音樂彩燈控制器

PAGE 摘要：本課程設(shè)計任務是設(shè)計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)過我自己的初步設(shè)計及思考，我自己的思路是把隨音樂節(jié)奏和音律強弱控制彩燈電路設(shè)計成第一個電路圖，而按音調(diào)高低（信號頻率高低）控制彩燈這部分再單獨設(shè)計制作成一個電路圖，從而完成課程設(shè)計任務。關(guān)鍵詞：帶通濾波器，放大及整流電路，光耦合驅(qū)動電路，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)計意義…………...7二方案設(shè)計原理………8三電路設(shè)計與分析……………………..93.1PROTEL軟件學習93.2音樂彩燈控制電路…………10四系統(tǒng)原理圖的繪制………….…….144.1單元電路設(shè)計及電路圖144.2仿真原理圖及分析18六參考文獻……………..……………..21一、前言：本聲控音樂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)計任務利用PROTEL軟件設(shè)計一個音樂彩燈燈光控制電路，這個課程題目我利用兩個電路圖實現(xiàn)：①在設(shè)計音樂節(jié)奏和音率強弱控制彩燈部分，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（信號頻率高低）控制彩燈部分，把輸入的音樂信號分為高，中，低三個頻段，分別控制三種顏色的彩燈，并讓它們分別通過三個帶通濾波器通道，得到了放大的音樂信號，再通過一個放大及整流電路，得到一個直流信號，最后利用一個光耦合電路，實現(xiàn)音樂對燈光的調(diào)節(jié)。1.1所用主要元氣件：小型電位器，1N4742型硅穩(wěn)壓二極管，BT31型單結(jié)晶體管，TP4520型二進制加法計數(shù)器，帶通濾波器，放大及整流電路，光耦合驅(qū)動電路，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)計意義：針對電子線路課程要求，對學生進行實用型電子線路設(shè)計、安裝、調(diào)試等各環(huán)節(jié)綜合性訓練，陪養(yǎng)學生運用課程中所學的理論與實踐緊密結(jié)合，獨立的解決實際問題的能力。綜合運用所學的理論知識，掌握一般電子線路分析和設(shè)計的基本方法和步驟，培養(yǎng)一定的獨立分析問題、解決問題的能力；實踐利用EDA軟件繪制電子線路原理圖、PCB圖；學會說明書的規(guī)范整理和書寫。學生必須獨立完成一個選題的設(shè)計任務。通過本課程設(shè)計,主要訓練和培養(yǎng)學生綜合應用所學過的電路、低頻、數(shù)字、高頻等課程的相關(guān)知識，設(shè)計實用的電子電路方面的實際電路，包括：查閱資料、合理性的設(shè)計、分析和解決實際問題的能力，電路設(shè)計工具PROTEL的學習與應用，應用計算機的能力，用簡潔的文字,清晰的圖表來表達自己設(shè)計思想的能力。二、方案設(shè)計原理：（1）通過查閱資料，根據(jù)課題要求,本控制器可分別用三部分電路實現(xiàn)。①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），使相應的彩燈按節(jié)奏點亮和熄滅。②為實現(xiàn)聲音信號強弱的控制，應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。③為實現(xiàn)高、低音（不同頻率信號）對彩燈的控制，采用高、低通有源濾波器電路。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)過放大驅(qū)動相應的發(fā)光二極管點亮。（2）控制器原理圖圖2.1音樂彩燈控制器原理圖①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.②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)動器使相應的彩燈點亮。③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)光元件的響應頻率，為使發(fā)光有適當?shù)娘@示時間，可加入延時電路，減少發(fā)光元件閃爍現(xiàn)象。以上是我從參考資料上查到的設(shè)計思路，此思路是比較合理的。但是經(jīng)過我自己的初步設(shè)計及思考，我自己的思路是把隨音樂節(jié)奏和音律強弱控制彩燈電路設(shè)計成第一個電路圖，而按音調(diào)高低（信號頻率高低）控制彩燈這部分再單獨設(shè)計制作成一個電路圖，從而完成課程設(shè)計任務，以下是我的具體設(shè)計分析內(nèi)容，請老師評閱。三、電路設(shè)計與分析：3.1PROTEL軟件學習：1、首先建立一個專用文件夾，用以集中存放相關(guān)電路設(shè)計文件，便于管理；2、當直接雙擊“PROTEL99SE”圖標后，進入第一層“DesignExplorer”設(shè)計管理器窗口；3、在這個窗口中，可對設(shè)計數(shù)據(jù)庫建立等操作，首先要建立一個新的設(shè)計數(shù)據(jù)庫。點擊File/New命令出現(xiàn)建立新的設(shè)計數(shù)據(jù)庫路徑對話框；4、建立設(shè)計數(shù)據(jù)庫后，就要建立需要的各種電路設(shè)計文件。在進入一個設(shè)計數(shù)據(jù)庫后，執(zhí)行File/New命令后彈出新文檔對話框，選擇要增加文件類型后單擊OK，新建電路設(shè)計文件及添加到了設(shè)計數(shù)據(jù)庫中。5、文件的操作。在設(shè)計數(shù)據(jù)管理窗口中，在選擇電路設(shè)計文件上單擊右鍵后，彈出快捷菜單，可對其文件進行操作。6、當建立電路文件后可對其進行電路設(shè)計（編輯）工作，即雙擊電路原理圖文件就進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，操作方法：單擊設(shè)計數(shù)據(jù)管理窗口中的BrowseSch中的Libraris命令進入元件庫和元件管理器，然后單擊Add/Remove按鈕，選擇\DesignExplorer99SE\Library\Sch路徑，再選擇所用的元件庫文件，單擊Add按鈕增加到元件庫管理器，單擊OK，就可以看到選擇的元件庫已裝到元件庫管理器窗口中。8、當元件管理器裝入元件庫后就可以放置元件，在元件瀏覽區(qū)中，用鼠標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，鼠標上便附加了光標和浮動的被選中元件。把光標移動到要放置的位置后，單擊左鍵，這個元件就放置好了。在放置元件的過程如要轉(zhuǎn)動元件方向，按一次空格鍵元件就逆時針轉(zhuǎn)90°。9、布線。選擇所需要的連線工具將電路連接起來。10、編輯元件的屬性（元件名、封裝、參數(shù)等），鼠標左鍵雙擊要編輯元件，就彈出選中元件屬性設(shè)置對話窗口，根據(jù)需要對元件屬性進行設(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,啟動電氣規(guī)則檢查設(shè)置對話框窗口，單擊OK按鈕就開始進行檢查。12、元件報告表的產(chǎn)生，點擊菜單Report/BillofMaterial，啟動元件生成表，點擊Next系統(tǒng)將生成元件報告表文件。13、生成網(wǎng)絡(luò)表。啟動建立網(wǎng)絡(luò)表菜單Design/CreateNetlist后出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)表設(shè)置對話框窗口，設(shè)置好后點擊OK，即生成網(wǎng)絡(luò)表格文件。3.2音樂彩燈控制電路（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計要求等）：3.2.1隨著音樂節(jié)奏及音律強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（音樂聲）信號轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號經(jīng)V1放大后送入壓控振蕩器，使其振蕩工作（V1輸出的電信號使V2的工作電流發(fā)生變化，C5的充電時間也隨之變化，VU輸出的脈沖頻率也隨著音樂聲的節(jié)奏及強弱同步變化）,為IC的1腳（CP端）提供計數(shù)脈沖。IC在計數(shù)脈沖的作用下，其Q1~Q3輸出端輸出變化的控制信號，通過控制V3~V5和VT1~VT3的導通與截止，來控制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IC的1腳輸入第1個計數(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導通，V4，V5和VT2,VT3截止，第一路彩燈HL1點亮，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IC的1腳輸入第2個計數(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導通，V3，V5和VT1,VT3截止，HL1和HL3不亮，HL2點亮，變色彩燈發(fā)綠色光。③當IC得1腳輸入第3個計數(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導通，HL1和HL2點亮，HL3不亮，變色彩燈發(fā)黃色光。④當IC得1腳輸入第4個計數(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導通，V3，V4和VT1,VT2均截止，HL1和HL2不亮，HL3點亮，變色彩燈發(fā)藍色光。⑤當IC得1腳輸入第5個計數(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均導通，HL1和HL3點亮，HL2不亮，變色彩燈發(fā)紫色光。⑥當IC得1腳輸入第6個計數(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導通，HL1不亮，HL2和HL3點亮，變色彩燈發(fā)青色光。⑦當IC得1腳輸入第7個計數(shù)脈沖，IC的Q1~Q3端均輸出高電平，使V3~V5和VT1~VT3均導通，HL1~HL3均點亮，變色彩燈發(fā)白色光。⑧當IC得1腳輸入第8個計數(shù)脈沖時，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IC得1腳輸入第9個計數(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導通，V4，V5和VT2,VT3截止，第一路彩燈HL1點亮，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隨音樂彩燈音調(diào)高低（信號頻率高低）控制彩燈部分：（1）把輸入的音樂信號分為高，中，低三個頻段，分別控制三種顏色的彩燈，并讓它們分別通過三個帶通濾波器通道，得到了放大的音樂信號，再通過一個放大及整流電路，得到一個直流信號，最后利用一個光耦合電路，實現(xiàn)音樂對燈光的調(diào)節(jié)。技術(shù)指標：音樂信號分為三個頻段，分別控制紅、綠、藍三種顏色的彩燈。高頻段控制藍燈。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的大小分八個等級。輸入信號最大時，彩燈最亮。規(guī)定輸入音樂信號大于10mV。(2)設(shè)計方案:通過查閱資料及請教老師，根據(jù)要求設(shè)計方案如下：選取大于10mV的音樂信號，讓其通過三個不同頻段的帶通濾波器，得到了放大的音樂信號，將這個放大的信號通過放大及整流電路，再通過光耦合驅(qū)動電路，使信號到達輸出端后輪流輸出不同電平，使得彩燈的亮暗不同，實現(xiàn)了音樂對燈光的調(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)動器耦合驅(qū)動器耦合驅(qū)動器音樂信號雙向晶閘管藍燈雙向晶閘管雙向晶閘管綠燈紅燈圖3.2音樂彩燈音調(diào)高低控制電路系統(tǒng)設(shè)計框圖四、系統(tǒng)原理圖的繪制4.1單元電路設(shè)計及電路原理圖：（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信號的三個通道。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)這樣就得到了整個帶通濾波器對音樂信號的放大增益。（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可對信號實現(xiàn)放大功能，D1,D2為整流二極管整流。當3A的同相輸入端輸入信號為正半周時D1導通并通過R2形成強的負反饋，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3A的同相輸入端輸入負半周時，D1截止，D2導通，并通過R3與4A串聯(lián)組成兩及極電壓跟隨器，使4A為負半周波形。由于運用了理想運放的輸入端虛斷，虛短和開環(huán)放大倍數(shù)無限大的理論，時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，該電路就可以進行整流。音樂信號經(jīng)整流后就會在RP上形成于音樂信號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。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，限制通過D1流入4A輸出端的電流，這兩個電阻的阻值應該在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