电力电子技术课设计.docx

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电力电子技术课设计

编号：

电子技术课程设计

报告书

课题：

迷你音乐彩灯控制器

院（系）：

机电工程学院

专业：

电气工程及其自动化

学生姓名：

胡秋兰、卢惠慧

学号：

0800120301、0800120302

题目类型：

理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发

20010年01月09日

前言

迷你音乐彩灯控制器即声控音乐彩灯是音控声响及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、听觉结合在一起获得综合的艺术享受。

可以通过对声音的频率、输出信号的幅值等控制来实现不同颜色或不同的位置的灯亮，从而实现各种彩灯随着音乐节奏和频率、幅值等变化而变化。

本系统通过计数译码使绿色灯随着音乐的节奏来改变花样，通过低通电路和幅值比较以及高通电路和幅值比较来改变红色灯的花样，通过幅值比较来控制黄色灯的花样等四路电路设计。

引言

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。

特别使在视觉方面，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。

实际的彩灯供电电压为220V，本系统采用低电压供电声控发光二极管来模拟实际的音乐彩灯控制电路的效果。

设计任务以及指标要求：

（1）设计一种组合式彩灯控制电路，该电路由于路不问控制方法的彩灯所组成色的发光二极管作课题实验。

（2）第一路为音乐节奏控制彩灯，按音乐节拍变换彩灯花样。

（3）第二路按音量的强弱（信号幅度大小）控制彩灯。

强音时的数量增多。

（4）第三路按音调高低（信号频率高低）控制彩灯。

低音时，某—部分灯点亮；高音时，另一部分灯点亮。

第一章系统概述

本系统是基于声音控制的迷你彩灯控制电路。

1.1方案设计

根据要求可以采用传感器来采集声音信号，也可以采用mp3等音频输入来采集声音信号。

对mp3音频输出的测量得知，一般的音频输出幅值最大可达到60mv以上。

考虑传感器采集声音信号的各种条件和影响因素，比较两种采集方案的可行性和优劣，采用mp3等音频直接输入的方案更优更简便。

因此本方案采用直接输入mp3音频的方案。

根据课题要求，可将控制器分为三部分来实现：

音频在电信号中表现为多个正弦波叠加而形成。

（1）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。

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。

由于音乐的节奏是具有一定时间间隔的节拍脉冲信号。

因此，可采用电压比较器、计数、驱动电路构成节拍脉冲信号发生器，使相应的彩灯按节奏点亮和熄灭。

（2）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。

采用不同的比较电压的电压比较器来点亮不同的彩灯，从而现实声音信号强弱的控制。

（3）音调主要由声音的频率决定，同时也及声音强度有关。

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。

于是可以在高、低通控制电路中同时加装不同比较电压的电压比较器来实现在高、低音对彩灯的控制时同时现实声音信号强弱对彩灯的控制。

1.2总体设计方案框图

结合以上设计方案分析，得以下设计方案方框图：

总体框图

第二章单元电路设计

2.1音乐节奏控制彩灯电路

2.1.1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。

我们的要彩灯按照节奏依次闪亮。

因此，设计了一个方波发生器，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。

电路工作原理：

该电路分成电压放大电路、方波发生器和计数译码器两个部分。

采用LM324两个运放组成电压放大电路，随着音频输出的幅值变化，经过另一个运放（方波发生器）的正弦波变为方波，高低电平交替变化，从而使输入的音频信号在一个波形周期内有一个脉冲输出（经测试比较一般能听到的mp3音频输入信号吗波形幅值都在10mV以上），再经过一个CD4017计数译码器（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），之后可以驱动彩灯闪亮，这样就可以观察到彩灯随着音乐的节奏改变点亮了。

音乐节奏控制框图

2.1.2原理图设计如下：

音频经过放大以后又进入另一个放大电路使其变为方波信号。

CD4017为十进制计数器，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LED1～LED10依次点亮。

2.2音乐大小控制彩灯电路

2.2.1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，在波谷是就小。

所以设计了一个电压比较器电路，由声音的强弱控制，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。

音乐大小控制框图

2.2.2原理图设计如下：

本电路为电压比较电路，接之前的放大电路放大后的输出波形，经并接的8个不通电压比较值的电压比较器，就可以控制不同的彩灯的点亮。

2.3音调高低控制彩灯电路

2.3.1工作原理

音调主要由声音的频率决定，同时也及声音强度有关。

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，我们人类能识别的声音频率20HZ～20KHZ,所以设置2KHZ以上为高音、1KHZ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。

音调电路结构框图

2.3.2原理图设计如下：

该部分电路由低频滤波电路、高频滤波电路和不同电压比较值的4路电压比较电路构成。

在低频滤波电路作业下，音频信号只有在低频段可以通过，和低频一样，在音频信号为高频时能通过滤波电路，之后再经4路电压比较器分别控制不同部分彩灯点亮。

（1）低频滤波电路原理图如下：

（2）高频滤波电路原理图如下：

（3）电压比较电路原理图如下：

2.3.3高低通滤波电路仿真波形图如下：

（1）低频滤波电路：

波形仿真如下：

绿色的为信号源波形，黄色为输出源波形。

（2）高频滤波电路：

波形仿真如下：

绿色的为信号源波形，黄色为输出源波形。

第三章电路的安装及调试

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→制作PCB→元件安装→实物调试。

3.1电路的安装

3.1.1检测及查阅器件

通过查阅集成电路手册，标出电路图中各集成电路输入、输出端的引脚编号。

测出各电阻值分别标注排放。

3.1.2连接电路

按电路图连接电路。

先在电路板上插好各种器件。

在插器件的时候，要注意器件的活口方向，同时要保证各管脚及插座接触良好，管脚不能弯曲或折断。

指示灯的正、负极不能接反。

在通电以前先用万用表检查各器件的电源接线是否正确。

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。

3.2电路调试

首先按照功能进行操作，若电路满足要求，说明电路没有故障。

若某些功能不能实现，就要设法查找并排出故障，排出故障可按照信息流程的正向（由输入到输出）查找，也可以按信息流程逆向（右输出到输入）查找。

（1）音频节奏控制彩灯电路

按安装板接好电原，接入mp3信号，再次检查是否有接错接线，如果无错，开电源，看彩灯是否随着音频信号的节奏改变而改变点亮方式。

（2）音乐大小控制彩灯电路

按安装板接好电原，接入mp3信号，再次检查是否有接错接线，如果无错，开电源，看彩灯是否随着音频信号强弱改变而改变点亮数目。

（3）低通信号控制彩灯电路

按安装板接好电原，接入mp3信号，再次检查是否有接错接线，如果无错，开电源，看彩灯是否随着音频信号的频率和信号强弱改变而改变点亮方式。

（4）高通信号控制彩灯电路

按安装板接好电原，接入mp3信号，再次检查是否有接错接线，如果无错，开电源，看彩灯是否随着音频信号的频率和信号强弱改变而改变点亮方式。

3.3主要器件介绍

3.3.1LM324

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，lm324原理图如图所示。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

   每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号及该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号及该输入端的相位相同。

LM324引脚图见图2。

图一图二

3.3.2NE5532

NE5532/SE5532/SA5532/NE5532A/SE5532A/SA5532A是一种双运放高性能低噪声运算放大器。

小信号带宽：

10MHZ

•输出驱动能力：

600Ω，10V有效值

•输入噪声电压：

5nV/√Hz（典型值）

•直流电压增益：

50000•交流电压增益：

2200-10KHZ

•功率带宽：

140KHZ•转换速率：

9V/μs

•大的电源电压范围：

±3V-±20V•单位增益补偿

引脚图如下：

3.3.3CD4017

CD4017是5位Johnson计数器，具有10个译码输出端，CP、CR、INH输入端。

时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。

INH为低电平时，计数器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。

CR为高电平时，计数器清零。

Johnson计数器，提供了快速操作、2输入译码选通和无毛刺译码输出。

防锁选通，保证了正确的计数顺序。

译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。

在每10个时钟输入周期CO信号完成一次进位，并用作多级计数链的下级脉动时钟。

第四章结束语

本次课程设计要求设计一种音乐彩灯控制器。

应用所学的知识及在网上搜集的资料，对题目所要求的电路进行了设计。

刚开始做这道题目时，思路不是很清晰，后来通过在网上找相似的设计来参考，渐渐地有了思路。

最后在及同学的讨论以及一些同学的帮助下最终做完了整个设计。

通过本次设计，我学到了许多东西，现做出以下总结：

1.首先学会了用NE5532，LM324等运放设计各种滤波电路，运用这些运放可以设计电压比较器。

还学会了通过看芯片真值表和引脚功能标图来确定芯片的功能以及电路连接，让我认识到学会看真值表和引脚图那是电子设计的基础。

2.开始的时候怎么计算滤波电路的电阻和电容值让我觉得很繁琐，后来通过查找到网上找到了一个FilterLab_V2.0软件，运用它可以方便的计算出N（N<9）阶滤波电路的各种参数值。

是一款很好的滤波器设计软件。

3.在做课设的时候学会了运用电子技术基础书上的知识来设计这个比较复杂的电路，让我感觉收获不少，让理论和实践得到了结合。

通过阅读资料，提高了自己的自学