电子专业毕业设计-音乐节奏彩灯控制器设计

毕业设计（论文）

选题音乐节奏彩灯控制器设计

系别信息工程系班级14电子

学生姓名刘石垒学号

指导教师

完成日期2016 年12 月31 日

内容提要

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。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。

指导教师批语：

成绩：

签字：

年月日

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。

目录

第1章绪论 (1)

第2章音乐大小控制彩灯 (2)

2.1系统设计思路 (2)

2.2 音乐大小控制彩灯的工作原理 (3)

2.3音乐大小控制彩灯的电路实现 (3)

2.3.1 电源电路设计 (3)

2.3.3 放大电路 (4)

2.3.2 音乐大小控制彩灯的电路图的设计实现 (6)

第3章音乐节奏控制彩灯 (8)

3.1 音乐节奏控制彩灯的工作原理. (8)

3.2 音乐节奏控制彩灯的实现 (8)

3.2.1 音乐节奏控制彩灯的主要参数计算 (8)

3.2.2 音乐节奏控制彩灯总电路实现 (10)

4.1 音调高低控制彩灯的工作原理 (12)

4.2 音调高低控制彩灯的电路设计 (12)

4.2.1音调高低控制彩灯的主要参数计算 (12)

4.2.2 音调高低控制彩灯的电路图 (14)

第五章实物的制作和调试 (15)

总结 (19)

致谢 (20)

附录 (22)

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。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（信号幅度大小）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（信号频率高低）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。

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。

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

2.2 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。

图2-2 音乐大小

2.3音乐大小控制彩灯的电路实现.

2.3.1 电源电路设计

单稳态电路的工作电压在3～18V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：

m A m A O D F I I I 1543082

121'===≥ 最大反向电压：

V V R RM U U U 107222(max)≈?=

=≥

（2）滤波电容参数： 31(35)

(35)2010221'27.3L T C R ---??≥=

F F μ1830~100000183.0~001.0==

取C2=1000μF 电容耐压：V CM U U 1222=≥

取25≥CM U V,故电容参数为C:1000μF/25V 。

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1R 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：

be R U U U =-1, be be U R I U =-1

可得： 1R =330K

RP 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3Vdd 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，9014的放大倍数在100～1000之间足以使电压达到单稳态所需的3Vdd =4V 。

3．单稳态电路：

图2-6 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10.022C uF =，设单稳态的暂态时间为0.123t ms =。

根据公式： 1.1t RC =

得 3610022.01.11.0R -??=

所以3R 取5k

4.限流电阻2R 的计算

由于2U 的 脚电压3V 为2V ，LED 的承受电流为30mA ，取R 的最大取值为：

2R =mA 303V =mA

V 302=667? 2R =680?

2.3.2 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3R 、电容3C 接成典型的但问他了工作模式，由于3R 、3C 的取值较小，所以暂态时间非常短，s C R t μ42.1231.133==。限流电阻3R 构成保护电路，去驱动LED 闪亮。

音频输入时，经VT 反向放大，使时基电路2脚电平在3Vdd 上下波动。当电位不大于3Vdd 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：

图2-6 仿真波形

图2-6中的斜线表示触发经放大后的音频信号，方波表示的是输出信号。由图可知，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.

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，多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。

图3-1 节奏流程框图

3.2 音乐节奏控制彩灯的实现

3.2.1 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0.1A,K

。

R1.5

5

2、无稳态电路

图3-2 无稳态电路

该电路工作电压Vcc 设为12V ，当2R 远远大于1R 时，50%D =,此时输出的波形为理想对称的方波，所以2R 使用100K 的可变电阻，这样实现了方波，也使2R 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1t 可用以下式表示（即充电周期），即

3脚输出低电平时间2t （即放电周期）:

122639.0C R t =

振荡周期T ：

12121)2(639.0C R R t t T +=+=

振荡频率为f ：

121)2(44.1/1C R R T f +≈=

输出脉冲占空比D ：

)2/()(/21211R R R R T t D ++==

根据以上公式可以求出1r 、1c 、2c ，由于电容在市场上的型号不多。所以就选相近的F c μ47.01=,F C μ7.42=。

1

21121DD DD 1211)C R 0.639(R ln2

)C R (R )]V 32ln[(V )C R (R t +≈+=-+-=

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：R L U U U =-, 所以4R =600Ω

3.2.2 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。

图3-4 节奏电路图

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。

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LED1～LED10依次点亮。调节电位器，1R 因改时基电路1U 的振荡频率，故使彩灯LED1～LED4的循环速率。音频信号经过1Q 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。调节1R 的阻值，则可调节电路的灵敏度。

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20HZ～20H Z

K,所以设置1H Z

K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。

图4-1 音调电路结构框图

4.2 音调高低控制彩灯的电路设计

4.2.1音调高低控制彩灯的主要参数计算

图4-2 高通电路

RC 有源高低通滤波器参数的计算（设上限频率Z c H f 1000=）：

(1)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1R 的值。选择120.1C C uF ==,则

6

21101.0100014.3211-????===C w R R l ?=16K ? (2)考虑到二价巴特沃斯滤波器的Q =0.707和586.1134=+=R R A uf ,故有43586.0R R =,运算放大器两输入端的外接电阻必须满足平衡条件：K R R R R 32//43=+=

由43586.0R R =和K R R R R 32//43=+=，得320R K =,433R K =

所以320R K =,433R K =、120.1C C uF ==,1216R R K ==。

2．低通滤波电路

图4-3低通电路

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：1216R R K ==、320R K =、433R K =、120.1C C uF ==,供电为12V ，可LED 承受的电流为30mA 灯泡电压为2.5V ，由灯电U U U R =-5 59550R R ==Ω

4.2.2 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1C 入经过4C 到U1（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3R 入经过4R 到LM358的3脚入，滤出高频，1脚出。在LM358内

滤出低频信号，高频信号从1脚出来后使9R 导通，使LED2发光。

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x1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x1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→制作PCB→元件安装→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。

⑴、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。

⑵、PCB图如下：

图5-1 PCB图

⑶、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：复制前应先用锉刀将复铜板四周边缘锉至平直整齐，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—一般插孔直径为0.9-1mm左右，可采用直径为1mm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1.2mm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1.5mm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。

⑷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