彩灯控制器方案设计书.docx
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彩灯控制器方案设计书
电子技术课程设计
一．设计题目
课题：
音乐彩灯控制器
彩灯因为它的色彩而为人的视觉带来了美的享受，可以缓解人的疲劳和紧张心情，当下已经随处可见它的足迹了。
而音乐则是为大家接受的休闲方式，他能安抚认得听觉，让人随着音乐的节奏，音高，音调起伏，而身心放松。
于是可以设想将二者合二为一的效果，既可以听音乐而且在听音乐的同时还能观赏到随着音乐变化而发生相应变化的灯光效果和图案，这种既有视觉又有听觉的享受，将为人们带来更加丰富的休闲效果。
本实验的主要课题是设计出一个彩灯控制器电路，通过对输入的音乐信号的三种处理来达到控制彩灯的效果，分为对音调，音量响度和节奏。
二．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
①第一路为音乐节奏控制彩灯，按音乐节拍变换彩灯花样。
②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。
③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
。
三．题目分析及内容摘要
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。
是听众在听音乐的同时还可以观赏到丰富多彩的彩灯变化，制造出视觉与听觉的双重享受。
本文主要包括以下内容：
1、设计音乐信号放大电路，将输入的音频信号放大后输入到控制器。
2、555定时器构成单稳态输出实现音乐大小控制彩灯。
3、555定时器构成多谐振荡器实现音乐节奏控制彩灯。
4、高阶滤波电路，过滤音乐中的高音和低音信号，控制相应彩灯明灭。
6、设计与改进，通过Multisim11仿真实验达到听与看的和谐。
关键字：
音乐控制器节奏、音调、音量555定时器放大器彩灯
四．整体构思或方案选择
（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。
①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。
可用脉冲检测电路来检测音乐新号输入的脉冲数目，然后按照节奏反馈，用计数和译码电路来驱动彩灯明灭。
而在数入信号前，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。
因此，可采用放大器，多谢振荡器，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），接到LED上控制其发光。
②为实现声音信号强弱的控制，应该先将声音信号变成电信号。
声音信号以波形文件储存，大的音量在波形信号上就是其波峰而波谷对应低音量，因此可以利用单稳态触发器的性质来实现对相应信号的波形变换，输出高低电平的方波信号来驱动彩灯电路，又因为单稳态触发器是低电平触发输出高电平，鼓在前级还要加入反相器。
③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，经过放大驱动相应的发光二极管点亮。
（2）控制器原理框图
控制器原理图
①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。
②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。
③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。
④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。
五．具体实现
1、设计音乐信号放大电路，将输入的音频信号放大后输入到控制器。
2、555定时器构成单稳态输出实现音乐大小控制彩灯。
3、555定时器构成多谐振荡器实现音乐节奏控制彩灯。
4、高阶滤波电路，过滤音乐中的高音和低音信号，控制相应彩灯明灭。
6、设计与改进，通过Multisim11仿真实验达到听与看的和谐。
先自行设计绘图，然后运用仿真软件进行仿真和修改。
在仿真的过程中可以找到电路中的欠缺部分，并进行改进。
本设计的总体原理图在本实验的第六部分可查阅。
六．各部分定性说明以及定量计算
6.1音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。
首先将输入的音频信号放大，已达到可输入下级的电压大小，经过多谐振荡器
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，将译码器的输出端传送到彩灯端驱动电路驱动彩灯闪亮。
节奏流程框图
多谐振荡器
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150k阻，这样可以调整振荡周期。
C1在充电过程OUT端口输出高电平：
t1=0.7*（R1+R2）*C
OUT端输出低电平放电周期:
T2=0.7*RC
振荡周期
：
T=t1+t2=0.7*（R1+R2）*C
振荡频率为
：
f=1/T
根据以上公式可以求出
、
、
选择现在常用型号作为实验对象。
2.放大器原理
运用共基集放大器的电路，电路的放大倍数为：
Av=βR/r（be）
计算后如下电路中的结果
3.计数和译码电路
计数器采用74LS162芯片相应使能端接成技术功能，于是会输出0-9对应的二进制码，比并将输出状态传至译码器74LS42二-十进制译码器，译码器输出端口为低电平有效，因此接到二极管的负极端，而二极管的正极端口统一接到高电平。
这样就可以根据节奏随时间的变化来驱动相应的二级管发光。
4.整体电路图如下：
BTJ组成音频放大器，将音频信号加以放大，然后通过电容C1电位器R3加到ME555时基电路的5脚，对555构成的振荡器进行调制。
74LS162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的输出。
其输出为二进制码，输出译码器，驱动相应的二极管亮。
通过调节滑动变阻器，调节振荡频率，改变彩灯LED1～LED4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，亦使U1的振荡频率随音乐的频率而变化，所以LED1～LED4的循环点亮的速率又随音乐的节奏而改变。
因而可以达到节奏控制led灯得效果。
6.2音乐音量控制彩灯工作原理
音乐的音量，在输入的电信号波形上音量的大小显示为波峰与波谷，高的音量极为波峰，而低的音量即为波谷。
所以设计用音频信号来驱动单稳态触发器，输出方波电平。
然后连接至LED灯，使之随着音频信号的音量强弱而改变发光。
由于音频信号不足以驱动单稳态触发器因此在前级去加上放大，且单稳态触发器是低顶电平触发暂稳态，因此应该结尾反向放大器。
6.2.1放大电路
原理图如下，可采用相应的晶体管够成图中的集成运放。
而运放的电阻比例即是相应电压的比例。
如图所示：
放大倍数为：
Av=Uo/Ui=R2/R1
放大倍数在100-500之间可以达到足以驱动单稳态放大器的电压4v-5v即可。
6.2.2单稳态电路
单稳态电路中输出高电平的时间：
t=1.1*RC
周期应该达到0.1秒以上，超过人得视觉暂留时间，及可以分辨出led灯光的明灭。
数据的选择如图所示。
另外时间按应该尽量的长一些。
6.2.3限流电阻的选择
发光二极管压降小于输出电压，股可以根据基尔霍夫定律计算：
R=（Ucc-Ud）/Id
得到R=670Ω.
6.2.4音量控制器整体电路图
原理在上面基本上已经讲清楚。
由图可见采用的集成运放模型输入在放大器的负端，这样输出即被反向，以适应单稳态触发器的低电平触发特性。
当前级输出低电平送到单稳态触发器的Ui端口上既可以在在低电平时候使C1充电，此时输出高电平，二极管发光。
在电容的电压达到2/3Ucc时候发生跳变输出低电平，此时二极管熄灭。
可见二极管随着音量强度，亦即波峰的到来而明灭，达到预设的效果。
6.3音调高低控制彩灯的工作原理
声音的音调高低主要有声音的频率决定，人的听觉范围是20-20000HZ，二人的发声的频率范围大概在20-16000HZ。
因此，要用音调的高低来控制了的灯的明灭就要将声新信号分频，设计才用低通和高通滤波器将输入信号进行滤波，而输出端上分别对应不同的LED灯的明灭，这样就可以达到控制。
实际电路中首先应该将音频信号方大以适应单稳态触发器的触发信号，再将输入信号分两路分别输入到滤波器，然后将滤波器的输出信号转换去驱动LED灯。
原理框图如下：
6.3.1低通滤波器
如图设计为四阶滤波器，R=1/（2πfc）可得：
R1,R2,R5,R6=602.8kΩ
由巴特沃斯放大器的放大比例Av=A1*A2=2.575
取其低频的范围是f<800HZ,可以计算出C=0.33uF
可频率在80HZ左右开始下降，显示出低通的效果。
6.3.2高通滤波器
如图设计为四阶巴特沃斯高通滤波器，R=1/（2πfc）可得：
R1,R2,R5,R6=602.8kΩ
由放大器的放大比例：
Av=A1*A2=2.575
取其低频的范围是：
f>800HZ,可以计算出C=0.33uF
有仿真图可见的在800HZ以下的频段基本被滤去，显示了滤波器具有较好的高通效果。
6.3.2音调控制器总图电路总图
本实验设计中只设计了高通和低通，以800HZ为分频点。
定位高于800HZ为高频，既是声音中的高音部分。
低于800HZ为音频信号的低频部分，既是声音的低音部分。
实际效果中还可以设置带通滤波器，选出自己需要的频段，这样可以精确的将声音的各个部分从整个音频信号中分辨出来，用来控制不同的彩灯系列。
若使用多个频段的滤波器就可以控制多个彩灯，营造出美轮美奂的视觉效果。
6.4音乐彩灯控制器总体电路图
实际运用中可以增减彩灯数目，在总图中由于空间有限，不能接过多的彩灯二极管。
实际上可以在74LS42端等接更多盏灯，这样就可以通过音乐的变化显示出不同图案，显得跟美观大气。
在仿真实验中，输入一个低频或高频的心好能够达到相应效果，可见三路led灯均有明灭。
6.5元件清单表
元件清单
图示标号
元件类别
参数
数量
T1
变压器
NLTPQ4-10220/12V
1
R1
碳膜电阻
494
1
R2R6R7
滑动变阻器
150K
3
R3
碳膜电阻
5K
1
R4
碳膜电阻
670
1
R5
碳膜电阻
10K
1
R8R9R10R12
碳膜电阻
487
3
R23R13
碳膜电阻
9.42K
1
R24R14
碳膜电阻
62K
2
R28R18
碳膜电阻
20K
2
R27R17
碳膜电阻
24.7
2
R19～R26
碳膜电阻
602.8
3
R29～R30
碳膜电阻
5.1
4
C1C2
瓷片电容
10Uf
2
C3
瓷片电容
1Uf
1
C4C5C6C8
C9C10C11C12
瓷片电容
0.33Uf
8
U5
运算放大器
LF412
3
Q2
三极管
9014
1
A1A2
555定时器
NE555
2
U3
十进制计数译码
74LS162D
1
U2
8421BCD码译码器
74LS42
1
Led1
发光二极管
蓝色
1
Led2、3、5、8
发光二极管
绿色
4
Led4
发光二极管
黄色
1
Led7
发光二级管
橙色
1
七．设计收获、体会和建议
心得与体会：
这次电路设计经历了一个完整的过程，从最开始的查找相关资料，构想电路框图，到最后设计各个电路模块，画出完整电路图，在Multisim11上面仿真实验，确实对整个设计过程有了一定了解。
特别是尝试做仿真实验的过程中学会了一些MultisimD的使用技巧，收获不小。
实际电路从某种意义上来说就像是程序设计中的模块话，每个部分起到自己的作用，然后整合在一起形成一个可以被用户利用的程序。
而电路设计中，例如这次的彩灯控制器亦是如此，彩灯控制器分为三路，既是音量、音调、节奏三个部分，分别用不同的电路来实现。
然后坐在一张电路板上就可以用来控制输入声音的各个部分。
因此要学会将设计题目分解成模块再用相应的控制电路趋势线可以使整个设计变得有条不紊。
另外，对于模电、数电知识中几个部分有了深入的认识。
例如用BJT实现共基集、共射极放大电路。
用计数器和译码器来实现脉冲控制的功能。
通过这个设计更加深入了解他们在实际应用中的作用。
因此，多那仿真软件来做实验研究各个电路的特性有利于自己读他们掌握的更加深刻，运用的如鱼得水。
意见：
实际上这次设计的电路还有相当一部分可以改进的地方。
1.可以在音调这一路上面使用更多的带通滤波器，而不仅仅是将高频和低频部分过滤出来，而且可以根据自己的分配选出任意频带的信号，以驱动更多不同通路得灯，想必可以制造更加炫目的效果。
2.在音乐中没中越器都有自己频率，可以通过频带选择与相应乐器控件感想适应，这样看起来就像是来自相应的才灯法出的声音，显得有动感。
3.对于节奏部分，可以用滤波器将鼓和BASS部分的低频信号过滤出来，再将它放大，然后经过单稳态触发器将其波峰对应的部分产生高电平驱动后极电路。
这样听起来就像是随着鼓的敲击而闪光，更加有节奏感。
4.最后对于驱动的的彩灯电路课以实现摆好不同的形状，那么当现在想死的音乐场景中就可以自动产生富有现实意义的才灯图案。
八．参考文献
【1】电子技术基础.数字部分.（第5版）康光华编.高等教育出版社，2006年
【2】电子技术基础.模拟部分.（第5版）康光华编.高等教育出版社，2006年
【3】555时基集成电路原理与应用.陈有卿编.北京机械工业出版社，2006年
【4】数字电子技术.吴建国.张彦主编.华中科技大学出版社，2010年
【5】电子系统设计.北京.高等教育出版社.马建国编.2004年
【6】测量电子电路设计——滤波器篇..科学出版设.2006年
【7】电子技术实验.郝国法.梁柏华编冶金工业出版社.2009年
【8】运算放大器原理与应用.蔡锦福编.科学出版社.2006年
【9】数字电路与逻辑设计.许莉娅编.北京北京理工大学出版社.2006年
【10】数字电路课程设计及实验.李维编.大连理工大学出版社.2008年
【11】数字电路与逻辑设计实验.张亚君.陈龙编.机械工业出版社.2008年
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