大连海事大学课程设计2016年1月10日大连海事大学课程设计任务书课程传感器技术课程设计题目专业姓名学号主要内容：以实验室购买的极光尔沃3D打印机组件为材料进行组装，完成对机械、电气、控制等模块的调试；自行设计3D打印产品进行打印；对系统各部分进行分析，并查找相关资料，完成对全系统的详细分析设计报告。

基本要求：（1）完成系统的组装。

（2）完成对机械、电气、控制等模块的调试，并对PID参数调试正确，保证系统正确运行。

（3）打印自行设计的3D产品。

（4）完成全系统的详细分析设计报告。

参考资料：[1]极光尔沃3D打印机产品说明书[2]网上查找3D打印机相关资料完成期限2015.12.28至2016.1.10学生（签名）指导教师（签名）专业负责人（签名）2016年1月10日目录1设计要求 (1)2方案设计 (1)2.1设计思路 (1)2.2总体方案方框图 (1)2.3基本原理 (2)3总体方案的选择和设计 (2)3.1简单声控音乐彩灯控制器 (2)3.2音乐彩灯控制器 (3)4单元电路的设计 (3)4.1整流电路的设计 (3)4.2滤波电路的设计 (4)4.3高通滤波器 (5)4.4低通滤波器 (5)4.5元件参数的计算及选择 (6)5总电路图 (7)6总结 (7)参考文献 (8)附录 (9)1设计要求选取一种方法设计音乐彩灯控制器，要求该音乐彩灯控制器电路由三路不同控制方法的彩灯所组成，采用不同颜色的发光二极管作课题实验。

（1）第一路为音乐节奏控制彩灯，按音乐节拍变换彩灯花样。

（2）第二路按音量的强弱（信号幅度大小）控制彩灯。

强音时，灯的亮度加大，且灯被点亮的数目增多。

（3）第三路按音量高低（信号频率高低）控制彩灯。

低音时，某一部分灯点亮；高音时，另一部分灯点亮。

2方案设计2.1设计思路根据课题要求，可将控制器分为三部分来实现。

（1）由于音乐的节奏是具有一定时间间隔的节拍脉冲信号。

因此，可采用记数、译码驱动电路构成节拍脉冲信号发生器，使相应的彩灯按节奏点亮和熄灭。

（2）将声音信号变成电信号，经过放大、整流滤波，来点亮彩灯，以实现声音信号强弱的控制。

（3）采用高、低通有源滤波电路来实现高、低音对彩灯的控制。

2.2总体方案方框图图1基本原理框图2.3基本原理基本原理框图如图1所示。

1、采用运算放大器或555定时器构成多谐振荡器，产生矩形波信号作为计数器的时钟脉冲，计数器输出经译码器可得多路译码输出信号，再经过驱动器使相应的彩灯点亮。

2、采用动圈式话筒或者扬声器，将声响信号变成电信号输出，并经过放大器将其放大。

由于音频信号的频率高于发光元件的响应频率，为使发光元件有适当的显示时间，可加入延时电路，减少发光元件闪烁现象。

3总体方案的选择和设计3.1简单声控音乐彩灯控制器图2低成本声控音乐彩灯简单声控音乐彩灯控制器的电路如图2所示，R1、R2、D和C组成电阻降压半波整波电路，输出约3V的直流电供SCR的控制回路用。

压电陶瓷片HTD担任声-电换能器，平时调W使BG集电极输出低电平，SCR关断，彩灯不亮。

当HTD接收到声波信号后，BG集电极电平升高，SCR即开通，所以彩灯能随室内收音机播出的节目的音乐节奏而闪烁发光。

W可用来调节声控灵敏度，W由大调小时，声控灵敏度愈高，但W过小时，电灯常亮，这时就失去声控作用，使用调试时，将W由大逐渐调小至某一阻值时，电灯即点亮，再将W退回少许（即稍微调大），电灯就熄灭，这时声控灵敏度最高，离HTD二三米远处普通谈话声就能使彩灯闪烁。

如嫌灵敏度太高，只要将W调大些即可，电灯长亮不熄，表示BG的放大倍数β值过小，应更换β大些的三极管。

电阻均为1/8W碳膜电阻。

3.2音乐彩灯控制器如附录所示为实用音乐彩灯控制电路。

该控制器由声电转换和放大电路、时钟脉冲发生器、计数电路和控制电路等组成。

拾音话筒MIC将声音信号转换为电信号，并经BG1～BG3放大后加至四路模拟开关CD4066(IC3)。

时钟脉冲发生器由IC1(555)和W1、R1、R2、D1、C1等组成，该电路产生信号的周期为T=0.693(R w1+R1+R2)C1，图示参数对应的周期T在0.5～5秒范围内变化。

其中555③脚输出加至IC2作为CP脉冲。

IC2采用CMOS型十进制计数器／脉冲分配器CD4017，在时钟CP作用下，Q0(③脚)、Q1(②脚)、Q2(④脚)、Q3(⑦脚)、Q4(⑩脚)相继出现高电平脉冲，且Q4加至复位端R(⑩脚)，使电路成为一环行计数器。

Q0～Q3的输出依次将CD4066四路模拟开关接通，使乐曲信号依次加至BG5、BG6、BG7、BG8，并依次导通，相应SCR1～SCR4被依次触发导通，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。

4单元电路的设计4.1整流电路的设计全波桥式整流电路如图3所示，图中4个二极管接成电桥的形式，故有桥式整流之称。

该电路工作原理：设变压器次级电压U2=U2msinwt=U2sinwt，其中U2m为其幅值，U2为有效值。

在电压U2的正半周期时，二极管D1、D3因受正向偏压而导通，D2、D4因承受反向电压而截止；在电压U2的负半周期时，二极管因受D2、D4正向偏压而导通，D1、D3因承受反向电压而截止。

U2和U L的波形如下图所示，显然，输入电压是双极性，而输出电压是单极性，且是全波波形，输出电压与输入电压的幅值基本相等由理论分析可得，输出全波单向脉冲电压的平均值即直流分量为：U L0=2U2m/π=π22U2≈0.9U2（1）其纹波系数g为γ=U Lγ/U L0（2）图3全波桥式整流电路式中，U L γ为谐波（只有偶次谐波）电压总有效值，其值应为U L γ2L0222L42L2U U U U -=++= （3） 由式（1）、（2）和（3）通过计算可得g ≈0.48。

由结果可见，全波整流电路的输出电压纹波比半波整流电路小得多，但仍然较大，故需用滤波电路来滤除纹波电压。

全波整流电路中的二极管安全工作条件为：1、二极管的最大整流电流必须大于实际流过二极管平均电。

由于4个二极管是两两轮流导通的，因此有I F ＞I D0=0.5U L0/R L =0.45U 2/R L2、二极管的最大反向工作电压UR 必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压URM ，即U R ＞U RM =2U 24.2 滤波电路的设计经整流后的直流输出电压脉动性很大，不能直接使用。

为了减少其交流成分，通常在整流电路后接有滤波电路。

滤波电路的主要任务是将整流后的单向脉动直流电压中的纹波滤除掉，使其变成平滑的直流电。

在小功率电路中常采用电容滤波电路，将滤波电容C 直接并联在负载RL 两端，就可组成电容滤波电路。

由于电容的储能作用，使得输出直流电压波形比较平滑，脉动成分降低，输出直流电压的平均值增大。

采用电容滤波电路可以得到脉动性很小的直流电压，但输出电压受负载变动的影响较大，其主要用于要求负载电流较小，负载基本不变的场合。

R lT当R L=∞时，V L= 2V2；当R L C的值适当，且整流电路的内阻较小时，V L=（1.1～1.2）V2。

滤波电容的选择与负载R L的大小有关，确切地说是由放电回路的时间常数τ来确定的。

电容放电的时间常数τ（τ=R L C）越大，放电过程越慢，输出电压中脉动（纹波）成分越少；V L的平均值越大，滤波效果越好。

一般取τ≥（3～5）T/2（T为电源交流电压的周期）。

R L 为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时间常数RC应满足：RC>（3～5）T2。

其中：T=20ms 是50 Hz 交流电压的周期。

由此确定滤波电容的容量。

滤波电容一般采用电解电容，使用时注意极性不能接反，电容器的耐压应大于它实际工作时所承受的最大电压。

通常电容器的耐压取（1.5～2）V2。

4.3高通滤波器由分析知道截止频率为50Hz，于是就有50l f==Hz选取R7=R8=4kΩ，C1=C2=0.8μF。

此高通滤波器的增益9101vfRAR=+，由前分析知，故选取R10=4kΩ，R9=4kΩ如图4所示为有源低通滤波电路。

该电路的截止频率f c=100Hz。

电路中，R1与R2之比和C1与C2之比可以是各种值。

该电路采用R1=R2和C1=2C2。

采用C1=C2和R1=2R2也可以。

图4高通滤波器电路图4.4低通滤波器如图5所示为有源低通滤波电路。

该电路的截止频率f c=10kHz。

电路中，R1与R2之比和C1与C2之比可以是各种值。

该电路采用R1=R2和C1=2C2。

采用C1=C2 V i2V i和R 1=2R 2也可以。

图5低通滤波器电路图4.5元件参数的计算及选择由于：V U U RM 1712222=⨯=>，A I 8.0max 0=。

IN4001的反向击穿电压V U RM 50≥，额定工作电流max 01I A I D >=，故整流二极管选用IN4001。

根据300103,5,12,9--⨯==∆==v p p I S mV U V U V U 和公式CI CT II v o U U U U S ==∆∆=(C 为常数)可求得：V S U U U U vI p op I 2.2103912005.030=⨯⨯⨯=∆=∆-- 滤波电容：F F U T I U tI C IIc μ3636003636.02.2215018.02max 0==⨯⨯=∆⋅=∆=电容的耐压要大于V U 1712222=⨯=，故滤波电容C 取容量为F μ4700，耐压为V 25的电解电容。

4.5.1SCR 及其它元件的选择SCR 可用国产3CTS1型（1A 、400V ）双向晶闸管，其它进口额定通态电流IT≥1A 、断态重复峰值电压UDRM ≥400V 的双向晶闸管也可使用，但应注意管脚引线的正确接法，以免错接后通电损坏器件。

T 用晶体管收音机里常用的小型推挽输出变压器来代替，要求初级与次级间绝缘性要良好，这一点应特别引起重视，以免使用中发生人体触电危险！R w选用470Ω～5.1kΩ的普通电位器。

插头采用的是220V交流电路常用的普通二极插头。

选用市售节日闪光彩灯链（灯泡套有塑料花，每串约20只灯泡，工作电压为交流220V）一至数串并联构成，但总瓦数（各并联彩灯链瓦数之和）不得超过180W；使用前，还应将每串彩灯链的第一个带有双金属片的灯泡换成普通备用灯泡，不再让其控制彩灯链自动闪亮即可。

彩灯链灯泡数目多、体积小，可以将它缠绕在各种图案、家具等的四周，也可将它置于花丛中，形式不拘一格，布置起来灵活方便。

5总电路图把上述各部分电路连接起来便构成了完整的音乐彩灯控制电路。

其总电路图如附录所示。

6总结本次课程设计要求设计一种音乐彩灯控制器。