音乐彩灯控制器设计方案.docx

音乐彩灯控制器设计方案摘要本设计彩灯伴随音乐的节奏、大小、音调而变化的彩灯控制器。使彩灯在艺术 上有了很大的提高，本文的主要内容有以下几点：1、设计音乐信号放大电路。2、555时基电路构成单稳态实现音乐大小控制彩灯。3、555时基电路构成多谐电路实现音乐节奏控制彩灯。4、设计滤波电路，实现音乐的音调控制彩灯。关键字：555时基电路、音乐大小、节奏、音调。第1章绪论随着科学的发展，人们生活水平的提高，人们不满足于吃饱穿暖，而要有更高 的精神享受。不论是思想，还是视觉，人们都在追求更高的美。特别是在视觉 方面，人们不满足于一种光，彩灯的诞生让人们是视觉对美有了更深的认识。 但现在市面上的音乐彩灯只是按照一定的方式闪烁，让人们感觉到十分的粗糙 无味，更没有声音那样用震撼力，音乐彩灯的出现让我们既有了听觉上的享受, 更有了精神上的享受。但现在市面上的音乐彩灯只是按照音乐的一种方式闪烁, 和音乐没多大关系，根本不能称为音乐彩灯。本设计是一个音乐彩灯控制器，使其实用于家庭、商场、橱窗、舞厅、咖啡厅、 公共广场等场所的摆设、装饰、广告、环境净化与美化，本电路的最大优点是 可以实现音乐以三种方式控制彩灯的闪亮。实现了音乐大小、节奏、音调的控 制。设计任务与要求（1）设计一个音乐声响与彩灯灯光相互组合的彩灯控制电路。 （2）有三路不同控制方法的彩灯，用不同颜色的LED表示。（3）第一路为音乐节奏控制彩灯，按音乐节拍变换彩灯花样。（4）第二路按音乐大小控制彩灯，音量大时，彩灯亮度加大， 反之亦然。（5）第三路按因调高低控制彩。第2章音乐大小控制彩灯2.1系统设计思路音频在电信号中表现为多个正弦波叠加而形成。音乐的大小就表现为是演唱者 的声音的强弱起伏，它在音频信号中表现为正弦波的波峰和波谷，所以在他达 到波峰时说明他的音量大。在波谷是音量就小，所就需要一个触发电路使他在 音量大的时候就彩灯发光，音量小的时候灯灭。综合考虑：选择了 NE555够成 的单稳态电路，由于单稳态电路是低电平触发所以还需要一个反相放大器。图3-5节奏电路仿真图图3-5中斜波表示的是放大后的音频信号，方波表示的是经音频信号调谐多谐 振荡后输出的触发信号。从图中可以看出经放大后的音频信号可以调制触发信 号的脉宽，从而使触发信号驱动彩灯，并使彩灯随音乐节奏的快慢而闪亮。第4章音调高低控制彩灯4.1 音调高低控制彩灯的工作原理音调主要由声音的频率决定，同时也与声音强度有关。对一定强度的纯音，音 调随频率的升降而升降；对一定频率的纯音、低频纯音的音调随声强增加而下 降，高频纯音的音调却随强度增加而上升，所以应用滤波器滤出高频、低频， 以方便驱动彩灯发光。音调即是声音中的高音和低音，我们人类能识别的声音频率20&Z2oKHZ,所以设 置1KHZ以上为高音、以下则为低音，所以要一个高低音滤波器去驱动彩灯发光。放 大电路就和上面电路公用，电源公用一个。音频放大后经高低通滤波，送限流电阻限 流后使彩灯发光。波器高通滤波 电路低通滤图4-1音调电路结构框图音调高低控制彩灯的电路设计4.1.1 音调高低控制彩灯的主要参数计算图4-2局通电路RC有源高低通滤波器参数的计算（设上限频率"必Z）通常电容c的容量宜在微法数量级以下，R的值一般约为几百千欧内，由于电容容量档级较少，常先选用c值，再计算电阻Ri的值。选择&=&=01叱则R、= R、= ！ =r.hvC 2x3.14x1000x0,1x10 q=16KQ考虑到二价巴特沃斯滤波器的Q =6707和人=1 +心心=1.586,故有用= 0.586凡, 运算放大器两输入端的外接电阻必须满足平衡条件：R，iRa = R + R = 32K由凡=0.586&和 R3/IR& = R + R = 32K，得 =, R=33K 所以/?3=20K/?4=33K C1=C2=Q.1uF R1=R2=16K/N9O2.低通滤波电路由于高通滤波器与低通滤波器在电路结构上存在对偶关系，他们的幅频响应也 存在对偶关系，设置的频率界限为1000Hz,所以两个电路参数一样只是接法不 一样，如图4-3所示参数为Ci=C2=0.1hF,供电为R1=R2=16K R3=2DK /?4=33K、 、12V,可LED承受的电流为30m4灯泡电压为2.5V ,由u电-叱=5J?5=l?9=550n4 2 2音调高低控制彩灯的电路图音频经放大(放大电路和节奏电路合用)输入后分别送往高低通电路。高通电路：由的入经过到ui (LM358)的5脚入，滤出低频，7脚出。在LM358内滤出低频信号，高频信号从7脚出来后使Q1导通，驱动LED1发光。低通电路：由R3入经过到LM358的3脚入，滤出高频，1脚出。在LM358图4.4音调电路图图4-5音调仿真图图4.5为音调控制的输出仿真图，起伏大的线代表高通xl的波形，起伏小的线 代表低通x2的波形，当有高于1000Hz的脉冲到LM358时xl就输出波峰达到 3V的波形，而x2的波形就趋近X轴。第五章实物的制作和调试整体电路设计完成后，首先在软件上仿真，软件仿真正确，再画出PCB板，刻 出印板，安装元件，进行调试，最后实物调试成功，设计成功完成。所以，实 物的制作和调试分以下几步：软件仿真一制作PCB一元件安装一实物调试。1、软件仿真整体设计完成后，我们要进行的第一步工作就是软件仿真，测试其性能。用的 软件是Multisim 7软件，他的仿真功能十分强大。首先调试分电路，在分电路 调试完成后在调试总电路。调试方法：首先在软件中画好电路图，然后检查电路中各元件是否连接正确， 连接正确的情况下加入信号，由于此软件不能直接加入音乐信号，所以用正弦 （音频电信号是由许多的正弦波叠加而形成）代替，加入信号后观察彩灯的闪 亮情况，遇到不正常时及时修改。调试中遇到的故障：故障1：放大电路不匹配。分析：单稳态电路需要的使反向电压，无稳态使用的事完整的正弦波。解决：在两个电路使用独立放大。故障2：接地信号的交叉。分析：交流接地不能直流接地接在一起。解决：两个接地单独接地。2、PCB的制作与元件安装在软件仿真完成后，下一步工作就事制作PCB版，以方便元件的安装和实物的 调试，PCB的制作分为两部分，第一就是软件制作画出PCB图、第二步就事制 作实物印板。两步都相当重要，第一步就为方便的制作出优良的PCB做好准备, 第二步是让做出的PCB在元件安装时更方便。1、软件PCB的制作：在软件PCB制作时使用了 Protel 99 SE （它是专门制作 PCB的软件，具有强大的布线功能）。制作事首先在软件中画出电路图，连接 好各点的网络飞线，填好各元件的封装。然后生成网络表，在进入PCB的制作, 生成网络表无误时，调节各元件的位置，使其符合信号流程，以方便检修。然 后自动布线。（2）、PCB图如下：QD-*二 p tm- +t 卜|»丁 丁 1 qI 1111图5-1 PCB图、硬件PCB的制作：在画好PCB图时，1 .用复写纸将布线图复制到复铜墙 铁壁板上：复制前应先用锲刀将复铜板四周边缘锂至平直整齐，而且尺寸尽量 与设计图纸尺寸相符，并将复写纸裁成与复铜板一样的尺寸，为了防止在复制 过程中产生图纸移动，故要求用胶纸将图纸左右两端与印刷板贴紧。,先用钻床 将元件插孔钻好一一般插孔直径为1mm左右，可采用直径为1血血的钻 头较适中，如果钻孔太大将影响焊点质量，但对于少数元件脚较粗的插孔，例如电 位器脚孔,则需用直径为L2mm以上的钻头钻孔。贴胶纸：先用刀片将封箱胶 纸切成多种宽度的胶纸条后再进行贴胶，贴胶时应根据线条所通过的电流大小 及线条间的间隙来适当选择线条的宽容。一般只需采用2-3种宽度即可，为了 保证制作工艺水平，尽可能不要采用过宽或过窄，如需要钻孔的线条其宽度应 在以上，才不致于在钻孔时将线条钻断，贴胶时还应注意控制各相邻 线条的间隙不要太小，否则容易造成线条间短接，贴胶时一定超过钻孔1mm 左右，这样才能保证焊眯质量。元件的安装元件的安装：根据原理图在印制板上进行元件的安装，一定要找准相应的元件 位置再进行焊接，在焊接的时候要小心注意焊接的时间，有时候焊接时间过长 会损坏元件，因此要把握焊接是的时间。在焊接的时候焊点要合适，不宜过大 也不宜过小，也不要出现挂焊或虚焊。否则会造成电路故障。4、电路的调试安装完成后，通电并加入信号。发现彩灯常亮，检修思路：检测电源是否正常, 用万用表检测时发现电源电压只有8V,正常应当在12VO然后判断故障是在电 源电路是在电源还是负载，断开负载发现电源恢复到12VO证明故障在负载， 为了方便检修，把三个负载电路分别断开，分别通电检测Q 故障1：音乐大小电路，通电检测电压时发现点要只有8V。分析：证明电路有轻微短路，用电阻发检测各个焊点间无短路状况，证明短路在 原件，由以前的经验。电阻坏是不可能是阻值变小，只可能变大。分析电路发 现只有一个三极管和一个电容，除了就是NE555有可能坏.解决：分别取下电容和三极管检测，发现三极管的ce极的电阻为0,证明三极 管坏，换上新的三极管后，电压正常，彩灯依旧常亮。故障2 ：检测NE555的输出端，发现电压为7V,有电压跳变。但跳变时间很短, 要仔细才能分辨。分析：有可能使暂态时间过短，或限流电阻过大。解决：检测2脚调谐端，电压为交流-3V,证明各端电压正常在工作。但单稳态电 路暂态时间过短，导致我们不能识别。根据T=1.1RC可知增大电阻或电容都能 使时间变大，所以就把电容改为0.luF.再检测电路，正常。XI故障3 ：节奏电路通电和加入信号彩灯不闪动。分析：可能使电容击穿或是三极管放大有问题。解决：检测电源电压，9V正常用万用表去检测NE555的3脚，发现电压恒为0V, 无跳变，再检测2脚和6脚调谐端，V6=V2=0V,分析电路，6脚和2脚通过电 容C4接地，断电用电阻法测2脚对地电阻为0。取下C4检测，发现C4穿。换 上后电路正常。再通电在音调电路时，接通后单个彩灯闪亮，电路正常再连接各电路检测，运 行正常，调试完成。本次设计主要是应用数字电路和模拟电路的知识来设计音乐彩灯控制器。使用 了 NE555时基电路的单稳态电路和无稳态电路实现音乐节奏控制彩灯和音乐大 小控制彩灯；使用高低通电路实现音调控制彩灯。软件仿真和实物都能达到设 计要求。但这只是设计用的演示电路，如果用于实际生活和生产中，还有一定的差距， 主要表现在以下几方面：1、电压的匹配上，实验电路的电压在12V,彩灯只有2.5V,但在实际中使用的 都是220V电压，这样使用时就不是很方便。并且有了变压器重量增加，不利于 生产和运输。2、设计时用的是信号直接输入，有线连接，这样不便于安装。3、设计时用了电位器，要随时调节灵敏度，这样很麻烦。下一步的工作将进一步完善电路，使其在实际应用中更加方便，使彩灯早艺术 上更加完美。在视觉感受更加美好。参考文献1陈有卿编.555时基集成电路原理与应用.北京机械工业出版社，2006年2卢庆林编.数字电子技术基础试验与综合训练.北京：高等教育出版社.2004年3马建国编.电子系统设计.北京.高等教育出版社.2004年周良权编.模拟电子技术基础.北京高等教育出版社.2001年许莉娅编.数字电路与逻辑设计.北京北京理工大学出版社.2006年6廖先芸编.电子技术实践与训练.北京高等教育出版社.2005年7肖景和编.数字集成电路应用精粹北京.人民邮电出版社.2002年金鸿编.印制电路技术.化学工业出版社.2004年9蔡锦福编.运算放大器原理与应用,科学出版社.2005年10臧春华编.电子线路设计与应用.高等教育出版社.2004年11 .html附录1 :附图1总电路图附录2 ：元件清单图示标号元件类别参数数量T1变压器NLTPQ4-10220/12V1R1碳膜电阻430K1R2 R6 R7滑动变阻器100K3R3碳膜电阻5K1R4碳膜电阻680K1R5碳膜电阻10K1R8 R9 R10碳膜电阻1K3Rll R16 R21碳膜电阻1K3R12 R14碳膜电阻32K4R17 R18碳膜电阻32K2R13 R19碳膜电阻168K2R15 R20碳膜电阻100K2C1瓷片电容0.022UF1C2 C5 C6瓷片电容O.OluF3C7 C8 C9瓷片电容O.OluF3C3瓷片电容0.47uF1C4瓷片电容4.7uF1CIO瓷片电容O.O33uF1C11电解电容25V/1000uF1QI三极管90141D9整流二极管1B4B424UI三端稳压78091U2 U3555定时器NE5552U4十进制计数译码CD40171U5运算放大器LM3581音乐的节奏往往是由乐队的鼓点来体现，实质上是具有一定时间间隔的脉冲信 号。根据设计要求，彩灯要随着节奏闪亮，需要一个触发电路来检测脉冲信号 并产生计数脉冲。根据要求选择了 NE555构成的无稳态触发器，由于触发器的 触发电压比音频信号的高就还需要一个放大电路，有触发信号后就还需要计数 器和译码器来使彩灯闪亮。音调主要由声音的频室决定，同时也与声音强度有关。对一定强度的纯音，音 调随频率的升降而升降；对一定频率的纯音、低频纯音的音调随声强增加而下 降，高频纯音的音调却随强度增加而上升，所以应用滤波器滤出高频、低频。 以方便驱动彩灯发光。m 1 音频反 |单稳态|限流电| I LED I 向放大 I豳爱If I I I低通滤 波器图2-1总体框图信号源经放大器放大后输出分别送往：（1）单稳态触发器，输出脉冲信号通过 驱动电路来驱使彩灯发光；（2）多谐振荡器脉冲输出到计数器，计数脉冲通过 计数和译码驱使彩灯发光；（3）送往高低通电路，取出所需要频段信号后驱动 彩灯发光音乐大小控制彩灯的工作原理音乐的大小，是原唱者的声音的强弱起伏，它在音频信号中表现为正弦波的波 峰，所以在他达到波峰时说明他的音乐大。在波谷是他就小，所以就需要设计 一个触发电路，由声音的强弱控制，根据要求使用了 NE555时基电路中的单稳 态电路，触发后驱动LED发光。由于音频电压过小，所以还要设计一个放大电 路。电源电路图2-2音乐大小音乐大小控制彩灯的电路实现.2.2.1 电源电路设计单稳态电路的工作电压在318V之间，选取12V电压为电源电压，所以设计时 使用220V交流电压经过变压后得到12V的交流电压，再经过桥式整流、整流滤 波后由三端稳压7812稳压为12V,供给各个电路元件使用。1.电源电路结构常见小功率直流稳压电源系统由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路 等四部分组成，如图2-3所示：图2-3电源电路结构图稳压电路根据调整元件类型可分为电子管稳压电路、三极管稳压电路、可控硅 稳压电路，集成稳压电路等。根据调整元件与负载连接方法，可分为并联型和 串联型。根据调整元件工作状态不同，可分为线性和开关型稳压电路。本电路 主要采用集成三端稳压电路。图2-4电源电路2电源电路参数计算(1)桥式整流二极管参数计算 正向平均电流：If N Id = O = ； 308 九 4 = 54 mA最大反向电压：UrM N L6?(max) = 41U2 = v'2 x IV « 10F(2)滤波电容参数：Ti(3-5)y (3-5)yX20xlQ-3Cl 2-=* RL27.3= 0.001-0.00183F=10001830gFm c2=iooo"电容耐压：UCM > 42U2 = 2V取2 25 v,故电容参数为 C:1000(jF/25Vo通过稳压管7812后稳压为12V,提供给各个电路。2.3.3放大电路由于555单稳态电路是低电平触发，所以设计时采用了反向放大，三极管起反向作用, 放大电源由阳可得如图2-5所示。4、9。工4输出 端T图2-5放大电路VT (9014) b-e极承受的极限电压在0.7V,最大电流为0.1A,所以根据基尔霍 夫定理得：U-Uk = Uh U-NR = Um9可得：/?i=330KRP为调谐电阻，由于单稳态电路的触发电压在Vdd/3左右，所以调整555的2脚电压 Vdd /在3上下波动，这样才能是单稳态电路触发，由于电阻可变放大倍数不用计算，Vdd /9014的放大倍数在1001000之间足以使电压达到单稳态所需的7 3=4VO.单稳态电路：由于电容的容量和耐压不好选，所以就先选电容为。1二0022"¥,设单稳态的暂态 时间为 £=°l 123m*。根据公式:t=l.lRC得0.1 = 1.1x0.022x10 6&所以&取5k.限流电阻&的计算由于U2的脚电压匕为2V, LED的承受电流为30mA,取R的最大取值为：&二人 2-30mA = 30" =6670&=680Q2.3.2音乐大小控制彩灯的电路图的设计实现设计电源电路为了 NE555提供稳定的直流电源12V ,设计NE555时基电路构成 单稳态触发电路，经过限流电阻，点亮电路用LED发光二极管。图2-6音乐大小电路图音频输入后，经过由VT组成的音频放大器电压放大。555时基电路与电阻”3、电容 接成典型的但问他了工作模式，由于“3、的取值较小，所以暂态时间非常短，£=L1R3c3 = 123.42*、限流电阻“3构成保护电路，去驱动led闪亮。Vdd /音频输入时，经VT反向放大，使时基电路2脚电平在73上下波动。当电位Vdd !不大于,3时，时基电路置位，进入暂态，3脚输出高电平，晶闸管导通，LED发光。由于暂态时间很短，很快又翻回稳态，LED彩灯熄灭，也就是说彩灯 不会有停滞状态，它能随时基电路的2脚电平即音频电信号的变化而变化°当 变阻器的电阻越小，静态时555的2脚电平越高，电路的声控灵敏度就越低， 所以根据需要调节变位器。仿真实验：可知，音频信号经过放大之后进入单稳态集成电路.从图2-6可以看出正弦波处 于正半波上升沿是，单稳态触发并输出信号，由此可知当音乐音量大小改变时,正弦波增大，那么彩灯闪亮的速率加快，音量减小时，波的幅度减小，彩灯闪 亮减慢或停止。第3章音乐节奏控制彩灯3.1 音乐节奏控制彩灯的工作原理.-> 叁谐振 汤音乐的节奏往往是由乐队的鼓点来体现，实质上是具有一定时间间隔的脉冲信 号。我们的目标是要彩灯按照节奏依次闪亮。因此，设计了一个多谐振荡器， 由音乐信号调谐，产生计数脉冲，使彩灯循环点亮的速率随音乐的节奏而改变。 有了节奏脉冲，还应有计数和译码，这样才能依次点亮彩灯。LED点亮时，由 于脉冲电流过大所以还需要限流电阻保护LED。由于在触发节奏脉冲的电压比 输出的音频信号大，所以还需要一个音频放大电路。电源与上电路公用一个。 电路工作原理：音频信号输入后经过放大电路放大后进入多谐振荡调制其频率, 乏谐振荡产生出脉冲信号后送计数器计数后译码，再送入驱动电路驱动彩灯闪 亮。音频放 大图3-1节奏流程框图3.2 音乐节奏控制彩灯的实现音乐节奏控制彩灯的主要参数计算1、音频放大电路放大电路使用共集电极放大：工作电压为12V,三极管为9014, 9014的放大倍数在 100-1000，而b-e极电压小于0.7V才能饱和导通，所以用1M的电阻使电压适合于三极 管的放大。由于9014承受的最大电流014,& = 5.1K。2、无稳态电路图3-2无稳态电路该电路工作电压幺C设为12V,当&远远大于小时，D = 50%,此时输出的波形为理想 对称的方波，所以此使用i°°k的可变电阻，这样实现了方波，也使可以调节电路 的灵敏度。C1在充、放电过程中，其电压在VCC的1/3到2/3之间变化，所以时基电路3脚输出 高电平的时间L可用以下式表示(即充电周期)，即ti = -(R> + R2)Ciln(VDD -1 Vdd)= (Ri + R2)Ciln2«0.639(Ri + R2)Ci3脚输出低电平时间12 (即放电周期)：t2 = 0.639R2cl 振荡周期 了T=£1+£2 = °，639(R1+2R2)C1 振荡频率为广： 二1/7、144(1?1+21?2)。1输出脉冲占空比。； D=£1/T=(R1+R2)/(R1+2R2>根据以上公式可以求出rl、cl、c2, 由于电容在市场上的型号不多。所以就选相近的c1=0,47*F,C2 = 4.7mF。 3其他电路CD4017的供电的电压为3V 15V为了方便电源供电就选用12V作为供电电压。 LED的供电电压为3V,电流为15mA,所以要串联一个稳压电阻，由基尔霍夫定理得： U 一 Ul 一14,所以R 4=60003.2.2音乐节奏控制彩灯总电路实现三极管构成放大电路,放大后送振荡电路。用NE555够成自激振荡器送出方波， 即是脉冲信号，计数器和译码器用CD4017,他集成了计数和译码两项功能，减 小了电路，节约了成本，经过限流电阻LED发光。 IMOhmQIBJT NP1 VIRTUAL8VCCRSTDISTHRTRIT1R2LkOhmKey IkOhx丁S.lkOhmOUTUICD4017于123436789DD/ C BABCDCON7442NR7IkOhitC2 luFCl 土luFGNDKey = A SO% IkOhm图3-4节奏电路图晶体管QI组成音频放大器，他将音频信号加以放大，然后通过电容C2电位器R3力口到ME555时基电路的5脚，对555构成的振荡器进行调制。CD4017为十进制计数器，其CP端输入的计数脉冲来自NE555时基电路组成的多谐振荡器。当CP端源源不断地输入计数脉冲时，它的输出端Q1-Q9就依次循 环输出局电平。使彩灯LED1LED1O依次点亮。调节电位器，R1因改时基电路U1的振荡频率, 故使彩灯LED1LED4的循环速率。音频信号经过Q1放大、通过RP2加到A1的5脚，因改变5脚电平的高低，使555的阀值翻转，电平发生变化，即对振荡器 频率进行调制，亦使U1的振荡频率随音乐的频率而变化，所以LED1LED4的 循环点亮的速率又随音乐的节奏而改变。调节Ri的阻值，则可调节电路的灵