电子鞭炮电路的设计

电子鞭炮电路的设计

黄

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摘要本系统是电子鞭炮电路，是一种模拟传统鞭炮燃放的电子产品。本设计电路主要由光控触发电路、音响效果电路和闪光控制电路组成。在有足够的光照射到光敏电阻上时，光控触发电路开始工作，触发音响效果电路和闪光控制电路同时通电工作，模拟出普通鞭炮燃放时的场景。本次设计制作简单，成本低，性能稳定，而且安全，绿色环保，有望代替普通鞭炮。

关键词鞭炮；光控电路；音响效果电路；闪光电路；电子设计

1 绪论

1.1 设计背景

随着时代的不断进步，人们的环保意思不断增强，也对自己所处的环境提出了更高的要求。尤其在过节的时候，人们对环境的要求更高。在中国过节时燃放鞭炮是中国的传统习俗，鞭炮是吉祥的象征，每逢佳节、喜庆之日炮竹声震耳欲聋，彩色火花满天飞舞，给人以欢欣与鼓舞。但是鞭炮不仅会污染环境，也会造成各种伤残及火灾事故，给国家和人民带来了意外的经济损失。中国是一个环境污染比较严重的国家，治理环境污染已经刻不容缓。为了解决传统鞭炮的缺点，电子鞭炮应运而生，它不仅能发出普通鞭炮的模拟声，且能随着响声并发出闪光，以假乱真。电子鞭炮无污染，不会发生伤残及火灾事故，又能重复使用，还能大大减少经济支出。时下，电子鞭炮已露头角，并引发了电子烟花、电子火箭等新的“家族”，形成了一股佳节电子娱乐的大潮。在春节等节日勾勒出喜庆的欢声笑语。估计保守，该电子娱乐产品将拥有年20亿的大市场。

1.2 设计任务及要求

设计任务：设计一个电子鞭炮电路，能够模仿普通鞭炮的点燃

设计要求：

电路工作时能够发出鞭炮燃放的声音

电路工作时能够出现鞭炮燃放时的闪光效果

电路可以反复使用

2 系统方案设计

电子鞭炮电路一般由光控触发电路、音频产生及音频放大电路、闪光电路等几部分组成。在这个基础上，设计出两个方案以供选择。

方案一基本框图如图2-1所示。

扬声器

图2-1 方案一组成框图

接通电源开关后，当用火柴或打火机去接近热敏电阻，热敏电阻所受的温度升高而阻值变小，晶闸管将电流放大。音频产生电路通电工作，输出端输出音效电信号。该电信号一路经音频放大电路放大后，

驱动扬声器发出响亮的鞭炮声；另一路经晶闸管放大后，驱

动发光二极管闪光，十分醒目。

方案二基本框图如图

2-2所示。

扬声器

图2-2 方案二组成框图

接通电源开关后，用点燃的火柴或打火机接触光敏电阻时，热敏电阻受光照射使阻值急剧变小，单向可控硅导通，电源导通开始输出电流信号。音频产生电路通电工作。其输出的音效电信号一路经音频放大电路放大后，驱动扬声器发出鞭炮声；另一路作为计数器的计数脉冲信号，使其输出端依次循环输出高电平，发光二极管依次轮流导通，轮流发光。

通过比较，方案一电路的闪光部分需要用到放大型晶闸管和数个发光二极管，二极管

同时发光；而方案二电路的闪光部分用到了脉冲计数器和数个发光二极管，二极管依次闪光，显而易见后者更加接近真实鞭炮的燃放效果。同时方案一的触发电路用的是热敏电阻，而方案二的触发电路用的是光敏电阻，相对来说光敏电阻更加容易控制而且比较安全。而两个电路的音响效果电路是一样的。综上所述，选择方案二。

3 单元电路设计

3.1 光控触发电路

光控触发电路是指电源导通与否是由光控制的电路。光控触发电路主要的元件是光敏电阻和单向可控硅。

（1）光敏电阻

图3-1 光敏电阻符号及原理图

光敏电阻又叫光感电阻，如图3-1所示。其工作原理是基于内光电效应。

光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻一般用于光的测量、光的控制和光电转换。

（2）单向可控硅VT

单向可控硅是一种可控整流电子元件，能在外部控制信号作用下由关断变为导通，但一旦导通，外部信号就无法使其关断，只能靠去除负载或降低其两端电压使其关断。

如图3-2所示，单向可控硅是由三个PN结PNPN组成的四层三端半导体器件。与具有一个PN结的二极管相比，单向可控硅正向导通受控制极电流控制；与具有两个PN结的三极管相比，差别在于可控硅对控制极电流没有放大作用。

可控硅导通条件：一是可控硅阳极与阴极间必须加正向电压，二是控制极也要加正向电压。以上两个条件必须同时具备，可控硅才会处于导通状态。另外，可控硅一旦导通后，即使降低控制极电压或去掉控制极电压，可控硅仍然导通。可控硅关断条件：降低或去掉加在可控硅阳极至阴极之间的正向电压，使阳极电流小于最小维持电流以下。

阳极

阴极

图3-2 单向可控硅结构

图3-3即为光控触发电路，RG为光敏电路，VT为单向可控硅。

图3-3 光控触发电路

接通电源开关S后，用点燃的火柴或打火机去烧鞭炮引信时，RG受光照射使阻值急

剧变小，晶闸管控制极加上了正向电压，同时可控硅阳极与阴极间有正向电压，可控硅导通的两个条件同时具备，这样就使晶闸管VT 受触发而导通。导通后输出端向外输出电流信号，其他部分电路就可以通电工作了。同时，电源向电容C5充电。当火柴或打火机离开光敏电阻时，光敏电阻阻值逐渐变大，但此时单向可控硅仍然导通，电路仍然正常工作。断开开关S ，导通的可控硅即可关断，此时电容C5放电，直至放电完成，电路完全停止工作。

3.2 音响效果电路

音响效果电路主要是其中的音频放大电路，“放大”的本质是实现能量的控制，即能量的转换：用能量比较小的输入信号来控制另一个能源，使输出端的负载上得到能量比较大的信号。放大的对象是变化量，放大的前提是传输不失真。总之，音频放大电路是一种能量转换电路，要求在失真许可的范围内高效的为负载提供尽可能大的功率。放大电路主要用到的元件是音频功率放大集成电路LM386。

LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器。具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，广泛应用于录音机和收音机之中。

（1）LM386的特性

● 静态功耗低，约为4mA ，可用于电池供电。 ● 工作电压范围宽，4-12V 或5-18V ● 外围元件少 ● 电压增益可调，20-200 ● 低失真度

为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V 电源电压下，它的静态功耗仅为24mW ，使得LM386特别适用于电池供电的场合。

（2）LM386内部电路

LM386内部电路原理图如图3-4所示。与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路。集成运放电路由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成，如图3-5所示。它有两个输入端，一个输出端，图中所标P u 、N u 、o u 均以“地”为公共端。

第一级为差分放大电路，T1和T3、T2和T4分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载；T3和T4信号从管的基极输入，从T2管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益。

图3-4 LM386内部电路原理图

u

u

图3-5 集成运放电路方框图

第二级为共射放大电路，T7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。 第三级为OTL 功放电路，其中的T8和T9管复合成PNP 型管，与NPN 型管T10构成准互补输出级。二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。

电路由单电源供电，故为OTL 电路。输出端应外接输出电容后再接负载。电阻R7从输出端连接到T2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。

（2）LM386的引脚图

LM386的外形和引脚的排列如图3-6所示。

图3-6 LM386引脚图

引脚2为反相输入端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10μF 。

当引脚1和8之间开路时，

?

f U =5R U ?+6R U ?

≈

2

?

i

U （3.1） F=

?

?

o

f U U =

7

656

5R R R R R +++≈??

o

i U U 2 （3.2）

u A =

?

?

i

o U U ≈2（1+

657R R R +）≈6

57

R R 2R +≈20 （3.3）

当引脚1和8之间外接电阻R 时，

u A ≈

7

657

R R R 2R + （3.4）

当引脚1和8之间对交流信号相当于短路时， u A ≈

5

7

R R 2≈200 （3.5） 在引脚1和5之间外接电阻，也可以改变电路的电压放大倍数：

u A ≈

()6

57R R R 2+R （3.6）

电压放大倍数可以调节，调节范围为20－200。

图3-7 音频放大电路

根据以上介绍，设计出基于LM386的音频放大电路，如图3-7所示。

其中的IC2即为音频功率放大电路LM386，R1-R3为电阻器、C1-C4为电容器，BL 为扬声器。

图3-7所示为LM386电压增益最大时的用法，1、8脚插入10μF 电容，根据上述公式对LM386电压放大倍数的分析，使两管教在交流通路中短路，内部1.35K Ω电阻被旁路，负反馈最弱，电压放大倍数最大，uf A =200（46dB ）。当有音频信号输入时，音频放大电路开始工作，将输入的音频信号放大，驱动BL 发出声音。

另外音响效果电路还需要用到一个音效集成电路，在这里，我们选用KD5601，将事先录好的鞭炮声存入该元件，当其通电工作的时候，能够向外输出音效信号。

3.3 闪光控制电路

3.3.1闪光控制所需元件

闪光控制电路的主要元件为发光二极管、NPN 型晶体三极管和计数器模块CD4017。

1、发光二极管

发光二极管简称LED。由镓、砷、磷的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光。

发光二极管和普通二极管一样有一个PN结组成，也具有单向导电性。给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。

2、NPN型晶体三极管

晶体三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN 两种。晶体三极管按材料分有两种：锗管和硅管。本电路采用的是硅NPN型晶体管。其结构和符号如图3-8所示

图3-8 NPN型晶体三极管的结构和符号

晶体三极管的电流放大作用：

NPN管它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结，而集电区与基区形成的PN结称为集电结，三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而c点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。

在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）极基区的多数载流子（空穴）很容易地截越过发射结构互相向反方各扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流Ie。由于基区很薄，加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行

复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补给，从而形成了基极电流Ibo根据电流连续性原理得：

Ie=Ib+Ic （3.7）这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即：

β1=Ic/Ib （3.8）式中β1称为直流放大倍数，集电极电流的变化量△Ic与基极电流的变化量△Ib之比为：

β=△Ic/△Ib （3.9）式中β称为交流电流放大倍数，由于低频时β1和β的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，β值约为几十至一百多。

3、计数器模块CD4017

CD4017是5位Johnson计数器，具有十个译码输出端，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，计数器功能无效。CR为高电平时，计数器清零。

（1）CD4017的引脚

CD4017的管脚图如图3-9所示。

图3-9 CD4017管脚图

引出端功能符号：

●CO：进位脉冲输出

●CP：时钟输入端

●CR：清除端

●INH：禁止端

●Q0-Q9：计数脉冲输出端

●VDD：正电源

●VSS：地

（2）CD4017的内部电路图

CD40171内部逻辑电路原理图如图3-10所示。它是由十进制计数器电路和时序译码电路两部分组成。

图3-10 CD40171内部逻辑电路原理图

其中的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。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个触发器是通过门电路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的，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，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。

当加上清零脉冲后，Y1～Y5均“0”，由于Y1的数据输入端D1是Y5输出的反码，因此，输入第一个时钟脉冲后，Y1即为“l”，这时Y2～Y5均依次进行移位输出，Y1的输出移至Y2，Y2的输出移至Y3……如果继续输入脉冲，则Y1为新的Y5，Y2～Y5仍然依次移位输出，这样就得到了约翰逊计数器状态表的状态。约翰逊计数器状态如表3-1所示

CD4017的10个译码输出端Y0～Y9，它仍随时钟脉冲的输入而依次出现高电平。此外，为了级联方便，还设有进位输出端QC，每输入10个时钟脉冲，就可得到一个进位输出脉冲，所以QC可作为下一级计数器的时钟信号。

表3-1 约翰逊计数器状态表

从上述分析中可以看出，CD4017它的基本功能是对“CP”端输入脉冲的个数进行十进制计数，并按照输入脉冲的个数顺序将脉冲分配在Y0～Y9这十个输出端，计满十个数

后计数器复零，同时输出一个进位脉冲。

3.3.2 闪光控制电路

利用上述元件设计的闪光控制电路如图3-11所示。IC3即为计数分配器集成电路CD4017，V1-V10为硅NPN型晶体管，VL1-VL10为发光二极管，为简化电路，电路中V2-V9和VL2-VL9未画出。

当有计数脉冲信号时，Y0输出高电平，晶闸管V1触发导通，电流导通，发光二极管VL1被点亮发光。当Y0变成低电平后，在经过半个周期晶闸管V1关断，发光二极管VL1熄灭不发光。当第二个脉冲到达时，Y1输出高电平，晶闸管V2触发，电流导通，发光二极管VL2发光。当Y1变为低电平后，再经过半个周期晶闸管V2关断，发光二极管VL2停止发光。以此类推，当第三个到第十个脉冲到达时，发光二极管VL3－VL10依次发光。当第十一个脉冲到达时，计数器通过RESET使CD4017复位，进入下一个循环。这样Y0－Y9端依次循环输出高电平，V1－V10依次轮流导通，VL1－VL10轮流发光，好像鞭炮在燃放一样。

图3-11 闪光控制电路

4 系统整体电路分析

根据各个单元电路的设计，将单元电路组合，就形成了电子鞭炮电路的整体电路图，如图4-1所示。

图4-1 电子鞭炮整体电路

在此电子鞭炮电路中，光控触发电路由光敏电阻器RG、晶闸管VT、电阻器R5、R6、电容器C5、开关S和电池GB组成；音响效果电路由音效集成电路IC1、音频功率放大集成电路IC2、电阻器R1-R3、电容器Cl-C4和扬声器BL组成；闪光控制电路由计数分配器集成电路IC3、晶体管V1-V10、发光二极管VL1-VL10，电阻器R4和电容器C6组成。

鞭炮电路中只有电阻R5，需按实际选用的单向可控硅进行实验调整。这是因为R6+RG 的总阻值由VT的触发灵敏度决定，它与电源GB大小有关、且对不同型号的单向可控硅也

有所不同。调试方法是:按照总图接入SCR。R6用10K电位器代替。在不加热RG的状态下由大到小缓慢改变电位器取值，到刚好VT导通时，断开电源开关K后，将电位器取值稍调大一点。再合上K看VT导通否?如导通则再断开，再将电位器取值调大一点.再合上S，如果SCR不通，则用点着的火柴烧RG，SCR导通则电位器已调好，测出此时电位器取值，按此值换成固定电阻即可。

运行过程：

（1）接通电源开关S后，用点燃的火柴或打火机去烧鞭炮引信时，RG受光照射使阻值急剧变小，使VT受触发而导通，电源开始工作，向输出端输出电流信号，各个部分电路都将通电。同时C5充电。

（2）IC1接收到电流信号开始通电工作，向外输出的音效电信号（鞭炮的声音信号）。

（3）其中一路音效电信号输入音频功率放大电路，放大电路开始工作，将音频放大，BL发出鞭炮声。

（4）另一路音效电信号输入闪光控制电路，电信号作为CD4017的计数脉冲信号，使其YO－Y9端依次循环输出高电平，经过晶体管放大，V1－V10依次轮流导通，VL1－VL10轮流发光（随着鞭炮声同步闪光）。

（5）整个电路运行过程中，鞭炮声伴随着发光二极管的闪光，模拟了普通鞭炮燃放时的情景。

（6）移开火柴或者打火机后，电路仍然继续正常工作。断开开关S后，电源断开，C5开始放电，音响效果电路和闪光电路继续工作一段时间。C5放电完成后，整个电路停止工作。

5 结论

论文利用简单电子元器件对电子鞭炮电路进行了设计。系统主要由光控电路和声、光产生和显示电路组成。光控触发电路主要由光敏电阻和单向可控硅组成，由声音产生模块产生的声音经放大集成电路LM386放大后产生音响效果，发光效果由计数器CD4017和发光二极管实现。

所设计的系统电路相对简单，所具有的功能也相对单一。但是其因为其使用元器件少、造价低，还是有一定的实用价值。

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Electronic Circuit Analysis and Design of

firecrackers

Huang

(Department of Physics ,)

Abstract The system is electronic firecrackers circuit, the discharge of firecrackers is a traditional analog electronics. Mainly by the power of the circuit design, light control trigger circuit, sound effects circuit and flash control circuit. There is enough light shines on the photoresistor, the light control circuit to work the trigger, trigger sound effects and flash control circuit while the circuit to work, to simulate the scene when the normal discharge of firecrackers. The design is simple, low cost, stable performance, and security, environmental protection, can replace the ordinary firecrackers.

Keywords Firecrackers; Light control circuit; Sound effects circuit; Flash circuit; Electronic design

致谢

在论文完成之际，我首先向关心帮助和指导我的指导老师表示衷心的感谢并致以崇高的敬意！

四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。两年的求学生涯在师长、朋友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将结束之际，思绪万千，心情久久不能平静。

感谢我的所有任课老师，他（她）们治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。老师让我不仅学到了扎实的专业知识，还教会了我如何做人，面对问题养成了沉着冷静，努力解决。

还要感谢的是我的父母，因他们的给予我才能在这校园里完成我的大学梦想，使我的人生阅历提高，增长见识，提高了自己各个方面的素质和涵养。也要感谢我的同学。，因为我们团结我们才能高效的完成毕业设计。在未来的日子里，我会更加努力的学习和工作，不辜负父母对我的殷殷期望，我一定会好好孝敬和报答他们！

从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！

附录：元件清单