数电课程设计报告--- 音乐彩灯控制器

1、 电子技术课程设计题目名称： 音乐彩灯控制器 1. 设计任务和要求(1) 任务设计一种组合式彩灯控制电路，该电路由三路不同控制方法的彩灯所组成，采用不同颜色的发光二极管作设计实验。(2) 要求 第一路为音乐节奏控制彩灯，按音乐节拍变换彩灯花样。 第二路按音量的强弱（信号幅度大小）控制彩灯。强音时，灯的亮度加大，且灯被点亮的数目增多。 第三路按音调高低（信号频率高低）控制彩灯。低音时，某一部分灯点亮；高音时，另一部分灯点亮。 摘 要随着现代社会经济的飞速发展和夜市的兴起，各种彩灯装饰层出不穷，给城市的夜间带来绚丽的色彩。夜间漫步于城市的每一个角落，触目可及变幻莫测、摇曳生姿的各式彩灯，无一不诱惑

2、着人们好奇的双眼。门面店铺灯光装潢大都采用时明时暗或部分循环点亮的流水模式，有新意的要属那些旋转上升变化的广告装饰灯。在公园里有树状的彩灯，它从底部开始亮起，然后快速沿枝干向上窜升，到达顶端后向各处散开，远远望去犹如仙女散花，煞是好看。有音乐的娱乐场所，比如说舞厅，酒吧间和咖啡厅的彩灯会随着悠扬的音乐闪烁生辉，这些场所的灯光一般比较幽暗，更加显得彩灯扑朔迷离、捉摸不定，一如可望而不可即的魑魅。而气势磅礴、规模宏大的当然是大型的节日彩灯，把许多组彩灯进行不同的组合，便得到花样众多的主题字型或代表喜庆吉祥的图案。这些彩灯不仅增添了节日的气氛，而且丰富了人们多姿多彩的生活。 本文介绍的彩灯控制器是一

3、种组合式彩灯控制电路。声控彩灯是音乐声响与彩灯灯光的相互组合，使音乐的旋律伴以亮度、颜色和图案不断变换的灯光，使人的视觉和听觉结合在一起获得综合的艺术享受。本设计伴随音乐的节奏、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：设计音乐信号放大电路；设计滤波电路，实现音乐的音调控制彩灯；555基本电路构成单稳态实现音乐大小控制彩灯；555基本电路构成多谐电路实现音乐节奏控制彩灯。 其次本文还详细阐述了音乐彩灯控制器的结构和功能，并对各组成部分的工作原理进行了比较详细的分析，而且对各组成部分的附加元件的参数设定也做了较为严密的计算。 关键字：音乐的强弱 节奏

4、音调 彩灯控制器 整流滤波 高低通滤波 555基本电路 一方案设计(1) 设计思路根据课题要求，本控制器可分别用三部分电路实现。音乐的节奏往往由乐队的鼓点来体现，实质上它是具有一定时间间隔的节拍脉冲信号。因此，可采用计数、译码驱动电路构成节拍脉冲信号发生器（或称时间顺序控制器），使相应的彩灯按节奏点亮和熄灭。为实现声音信号强弱的控制，应该将声音信号变成电信号，经过放大、整流滤波，以信号的平均值驱动彩灯发亮。信号强，则灯的亮度大，且点亮灯的数目增多。为实现高、低音（不同频率信号）对彩灯的控制，采用高、低通有源滤波电路。低通滤波器限制高音频信号通过，而高通滤波器限制低音频信号通过，分频段输出信号，

5、经过放大驱动相应的发光二极管点亮。(2) 控制器原理框图 采用运算放大器或555定时器构成多谐振荡器，产生矩形波信号作为计数器的时钟脉冲。 计数器输出经译码器可得多路译码输出信号，再通过驱动器使相应的彩灯点亮。 采用动圈式话筒或者扬声器，将声响信号变成电信号输出，并经放大器将其放大。由于音频信号的频率高于发光元件的响应频率，为使发光元件有适当的显示时间，可加入延时电路，减少发光元件闪烁现象。 人耳听觉范围的信号频率在20Hz-20kHz，为简单起见，可将音频信号分成两个不同频段，分别用低、高通滤波器来区分这两段频率信号，然后经驱动电路使音响放大器的设计。控制器原理图2 具体方案的分块实现 .1

6、. 节奏控制彩灯 1.1乐节奏控制彩灯的工作原理.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，还应有相应的计数器和译码器，这样才能依次点亮彩灯。当绿色的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，多谐振荡产生出脉冲信号后送计数器计数后译码，再

7、送入驱动电路驱动绿色的LED彩灯闪亮。图1-1节奏流程框图1.2音乐节奏控制彩灯的实现1.2.1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1001000 ,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,。 2、无稳态电路 图1-2 无稳态电路该电路工作电压设为12V，当远远大于时，,此时输出的波形为理想对称的方波，所以使用的可变电阻，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，其电压在的1/3到2/3之间变化，所以时基电路3脚

8、输出高电平的时间可用以下式表示（即充电周期），即3脚输出低电平时间（即放电周期）: 振荡周期： 振荡频率为： 输出脉冲占空比： 根据以上公式可以求出、，由于电容在市场上的型号不多。所以就选相近的,。3 其他电路CD4017的供电的电压为3V15V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-U=U, 所以=6001.2.2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

9、本，经过限流电阻使绿色的LED发光。图1-3节奏电路图用BJT晶体管Q1组成音频放大器，他将音频信号加以放大，然后通过电容C2，滑动变阻器R3加到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就依次循环输出高电平。使彩灯LED1LED10依次点亮。调节滑动变阻器，因改时基电路的振荡频率，故使彩灯LED1LED4的循环速率。音频信号经过放大、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

10、，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。调节的阻值，则可调节电路的灵敏度。 2.音乐的音量强弱控制彩灯的工作原理音乐的音量强弱，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，触发后驱动红色的LED发光二极管发光。但由于音频电压过小，所以还要重新设计一个放大电路。图2-1音乐的音乐强弱2.1乐的音量强弱控制彩灯的电路实现.2.1.1电源电路设计单稳态电路的工作电压在318V之间，选取

11、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2-2所示。图2-2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2-3电源电路2.1.2 电源电路的参数计算（1）桥式整流二极管参数计

12、算正向平均电流： 最大反向电压： （2）滤波电容参数：取C2=1000F电容耐压：取V,故电容参数为C:1000F/25V。通过稳压管7812后 稳压为12V，提供给各个电路。2.1.3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，放大电源由可得如图2-5所示。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-U=U U-IR=U 可得： =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脚电压在Vdd/3 上下波动，这样才能是单稳态电路触发，由于电

13、阻可变放大倍数不用计算，VT(9014)的放大倍数在1001000之间足以使电压达到单稳态所需的Vdd/3 =4V。 图：2-7放大电路仿真图3单稳态电路：图2-7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，设单稳态的暂态时间为。根据公式： 得 所以取5k4.限流电阻的计算由于的脚电压为2V，LED的承受电流为30mA，取的最大取值为：=667 =6802.1.4音乐的音量强弱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，点亮电路用红色LED发光二极管。图2-8音乐的音量强弱的电路图音频输入后，

14、经过由VT组成的音频放大器电压放大。555时基电路与电阻、电容接成典型的但问他了工作模式，由于、的取值较小，所以暂态时间非常短，。限流电阻构成保护电路，去驱动红色的LED闪亮。音频输入时，经VT反向放大，使时基电路2脚电平在 1/3V上下波动。当电位不大于1/3V 时，时基电路置位，进入暂态，3脚输出高电平，晶闸管导通，红色的LED发光。由于暂态时间很短，很快又翻回稳态，红色的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。 3.调高低控制彩灯3.1

15、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，以方便驱动蓝色LED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2020,所以设置1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蓝色LED彩灯发光.图3-1音调电路结构框图3.2音调高低控制彩灯的电路设计3.2.1 高通/低通滤波电路 由运算放大器

16、构成的高通/低通滤波电路如图3.2.1（a）所示，它由高通滤波器和低通滤波器两部分组成。高通滤波器使低于特定截止频率fc的所有频率衰减，而让高于fc的频率通过；低通滤波器则相反，它使高于特定截止频率fc的所有频率衰减，而让低于fc的频率通过。语言或音乐是频率处于2020000Hz之间的声振动，因此取高通/低通滤波器的截止频率为fc=1kHz。此电路的高通滤波器是一个二阶无限增益多路反馈有源RC滤波器。信号从反向端输入，电容C31和R31电阻构成一个分压器。当Vo2的频率低于fc时，C31的容抗很大，降压大部分Vo2，R31上的电压降很小，并且由于电路是跟随器，所以VH也低；当Vo2的频率增加到

17、高于fc时，C31的容抗很小，使更多的Vo2降到R31上，因此VH变得较大。 设定高通滤波器的增益AV=1，品质因数Q=0.707（为衰减系数），则高通滤波器的图3.2.1（a）高通/低通滤波电路 各特性参数为： AV = 根据fc=1kHz，取C31=C32=0.1F=C； 由AV=1可得电容C33=C31/AV=0.1F； R31 = = Q（1+2AV）= 0.707×= 33763.4k R32 =750 此电路的低通滤波器部分是一个二阶无限增益多路反馈有源RC滤波器。电路接成一个电压跟随器，在反向输入端的电阻R33和电容C34构成一个分压器。对于低于fc频率的Vo2，电容的

18、容抗很大，几乎所有的Vo2都降到C34上，Vo2大，VL也大，对于这些较低频率的输入信号，级增益最大。如果Vo2的频率增加到高于fc，电容器的容抗减小，大部分Vo2降到电阻上，结果，电容把较多的Vo2分流到地，则Vo2小，VL也小。设定该低通滤波器的增益AV=1，品质因数Q=0.707（为衰减系数），则低通滤波器的各特性参数为： AV= 根据fc=1kHz，取C34=0.1F=C，则C35=C=0.2C=0.02F； R35 = 计算可得： R35=81468.1k 或 R35=31093.1k R33=8.1k或3.1k R34=将R35=8.1k 和 R35=3.1k分别代入可得： R34

19、=15631.6k 或 R34=40854.1k根据以上计算，我们取其中一组数据，即：R35= R33=8.2k， R34=1.5k。高通/低通滤波电路将输入信号Vo2分两个频段输出，即高通滤波器让频率高于1kHz的输入信号通过，再经放大后驱动其中一部分彩灯发亮；而低通滤波器则让低于1kHz输入信号通过，经放大后驱动另一部分彩灯发亮。由此达到以高、低音控制彩灯的目的。 电脑作图：高低通电路到此，整个彩灯控制器设计完毕，上述部分包括了彩灯控制器的各个功能对应的电路，从图中可具体了解到不同功能又怎样的电路构成从而得以实现。元件清单图示标号元件类别参数数量T1变压器NLTPQ4-10220/12V1

20、R1电阻430K1R2 R6 R7滑动变阻器100K3R3电阻5K1R4电阻680K1R5电阻10K1R8 R9 R10电阻1K3R11 R16 R21电阻1K3R12 R14电阻32K4R17 R18电阻32K2R13 R19电阻168K2R15 R20电阻100K2C1电容0.022uF1C2 C5 C6电容0.01uF3C7 C8 C9电容0.01uF3C3电容0.47uF1C4电容4.7uF1C10电容0.033uF1C11电容25V/1000uF1Q1三极管2N9101D9整流二极管1B4B424U1三端稳压78091U2 U3555定时器NE5552U4十进制计数译码CD40171

21、U5运算放大器LM3581总的电路图如下图所示： 三设计收获、体会和建议 课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在短短的一个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识，比如说在此次课程设计中我基本上学会了Multisim仿真软件的用法。通过这次数电课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理

22、论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做数电课程设计，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。 这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在自己不懈的努力和同学的帮助下，终于迎刃而解。同时，在老师和同学的身上我学得到很多实用的知识。总体来说,这次实习我受益匪浅.在摸索该如何设计程序使之实现所需功能的过程中,特别有趣,培养了我的设计思维,增加了实际操作能力.在让我体会到了设计的艰辛的同时,更让我体会到成功的喜悦和快乐. 这次课程设计,虽然短暂但是让我得到多方面的提高：1、提高了我们的逻辑思维能力，使我们在逻辑电路的分析与设计上有了很大的进步。加深了我们对组合逻辑电路与时序逻辑电路的认识，进一步增进了对一些常见逻辑器件的了解。另外，我们还更加充分的认识到，数字电路这门课程在科学发展中的至关重要性。2，查阅参