí) ,某一部分亮 ；高音時(shí) ,另一部分燈亮 . 一、課程設(shè)計(jì)目 的 1、 通過(guò)電子技術(shù)基礎(chǔ)（模電、數(shù)電）課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生在掌握基本 理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，學(xué)會(huì)常見(jiàn)電子集成器件的使用。 2、 通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)模數(shù)結(jié)合的小型電子電路系統(tǒng)，使學(xué)生了解電子電路設(shè)計(jì)的方法、步驟；學(xué)會(huì)元器件的選用；學(xué)會(huì)用軟件仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性； 培養(yǎng)綜合運(yùn)用知識(shí)和獨(dú)立開(kāi)展實(shí)踐創(chuàng)新的能力 。 3、 通過(guò)搭建調(diào)試電路， 進(jìn)一步熟悉相關(guān)儀器設(shè)備的使用 。 4、 通過(guò)繪制電路圖，熟悉 Protel的使用，擴(kuò)充專業(yè)知識(shí)技能。 5、 規(guī)范化訓(xùn)練學(xué)生撰寫(xiě)技術(shù)研究報(bào)告，提高書(shū)面表達(dá)能力。 二、課程設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 （ 1） 設(shè)計(jì)一個(gè)音樂(lè)聲響與彩燈燈光相互組合的彩燈控制電路。 （ 2） 有三路不同控制方法的彩燈，用不同顏色的 LED 表示。 （ 3） 第一路為音樂(lè)節(jié)奏控制彩燈，按音樂(lè)節(jié)拍變換彩燈花樣。 （ 4） 第二路按音樂(lè)大小控制彩燈，音量大時(shí)，彩燈亮度加大，反之亦然 （ 5） 第三路按因音調(diào)高低控制彩。 關(guān)鍵字： 555 時(shí)基電路、音樂(lè)大小、節(jié)奏、音調(diào)。 目 錄 IV 目 錄 第一章 緒 論 . 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 第二章 音樂(lè)大小控制彩燈 . 5 2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 . 5 2.2 音樂(lè)大小控制彩燈的工作原理 . 6 2.3 音樂(lè)大小控制彩燈的電路 設(shè)計(jì) . 7 2.3.1 電源電路設(shè)計(jì) . 7 2.3.3 放大電路設(shè)計(jì) . 8 2.3.2 音樂(lè)大小控制彩燈的電路圖的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) . 9 第三章 音樂(lè)節(jié)奏控制彩燈 . 11 3.1 音樂(lè)節(jié)奏控制彩燈的工作原理 . . 11 3.2 音樂(lè)節(jié)奏控制彩燈的 電路 設(shè)計(jì) . 11 3.2.1 音樂(lè)節(jié)奏控制彩燈的主要參數(shù)計(jì)算 . 11 3.2.2 音樂(lè)節(jié)奏控制彩燈總電路實(shí)現(xiàn) . 13 第四章 音調(diào)高低控制彩燈 . 14 4.1 音調(diào)高低控制彩燈的工作原理 . 14 4.2 音調(diào)高低控制彩燈的電路 設(shè)計(jì) . 15 4.2.1 音調(diào)高低控制彩燈的主要參數(shù)計(jì)算 . 15 4.2.2 音調(diào)高低控制彩燈的電路圖 . 16 第五章 實(shí)物的制作和調(diào)試 . 17 總 結(jié) . 20 參考文獻(xiàn) . 22 附 錄 . 23 附 錄 5 第一章 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 隨著科學(xué)的發(fā)展，人們生活水平的提高，人們不滿足于吃飽穿暖，而要有更高的精神享受。不論是思想，還是視覺(jué)，人們都在追求更高的美。特別使在視覺(jué)方面，人們不滿足于一種光，彩燈的誕生讓人們是視覺(jué)對(duì)美有了更深的認(rèn)識(shí)。但現(xiàn)在市面上的音樂(lè)彩燈只是按照一定的方式閃爍，讓人們感覺(jué)到十分的粗糙無(wú)味，更沒(méi)有聲音那樣用震撼力，音樂(lè)彩燈的出現(xiàn)讓我們既有了聽(tīng)覺(jué)上的享受，更有了精神上的享受。但現(xiàn)在市面上的音樂(lè)彩 燈只是按照音樂(lè)的一種方式閃爍，和音樂(lè)沒(méi)多大關(guān)系，根本不能稱為音樂(lè)彩燈。 本設(shè)計(jì)是一個(gè)音樂(lè)彩燈控制器 ，使其實(shí)用于 家庭、商場(chǎng)、櫥窗、舞廳、咖啡廳、公共廣場(chǎng)等場(chǎng)所的擺設(shè)、裝飾、廣告、環(huán)境凈化與美化 ，本電路的最大優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)音樂(lè)以三種方式控制彩燈的閃亮。實(shí)現(xiàn)了音樂(lè)大小、節(jié)奏、音調(diào)的控制。 該彩燈控制器有兩路 ,分別由不同顏色的 LED 組成 ；通過(guò)音源端拾取語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放放大以及電容耦合 ,RC 濾波后去控制后續(xù)電路 .第一路通過(guò)一組電壓比較器對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行比較達(dá)到點(diǎn)亮不同數(shù)目的 LED 的目的 ；音量大 ,彩燈被點(diǎn)亮的數(shù)目增多 ,音量低 ,彩燈被點(diǎn)亮數(shù)目減少 ；第二路分別通過(guò)一個(gè)高通濾波器和低通濾波器達(dá)到按音調(diào)高低控制彩燈的目的 .低音時(shí) ,某一部分亮 ；高音時(shí) ,另一部分燈亮 . 第 二 章 音樂(lè)大小控制彩燈 2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 音頻在電信號(hào)中表現(xiàn)為多個(gè)正弦波疊加而形成。音樂(lè)的大小就表現(xiàn)為是演唱者的聲音的強(qiáng)弱起伏，它在音頻信號(hào)中表現(xiàn)為正弦波的波峰和波谷，所以在他達(dá)到波峰時(shí)說(shuō)明他的音量大。在波谷是音量就小，所就需要一個(gè)觸發(fā)電路使他在音量大的時(shí)候就彩燈發(fā)光，音量小的時(shí)候燈滅。綜合考慮：選擇了 NE555 夠成的單穩(wěn)態(tài)電路，由于單穩(wěn)態(tài)電路是低電平觸發(fā)所以還 需要一個(gè)反相放大器。 音樂(lè)的節(jié)奏往往是由樂(lè)隊(duì)的鼓點(diǎn)來(lái)體現(xiàn)，實(shí)質(zhì)上是具有一定時(shí)間間隔的脈沖信號(hào)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，彩燈要隨著節(jié)奏閃亮，需要一個(gè)觸發(fā)電路來(lái)檢測(cè)脈沖信號(hào)并產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖。根據(jù)要求選擇了 NE555 構(gòu)成的無(wú)穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，由于觸發(fā)器的觸發(fā)電壓比音頻信號(hào)的高就還需要一個(gè)放大電路，有觸發(fā)信號(hào)后就還需要計(jì)數(shù)器和譯碼器來(lái)使彩燈閃亮。 附 錄 6 音調(diào)主要由聲音 的 頻率 決定，同時(shí)也與聲音強(qiáng)度有關(guān)。對(duì)一定強(qiáng) 度的純音，音調(diào)隨頻率的升降而升降；對(duì)一定頻率的純音、低頻純音的音調(diào)隨聲強(qiáng)增加而下降，高頻純音的音調(diào)卻隨強(qiáng)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(dòng)彩燈發(fā)光。 圖 2-1 總體框圖 信號(hào)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(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)使彩燈發(fā)光；（ 2）多諧振蕩器脈沖輸出到計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)計(jì)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(hào)后驅(qū)動(dòng)彩燈發(fā)光 2.2 音樂(lè)大小控制彩燈的工作原理 音樂(lè)的大小，是原唱者的聲音的強(qiáng)弱起伏，它在音頻信號(hào)中表現(xiàn)為正弦 波的波峰，所以在他達(dá)到波峰時(shí)說(shuō)明他的音樂(lè)大。在波谷是他就小，所以就需要設(shè)計(jì)一個(gè)觸發(fā)電路，由聲音的強(qiáng)弱控制，根據(jù)要求使用了 NE555 時(shí)基電路中的單穩(wěn)態(tài)電路，觸發(fā)后驅(qū)動(dòng) LED 發(fā)光。由于音頻電壓過(guò)小，所以還要設(shè)計(jì)一個(gè)放大電路。 圖 2-2 音樂(lè)大小 附 錄 7 2.3 音樂(lè)大小控制彩燈的電路實(shí)現(xiàn) . 2.3.1 電源電路設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì)時(shí)使用 220V 交流電壓經(jīng)過(guò)變壓后得到 12V 的交流電壓，再經(jīng)過(guò)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(gè)電路元件使用 。 1電源電路結(jié)構(gòu) 常見(jiàn)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 2-3 所示： 圖 2-3 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(fù)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(kāi)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 2-4 電源電路 2 電源電路參數(shù)計(jì)算 （ 1）橋式整流二極管參數(shù)計(jì)算 正向平均電流： mAmAODF III 1543082121 最大反向電壓： VVRRM UUU 107222( m a x ) 附 錄 8 （ 2）濾波電容參數(shù)： 31( 3 5 ) ( 3 5 ) 2 0 1 0221 2 7 . 3LTC R FF 1830100000183.0001.0 取 C2=1000 F 電容耐壓： VCM UU 1222 取 25CMU V,故電容參數(shù)為 C:1000 F/25V。 通過(guò)穩(wěn)壓管 7812后 穩(wěn)壓為 12V，提供給各個(gè)電路。 2.3.3 放大電路 由于 555 單穩(wěn)態(tài)電路是低電平觸發(fā)，所以設(shè)計(jì)時(shí)采用了反向放大，三極管起反向作用，放大電源由 1R 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： beR UUU 1 , bebe URIU 1 可得： 1R =330K RP 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 3Vdd 上下波動(dòng)，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(jì)算， 9014 的放大倍數(shù)在 100 1000 之間足以 使電壓達(dá)到單穩(wěn)態(tài)所需的 3Vdd =4V。 附 錄 9 3單穩(wěn)態(tài)電路： 圖 2-6 單穩(wěn)態(tài)電路 由于電容的容量和耐壓不好選，所以就先選電容為1 0 .0 2 2C uF，設(shè)單穩(wěn)態(tài)的暫態(tài)時(shí)間為 0.123t ms 。 根據(jù)公式： 1.1t RC 得 3610022.01.11.0 R 所以 3R 取 5k 4.限流電阻 2R 的計(jì)算 由于 2U 的 腳電壓 3V 為 2V， LED 的承受電流為 30mA，取 R 的最大取值為：2R = mA303V = mAV302 =667 2R =680 2.3.2 音樂(lè)大小控制彩燈的電路圖的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 設(shè)計(jì)電源電路為了 NE555 提供穩(wěn)定的直流電源 12V；設(shè)計(jì) NE555 時(shí)基電路構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路， 經(jīng)過(guò)限流電阻 ，點(diǎn)亮電路用 LED 發(fā)光二極管。 附 錄 10 圖 2-6 音樂(lè)大小電路圖 音頻輸入后，經(jīng)過(guò)由 VT組成的音頻放大器電壓放大。 555時(shí)基電路與電阻3R、電容3C接成典型的但問(wèn)他了工作模式，由于3R、3C的取值較小，所以暫態(tài)時(shí)間非常短， sCRt 42.1 231.1 33 。限流電阻3R構(gòu)成保護(hù)電路，去驅(qū)動(dòng) LED 閃亮。 音頻輸入時(shí)，經(jīng) VT 反向放大，使時(shí)基電路 2 腳電平在 3Vdd 上下波動(dòng)。當(dāng)電位不大于 3Vdd 時(shí)，時(shí)基電路置位，進(jìn)入暫態(tài)， 3腳輸出高電平，晶閘管導(dǎo)通， LED發(fā)光。由于暫態(tài)時(shí)間很短，很快又翻回穩(wěn)態(tài)， LED 彩燈熄滅，也就是說(shuō)彩燈不會(huì)有停滯狀態(tài)，它能隨時(shí)基電路的 2 腳電平即音頻電信號(hào)的變化而變化。當(dāng)變阻器的電阻越小，靜態(tài)時(shí) 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。 仿真實(shí)驗(yàn)： 圖 2-6 仿真波形 附 錄 11 圖 2-6 中的斜線表示觸發(fā)經(jīng)放大后的音頻信號(hào)，方波表示的是輸出信號(hào)。由圖可知，音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)放大之后進(jìn)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(hào)，由此可知當(dāng)音樂(lè)音量大小改變時(shí)，正弦波增大，那么彩燈閃亮的速率加快，音量減小時(shí)，波的幅度減小，彩燈閃亮減慢或停止。 第 三 章 音樂(lè)節(jié)奏控制彩燈 3.1 音樂(lè)節(jié)奏控制彩燈的工作原理 . 音樂(lè)的節(jié)奏往往是由樂(lè)隊(duì)的鼓點(diǎn)來(lái)體現(xiàn)，實(shí)質(zhì)上 是具有一定時(shí)間間隔的脈沖信號(hào)。我們的目標(biāo)是 要彩燈按照節(jié)奏依次閃亮。因此，設(shè)計(jì)了一個(gè)多諧振蕩器，由音樂(lè)信號(hào)調(diào)諧，產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖，使彩燈循環(huán)點(diǎn)亮的速率隨音樂(lè)的節(jié)奏而改變。有了節(jié)奏脈沖，還應(yīng)有計(jì)數(shù)和譯碼，這樣才能依次點(diǎn)亮彩燈。 LED 點(diǎn)亮?xí)r，由于脈沖電流過(guò)大所以還需要限流電阻保護(hù) LED。由于在觸發(fā)節(jié)奏脈沖的電壓比輸出的音頻信號(hào)大，所以還需要一個(gè)音頻放大電路。 電源與上電路公用一個(gè)。 電路工作原理：音頻信號(hào)輸入后經(jīng)過(guò)放大電路放大后進(jìn)入多諧振蕩調(diào)制其頻率，多諧振蕩產(chǎn)生出脈沖信號(hào)后送計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后譯碼，再送入驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)彩燈閃亮。 圖 3-1 節(jié)奏流程框圖 3.2 音樂(lè)節(jié)奏控制彩燈的實(shí)現(xiàn) 3.2.1 音樂(lè)節(jié)奏控制彩燈的主要參數(shù)計(jì)算 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(dǎo)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 0.1A , KR 1.55 。 2、無(wú)穩(wěn)態(tài)電路 附 錄 12 圖 3-2 無(wú)穩(wěn)態(tài)電路 該電路工作電壓 Vc 設(shè)為 12V，當(dāng) 2R 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 1R 時(shí)， 50%D ,此時(shí)輸出的波形為理想對(duì)稱的方波，所以 2R 使用 100K 的可變電阻，這樣實(shí)現(xiàn)了方波，也使 2R可以調(diào)節(jié)電路的靈敏度。 C1 在充、放電過(guò)程中，其電壓在 VCC 的 1/3 到 2/3 之間變化，所以時(shí)基電路 3 腳輸出高電平的時(shí)間 1t 可用以下式表示（即充電周期 ），即 3腳輸出低電平時(shí)間 2t （即放電周期） : 122 639.0 CRt 振蕩周期 T ： 12121 )2(6 3 9.0 CRRttT 振蕩頻率為 f ： 121 )2(44.1/1 CRRTf 輸出脈沖占空比 D ： )2/()(/ 21211 RRRRTtD 根據(jù)以上公式可以求出 1r 、 1c 、 2c ，由于電容在市場(chǎng)上的型號(hào)不多。所以就選相近的 Fc 47.01 , FC 7.42 121121DDDD1211)CR0 . 6 3 9 ( Rln 2)CR(R)V32ln ( V)CR(Rt附 錄 13 3 其他電路 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。 LED 的供電電壓為 3V，電流為 15mA，所以要串聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓電阻，由 基爾霍夫定理得： RL UUU , 所以 4R =600 3.2.2 音樂(lè)節(jié)奏控制彩燈總電路實(shí)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(hào)，計(jì)數(shù)器和譯碼器用 CD4017，他集成了計(jì)數(shù)和譯碼兩項(xiàng)功能，減小了電路，節(jié)約了成本， 經(jīng)過(guò)限流電阻 LED 發(fā)光。 圖 3-4 節(jié)奏電路圖 晶體管 Q1組成音頻放大器，他將音頻信號(hào)加以放大，然后通過(guò)電容 C2電位器 R3 加到 ME555 時(shí)基電路的 5 腳，對(duì) 555 構(gòu)成的振蕩 器進(jìn)行調(diào)制。 CD4017 為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其 CP 端輸入的計(jì)數(shù)脈沖來(lái)自 NE555 時(shí)基電路組成的多諧振蕩器。當(dāng) CP端源源不斷地輸入計(jì)數(shù)脈沖時(shí)，它的輸出端 Q1-Q9 就依次循環(huán)輸出高電平。 使彩燈 LED1 LED10 依次點(diǎn)亮。調(diào)節(jié)電位器， 1R 因改時(shí)基電路 1U 的振蕩頻率，故使彩燈 LED1 LED4 的循環(huán)速率。音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)1Q放大、通過(guò) 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(duì)振蕩器頻率進(jìn)行調(diào)制，亦使 U1 的振蕩頻率隨音樂(lè)的頻率而變化，所以 LED1 LED4的循環(huán)點(diǎn)亮的速率又隨音樂(lè)的節(jié)奏而改變。調(diào)節(jié) 1R 的阻值，則可調(diào)節(jié)電路的靈敏度。 附 錄 14 圖 3-5 節(jié)奏電路仿真圖 圖 3-5 中斜波表示的是放大后的音頻信號(hào)，方波表示的是經(jīng)音頻信號(hào)調(diào)諧多諧振蕩后輸出的觸發(fā)信號(hào)。從圖中可以看出經(jīng)放大后的音頻信號(hào)可以調(diào)制觸發(fā)信號(hào)的脈寬，從而使觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)彩燈，并使彩燈隨音樂(lè)節(jié)奏的快慢而閃亮。 第 四 章 音調(diào)高低控制彩燈 4.1 音調(diào)高低控 制彩燈的工作原理 音調(diào)主要由聲音 的 頻率 決 定，同時(shí)也與聲音強(qiáng)度有關(guān)。對(duì)一定強(qiáng)度的純音 ， 音調(diào)隨頻率的升降而升降；對(duì)一定頻率的純音、低頻純音的音調(diào)隨聲強(qiáng)增加而下降，高頻純音的音調(diào)卻隨強(qiáng)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(dòng)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(shí)別的聲音頻率 20HZ 20 HZK ,所以設(shè)置 1 HZK 以上為高音、以下則為低音，所以要一個(gè)高低音濾波器去驅(qū)動(dòng)彩燈發(fā)光。放大電路就和上面電路公用，電源公用一個(gè)。音頻放大后經(jīng)高低通濾波，送限流電阻限流后使彩燈發(fā)光。 附 錄 15 圖 4-1 音調(diào)電路結(jié)構(gòu)框圖 4.2 音調(diào)高低控制彩燈的電路設(shè)計(jì) 4.2.1音調(diào)高低控制彩燈的主要參數(shù)計(jì)算 圖 4-2 高通電路 RC有源高低通濾波器參數(shù)的計(jì)算（設(shè)上限頻率 Zc Hf 1000 ）： (1)通常電容 C 的容量宜在微法數(shù)量級(jí)以下， R 的值一般約為幾百千歐內(nèi)，由于電容容量檔級(jí)較少，常先選用 C 值，再計(jì)算電阻 1R 的值。選擇120 .1C C uF,則 621 101.0100014.3211 CwRR l=16K (2)考慮到二價(jià)巴特沃斯濾波器的 Q =0.707 和 586.11 34 RRA uf ,故有43 586.0 RR , 運(yùn) 算 放 大 器兩 輸 入 端的 外 接 電阻 必 須 滿足 平 衡 條件 ：KRRRR 32/ 43 由 43 586.0 RR 和 KRRRR 32/ 43 ，得3 20RK,4 33RK所以3 20RK,4 33RK、120 .1C C uF,1216R R K。 2 低通濾波電路 附 錄 16 圖 4-3 低通電路 由于高通濾波器與低通濾波器在電路結(jié)構(gòu)上存在對(duì)偶關(guān)系，他們的幅頻響應(yīng)也存在對(duì)偶關(guān)系，設(shè)置的頻率界限為 1000Hz，所以兩個(gè)電路參數(shù)一樣只是接法不一樣，如圖 4-3所 示 參數(shù)為：1216R R K、3 20RK、4 33RK、120 .1C C uF,供電為 12V，可 LED 承受的電流為 30mA 燈泡電壓為 2.5V ，由 燈電 UUU R 5 59550RR 4.2.2 音調(diào)高低控制彩燈的電路圖 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。 高通電路：由1C入經(jīng)過(guò)4C到 U1（ LM358）的 5 腳入，濾出低頻， 7腳出。在LM358 內(nèi)濾出低頻信號(hào)，高頻信號(hào)從 7 腳出來(lái)后使 Q1 導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng) LED1 發(fā)光。 低通電路：由3R入經(jīng)過(guò)4R到 LM358 的 3 腳入，濾出高頻， 1 腳出。在 LM358 內(nèi)濾出低頻信號(hào)，高頻信號(hào)從 1腳出來(lái)后使9R導(dǎo)通，使 LED2 發(fā)光。 附 錄 17 圖 4-.4 音調(diào)電路圖 圖 4-5 音調(diào)仿真圖 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(dāng)有高于 1000Hz 的脈沖到 LM358 時(shí) x1 就輸出波峰達(dá)到 3v 的波形，而 x2 的波形就趨近 X軸。 第五章 實(shí)物的制作和調(diào)試 整體電路設(shè)計(jì)完成后，首先在軟件上仿真，軟件仿真正確，再畫(huà)出 PCB 板，刻出印板，安 裝元件，進(jìn)行調(diào)試，最后實(shí)物調(diào)試成功，設(shè)計(jì)成功完成。所以，實(shí)物的制作和調(diào)試分以下幾步：軟件仿真制作 PCB元件安裝實(shí)物調(diào)試。 1、軟件仿真 整體設(shè)計(jì)完成后，我們要進(jìn)行的第一步工作就是軟件仿真，測(cè)試其性能。用的軟件是 Multisim 7 軟件，他的仿真功能十分強(qiáng)大。首先調(diào)試分電路，在分電路調(diào)試完成后在調(diào)試總電路。 調(diào)試方法：首先在軟件中畫(huà)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(hào)，由于此軟件不能直接加入音樂(lè)信號(hào)，所以用正弦（音頻電信號(hào)是由許多的正弦波疊加而形成）代替，加入信號(hào)后觀察 彩燈的閃亮情況，遇到不正常時(shí)及時(shí)修改。 調(diào)試中遇到的故障： 故障 1：放大電路不匹配。 分析：?jiǎn)畏€(wěn)態(tài)電路需要的使反向電壓，無(wú)穩(wěn)態(tài)使用的事完整的正弦波。 解決：在兩個(gè)電路使用獨(dú)立放大。 故障 2：接地信號(hào)的交叉。 附 錄 18 分析：交流接地不能直流接地接在一起。 解決：兩個(gè)接地單獨(dú)接地。 2、 PCB 的制作與元件安裝 在軟件仿真完成后，下一步工作就 是 制作 PCB 版，以方便元件的安裝和實(shí)物的調(diào)試， PCB 的制作分為兩部分，第一就是軟件制作畫(huà)出 PCB 圖、第二步就事制作實(shí)物印板。兩步都相當(dāng)重要，第一步就為方便的制作出優(yōu)良的 PCB 做好準(zhǔn)備 ，第二步是讓做出的 PCB 在元件安裝時(shí)更方便。 、軟件 PCB 的制作：在軟件 PCB 制作時(shí)使用了 Protel 99 SE（它是專門(mén)制作 PCB 的軟件，具有強(qiáng)大的布線功能）。制作事首先在軟件中畫(huà)出電路圖，連接好各點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)飛線，填好各元件的封裝。然后生成網(wǎng)絡(luò)表，在進(jìn)入 PCB 的制作，生成網(wǎng)絡(luò)表無(wú)誤時(shí)，調(diào)節(jié)各元件的位置，使其符合信號(hào)流程，以方便檢修。然后自動(dòng)布線。 、 PCB 圖如下： 圖 5-1 PCB 圖 、 硬件 PCB 的制作：在畫(huà)好 PCB 圖時(shí)， 1.用復(fù)寫(xiě)紙將布線圖復(fù)制到復(fù)銅墻鐵壁板上：復(fù)制前應(yīng)先用銼刀將復(fù)銅板四周邊緣銼 至平直整齊，而且尺寸盡量與設(shè)計(jì)圖紙尺寸相符，并將復(fù)寫(xiě)紙裁成與復(fù)銅板一樣的尺寸，為了防止在復(fù)制過(guò)程中產(chǎn)生圖紙移動(dòng)，故要求用膠紙將圖紙左右兩端與印刷板貼緊。 .先用鉆床將元件插孔鉆好 一般插孔直徑為 0.9-1mm 左右，可采用直徑為 1mm 的鉆頭較適中 ,如果鉆孔太大將影響焊點(diǎn)質(zhì)量 ,但對(duì)于少數(shù)元件腳較粗的插孔 ,例如電位器腳附 錄 19 孔 ,則需用直徑為 1.2mm 以上的鉆頭鉆孔。貼膠紙：先用刀片將封箱膠紙 切成多種寬度的膠紙條后再進(jìn)行貼膠，貼膠時(shí)應(yīng)根據(jù)線條所通過(guò)的電流大小及線條間的間隙來(lái)適當(dāng)選擇線條的寬容。一般只需采用 2-3 種寬度即可，為了保證制作工藝水平，盡可能不要采用過(guò)寬或過(guò)窄，如需要鉆孔的線條其寬度應(yīng)在 1.5mm 以上，才不致于在鉆孔時(shí)將線條鉆斷，貼膠時(shí)還應(yīng)注意控制各相鄰線條的間隙不要太小，否則容易造成線條間短接，貼膠時(shí)一定超過(guò)鉆孔 1mm 左右，這樣才能保證焊瞇質(zhì)量。 元件的安裝 元件的安裝： 根據(jù)原理圖在印制板上 進(jìn)行元件的安裝，一定要找準(zhǔn)相應(yīng)的元件位置再進(jìn)行焊接，在焊接的時(shí)候要小心注意焊接的時(shí)間，有時(shí)候焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)損壞元件，因此要把握焊接是的時(shí)間。在焊接的時(shí)候焊點(diǎn)要合適，不宜過(guò)大也不宜過(guò)小，也不要出現(xiàn)掛焊或虛焊。否則會(huì)造成電路故障 。 4、電路的調(diào)試 安裝完成后，通電并加入信號(hào)。發(fā)現(xiàn)彩燈常亮，檢修思路：檢測(cè)電源是否正常，用萬(wàn)用表檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)電源電壓只有 8V，正常應(yīng)當(dāng)在 12V。然后判斷故障是在電源電路是在電源還是負(fù)載，斷開(kāi)負(fù)載發(fā)現(xiàn)電源恢復(fù)到 12V。證明故障在負(fù)載，為了方便檢修，把三個(gè)負(fù)載電路分別斷開(kāi)，分別通電檢測(cè)。 故 障 1： 音樂(lè)大小電路，通電檢測(cè)電壓時(shí)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)要只有 8V。 分析 : 證明電路有輕微短路，用電阻發(fā)檢測(cè)各個(gè)焊點(diǎn)間無(wú)短路狀況，證明短路在原件，由以前的經(jīng)驗(yàn)。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(gè)三極管和一個(gè)電容，除了就是 NE555 有可能壞 . 解決： 分別取下電容和三極管檢測(cè)，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。 故障 2：檢測(cè) NE555 的輸出端，發(fā)現(xiàn)電壓為 7V，有電壓跳變。但跳變時(shí)間很短，要仔細(xì)才能分辨。 分析：有可能使暫態(tài)時(shí)間過(guò)短，或限流電阻過(guò)大 。 解決：檢測(cè) 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(shí)間過(guò)短，導(dǎo)致我們不能識(shí)別。根據(jù) T=1.1RC 可知增大電阻或電容都能使時(shí)間變大，所以就把電容改為 0.1uF.再檢測(cè)電路，正常。 附 錄 20 圖 5-2 故障 1.2 所在點(diǎn) 故障 3：節(jié)奏電路通電和加入信號(hào)彩燈不閃動(dòng)。 分析：可能使電容擊穿或是三極管放大有問(wèn)題。 解決：檢測(cè)電源電壓， 9V正常用萬(wàn)用表去檢測(cè) NE555 的 3 腳，發(fā)現(xiàn)電壓恒為0V,無(wú)跳變，再檢測(cè) 2 腳和 6 腳調(diào)諧端， V6=V2=0V，分析電路， 6 腳和 2 腳通過(guò)電容 c4 接地，斷電用電阻 法測(cè) 2 腳對(duì)地電阻為 0。取下 c4 檢測(cè)，發(fā)現(xiàn) c4 穿。換上后電路正常。 圖 5-3 故障所在點(diǎn) 再通電在音調(diào)電路時(shí)，接通后單個(gè)彩燈閃亮，電路正常再連接各電路檢測(cè)，運(yùn)行正常，調(diào)試完成。 實(shí)驗(yàn)總結(jié) 附 錄 21 本次設(shè)計(jì)主要是應(yīng)用數(shù)字電路和模擬電路的知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)音樂(lè)彩燈控制器。使用了 NE555 時(shí)基電路的單穩(wěn)態(tài)電路和無(wú)穩(wěn)態(tài)電路實(shí)現(xiàn)音樂(lè)節(jié)奏控制彩燈和音樂(lè)大小控制彩燈；使用高低通電路實(shí)現(xiàn)音調(diào)控制彩燈。軟件仿真和實(shí)物都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 但這只是設(shè)計(jì)用的演示電路，如果用于實(shí)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： 1、電壓的匹 配上，實(shí)驗(yàn)電路的電壓在 12V，彩燈只有 2.5V，但在實(shí)際中使用的都是 220V 電壓，這樣使用時(shí)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(yùn)輸。 2、設(shè)計(jì)時(shí)用的是信號(hào)直接輸入，有線連接，這樣不便于安裝。 3、設(shè)計(jì)時(shí)用了電位器，要隨時(shí)調(diào)節(jié)靈敏度，這樣很麻煩。 下一步的工作將進(jìn)一步完善電路，使其在實(shí)際應(yīng)用中更加方便，使彩燈早藝術(shù)上更加完美。在視覺(jué)感受更加美好。 通過(guò) 過(guò)自己的努力制作和調(diào)試，我的 音樂(lè)彩燈控制器 終于完成。電路板調(diào)試成功，滿足了設(shè)計(jì)要求中的基本要求及大部分提高要求 .從這次課程設(shè)計(jì)中，學(xué)到了很多的 專業(yè)知識(shí)，以及一些寶貴的心得。從找尋參考書(shū)這方面來(lái)說(shuō)，別人的答案只能參考，不能照搬。要有獨(dú)立的見(jiàn)解，善于發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，勤于討論和提問(wèn)，這樣才能改正錯(cuò)誤。 起初，拿到設(shè)計(jì)要求的時(shí)候，大腦是很空白的，因?yàn)檫@就是專業(yè)知識(shí)的缺乏成為了整個(gè)過(guò)程最大的阻力，“書(shū)到用時(shí)方知少”，此時(shí)才知自己專業(yè)知識(shí)的貧乏。通過(guò)不懈的找尋，查資料，以及向老師提問(wèn)，對(duì)于電路的構(gòu)造和基本設(shè)計(jì)有了大概的藍(lán)圖，從而開(kāi)始了電路板的焊接制作。經(jīng)過(guò)慢慢的探索和仔細(xì)的調(diào)試，電路功能得以實(shí)現(xiàn)，這讓自己很有滿足感！ 通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，也進(jìn)一步讓自己熟悉了萬(wàn)用表、 示波器、信號(hào)發(fā)生器NE555 等實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用，判別元器件的引腳、好壞等能力有所提高。 致謝 附 錄 22 最后衷心的感謝 徐如生老師在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中給我的指導(dǎo) ， 在徐老師的指導(dǎo)下我才能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)圓滿的完成這次畢業(yè)設(shè)計(jì)。畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中我遇到了許多的問(wèn)題和困難，有主觀的也有客觀的。由于自身缺乏設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)及基礎(chǔ)，和對(duì)藥實(shí)現(xiàn)的功能要求不理解，導(dǎo)致我的一些細(xì)節(jié)上出現(xiàn)紕漏。在指導(dǎo)老師徐老師的指導(dǎo)下，總算完成了這次設(shè)計(jì)的基本任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本功能 。 感謝徐老師對(duì)我在學(xué)習(xí)上的耐