音乐彩灯控制电路设计1.docx
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音乐彩灯控制电路设计1.docx
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音乐彩灯控制电路设计1
音乐彩灯控制电路设计
学院:
信息学院
年级:
2011级
专业:
电子信息工程
学生:
任子翔陈显金
课程名称:
创新实验
指导教师:
赵毓林
目录
摘要-1-
前言-2-
第一章电子蜡烛原理图的组成及工作原理-3-
1.1电子蜡烛电路的组成-3-
1.2设计方框图-3-
1.3电源电路-4-
1.4555震荡电路-4-
1.4.1555芯片的基本结构-4-
1.4.2555振荡器的工作原理-5-
1.4.3555振荡器的在本电路中的应用-7-
1.5CD4017十进制计数器-7-
1.5.1CD4017的基本结构和工作原理-7-
1.5.2CD4017在本电路中的应用-10-
1.6555和CD4017组成烛光显示电路的研究-10-
1.7音乐奏鸣电路的组成及工作原理-11-
1.7.1音乐奏鸣电路模块的研究-11-
1.7.2集成运算放大运算器模块的研究-12-
1.7.3话筒的工作原理-14-
1.7.4UM66系列音乐IC的结构及应用-15-
1.8音乐奏响电路在本实验电路中的应用和原理-15-
1.9总实验原理图-16-
第二章:
Altiumdesigner介绍及应用-17-
2.1Altiumdesigner的介绍-17-
2.1.1Altiumdesigner的产生-17-
2.1.2Altiumdesigner的优势及特点-18-
2.2PCB设计的工作流程-19-
2.3PCB完成图-20-
第三章PCB板的制作流程-21-
3.1打印电路板-21-
3.2裁剪覆铜板-21-
3.3预处理覆铜板-21-
3.4转印电路板-21-
3.5转印完成图-22-
3.6腐蚀线路板-22-
3.7线路板钻孔-22-
3.8线路板预处理-23-
3.9覆铜板完成图-23-
第四章焊接与安装-24-
4.1手工焊接方法-24-
4.2手工焊接握电烙铁的方法-24-
4.3手工焊接一般分四步骤进行-24-
4.4焊接步骤-24-
4.5焊点完成图-25-
总结-26-
参考文献-27-
摘要
本文介绍了一种具有音乐彩灯控制功能的彩灯电路,该控制电路由音乐发生模块UM66、声电转换和放大路、时钟脉冲发生器、计数电路和控制电路等组成,它的结构简单,体积小巧,使用方便,性能可靠,在这里介绍了它的组成、功能、工作原理。
音乐彩灯控制电路,采用拾音话筒BM将声音信号转换为电信号,利用556集成块各引脚来产生控制电路的脉冲信号。
彩灯因插座依次有电而被依次点亮,随着悠扬的音乐,彩灯闪烁生辉,从而实现了控制四路彩灯伴随乐曲而发光,彩灯的运用已经遍布于人们的生活中,从歌舞厅到卡拉OK包房,从节日的祝贺到日常生活中的点缀。
这些不仅说明了我们对生活的要求有了质的飞跃,也说明科技在现实运用中有了较大的发展。
在这一设计中我们将涉及有关彩灯控制器的设计,从原理上使我们对这一设计有所了解。
将其确实的与我们相联系起来。
目前市场上各式样的LED彩灯控制器大多数用全硬件电路实现,电路结构复杂、功能单一,这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮,不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间、模式、闪烁频率等动态参数。
这种彩灯控制器结构往往有芯片过多、电路复杂、功率损耗大等缺点。
此外从功能效果上看,亮灯模式少而且样式单调,缺乏用户可操作性,影响亮灯效果。
因此有必要对现有的彩灯控制器进行改进。
本课程设计主要选用由556构成的时钟信号发生器,四位同步二进制计数器和数据选择器组成的序列发生信号器和双向移位寄存器构成的移位显示输出电路。
本设计与市面销售的彩灯控制器还有较大的差距,但是通过此次设计,可以使我们加深对已学知识的掌握,同时对后续课程的学习也打下一个良好的基础。
关键词UM66音乐模块;555集成块;CD4017;话筒BM;
集成电路;LED彩灯
前言
随着电子技术的发展,尤其是数字技术的发展,用数字电路技术实现灯的样式越来越多、适用的场合变得越来越多,控制与设计变的更加重要。
而且贴近我们的实际生活。
彩灯控制电路已成为人们日常生活中必不可少的必需品,广泛应用于走廊、楼道招待所等公共场所,给人们的生活、带来极大的方便。
因此,得到了广泛的应用。
声控电路是利用声控制电路工作的电子开关。
由于,本电路广泛应用于人们的日常生活中,所以,有很大的重用作用。
该电路在设计时应用了仿真软件,来进行仿真然后才确定下来的,虽然用的仅仅是EWB软件,但是在论文中也是比较有特色。
能够使人们在不知不觉中感受方便。
由于近年来我国的音乐彩灯行业的迅速崛起,中国已经成为彩灯产品的主要输出国之一。
努力增加音乐彩灯的控制和不同档次、花样、应用于不同的场合的开发,加快绿色、音乐彩灯光源产品的开发推广和应用是我国目前彩灯行业材行业结构调整的重点。
随着全球经济一体化,发达国家产业调整的步伐进一步加快,一般音乐彩灯器产品生产大量向发展中国家转移,而中国又是一个比较适合的国家,一是中国具备生产这些产品的条件,二是劳动力成本比较低,从而使中国逐步成为电器产品出口大国。
展望未来的国内市场,需求仍会呈逐年增长趋势,以下强力因素都预示着我国市音乐彩灯器场仍有很大的潜力可挖。
基础设施建设方面:
、卡拉OK包房,从节日的祝贺到日常生活中的点缀。
这些不仅说明了我们对生活的要求有了质的变化。
城市点缀工程方面:
城市广场、绿地、道路、建筑物泛点缀,已从大城市发展到中小城市。
根据国内外市场需求预测,我国音乐彩灯的高速增长期还将继续,对未来的预测如何更加科学化是我们面临的问题。
进一步提高彩灯产品的质量和档次进一步提高彩灯的质量和档次,这既是当前摆在我们面前的课题,同时也是全行业共同努力的长期目标。
就国内市场需求而言,人们生活水平逐步提高,对生存环境质量的要求也越来越高,对音乐彩灯提出更高的要求。
对不同场合的彩灯提高了要求,也需要我们生产企业适应新标准的要求,为各类场所提供相应的产品。
第一章电子蜡烛原理图的组成及工作原理
1.1电子蜡烛电路的组成
图1-1为电子蜡烛的原理图,我将其分为几个模块,他由电源电路、声音控制电路、烛光显示电路以及音乐奏鸣电路组成。
图1-1
1.2设计方框图
根据电路所要完成的功能和达到的效果。
我们采用自下而上的思想。
为此我们得到下面的电路框图。
如图所示:
图1-2音乐彩灯控制器的方框图
1.3电源电路
由于材料购买问题和时间关系,电源电路并未自己完成,最终使用8.5V直流电源直接供电。
1.4555震荡电路
1.4.1555芯片的基本结构
555定时器内部结构原理图如图1-3所示。
它由内部含有三个5千欧电阻组成的电阻分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、集电极开路的放电三极管VT以及缓冲器等组成。
图1-4为555定时器的外引线排列图。
555集成时基电路称为集成定时器,是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路,其应用十分广泛。
该电路使用灵活、方便,只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器,因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。
它的内部电压标准使用了三个5K的电阻,故取名555电路。
其电路类型有双极型和CMOS型两大类,两者的工作原理和结构相似。
几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556;所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556,两者的逻辑功能和引脚排列完全相同,易于互换。
555和7555是单定时器,556和7556是双定时器。
双极型的电压是+5V到+15V,输出的最大电流可达200mA,CMOS型的电源电压是+3V到+18V。
555定时器的电路结构
图1-3BC555的电路结构
图1-4外引线排列图
1.4.2555振荡器的工作原理
555振荡器的作用是为电压比较器A1、A2提供基准电压。
A1、A2组成电压比较器,当控制电压输入端CONT悬空时,A1、A2的基准电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。
A1的反相输入端THRES称为555振荡器的高触发端,A2的同相输入端TRIG称为555振荡器的低触发端。
比较器A1的输出作为置0输入端,比较器A2的输出作为置1输入端。
RESET是驱动脉冲发生器的复位输入端Vr是集电极开路的三极管,Vr的集电极作为定时器的引出端DISCH,非门是缓冲器,其作用提高电路的负载能力。
2.振荡器555的引脚功能介绍
振荡器555有8个管脚,其中:
1脚GND接地端;
2脚触发端;
3脚输出端;
4脚复位端;
5脚控制电压端;
6脚门限(阈值)端;
7脚放电端;
工作原理:
当5脚悬空时,两个电压比较器的基准电压为Vcc经3个50电阻分压后提供。
C1的基准电压U1为1/3Vcc时,阈值输入端(6脚)为其输入端。
当C2的基准电压U2为1/3Vcc时,触发输入端(2脚)为其输入端。
CO(5脚)为电压控制端,当外接固定电压U时,则U1=U、U2=U/2。
RD端为直接置0端,只要RD=0,便输出低电平,正常工作时,RD端必须为高电平。
555定时器的逻辑功能
当U11>U1、U12>U2时,比较器C1、C2输出u1=0、u2=1,基本RS触发器被置0。
Q=0,输出为0同时V导通。
当U11 Q=1,输出为1同时V截止。 当U11 综上所述,555定时器的功能如表1-1所示。 表1-1 输入 输出 U11 U12 RD u V状态 × × 0 0 导通 >2Vcc/3 >2Vcc/3 1 0 导通 <2Vcc/3 <2Vcc/3 1 1 截止 <2Vcc/3 >2Vcc/3 1 不变 不变 1.4.3555振荡器的在本电路中的应用 556芯片由两个555芯片组成,它控制着八个橘红色的发光二极管工作。 双时基电路IC (1/2556)和R 、R 、C 组成无稳态多谐振荡器,振荡频率 f=1.44/(R +2R )C 电路图中参数对应的振荡频率约为20Hz。 VD —VD 、VD —VD 橘红色发光二极管接在火焰锥面的中心,它直接受IC 产生的约20Hz的方波控制,由缓冲级VT 驱动而闪闪发光,与20Hz同步闪亮。 这样,使光烛效果柔和,摇曳,明暗相间。 1.5CD4017十进制计数器 1.5.1CD4017的基本结构和工作原理 CD4017十进制计数器的引脚功能 CD4017十进制计数器,又称脉冲分配器,是一个具有十六个引脚的集成电路,其中有 10个译码输出端。 CP,CR,INH为输入端。 其结构图如图3-12所示。 CD4017采用标准的双列直插式脚塑封,它的引脚如图2-5所示 1脚: 第5输出端 2脚: 第1输出端输出端 3脚: 第0输出端,电路清零时,该端为高电平 4脚: 第2输出端 5脚: 第6输出端 图1-5 6脚: 第7输出端 7脚: 第3输出端 8脚: 电源负极 9脚: 第8输出端 10脚: 第4输出端 11脚: 第9输出端 12脚: 级联进位输出端,每输入10个时钟脉冲时,就可以得到一个计数器的时钟信号 13脚: 时钟输入端,脉冲输入端,脉冲下降沿有效 14脚时钟输入端,脉冲上升沿有效15脚: 清零输入端,在该管脚加高电平或正脉冲时,CD4017计数器各计数单元输出低电平“在译码器中,只有对应“中,各计数单元输出低电平“0”,在译码器中,只有对应“0”状态的输出端3态的输出端3脚为高电平 16脚: 电源正极,可以使用3~18V直流电源供电 内部结构及工作原理: 它是由十进制计数器电路和时序译码电路两部分组。 其内部结构图如图1-6所示: 图1-6 图中的D触发器Fl~F5构成了十进制约翰逊计数器,门电路5~14构成了时序译码电路其中的D触发器。 约翰逊汁数器的结构比较简单。 它实质上是一种串行移位寄存器。 除了第3翰逊汁数器是通过门电15、16构成的组合逻辑电路作用于F3的D3端以外,其余各级均是将前一级触发器的输出端连接到后一级触发器的输入端D计数器最后一级的Q5端连接到第一级的D1端。 这种计数器具有编码可靠,工作速度快、译码简单,只需由二输入瑞的与门即可译码,有编码可靠,工作速度快、译码简单,只需由二输入瑞的与门即可译码,且译码输出无过渡脉冲干扰等特点。 通常只有译码选中的那个输出端为高电平,其余输出端均为低电平。 通常只有译码选中的那个输出端为高电平,其余输出端均为低电平。 工作状态表如下 表1-2 输入 输出 CP INT CR Q0~Q9 CO × × 1 Q0 计数脉冲为Q0~Q4时,CO=1 ↑ 0 0 计数 1 ↓ 0 0 × 0 保持 计数脉冲为Q5~Q9时,CO=0 × 1 0 ↓ × 0 × ↑ 0 下图为其工作状态图。 图1-6 1.5.2CD4017在本电路中的应用 如图1-1,IC 的5脚输出作为IC 环形计数器的移位时钟CP。 IC (CD4017)是一块十进制计数/脉冲分配器,它的R端(15脚)和13脚接地,以接成环形计数电路,每来一个CP脉冲,计数器就增加一次计数,使围绕烛光的黄色发光二极管(VD 、VD )、(VD 、VD )、(VD 、VD )、(VD 、VD )、(VD 、VD )、(VD 、VD )、VD 从上到下各组依次发光,从而产生烛光从下到上的闪烁光感。 VD 位于光烛中心。 1.6555和CD4017组成烛光显示电路的研究 图3-9 图1-7 显示电路电路结构如图1-7所示,由CD4017十进制计数器U2、555定时器U1、烛光边缘黄色发光二极管D9~D26,位于烛光中心的黄色发光二极管D27,火焰锥中心桔色发光二极管D1~D8,电阻R2、R3、R4、R5、R6,电容C3以及NPN型三极管N1组成。 工作原理: 555定时器和R3、R2、C3无稳态多谐震荡器,图示参数所对应的震荡频率20Hz,当有电流通过时555定时器输出20Hz的方波电压给CD4017十进制计数器14脚,每来一个脉冲,计数就增加一次,是的烛光边缘的换色发光二极管(D9、D10),(D11、D12),(D13、D14),(D15、D16),(D17、D18),(D19、D20),(D21、D22),(D23、D24),(D25、D26),D27从下到上各组依次发光,产生烛光从上到下的闪烁感.D1~D8同样受方波控制,当脉冲来临时三极管N1导通使得D1~D8导通并且与20Hz同步闪烁。 形成柔和,摇曳,敏感相间的烛光效果。 1.7音乐奏鸣电路的组成及工作原理 1.7.1音乐奏鸣电路模块的研究 音乐奏鸣电路的组成(图1-8): 运算放大器U4、U5,555定时器U3,话筒MC1,扬 器LSI,UM66音乐集成块U6,电阻R8~R16,NPN型三极管N2,以及电容C5、C6和电解电容C7、C8组成。 图1-8 工作原理: 当有人向蜡烛初吹气时,装在“火焰”附近的微型话筒就捡拾到从低音到高音的混合信号,并将其加至高通放大器U4上,该放大器将低频杂音虑掉,只允许3000Hz以上的高音频通过,将约50mA的吹气噪声滤波并放大形成脉冲加至U5的反向端,U5是电压比较器形式的连接,其参考电压约为4.5V,当输入的脉冲电压大于4.5V时,其输出低电平,将555定时器组成的单稳态电路触发。 延迟时间计算得30s左右,其输出的正方波为音乐IC提供了电源,导通时间约为20S,音乐IC1脚的电压使得三极管Q2导通,继而扬声器奏鸣时间约为20S音乐。 1.7.2集成运算放大运算器模块的研究 集成运集成运算放大器(IntegratedOperationalAmplifier)简称集成运放,是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。 集成运算放大器的基本结构: 如图1-9所示,其有两个输入点(同相输入端和反向输入端),一个输出端。 放大器的增益高(可达60~180dB),输入电阻大(几十千欧至百万兆欧),输出电阻低 图1-9 (几十欧),共模抑制比高(60~170dB),失调与飘移小,而且还具有输入电压为零时 输出电压亦为零的特点,适用于正,负两种极性信号的输入和输出。 运算放大器的分类 1)通用型运算放大器,通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。 这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。 2)高阻型运算放大器,这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid>(109~1012)W,IIB几皮安到几十皮安。 实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级。 3)低温漂型运算放大器,在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。 低温漂型运算放大器就是为此而设计的。 4)高速型运算放大器,在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高,单位增益带宽BWG一定要足够大,像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。 高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。 5)低功耗型运算放大器,由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携式仪器应用范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。 6)高压大功率型运算放大器运算放大器,它输出电压主要受供电电源的限制。 在普通的运算放大器中,输出电压的最大值一般仅几十伏,输出电流仅几十毫安。 若要提高输出电压或增大输出电流,集成运放外部必须要加辅助电路。 高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出高电压和大电流。 运算放大器的应用 1.差动输入级使运放具有尽可能高的输入电阻及共模抑制比。 2.中间放大级由多级直接耦合放大器组成,以获得足够高的电压增益。 3.输出级可使运放具有一定幅度的输出电压、输出电流和尽可能小的输出电阻。 在输出过载时有自动保护作用以免损坏集成块。 输出级一般为互补对称推挽电路 4.偏置电路为各级电路提供合适的静态工作点。 为使工作点稳定,一般采用恒流源偏置电路。 放大器的型号命名方法及主要性能指标 根据国家标GB3430—82,集成电路器件型号又五部分组成,各部分符号及意见见表1-3 第一部分 第二部分 第三部分 第四部分 第五部分 用字母表示 器件符号国家标准 用字母表示 器件的类型 用阿拉伯数字表示系列和品种代号 用字母表示器件的工作温度范围 用字母表示 器件的封装 符号 意义 符号 意义 符号 意义 符号 意义 C 中国制造 T H E C F D W J B U TTL HTL ECL COMS 线性放大器 音响、电视 电路 稳压器 接口电路 非线性电路 微型机电路 C E R M · · · 0~70℃ -40~85℃ -55~85℃ -55~125℃ · · · W B F D P J K T 陶瓷扁平 塑料扁平 全密封扁平 陶瓷直插 塑料直插 黑陶瓷直插 金属菱形 金属圆形 1.7.3话筒的工作原理 调频话筒的调频原理是通过改变三极管的基极和发射极之间电容来实现调频的,当声音电压信号加到三极管的基极上时,三极管的基极和发射极之间电容会随着声音电压信号大小发生同步的变化,同时使三极管的振荡频率发生频偏变化实现频率调制。 话筒MIC可以采集外界的声音信号,这里我们用的是驻极体小话筒,灵敏度非常高,可以采集微弱的声音,同时这种话筒工作时必须要有直流偏压才能工作,电阻可以提供一定的直流偏压,电阻的阻值越大,话筒采集声音的灵敏度越弱。 电阻越小话筒的灵敏度越高,话筒采集到的交流声音信号通过电容耦合到三极管的基极进行频率调制。 图1-10 本实验中音乐信号的输入由小话筒实现,外界的音乐信号通过麦克将声音信号转换成为一定的电信号以驱动后面电路随音乐进行变化。 话筒上有两个引脚,一引脚接地,另一引脚输出由话筒转化成的电信号。 话筒本身是有源器件,不需要外加直流电源。 为了将比较微小的语音信号体现得比较清楚,在输出端给一个外加的直流电源,与1K电阻相连后接到输出端,相当于加一个直流分量。 1.7.4UM66系列音乐IC的结构及应用 UM66又名音乐三极管,是储存单首或多首音乐之三脚集成块,具有性能可靠、使用简单方便、防振防潮、寿命特长等优点。 广泛用于音乐盒、音乐玩具、电话、门钟、汽车后退警告器、时间掣等等。 UM66有三个引脚,1脚为接地端,2脚为输入端,3脚为输出端。 在应用我们要参照其数据手册进行电路设计。 下表为为其工作环境表 表1-4 参数 符号 额定值 单位 直流电源 VDD 1.5~4.5 V 工作温度 TOPR -10~60 ℃ 贮藏温度 TSTG -55~125 ℃ 注意: 在绝对压力大于额定值时可能会造成设备永久性损坏。 1.8音乐奏响电路在本实验电路中的应用和原理 音乐鸣奏部分在本实验电路中由话筒、高通放大器、电压比较器、单稳延时和音响电路等组成。 当有人祝福吹气时,装在火焰附近的柱极体电容话筒捡拾到从低音到高音的混合信号,并将其加至高通放大器IC ,该放大器将低频杂音滤掉,只允许3000Hz以上的高音频通过,将约50mV的吹气噪声滤波并放大至5V幅值的脉冲,加至IC 的反相端2脚。 IC 接成电压比较器形式,同相端3脚接至R 、R 分压点,参考电压约为4.5V。 当输入的尖脉冲大于4.5V时,IC 输出(1脚)低电平,将后级IC 单稳电路触发。 IC (1/2556)和R 、C 组成单稳定时电路,触发后的延时时间 t =1.1R C 图中参数给出的单稳脉宽约为30秒。 9脚输出的正方波为音乐集成IC 提供了电源,可使IC 演奏20秒左右的乐曲。 音乐可采用“祝你生日快乐”、“圣诞夜”、“婚礼进行曲”等乐曲,视场合和情况而定。 1.9总实验原理图 本实验原理图采用分网络的方法进行绘制: 图1-11 第二章: Altiumdesigner介绍及应用 2.1Altiumdesigner的介绍 随着计算机业的发展,20世纪80年代中期,计算机在各个领域得到了广泛的应用。 在这种背景下,1987年、1988年由美国ACCELTechnologiesInc公司推出了第一个应用于电子线路设计的软件包TANGO,这个软件包开创了电子设计自动化(EDA)的先河。 这个软件包现在看来比较简陋,但在当时给电子线路设计带来了设计方法和方式的革命,人们纷纷开始用计算机来设计电子线路,直到今天在国内许多科研单位中还在使用这个软件包。 2.1.1Altiumdesigne
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