声控LED旋律灯设计说明书.doc

模拟电子技术
课程设计报告

现代测试技术课程课外作业设计说
明书LED旋律灯

院 系 ：
机电工程学院
专 业 ：
电子信息工程
年级（班级）：
2班
姓 名：
黄晨溦
学 号:
201540821015
指导教师：

完成日期：
2016年 9月 23日
成 绩 ：

目 录
摘要 2
引言 3
1、方案论证 5
1.1、控制方法选择 5
1.2、放大电路选择 5
1.3、设计框图 6
2、电路原理 6
3、器件选型 7
3.1、声音传感器选型 7
3.2、三极管的选型 8
3.3、 器件校验 9
4、制作与调试 9
4.1、确定参数 9
4.2、PROTEUS仿真方法 9
4.3、焊接方法 9
4.4、元件清单 10
4.5、制作结果 10
5、使用说明 11
参考文献 12

摘要
LED旋律灯是各种公众场合渲染气氛的常用的一种辅助工具，它通过感受外界声音的变化而产生光强的变换，人身在其中自然而然的就能享受到光带给人的美感，因而广受人们的青睐。
本LED旋律灯设计采用驻极体话筒作为声音传感器，通过模拟电子技术直接用三极管和电解电容等硬件实现LED灯的亮度控制，无需加入单片机之类的控制器，大大节约了成本，也不需要复杂的软件编程，并能很好的实现所要求的功能，真正做到了简单实用、成本低的效果。
驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中，属于最常用的电容式话筒。由于输入和输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。

关键字：驻极体话筒、 三极管、 电解电容

引言
随着人们的生活水平的不断提高，人们越来越希望生活中的各种物质都能为我们所享受，声音与光就是其中的两种。而使声音与光结合起来，则更能给人们带来无穷的美妙享受。为了实现声音与光的有机结合，就必须要有中间连接载体，传感器就是这些载体中最常用的一种。
人类为了从外界获取信息, 必须借助于感觉器官。 人类依靠这些器官接受来自外界的刺激,再通过大脑分析判断, 发出命令而动作。 随着科学技术的发展和人类社会的进步, 人类为了进一步认识自然和改造自然, 只靠这些感觉器官就显得很不够了。 于是, 一系列代替、 补充、 延伸人的感觉器官功能的各种手段就应运而生, 从而出现了各种用途的传感器。
以电量作为输出的传感器， 其发展历史最短, 但是随着真空管和半导体等有源元件的可靠性的提高,这种传感器得到飞速发展。目前只要提到传感器, 一般是指具有电输出的装置。 由于集成电路技术和半导体应用技术的发展, 研究开发了性能更好的传感器。 随着电子设备水平不断提高以及功能不断加强, 传感器也越来越显得重要。 世界各国都将传感器技术列为重点发展的高新技术, 传感器技术已成为高新技术竞争的核心技术之一, 并且发展十分迅速。
展望未来, 传感器将向着小型化、 集成化、 多功能化、 智能化和系统化的方向发展, 由微传感器、 微执行器及信号和数据处理器总装集成的系统越来越引起人们的广泛关注。 传感器市场将会迅速发展, 并会加速新一代传感器的开发和产业化。
国家标准GB 7665-87对传感器下的定义是:
“能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置, 通常由敏感元件和转换元件组成”。　
敏感元件, 是指传感器中能直接感受或响应被测量（输入量）的部分; 转换元件, 是指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被探测量转换成适于传输和（或）测量的电信号的部分。
传感器种类繁多, 功能各异。 由于同一被测量可用不同转换原理实现探测, 利用同一种物理法则、 化学反应或生物效应可设计制作出检测不同被测量的传感器, 而功能大同小异的同一类传感器可用于不同的技术领域, 故传感器有不同的分类法。具体的分类方法如下表所示：

续表

本次的LED旋律灯设计使用的就是其中的声音传感器。声音传感器就如同人的耳朵一样能感受外界的声音，从而将收到的信息输入到处理电路进行处理，以使执行机构执行相应的动作。
在声音传感器中，驻极体话筒是比较实惠的，在网上购买只需要几毛钱一个。而且驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中，属于最常用的电容式话筒。
本次设计的LED旋律灯的功能要求如下：
通过驻极体话筒（声音传感器）检测外界的声音变化，控制LED灯的亮度随着外界声音的大小变化而变化。
将之放在喇叭旁，然后让音乐响起，可以看到LED灯随着音乐的节奏闪动，使您感受到音乐与灯光的美妙结合，从而得到更舒适的享受。

1、方案论证
1.1、控制方法选择
本设计有两种控制方法，其一是使用电容、电阻以及三极管用模拟电路的方式控制，其二是使用单片机的数字电路的方式控制。
1.1.1 使用电容、电阻以及三极管用模拟电路的方式控制。
这种控制方法电路简单，只需要三个电阻、两个电解电容及两个三极管就可以简单的实现控制。
由于使用的元器件少，所以焊接容易。
最重要的还是经济实惠，一个三极管只需要一毛钱就能买到，而单片机却需要五块钱一个。
但缺点是需要仔细计算电路中使用的电阻电容及三极管的参数以使之符合预期的要求。
1.1.2 使用单片机的数字电路的方式控制
这种控制方法电路也简单，因为在单片机中本身就集成有各种放大等实用的电路，故只需要一个单片机主控制就能实现预期目标，并且还能在目标条件不变的情况下，通过写入单片机的程序来增加LED灯的多种花样。
不需要复杂的参数计算，只要用软件的方法即可轻松控制。
缺点主要就是前面提到的成本高，其次焊接难度较大，因为使用单片机必须要制作单片机最小系统，且需要编写软件。
综上所述，从经济和简易的角度出发，本次设计选择用模拟电路的方式来控制。
1.2、放大电路选择
由于驻极体话筒的输出信号非常微弱，为方便后级电路处理要先行放大。
放大电路可以选择三极管放大，也可以选择运算放大器。
三极管单管的放大效果对于后级负载较重的情况不是很明显，这时候就需要多级放大，但其中的耦合问题是比较困难度的。而运算放大器则没有这个顾虑，但运算放大器的引脚较多，焊接难度稍大一些，且价格也高出三极管很多，一个音频专用的 NE5532AN NE5532 运算放大器的价格居然要13.5元。
本次设计的后级电路简单，只有三个LED灯，最大只需要将驻极体话筒的输出电压放大到3V即可，故选用三极管放大既经济又能满足要求。

1.3、设计框图
LED亮度显示
信号放大
声音强度检测
电源驱动

整个系统分为四个部分，电源电源驱动电路、声音信号检测电路、信号放大电路以及显示电路。电源驱动电路将+3V的直流电源输入到系统中给系统供电，由声音信号检测电路检测到外界声音信号的变化经转换成电压信号从而输出到信号放大电路部分，将放大了的信号用来驱动后级负载，即三个LED灯显示。由于驻极体话筒受外界环境，如温度，湿度等的影响较小，故不需要加补偿电路。
2、电路原理
该电路由电源电路、声音传感器放大电路、LED发光显示电路组成。
电源输入后经电解电容C1滤波，提供给电路；
声音传感器将声音信号转化为电压信号，经电解电容C2耦合，再由9014型的三极管Q1放大，再将放大后的信号送到9014型三极管Q2的基极，控制其集电极的电压大小，从而达到控制加在LED灯上的电压的大小，进而控制其亮度。声音越大，LED灯就越亮。

LED旋律灯电路原理图
注：图中以2K的电位器代替声音传感器（万用表测得声音传感器的阻值最大不超过2K）
3、器件选型
11

3.1、声音传感器选型
本设计中声音传感器选择两个引脚的驻极体电容式话筒。

3.1.1概述
这种话筒没有型号之分，相同引脚数的话筒可以代替，只是存在性能上的差别。
驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中，属于最常用的电容式话筒。由于输入和输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。
3.1.2 工作原理
高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久电荷(Q)，由于没有放电回路，这个电荷量是不变的，在声波的作用下，极化膜随着声音震动，因此和背极的距离也跟着变化，也就是锁极化膜和背极间的电容是随声波变化的。
电容上电荷的公式是Q=C·U，反之U=Q/C也是成立的。驻极体总的电荷量是不变，当极板在声波压力下后退时，电容量C减小，电容两极间的电压就会成反比的升高，反之电容量增加时电容两极间的电压就会成反比的降低。最后再通过阻抗非常高的场效应将电容两端的电压取出来，同时进行放大，我们就可以得到和声音对应的电压了。
3.1.3 灵敏度检测
在本设计中应用的驻极体话筒，其灵敏度直接影响LED灯的显示效果。这类话筒灵敏度的高低可用万用表进行简单测试。
将模拟式万用表拨至R×2K档，两表笔分别接话筒两电极，待万用表显示一定读数后，用嘴对准话筒轻轻吹气（吹气速度慢而均匀），边吹气边观察表针的摆动幅度。吹气瞬间表针摆动幅度越大，话筒灵敏度就越高，LED灯显示效果就越好。若摆动幅度不大（微动）或根本不摆动，说明此话筒性能差，不宜应用在电路设计中。
3.1.4 驻极体话筒的特性参数
工作电压Uds 1.5~12V，常用的有1.5V，3V，4.5V三种，本设计选用3V的。
工作电流Ids 0.1~1mA之间
输出阻抗 一般小于2K（欧姆）
灵敏度 单位：伏/帕，国产的分为4档，红点（灵敏度最高）黄点，蓝点，白点（灵敏度最低）
频率响应 一般较为平坦
指向性 全向
等效噪声级 小于35分贝

注意：驻极体话筒有正负极之分，与外壳相连的一极为负极。

3.2、三极管的选型
本设计选用9014三极管（TO-92封装），它是NPN型小功率三极管 。

3.2.1 三极管的放大作用
集电极电流受基极电流的控制，并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变 化量的β倍，即电流变化被放大了β倍，所以把β叫做三极管的放大倍数（β一般远大于1，例如几十，几百）。
3.2.2 9014三极管参数
集电极最大耗散功率PCM=0.4W（Tamb=25℃）
集电极最大允许电流ICM=0.1A
集电极基极击穿电压BVCBO=50V
集电极发射极击穿电压BVCEO=45V
发射极基极击穿电压BVEBO=5V
集电极发射极饱和压降VCE(sat)=0.3V (IC=100mA; IB=5mA)
基极发射极饱和压降VBE(sat)=1V (IC=100mA; IB=5mA)
特征频率f T=150MHz
HFE： A=60~150; B=100~300; C=200~600; D=400~1000
3.3、 器件校验
经过实验验证，当使用+3V直流电源时，在驻极体话筒之前加一个4.7K的限流电阻之后，驻极体话筒的输出电压在0~150mv之间，本次选用的9014型的三极管的β值，即放大倍数能达到250左右，完全能将驻极体话筒输出的电压放大到预期的1~3V，所以这两个器件组合在一起是可以达到要求的。
4、制作与调试
4.1、确定参数
通过用直流稳压电源进行实验测试可以得到设计中所用到的LED最大可以承受的电压为直流2V。驻极体话筒的输出阻抗为0~2K。使用+3V直流电源时，在驻极体话筒之前加一个4.7K的限流电阻之后，驻极体话筒的输出电压在0~150mv之间。
用PROTEUS软件仿真配合硬件电路的试验可以得到合适的参数如下：
R1=4.7K，R2=1M，R3=10K
C1=47uf，C2=1u

4.2、PROTEUS仿真方法
1、 打开PROTEUS软件；
2、 保存为LED.DSN;
3、 在元件库里找到所需要的元器件；
4、 在原理图编辑界面把相应的电路图连接完成；
5、 配合硬件电路试验，不断的改变各个元器件的参数，使之达到预期要求。

4.3、焊接方法
4.3.1 元件装接
1、要求
先低后高、先易后难、先一般后特殊、同一器件高度相同。
2、次序
电阻（紧贴） →二极管（1~2mm）→小功率三极管(5~7mm)→电解电容(紧贴)→其他原件（3-5mm）。
3、 有极性的元件，要注意极性。
4.3.2 焊接
1、准备工具：
电烙铁（320℃左右）、尖嘴钳、偏口钳、焊锡丝、松香。
2、三步操作法：
①左手拿锡丝右手拿烙铁；②同时加热加焊料；③同时移开
注意：焊接时间、焊料适量等
3、 焊点要求：
(1) 表面光洁度
(2) 锡量的大小（圆锥形）
(3）不准出现虚焊假焊
(4) 不准拖尾、拉尖
(5) 不准出现结晶
(6) 不准有气泡
4、剪管脚（1~2mm）
4.4、元件清单
名称
规格
数量
金属氧化膜电阻
4.7K、10K、1M
各一只
电解电容
1uf、47uf
各一只
三极管
9014
两只
声音传感器
驻极体话筒
1个
发光二极管

3个
直流电源
1.5V南孚电池
2粒
4.5、制作结果
设计的最终结果是使LED旋律灯能随着外界声音的变化而显示不同的亮度。主要通过驻极体话筒传感器可靠感受外界声音的变化并将声音信号转化成可供电路使用的电压信号，并利用9014三极管做为信号放大器将从传感器输出的电压信号放大并送至LED灯的负极控制加在LED上的电压的大小，从而实现三个LED灯随着外界声音的大小的变化而改变其亮度。
它的硬件电路的设计主要包括系统电源、传感器系统及显示电路、信号放大电路四部分。系统由+3V直流电源输入，驻极体话筒传感器感受外界声音的变化，将声音信号转换成电压信号输出，经信号放大电路（三极管Q1）放大后的信号，由三极管Q2控制其集电极的电压大小，从而达到控制加在LED灯上的电压的大小，以实现对LED灯的亮度的控制。
经过实验表明，这套系统硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，成本低廉，实验结果完全符合预期要求。

5、使用说明

使用时，只需要打开电源开关，然后这个LED旋律灯的亮度就会随着你声音的大小的变化而变化，声音越大，LED就会越亮，反之则越暗。
如果你想要它随着音乐的节奏而闪动的话，则只需要将其安装在喇叭的旁边即可实现声与光的美妙结合，让你在声与光的世界里尽情陶醉。

参考文献
1、曹才开主编，《检测技术应用》，中南大学出版社，2009.5

2、杨栓科主编，《模拟电子技术基础》，高等教育出版社，2010.11

3、谢自美主编,《电子线路设计-实验-测试》，华中科技大学出版社, 2000

4、Pual Scherz.《发明者电子设计宝典》，福建地质印刷厂，2004