1、小型电子声光礼花器设计方案小型电子声光礼花器设计方案1.1课题背景及目的和意义1.1.1课题背景随着电力电子技术的高速发展， 电力电子设备与人们的工作、 生活的关系日益密切，而当下我国正在大力提倡建立和谐社会， 而建设和谐社会的一个重要方面就是环境保护， 随着环境保护力度的加强， 我国各大城市相继规定，节假日在市区范围内禁止燃放礼花炮竹， 城市环境在得到良好改善的同时，节日欢娱的气氛却降低了不少，受到电子鞭炮的启发，本设计采用 LED作为光源模拟礼花绽放时的形态， 用LED取代小型灯泡作为电子礼花器的显 示器件具有节能，工作寿命长，高亮度，多发光颜色，响应快等优点。 更促进了电子礼花器技术的迅
2、速发展。 电子礼花器是利用现代电力电子技术制作出的模拟烟随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、 生活的关系日益密切， 而当下我国正在大力提倡建立和谐社会， 而建设和谐社会的一个重要方面就是环境保护， 随着环境保护力度的加强， 我国各大城市相继规定，节假日在市区范围内禁止燃放礼花炮竹， 城市环境在得到良好改善的同时，节日欢娱的气氛却降低了不少，受到电子鞭炮的启发，本设计 采用LED作为光源模拟礼花绽放时的形态， 用LED取代小型灯泡作为电子礼花器的显示器件具有花燃放的电子产品，随着电力电子技术的发展和创新， 使得电子礼花器制作技术在不断地创新， 电子礼花器和花炮相比， 二者的成本
3、都随着能出现更加绚丽缤纷的图案而增加， 但电子礼花器对环境不会有任何的污染而花炮则会产生更严重的环境污染， 这一成本反转点日益向电子礼花器移动，这为电子礼花器提供了广泛的发展空间。电子礼花器环保化是其发展的方向， 环保化使电子礼花器市场化， 并使 电子礼花器进入更广泛的应用领域， 特别是在娱乐场所的应用， 另外电子礼 花器的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意 义。1.1.2 课题目的和意义工程上的目的和意义 ： 节日和庆典时燃放礼花，其绚丽缤纷的图案， 热烈的爆炸声、欢乐的气氛，能给人们留下美好的印象，但有一定的烟尘污 染和爆炸危险隐患。本电路可以模拟礼花燃放装置，达到
4、声型兼备的效果， 给人们在安全、环保的环境中带来轻松愉快的氛围。电路结构新颖、元件不 多、调试容易，适合自制。也可供小型企业工程技术人员开放设计参考。该 装置可用于家庭庆典、 朋友聚会、联欢晚会、 儿童玩具及一些趣味性等场所。设计上的目的和意义： 该设计的课题在完成的过程中将用到我大学四年 学到的知识， 尤其是检验我对数字电子技术和模拟电子技术的学习情况， 考 查我设计电路，搭接电路，调试电路及焊接电路的能力。对我的专业知识和 动手能力进行考核。1.2小型电子声光礼花器的发展概况随着科学技术的不断发展小型电子声光礼花器模拟礼花燃放， 能够达到 燃放烟花的的效果，主要以围绕各类集成电路，集成芯片
5、，高频振荡电路之 间相互控制作用的高新电子技术，以单片机为基础来设计模拟礼花燃放。1.3国内外发展动态国外欧美发达国家极少生产烟花， 其主要原因是生产， 储存及运输过程 中容易产生爆炸，非常危险。这些国家主要从发展中国家进口，中国作为火 药发明国和法炮生产的传统地， 自然是最大的输出国。 在国外也有一些发展 中国家的专业厂家生产礼花器。 这些企业对烟花生产的研究很少， 主要从事燃放效果的的研究， 如采用计算机来控制燃放时间和燃放的先后次序， 以达 到理想的燃放效果。我国是世界花炮的主要原产地， 约占世界忠产值的 80%，年产值超过 100 亿元。在国内，湖南省和江西省是主要烟花生产基地。湖南省
6、浏阳市是我国 最大的花炮生产基地，全市共有花炮生产企业 774 家，其中出口花炮企业 106 家，产品畅销 100 多个国家和地区，年产值 30 亿元，约占浏阳市 GDP 的 10%。礼花器是浏阳花炮中的主要出口产品， 也是国外庆典必备的消费品， 约 占全市总产量的 33%。现在，浏阳生产的礼花弹主要以黄板纸为材料，纸张 等原辅材料的消耗居高不下， 边角废料不能充分利用以及纸张价格的上涨已 成为礼花弹发展的瓶颈。 以年产礼花弹 10 万箱，创产值 2000 万元的企业为 例，年耗做礼花弹壳的黄板纸为 150 吨，按现行价格 1900 元/ 吨计算，需 28.5 万元。 纸张的损耗高达 35%，
7、即每年有近 6 万元资金变成角废料而白白 流失。这种规模的企业每年各种纸张的边角废料高达 30 万吨，这不能不说 是一笔惊人的浪费。然而限于目前的生产工艺，这种浪费是无法避免的。1.4课题研究的主要工作本毕业设计主要是分析对比了烟花礼炮的优缺点。 研究思路针对相对简 单的电子电力技术来设计的简单的电子线路， 依据时基集成电路的原理， 通 过十进制集成电路，通过双向模拟开关来驱动相应的三极管，点亮相应的LED重点针对电子礼花器发光部分的工作特性。利用时基集成电路 555IC2构造了电子礼花器的发声系统。 本工作针对电子礼花器， 主要采用电子制作 装置，由模拟礼花色彩的发光电路和模拟礼花爆炸声的发
8、声电路两部分构 成。第2章小型电子声光礼花器的设计方案2.1小型电子声光礼花器的主要技术指标1、 模拟的礼花燃放声音要有 0.1 1s的停顿时间2、 效果模仿时，要讲红绿蓝三个发光二极管程三角形装置3、 有条件可在发光的前方装置由透光口组成的礼花图案的面板2.2系统结构框图电源AC发声；V*电路图2-1 小型电子声光礼花器基本组成方框图2.2.1系统电路功能设计1.电源AC:为电路的正常工作提供维持电路中有持续电流，为电路提 供电能。2.时基集成振荡电路 ：由它构成方波发生器， 发出的方波振荡信号分二 路送出。一路送至发电路部分，光另一路送至发声电路部分。3.发光电路：由时基集成电路 555I
9、C1 发出振荡信号触发十进制集成电 路计数器IC3 ( CD4017),输出导通集成电双向模拟开关 CD4066，驱动三极管T1T3，导通发光二极管 LED1LED6发光.4. 发声电路 ：由时基集成电路 555IC1 输出方波信号经过微分电路使 IC2 的 4 脚才能保持高电平“ 1 ”来驱动扬声器。5. 时基集成电路 555IC1 ， IC2 的工作原理： 根据 555 定时器的结构和工 作原理，、C是555定时器的外接元件，定时器 2脚和6脚连接起来接，晶 体管VT集电极(7脚)接到R1和的连接点上。接通电源前，电容 C 上无电荷，所以在接通电源的一瞬间，因电容 C 来不及充电，故电容
10、C两端的电压为0V,输出端为高电平， VT截止，直流电源通过电阻、向电容 C充电，电容电压开始上升，充电的时间常数( 2-1 )当电容 C 充电达到 2Ucc/3 时，电路的状态发生翻转，端输出低电平，VT饱和导通，此时电容 C、和VT构成了放电回路，电容 C开始放电，放电 常数( 2-2 )当电容两端电压下降到 , 时，输入端又变回了低电平， 则端输出高电平， 同时晶体管VT由导通变截止；电源通过R1、重新向C充电，重复上述过程。电容充电时，时间常数 ，起始值，终了值，转换值=，代入RC过渡过程计算公式可得，电容充时间为 (2-3 )电容放电时，时间常数 ，起始值，终了值，转换值=，代入RC
11、过渡过程计算电容的放电时间为 T2 0.7R2C(2-4 )根据课题的技术指标要求，设定模拟礼花燃放声音 0.77秒，停顿时间0.7秒，根据IC1的时基振荡电路将 C2定位为10uF由公式（2-3 ）和（2-4） 可求的R1的值为10K和VR1的值为100K。调整电位器 VR2可改变IC2的 振荡频率，以使扬声器发出类似礼花的声响，根据 IC2的时基振荡电路将C5定位为100uF由公式（2-3 ）和（2-4 ）可求的R5的值为28K和VR2的值 为 14K。2.3方案设计2.3.1引言本课题研究的小型电子声光礼花器是将主要通过 555振荡电路来驱动模拟礼花色彩的发光电路和模拟礼花爆炸声的发声电
12、路，模拟礼花燃放装 置，达到声型兼并的效果。在本课题中用到的是 555, C4017, CD4066芯片。2.3.2基于时基集成555振荡电路的电路设计时基集成电路555在电路结构上是由模拟电路和数字电路组合而成， 它将模拟功能和逻辑功能兼融为一体， 能够产生精确的时间延迟和振荡， 由它构成方波发生器发出方波振荡信号给发光电路部分和发声电路部分送去脉 冲触发信号；根据其工作原理和计算公式（ 2-3），（2-4 ）计算出发出振荡信号时间为0.77秒，停顿的时间为 0.7秒。THs.vJnr锐A -R3 MiVet同端制Jd 15555u2发 端输 出也 端2.4单元电路的设计2.4.1发光电路发
13、光电路是由十进制集成电路计数器 CD4017,二极管D1D12，集成电双向模拟开关 CD4066 (1)、( 2 )、( 3 ),三极管 T1T3，发光二极管 LED1LED6组成；由时基集成电路 555IC1构成的方波发生器发出方波振荡 信号送至十进制集成电路计数器 CD4017作为触发信号，使其进行计数。每次计数的结果（CD4017的Q0Q6之一为“ 1”时），分别由二极管 D1D12 传输到相应的集成电双向模拟开关 CD4066 的控制端， 可使三个 CD406（6 1）、 （ 2）、（ 3 ）或单独或组合导通。这样 NE555IC1 的方波信号就可以通过模 拟开关驱动相应的三极管 T1
14、T3 饱和导通， 点亮相应的发光二极管 LED1 LED6。方波振荡信号驱动三极管时，要先经过一个由电阻 Rb 和电容 Cb 组成 的微分电路， 根据微分电路的特点， 后接的三极管是在方波上升沿开始后导 通，然后 Vb 点的电压按指数规律率减至 0，因此三极管驱动的 LED 也有一 个从突然点亮而渐暗的短暂过程， 这个过程的长短可由 Rb 和 Cb 的数值（时 间常数）来调整。当 CD4017 的 Q7 端为“1”时， 计数器复位。随着 555 集成电路 IC1 的 振荡信号不断产生， 、发光二极管发出的多种色彩（单色或三基色合成色） 也循环不断， 并且每种光色的点亮过程会有一种类似烟花闪烁后
15、迅速熄灭的 感觉。CD4017的工作原理：十进制计数/分频器 CD4017其内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是 O0、01、02、09依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。CD4017 有10个输出端（0（09）和1个进位输出端 05-9。每输入10 个计数脉冲， 05-9 就可得到 1 个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下 一级的时钟信号。CD4017有3个输（MR CP0和CP1） , MR为清零端，当在 MR端上加高 电平或正脉冲时其输出 00为高电平，其余输出端（ 0109）均为低电平。 CP0和CPl是2个时钟输入端，若要用上升沿
16、来计数，则信号由 CP0端输入；若要用下降沿来计数，则信号由 CPl 端输入。设置 2个时钟输入端， 级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。由此可见，当 CD4017有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态， 故可直接用作顺序脉冲发 生器图2-4 CD4017 引脚图CD4066的工作原理：CD4066的每个封装内部有 4个独立的模拟开关，每个模拟开关有输 入、输出、控制三个端子，其中输入端和输出端可互换。当控制端加高电平 时，开关导通；当控制端加低电平时开关截止。模拟开关导通时，导通电阻 为几十欧姆；模拟开关截止时，呈现很高的阻抗，可以看成为开路。模拟开 关可传输数字信号和模拟信号
17、，可传输的模拟信号的上限频率为 40MHz各开关间的串扰很小，典型值为一 50dB。CD4066是四双向模拟开关，主要用作模拟或数字信号的多路传输。引 出端排列与CC4016 一致，但具有比较低的导通阻抗。另外，导通阻抗在整 个输入信号范围内基本不变。 CD4066由四个相互独立的双向开关组成，每个开关有一个控制信号，开关中的 p和n器件在控制信号作用下同时开关。这种结构消除了开关晶体管阈值电压随输入信号的变化， 因此在整个工作信号范围内导通阻抗比较低。 与单通道开关相比，具有输入信号峰值电压范围等于电源电压以及在输入信号范围内导通阻抗比较稳定等优点。 但若应用于采保电路，仍推荐 CD4016
18、当模拟开关的电源电压采用双电源时，例如 =+ 5V, = - 5V （均对地0V而言），贝U输入电压对称于 0V的正、负信号电压（+ 5V-5V）均能传 输。这时要求控制信号 C=“ 1”为+5V，C=“0”为-5V，否则只能传输正极 性的信号电压。图2-5元件电路管脚图2.4.2发声电路发声电路由时基集成电路 555IC2和扬声器组成。模拟燃放礼花的声音 由时基集成电路555IC2来完成，该电路同样也是一个振荡器，不过，其复 位端4脚所接的电位器是由IC1输出的方波信号经过一个微分电路后产生 的即从方波上升沿起及之后的一段时间内， IC2的4脚才能保持高电平“ 1”，并使其工作，所产生的振荡
19、信号直接驱动扬声器和三极管驱动的 LED点亮同步，发出类似礼花爆炸的声响。扬声器的工作原理：扬声器在音响设备中是一个最薄弱的器件， 而对于音响效果而言， 它又是一个最重要的部件。扬声器的种类繁多，而且价格相差很大。音频电能通 过电磁，压电或静电效应，使其纸盆或膜片振动并与周围的空气产生共振 （共鸣）而发出声音。按换能机理和结构分动圈式 （电动式）、电容式（静电式）、压电式（晶体或陶瓷）、电磁式（压簧式）、电离子式和气动式扬声器等，电 动式扬声器具有电声性能好、结构牢固、成本低等优点，应用广泛；按声辐 射材料分纸盆式、号筒式、膜片式扬声器；按纸盆形状分圆形、椭圆形、双 纸盆和橡皮折环；按工作频率
20、分低音、中音、高音，有的还分成录音机专用、 电视机专用、普通和高保真扬声器等；按音圈阻抗分低阻抗和高阻抗；按效 果分直辐和环境声等。 扬声器分为内置扬声器和外置扬声器， 而外置扬声器即一般所指的音箱。内置扬声器是指 MP4播放器具有内置的喇叭， 这样用户 不仅可以通过耳机插孔还可以通过内置扬声器来收听 MP4播放器发出的声音。具有内置扬声器的 MP4播放器，可以不用外接音箱，也可以避免了长时 间配带耳机所带来的不便。2.5小型电子声光礼花器的工作原理及原理图基于小型电子声光礼花器设计的原理图如下图 2-6所示。图 2-6 小型电子声光礼花器设计的原理图小型光电子声光礼花器的工作原理：采用该电路
21、制作装置， 由模拟礼花色彩的发光电路和模拟礼花爆炸声的 发声电路两个部分组成。 图中 IC1 为时基集成电路 555，由它构成方波发生 器，发出的方波振荡信号分二路送出。一路送至十进制集成电路计数器 IC3(CD4017作为触发信号，使其进行计数。每次计数的结果(CD4017的QL Q6之一为“ 1”时)，分别由二极管D1D12传输到相应的集成电双向模拟 开关 CD4066 的控制端，可使三个 CD4066( 1 )、( 2 )、( 3 )或单独或组合 导通。这样 IC1 的方波信号就可以通过模拟开关驱动相应的三极管 T1T3 饱和导通，点亮相应的发光二极管 LED1 LED3。方波振荡信号驱
22、动三极管时，要先经过一个由电阻 Rb 和电容 Cb 组成 的微分电路， 根据微分电路的特点， 后接的三极管是在方波上升沿开始后导 通，然后 Vb 点的电压按指数规律率减至 0，因此三极管驱动的 LED 也有一个从突然点亮而渐暗的短暂过程， 这个过程的长短可由 Rb 和 Cb 的数值(时 间常数)来调整。CD4017 计数器的输出与 CD4066 模拟开关的接通状态即发光二极管LED 的点亮情况由附表所示。当 CD4017 的 Q7 端为“ 1”时，计数器复位。随着 555 集成电路 IC1 的振荡信号不断产生， 图( 2-7 )所列现象循环出现， 发光二极管发出的 7 种色彩(单色或三基色合成
23、色)也循环不断，并且每 种光色的点亮过程会有一种类似烟花闪烁后迅速熄灭的感觉。三极管 T1、T2、T3 都是由 RC 微分电路驱动的，如果将三极管 T1 改 为 RC 积分电路( R 与 C 在电路中的位置互换)驱动则可使红 LED 在点燃 时间上有一个后延，如此当两个以上 LED 都点亮时就会产生时序上的差异， 产生动画般的层次感。另一路模拟燃放礼花的声音由时基集成电路 555IC2来完成，该电路同样也是一个振荡器，不过，其复位端 4 脚所接的电位器是由IC1输出的方波信号经过 R1和C1组成的微分电路后产生的即从方波上升沿起及之后的一段时间内，IC2的4脚才能保持高电平“ T，并使其 工作
24、，所产生的振荡信号直接驱动扬声器和三极管驱动的 LED点亮同步,发出类似礼花爆炸的声响。表2-7 发光二极管循环列表CD4017输出CD4066发光二极管Q0CD4066(1)红、红LEDQ1CD4066(2)黄、绿LEDQ2CD4066(3)蓝、绿LEDQ3CD4066(1)、(2)红、红、绿、黄 LEDQ4CD4066(1)、(3)红、红、蓝、绿 LEDQ5CD4066(2)、(3)黄、绿、蓝、绿 LEDQ6CD4066（1）、（2）、（ 3）红、蓝、黄、绿LED本章小结本章主要介绍了课题的技术指标， 画出了系统方框图， 对各部分电路的 功能进行了详细的介绍， 在整体的方案设计上做出了详细
25、的讲解， 把整体的 电路主要分成三部分： 555 时基集成电路，发光部分电路，发声部分电路， 并对他们各部分进行了更加详细地介绍。 最后介绍了本课题的核心内容： 小 型光电子声光礼花器的工作原理，并给出了整体的工作原理图。第 3 章 电路的仿真及结果3.1Proteus 仿真软件Proteus软件是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司） 。它不仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功能， 还能仿真单片机及外围器件。 它是目前最好的仿真单 片机及外围器件的工具。 虽然目前国内推广刚起步， 但已受到单片机爱好者、 从事
26、单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus 是世界上著名的 EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真， 一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、 PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持 8051、 HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33 、AVR ARM 8086 和 MSP43C等，2010 年又增加了 Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编 译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
27、功能特点：Proteus软件具有其它 EDA工具软件（例： multisim ）的功 能。这些功能是：原理布图； PCB自动或人工布线；SPICE电路仿真。革命性的特点1 互动的电路仿真用户甚至可以实时采用诸如 RAM ROM键盘，马达，LED, LCD, AD/DA,部分SPI器件，部分IIC器件。2仿真处理器及 其外围电路，可以仿真 51系列、AVR PIC、ARM等常用主流单片机。还可 以直接在基于原理图的虚拟原型上编程， 再配合显示及输出， 能看到运行后 输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等， Proteus 建立了完备的电子设计开发环境。功能模块： 丰富的器件库：
28、超过 27000 种元器件， 可方便地创建新元件； 智能的器件搜索： 通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件； 智能化的连线 功能：自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；支持总线结 构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；可输出高质量图纸：通 过个性化设置，可以生成印刷质量的 BMP图纸，可以方便地供 WORDPOWERPOINT多种文档使用。电路仿真：在PROTEUS!制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件： *HEX，可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。 PROTEUS是单片机课堂教学的先进助手。 PROTEUS仅可将许多单片机实例功能形象化， 也
29、可将许多单片机实例运行过程形象化。 前者可在相当程度上 得到实物演示实验的效果， 后者则是实物演示实验难以达到的效果。 它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。 这在相当程度上替 代了传统的单片机实验教学的功能， 例：元器件选择、 电路连接、 电路检测、 电路修改、软件调试、运行结果等。课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于PROTEU提供了实验室无法相比的大量的元器件库， 提供了修改电路设计的灵活性、 提供了实验室在数量、 质量上难以相比的虚拟 仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台。随着科技 的发展， “计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要
30、的前期设计手段。 它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。 相信在单片机开发应用中 PROTEU也能 茯得愈来愈广泛的应用。使用 Proteus 软件进行单片机系统仿真设计，是 虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用， 有利于培养学生的电 路设计能力及仿真软件的操作能力； 在单片机课程设计和全国大学生电子设 计竞赛中，我们使用 Proteus 开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投 入的条件下， 学生普遍反映， 对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接 受，更容易提高。实践证明，在使用 Proteus 进行系统仿真开发成功之后
31、 再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。因此， Proteus 有较高的推广利用价值。目前 Proteus 的最新版为 7.9,ARM cortex 处理器被增加， 在7.9中已经增加DSP系列（TMS320。3.2小型电子声光礼花器的 Proteus 仿真结果根据原理图通过 proteus 仿真软件连接电路进行了仿真，连接好电路 点击开始按钮整个电路正常工作， 模拟礼花色彩的发光电路和模拟礼花爆炸 声的发声电路同时工作。 发光部分电路中的发光二极管发出的 7 种色彩（单 色或三基色合成色） 也循环不断， 并且每种光色的点亮过程会有一种类似烟 花闪烁后迅速熄灭的感觉； 发声部分电路中扬声器发出的声音和三极管驱动的发光二极管LED点亮同步，发出类似礼花爆炸的声响。根据课题的技术指标要求模拟礼花色彩的燃放声音要有 0.1-1秒的停顿将和的值选定后，改变和 VR1的值可以模拟礼花燃放声音的时间，和 VR1的值越大模拟礼花燃放声音的时间越长； 相反和VR1的值越小电话铃声的周期越小。改变R5和VR2的值，电路的震荡频率就会改变。如果所需的各个 电阻大小电容大小在市场上没有这种大小， 就需要购买的电容大小
