聲控LED旋律燈設(shè)計(jì)說(shuō)明書

長(zhǎng)沙學(xué)院CHANGSHAUNIVERSITY現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)課程課外作業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書LED旋律燈系部：電信系年級(jí)專業(yè)班級(jí)：2010級(jí)電氣專業(yè)一班學(xué)生姓名：周鵬學(xué)號(hào)：2010042113成績(jī)?cè)u(píng)定：2013年6月目錄TOC\o"1-8"\h\u29030摘要 24892引言 3117541、方案論證 5203171.1、控制方法選擇 5921.2、放大電路選擇 5114051.3、設(shè)計(jì)框圖 656052、電路原理 6293913、器件選型 7210753.1、聲音傳感器選型 7221263.2、三極管的選型 845643.3、器件校驗(yàn) 9147004、制作與調(diào)試 9252084.1、確定參數(shù) 9164584.2、PROTEUS仿真方法 9129634.3、焊接方法 9133414.4、元件清單 10292624.5、制作結(jié)果 10192765、使用說(shuō)明 1113138致謝 1122830參考文獻(xiàn) 12摘要LED旋律燈是各種公眾場(chǎng)合渲染氣氛的常用的一種輔助工具，它通過(guò)感受外界聲音的變化而產(chǎn)生光強(qiáng)的變換，人身在其中自然而然的就能享受到光帶給人的美感，因而廣受人們的青睞。本LED旋律燈設(shè)計(jì)采用駐極體話筒作為聲音傳感器，通過(guò)模擬電子技術(shù)直接用三極管和電解電容等硬件實(shí)現(xiàn)LED燈的亮度控制，無(wú)需加入單片機(jī)之類的控制器，大大節(jié)約了成本，也不需要復(fù)雜的軟件編程，并能很好的實(shí)現(xiàn)所要求的功能，真正做到了簡(jiǎn)單實(shí)用、成本低的效果。駐極體話筒具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電聲性能好、價(jià)格低的特點(diǎn)，廣泛用于盒式錄音機(jī)、無(wú)線話筒及聲控等電路中，屬于最常用的電容式話筒。由于輸入和輸出阻抗很高，所以要在這種話筒外殼內(nèi)設(shè)置一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管作為阻抗轉(zhuǎn)換器，為此駐極體電容式話筒在工作時(shí)需要直流工作電壓。關(guān)鍵字：駐極體話筒、三極管、電解電容引言隨著人們的生活水平的不斷提高，人們?cè)絹?lái)越希望生活中的各種物質(zhì)都能為我們所享受，聲音與光就是其中的兩種。而使聲音與光結(jié)合起來(lái)，則更能給人們帶來(lái)無(wú)窮的美妙享受。為了實(shí)現(xiàn)聲音與光的有機(jī)結(jié)合，就必須要有中間連接載體，傳感器就是這些載體中最常用的一種。人類為了從外界獲取信息,必須借助于感覺(jué)器官。人類依靠這些器官接受來(lái)自外界的刺激,再通過(guò)大腦分析判斷,發(fā)出命令而動(dòng)作。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類社會(huì)的進(jìn)步,人類為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)自然和改造自然,只靠這些感覺(jué)器官就顯得很不夠了。于是,一系列代替、補(bǔ)充、延伸人的感覺(jué)器官功能的各種手段就應(yīng)運(yùn)而生,從而出現(xiàn)了各種用途的傳感器。以電量作為輸出的傳感器，其發(fā)展歷史最短,但是隨著真空管和半導(dǎo)體等有源元件的可靠性的提高,這種傳感器得到飛速發(fā)展。目前只要提到傳感器,一般是指具有電輸出的裝置。由于集成電路技術(shù)和半導(dǎo)體應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,研究開(kāi)發(fā)了性能更好的傳感器。隨著電子設(shè)備水平不斷提高以及功能不斷加強(qiáng),傳感器也越來(lái)越顯得重要。世界各國(guó)都將傳感器技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展的高新技術(shù),傳感器技術(shù)已成為高新技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的核心技術(shù)之一,并且發(fā)展十分迅速。展望未來(lái),傳感器將向著小型化、集成化、多功能化、智能化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展,由微傳感器、微執(zhí)行器及信號(hào)和數(shù)據(jù)處理器總裝集成的系統(tǒng)越來(lái)越引起人們的廣泛關(guān)注。傳感器市場(chǎng)將會(huì)迅速發(fā)展,并會(huì)加速新一代傳感器的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對(duì)傳感器下的定義是:“能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置,通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。敏感元件,是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量（輸入量）的部分;轉(zhuǎn)換元件,是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺艿幕蝽憫?yīng)的被探測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸和（或）測(cè)量的電信號(hào)的部分。傳感器種類繁多,功能各異。由于同一被測(cè)量可用不同轉(zhuǎn)換原理實(shí)現(xiàn)探測(cè),利用同一種物理法則、化學(xué)反應(yīng)或生物效應(yīng)可設(shè)計(jì)制作出檢測(cè)不同被測(cè)量的傳感器,而功能大同小異的同一類傳感器可用于不同的技術(shù)領(lǐng)域,故傳感器有不同的分類法。具體的分類方法如下表所示：續(xù)表本次的LED旋律燈設(shè)計(jì)使用的就是其中的聲音傳感器。聲音傳感器就如同人的耳朵一樣能感受外界的聲音，從而將收到的信息輸入到處理電路進(jìn)行處理，以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。在聲音傳感器中，駐極體話筒是比較實(shí)惠的，在網(wǎng)上購(gòu)買只需要幾毛錢一個(gè)。而且駐極體話筒具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電聲性能好的特點(diǎn)，廣泛用于盒式錄音機(jī)、無(wú)線話筒及聲控等電路中，屬于最常用的電容式話筒。本次設(shè)計(jì)的LED旋律燈的功能要求如下：通過(guò)駐極體話筒（聲音傳感器）檢測(cè)外界的聲音變化，控制LED燈的亮度隨著外界聲音的大小變化而變化。將之放在喇叭旁，然后讓音樂(lè)響起，可以看到LED燈隨著音樂(lè)的節(jié)奏閃動(dòng)，使您感受到音樂(lè)與燈光的美妙結(jié)合，從而得到更舒適的享受。1、方案論證1.1、控制方法選擇本設(shè)計(jì)有兩種控制方法，其一是使用電容、電阻以及三極管用模擬電路的方式控制，其二是使用單片機(jī)的數(shù)字電路的方式控制。1.1.1使用電容、電阻以及三極管用模擬電路的方式控制。這種控制方法電路簡(jiǎn)單，只需要三個(gè)電阻、兩個(gè)電解電容及兩個(gè)三極管就可以簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)控制。由于使用的元器件少，所以焊接容易。最重要的還是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，一個(gè)三極管只需要一毛錢就能買到，而單片機(jī)卻需要五塊錢一個(gè)。但缺點(diǎn)是需要仔細(xì)計(jì)算電路中使用的電阻電容及三極管的參數(shù)以使之符合預(yù)期的要求。1.1.2使用單片機(jī)的數(shù)字電路的方式控制這種控制方法電路也簡(jiǎn)單，因?yàn)樵趩纹瑱C(jī)中本身就集成有各種放大等實(shí)用的電路，故只需要一個(gè)單片機(jī)主控制就能實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，并且還能在目標(biāo)條件不變的情況下，通過(guò)寫入單片機(jī)的程序來(lái)增加LED燈的多種花樣。不需要復(fù)雜的參數(shù)計(jì)算，只要用軟件的方法即可輕松控制。缺點(diǎn)主要就是前面提到的成本高，其次焊接難度較大，因?yàn)槭褂脝纹瑱C(jī)必須要制作單片機(jī)最小系統(tǒng)，且需要編寫軟件。綜上所述，從經(jīng)濟(jì)和簡(jiǎn)易的角度出發(fā)，本次設(shè)計(jì)選擇用模擬電路的方式來(lái)控制。1.2、放大電路選擇由于駐極體話筒的輸出信號(hào)非常微弱，為方便后級(jí)電路處理要先行放大。放大電路可以選擇三極管放大，也可以選擇運(yùn)算放大器。三極管單管的放大效果對(duì)于后級(jí)負(fù)載較重的情況不是很明顯，這時(shí)候就需要多級(jí)放大，但其中的耦合問(wèn)題是比較困難度的。而運(yùn)算放大器則沒(méi)有這個(gè)顧慮，但運(yùn)算放大器的引腳較多，焊接難度稍大一些，且價(jià)格也高出三極管很多，一個(gè)音頻專用的NE5532ANNE5532運(yùn)算放大器的價(jià)格居然要13.5元。本次設(shè)計(jì)的后級(jí)電路簡(jiǎn)單，只有三個(gè)LED燈，最大只需要將駐極體話筒的輸出電壓放大到3V即可，故選用三極管放大既經(jīng)濟(jì)又能滿足要求。1.3、設(shè)計(jì)框圖LED亮度顯示信號(hào)放大聲音強(qiáng)度檢測(cè)電源驅(qū)動(dòng)LED亮度顯示信號(hào)放大聲音強(qiáng)度檢測(cè)電源驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)分為四個(gè)部分，電源電源驅(qū)動(dòng)電路、聲音信號(hào)檢測(cè)電路、信號(hào)放大電路以及顯示電路。電源驅(qū)動(dòng)電路將+3V的直流電源輸入到系統(tǒng)中給系統(tǒng)供電，由聲音信號(hào)檢測(cè)電路檢測(cè)到外界聲音信號(hào)的變化經(jīng)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)從而輸出到信號(hào)放大電路部分，將放大了的信號(hào)用來(lái)驅(qū)動(dòng)后級(jí)負(fù)載，即三個(gè)LED燈顯示。由于駐極體話筒受外界環(huán)境，如溫度，濕度等的影響較小，故不需要加補(bǔ)償電路。2、電路原理該電路由電源電路、聲音傳感器放大電路、LED發(fā)光顯示電路組成。電源輸入后經(jīng)電解電容C1濾波，提供給電路；聲音傳感器將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)電解電容C2耦合，再由9014型的三極管Q1放大，再將放大后的信號(hào)送到9014型三極管Q2的基極，控制其集電極的電壓大小，從而達(dá)到控制加在LED燈上的電壓的大小，進(jìn)而控制其亮度。聲音越大，LED燈就越亮。LED旋律燈電路原理圖注：圖中以2K的電位器代替聲音傳感器（萬(wàn)用表測(cè)得聲音傳感器的阻值最大不超過(guò)2K）3、器件選型3.1、聲音傳感器選型本設(shè)計(jì)中聲音傳感器選擇兩個(gè)引腳的駐極體電容式話筒。3.1.1概述這種話筒沒(méi)有型號(hào)之分，相同引腳數(shù)的話筒可以代替，只是存在性能上的差別。駐極體話筒具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電聲性能好、價(jià)格低的特點(diǎn)，廣泛用于盒式錄音機(jī)、無(wú)線話筒及聲控等電路中，屬于最常用的電容式話筒。由于輸入和輸出阻抗很高，所以要在這種話筒外殼內(nèi)設(shè)置一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管作為阻抗轉(zhuǎn)換器，為此駐極體電容式話筒在工作時(shí)需要直流工作電壓。3.1.2工作原理高分子極化膜上生產(chǎn)時(shí)就注入了一定的永久電荷(Q)，由于沒(méi)有放電回路，這個(gè)電荷量是不變的，在聲波的作用下，極化膜隨著聲音震動(dòng)，因此和背極的距離也跟著變化，也就是鎖極化膜和背極間的電容是隨聲波變化的。電容上電荷的公式是Q=C·U，反之U=Q/C也是成立的。駐極體總的電荷量是不變，當(dāng)極板在聲波壓力下后退時(shí)，電容量C減小，電容兩極間的電壓就會(huì)成反比的升高，反之電容量增加時(shí)電容兩極間的電壓就會(huì)成反比的降低。最后再通過(guò)阻抗非常高的場(chǎng)效應(yīng)將電容兩端的電壓取出來(lái)，同時(shí)進(jìn)行放大，我們就可以得到和聲音對(duì)應(yīng)的電壓了。3.1.3靈敏度檢測(cè)在本設(shè)計(jì)中應(yīng)用的駐極體話筒，其靈敏度直接影響LED燈的顯示效果。這類話筒靈敏度的高低可用萬(wàn)用表進(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)試。將模擬式萬(wàn)用表?yè)苤罵×2K檔，兩表筆分別接話筒兩電極，待萬(wàn)用表顯示一定讀數(shù)后，用嘴對(duì)準(zhǔn)話筒輕輕吹氣（吹氣速度慢而均勻），邊吹氣邊觀察表針的擺動(dòng)幅度。吹氣瞬間表針擺動(dòng)幅度越大，話筒靈敏度就越高，LED燈顯示效果就越好。若擺動(dòng)幅度不大（微動(dòng)）或根本不擺動(dòng)，說(shuō)明此話筒性能差，不宜應(yīng)用在電路設(shè)計(jì)中。3.1.4駐極體話筒的特性參數(shù)工作電壓Uds1.5~12V，常用的有1.5V，3V，4.5V三種，本設(shè)計(jì)選用3V的。工作電流Ids0.1~1mA之間輸出阻抗一般小于2K（歐姆）靈敏度單位：伏/帕，國(guó)產(chǎn)的分為4檔，紅點(diǎn)（靈敏度最高）黃點(diǎn)，藍(lán)點(diǎn)，白點(diǎn)（靈敏度最低）頻率響應(yīng)一般較為平坦指向性全向等效噪聲級(jí)小于35分貝注意：駐極體話筒有正負(fù)極之分，與外殼相連的一極為負(fù)極。3.2、三極管的選型本設(shè)計(jì)選用9014三極管（TO-92封裝），它是NPN型小功率三極管。3.2.1三極管的放大作用集電極電流受基極電流的控制，并且基極電流很小的變化，會(huì)引起集電極電流很大的變化，且變化滿足一定的比例關(guān)系：集電極電流的變化量是基極電流變化量的β倍，即電流變化被放大了β倍，所以把β叫做三極管的放大倍數(shù)（β一般遠(yuǎn)大于1，例如幾十，幾百）。3.2.29014三極管參數(shù)集電極最大耗散功率PCM=0.4W（Tamb=25℃）集電極最大允許電流ICM=0.1A集電極基極擊穿電壓BVCBO=50V集電極發(fā)射極擊穿電壓BVCEO=45V發(fā)射極基極擊穿電壓BVEBO=5V集電極發(fā)射極飽和壓降VCE(sat)=0.3V(IC=100mA;IB=5mA)基極發(fā)射極飽和壓降VBE(sat)=1V(IC=100mA;IB=5mA)特征頻率fT=150MHzHFE：A=60~150;B=100~300;C=200~600;D=400~10003.3、器件校驗(yàn)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)使用+3V直流電源時(shí)，在駐極體話筒之前加一個(gè)4.7K的限流電阻之后，駐極體話筒的輸出電壓在0~150mv之間，本次選用的9014型的三極管的β值，即放大倍數(shù)能達(dá)到250左右，完全能將駐極體話筒輸出的電壓放大到預(yù)期的1~3V，所以這兩個(gè)器件組合在一起是可以達(dá)到要求的。4、制作與調(diào)試4.1、確定參數(shù)通過(guò)用直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試可以得到設(shè)計(jì)中所用到的LED最大可以承受的電壓為直流2V。駐極體話筒的輸出阻抗為0~2K。使用+3V直流電源時(shí)，在駐極體話筒之前加一個(gè)4.7K的限流電阻之后，駐極體話筒的輸出電壓在0~150mv之間。用PROTEUS軟件仿真配合硬件電路的試驗(yàn)可以得到合適的參數(shù)如下：R1=4.7K，R2=1M，R3=10KC1=47uf，C2=1u4.2、PROTEUS仿真方法打開(kāi)PROTEUS軟件；保存為L(zhǎng)ED.DSN;在元件庫(kù)里找到所需要的元器件；在原理圖編輯界面把相應(yīng)的電路圖連接完成；配合硬件電路試驗(yàn)，不斷的改變各個(gè)元器件的參數(shù)，使之達(dá)到預(yù)期要求。4.3、焊接方法4.3.1元件裝接1、要求先低后高、先易后難、先一般后特殊、同一器件高度相同。2、次序電阻（緊貼）→二極管（1~2mm）→小功率三極管(5~7mm)→電解電容(緊貼)→其他原件（3-5mm）。有極性的元件，要注意極性。4.3.2焊接1、準(zhǔn)備工具：電烙鐵（320℃左右）、尖嘴鉗、偏口鉗、焊錫絲、松香。2、三步操作法：①左手拿錫絲右手拿烙鐵；②同時(shí)加熱加焊料；③同時(shí)移開(kāi)注意：焊接時(shí)間、焊料適量等焊點(diǎn)要求：(1)表面光潔度(2)錫量的大小（圓錐形）(3）不準(zhǔn)出現(xiàn)虛焊假焊(4)不準(zhǔn)拖尾、拉尖(5)不準(zhǔn)出現(xiàn)結(jié)晶(6)不準(zhǔn)有氣泡4、剪管腳（1~2mm）4.4、元件清單名稱規(guī)格數(shù)量金屬氧化膜電阻4.7K、10K、1M各一只電解電容1uf、47uf各一只三極管9014兩只聲音傳感器駐極體話筒1個(gè)發(fā)光二極管3個(gè)直流電源1.5V南孚電池2粒4.5、制作結(jié)果設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是使LED旋律燈能隨著外界聲音的變化而顯示不同的亮度。主要通過(guò)駐極體話筒傳感器可靠感受外界聲音的變化并將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化成可供電路使用的電壓信號(hào)，并利用9014三極管做為信號(hào)放大器將從傳感器輸出的電壓信號(hào)放大并送至LED燈的負(fù)極控制加在LED上的電壓的大小，從而實(shí)現(xiàn)三個(gè)LED燈隨著