【正文】 禮花，其絢麗繽紛的圖案， 哈爾濱工業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 熱烈的爆炸聲、歡樂(lè)的氣氛，能給人們留下美好的印象，但有一定的煙塵污染和爆炸危險(xiǎn)隱患。本電路可以模擬禮花燃放裝置，達(dá)到聲型兼?zhèn)涞男Ч?，給人們?cè)诎踩?、環(huán)保的環(huán)境中帶來(lái)輕松愉快的氛圍。電路結(jié)構(gòu)新穎、元件不多、調(diào)試容易，適合自制。也可供小型企業(yè)工程技術(shù)人員開(kāi)放設(shè)計(jì)參考。 設(shè)計(jì)上的目的和意義：該設(shè)計(jì)的課題在完成的過(guò)程中將用到我大學(xué)四年學(xué)到 的知識(shí)，尤其是檢驗(yàn)我對(duì)數(shù)字電子技術(shù)和模擬電子技術(shù)的學(xué)習(xí)情況，考查我設(shè)計(jì)電路，搭接電路，調(diào)試電路及焊接電路的能力。對(duì)我的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和動(dòng)手能力進(jìn)行考核。 小型電子聲光禮花器的發(fā)展概況 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展小型電子聲光禮花器模擬禮花燃放，能夠達(dá)到燃放煙花的的效果，主要以圍繞各類(lèi)集成電路，集成芯片，高頻振蕩電路之間相互控制作用的高新電子技術(shù)，以單片機(jī)為基礎(chǔ)來(lái)設(shè)計(jì)模擬禮花燃放。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài) 國(guó)外歐美發(fā)達(dá)國(guó)家極少生產(chǎn)煙花，其主要原因是生產(chǎn)，儲(chǔ)存及運(yùn)輸過(guò)程中容易產(chǎn)生爆炸，非常危險(xiǎn)。這些國(guó)家主要 從發(fā)展中國(guó)家進(jìn)口，中國(guó)作為火藥發(fā)明國(guó)和法炮生產(chǎn)的傳統(tǒng)地，自然是最大的輸出國(guó)。在國(guó)外也有一些發(fā)展中國(guó)家的專(zhuān)業(yè)廠家生產(chǎn)禮花器。這些企業(yè)對(duì)煙花生產(chǎn)的研究很少，主要從事燃放效果的的研究，如采用計(jì)算機(jī)來(lái)控制燃放時(shí)間和燃放的先后次序，以達(dá)到理想的燃放效果。 我國(guó)是世界花炮的主要原產(chǎn)地，約占世界忠產(chǎn)值的 80%，年產(chǎn)值超過(guò)100 億元。在國(guó)內(nèi)，湖南省和江西省是主要煙花生產(chǎn)基地。湖南省瀏陽(yáng)市是我國(guó)最大的花炮生產(chǎn)基地，全市共有花炮生產(chǎn)企業(yè) 774 家，其中出口花炮企業(yè) 106 家，產(chǎn)品暢銷(xiāo) 100 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，年產(chǎn)值 30 億元，約占瀏陽(yáng)市 GDP的 10%。 哈爾濱工業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 禮花器是瀏陽(yáng)花炮中的主要出口產(chǎn)品，也是國(guó)外慶典必備的消費(fèi)品，約占全市總產(chǎn)量的 33%?，F(xiàn)在，瀏陽(yáng)生產(chǎn)的禮花彈主要以黃板紙為材料，紙張等原輔材料的消耗居高不下，邊角廢料不能充分利用以及紙張價(jià)格的上漲已成為禮花彈發(fā)展的瓶頸。以年產(chǎn)禮花彈 10 萬(wàn)箱，創(chuàng)產(chǎn)值 2020 萬(wàn)元的企業(yè)為例，年耗做禮花彈殼的黃板紙為 150 噸，按現(xiàn)行價(jià)格 1900 元 /噸計(jì)算，需 萬(wàn)元。紙張的損耗高達(dá) 35%，即每年有近 6 萬(wàn)元資金變成角廢料而白白流失。這種規(guī)模的企業(yè)每年各種紙張的邊角廢料高達(dá) 30 萬(wàn)噸，這不能不說(shuō)是一筆驚人的浪費(fèi)。然 而限于目前的生產(chǎn)工藝，這種浪費(fèi)是無(wú)法避免的。 課題研究的主要工作 本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是分析對(duì)比了煙花禮炮的優(yōu)缺點(diǎn)。研究思路針對(duì)相對(duì)簡(jiǎn)單的電子電力技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單的電子線路，依據(jù)時(shí)基集成電路的原理，通過(guò)十進(jìn)制集成電路，通過(guò)雙向模擬開(kāi)關(guān)來(lái)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的三極管，點(diǎn)亮相應(yīng)的LED。重點(diǎn)針對(duì)電子禮花器發(fā)光部分的工作特性。利用時(shí)基集成電路 555IC2構(gòu)造了電子禮花器的發(fā)聲系統(tǒng)。本工作針對(duì)電子禮花器，主要采用電子制作裝置，由模擬禮花色彩的發(fā)光電路和模擬禮花爆炸聲的發(fā)聲電路兩部分構(gòu)成。 哈爾濱工業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第 2 章 小型電子聲光禮花器 的設(shè)計(jì)方案 小型電子聲光禮花器的主要技術(shù)指標(biāo) 模擬的禮花燃放聲音要有 —1s 的停頓時(shí)間 效果模仿時(shí)，要 將 紅綠藍(lán)三個(gè)發(fā)光二極管 呈 三角形裝置 有條件可在發(fā)光的前方裝置由透光口組成的禮花圖案的面板 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 圖 21 小型電子聲光禮花器基本組成方框圖 系統(tǒng)電路功能設(shè)計(jì) AC：為電路的正常工作提供 維持電路中有持續(xù)電流，為電路提供電能 。 ： 由它構(gòu)成方波發(fā)生器，發(fā)出的方波振蕩信號(hào)分二路送出。一路送至發(fā) 光 電路部 分， 另一路送至發(fā)聲電路部分。 ： 由時(shí)基集成電路 555IC1 發(fā)出振蕩信號(hào)觸發(fā)十進(jìn)制集成電路計(jì)數(shù)器 IC3（ CD4017），輸出導(dǎo)通集成電雙向模擬開(kāi)關(guān) CD4066 ，驅(qū)動(dòng)三極管 T1～ T3 ，導(dǎo)通發(fā)光二極管 LED1～ LED6 發(fā)光 . ： 由時(shí)基集成電路 555IC1 輸出方波信號(hào)經(jīng)過(guò)微分電路使 IC2 的 4 腳才能保持高電平 “1”來(lái)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。 時(shí)基集成555 5 振蕩電路 發(fā)光 電路 發(fā)聲 電路 模擬開(kāi)關(guān) 驅(qū)動(dòng)電路 哈爾濱工業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 5. 模擬開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路：由 集成電雙向模擬開(kāi)關(guān) CD4066 組成。 555IC1， IC2 的工作原理：根據(jù) 555 定時(shí)器的結(jié)構(gòu)和工作原理，錯(cuò)誤 !未找到引用源。 、 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 、 C 是 555 定時(shí)器的外接元件，定時(shí)器 2 腳和 6 腳連接起來(lái)接 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，晶體管 VT 集電極（ 7腳）接到 R1 和 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 的連接點(diǎn)上。 接通電源前，電容 C 上無(wú)電荷，所以在接通電源的一瞬間，因電容 C來(lái) 不及充電，故電容 C 兩端的電壓為 0V，輸出端為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 高電平， VT 截止，直流電源通過(guò)電阻 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 、 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 向電容 C 充電，電容電壓開(kāi)始上升，充電的時(shí)間常數(shù) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 21） 當(dāng)電容 C 充電達(dá)到 2Ucc/3 時(shí)，電路的狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，端輸出低電平， VT 飽和導(dǎo)通，此時(shí)電容 C、 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 和VT 構(gòu)成了放電回路，電容 C 開(kāi)始放電，放電常數(shù) （ 22） 當(dāng)電容兩端電壓 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 下降到 ,時(shí)， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。輸入端又變回了低電平，則端輸 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 出高電平，同時(shí)晶體管 VT 由導(dǎo)通變截止；電源通過(guò) R 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 重新向 C 充電，重復(fù)上述過(guò)程。 電容充電時(shí)，時(shí)間常數(shù) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，起始值 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，終了值 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，轉(zhuǎn)換值 =錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，代入RC 過(guò)渡過(guò)程計(jì)算公式可得，電容充時(shí)間為錯(cuò)誤 ! 未 找 到 引 用 源 。 哈爾濱工業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 （ 23） 電容放電 時(shí)，時(shí)間常數(shù) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，起始值 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，終了值 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 轉(zhuǎn)換值 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，代入 RC 過(guò)渡過(guò)程計(jì)算電容的放電時(shí)間為 CRT 22 ? 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 24） 根據(jù)課題的技術(shù)指標(biāo)要求，設(shè)定模擬禮花燃放聲音 秒，停頓時(shí)間 秒，根據(jù) IC1 的時(shí)基振蕩電路將 C2 定位為 10uF 由公式（ 23）和（ 24）可求的 R1 的值為 10K 和 VR1 的值為 100K。調(diào)整電位器 VR2 可改變 IC2 的振蕩頻率，以使揚(yáng)聲器發(fā)出類(lèi)似禮花的聲響，根據(jù) IC2 的時(shí)基振蕩電路將C5 定位為 100uF 由公式（ 23）和（ 24）可求的 R5 的值為 28K 和 VR2 的值為 14K。 方案設(shè)計(jì) 本課題研究的小型電子聲光禮花器是將主要通過(guò) 555 振蕩電路來(lái)驅(qū)動(dòng)模擬禮花色彩的發(fā)光電路和模擬禮花爆炸聲的發(fā)聲電路，模擬禮花燃放裝置，達(dá)到聲型兼并的效果 。在本課題中用到的是 555， C4017， CD4066 芯片。 基于時(shí)基集成 555 振蕩電路的電路設(shè)計(jì) 時(shí)基集成電路 555 在電路結(jié)構(gòu)上是由模擬電路和數(shù)字電路組合而成，它將模擬功能和邏輯功能兼融為一體，能夠產(chǎn)生精確 的時(shí)間延遲和振蕩，由它構(gòu)成方波發(fā)生器發(fā)出方波振蕩信號(hào)給發(fā)光電路部分和發(fā)聲電路部分送去脈沖觸發(fā)信號(hào)；根據(jù)其工作原理和計(jì)算公式（ 23），（ 24）計(jì)算出發(fā)出振蕩信號(hào)時(shí)間為 秒，停頓的時(shí)間為 秒。 哈爾濱工業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 22 555 定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 23 555 引腳排列 單元電路的設(shè)計(jì) 發(fā)光電路 發(fā)光電路是由十進(jìn)制集成電路計(jì)數(shù)器 CD4017，二極管 D1～ D12，集成電雙向模擬開(kāi)關(guān) CD4066（ 1）、（ 2）、 （ 3），三極管 T1～ T3 ，發(fā)光二極管LED1～ LED6 組成；由時(shí)基集成電路 555IC1 構(gòu)成的方波發(fā)生器發(fā)出方波振 哈爾濱工業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 蕩信號(hào)送至十進(jìn)制集成電路計(jì)數(shù)器 CD4017 作為觸發(fā)信號(hào)，使其進(jìn)行計(jì)數(shù)。每次計(jì)數(shù)的結(jié)果（ CD4017 的 Q0～ Q6 之一為 “1”時(shí)），分別由二極管 D1～D12 傳輸?shù)较鄳?yīng)的集成電雙向模擬開(kāi)關(guān) CD4066 的控制端，可使三個(gè)CD4066（ 1）、（ 2）、（ 3）或單獨(dú)或組合導(dǎo)通。這樣 NE555IC1 的方波信號(hào)就可以通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的三極管 T1～ T3 飽和導(dǎo)通，點(diǎn)亮相應(yīng)的發(fā)光二極管 LED1～ LED6。 方波振蕩信號(hào)驅(qū)動(dòng)三極管時(shí)，要先經(jīng)過(guò)一個(gè)由電阻 Rb 和電容 Cb 組成的微分電路，根據(jù)微分電路的特點(diǎn)，后接的三極管是在方波上升沿開(kāi)始后導(dǎo)通，然后 Vb 點(diǎn)的電壓按指數(shù)規(guī)律率減至 0，因此三極管驅(qū)動(dòng)的 LED 也有一個(gè)從突然點(diǎn)亮而漸暗的短暫過(guò)程，這個(gè)過(guò)程的長(zhǎng)短可由 Rb 和 Cb 的數(shù)值（時(shí)間常數(shù)）來(lái)調(diào)整。 當(dāng) CD4017 的 Q7 端為 “1”時(shí)，計(jì)數(shù)器復(fù)位。隨著 555 集成電路 IC1 的振蕩信號(hào)不斷產(chǎn)生，、發(fā)光二極管發(fā)出的多種色彩（單色或三基色合成色）也循環(huán)不斷，并且每種光色的點(diǎn)亮過(guò)程會(huì)有一種類(lèi)似煙花閃爍后迅速熄滅 的感覺(jué)。 CD4017 的工作原理：十進(jìn)制計(jì)數(shù)／分頻器 CD4017，其內(nèi)部由計(jì)數(shù)器及譯碼器兩部分組成，由譯碼輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的分配，整個(gè)輸出時(shí)序就是O0、 O O … 、 O9 依次出現(xiàn)與時(shí)鐘同步的高電平，寬度等于時(shí)鐘周期。 CD4017 有 10 個(gè)輸出端（ O0～ O9）和 1 個(gè)進(jìn)位輸出端～ O59。每輸入10 個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，～ O59 就可得到 1 個(gè)進(jìn)位正脈沖，該進(jìn)位輸出信號(hào)可作為下一級(jí)的時(shí)鐘信號(hào)。 CD4017 有 3 個(gè)輸（ MR、 CP0 和 ~CP1）， MR 為清零端，當(dāng)在 MR 端上加高電平或正脈沖時(shí)其輸出 O0 為高電平，其余輸 出端（ O1～ O9）均為低電平。 CP0 和～ CPl 是 2 個(gè)時(shí)鐘輸入端，若要用上升沿來(lái)計(jì)數(shù)，則信號(hào)由CP0 端輸入；若要用下降沿來(lái)計(jì)數(shù)，則信號(hào)由～ CPl 端輸入。設(shè)置 2 個(gè)時(shí)鐘 哈爾濱工業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 輸入端，級(jí)聯(lián)時(shí)比較方便，可驅(qū)動(dòng)更多二極管發(fā)光。由此可見(jiàn)，當(dāng) CD4017有連續(xù)脈沖輸入時(shí)，其對(duì)應(yīng)的輸出端依次變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，故可直接用作順序脈沖發(fā)生器。 圖 24 CD4017 引腳圖 CD4066 的工作原理： CD4066 的每個(gè)封裝內(nèi)部有 4 個(gè)獨(dú)立的模擬開(kāi)關(guān)，每個(gè)模擬開(kāi)關(guān)有輸入、輸出、控制三個(gè)端子，其中輸入端和輸出端可互換。當(dāng)控制端加高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)控制端加低電平時(shí)開(kāi)關(guān)截止。模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通電阻為幾十歐姆；模擬開(kāi)關(guān)截止時(shí)，呈現(xiàn)很高的阻抗，可以看成為開(kāi)路。模擬開(kāi)關(guān)可傳輸數(shù)字信號(hào)和 模擬信號(hào) ，可傳輸?shù)哪M信號(hào)的上限頻率為 40MHz。各開(kāi)關(guān)間的串?dāng)_很小，典型值為－ 50dB。 CD4066 是四雙向模擬開(kāi)關(guān)，主要用作模擬或數(shù)字信號(hào)的多路傳輸。引出端排列與 CC4016 一致，但具有比較低的導(dǎo)通阻抗。另外，導(dǎo)通阻抗在整個(gè)輸入信號(hào)范圍內(nèi)基本不變。 CD4066 由四個(gè)相互獨(dú)立的雙向開(kāi)關(guān)組成，每個(gè)開(kāi)關(guān)有一個(gè) 控制信號(hào) ，開(kāi)關(guān)中的 p 和 n 器件在控制信號(hào)作用下同時(shí)開(kāi)關(guān)。這種結(jié)構(gòu) 消除了開(kāi)關(guān) 晶體管閾值電壓 隨輸入信號(hào)的變化，因此在整個(gè)工作信號(hào)范圍內(nèi)導(dǎo)通阻抗比較低。與單通道開(kāi)關(guān)相比，具有輸入信號(hào)峰值電壓范圍 哈爾濱工業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 等于電源電壓以及在輸入信號(hào)范圍內(nèi)導(dǎo)通阻抗比較穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。但若應(yīng)用于采保電路，仍推薦 CD4016。 當(dāng)模擬開(kāi)關(guān)的電源電壓采用雙電源時(shí)，例如 =﹢ 5V， =﹣ 5V（均對(duì)地0V 而言），則輸入電壓對(duì)稱(chēng)于 0V的正、負(fù)信號(hào)電壓（﹢ 5V～﹣ 5V）均能傳輸。這時(shí)要求控制信號(hào) C=“1”為 +5V， C=“0”為 5V，否則只能傳輸正極性的信號(hào)電壓。 圖 25 元件電路管腳圖 發(fā)聲電路 發(fā)聲電路由時(shí)基集成電路 555IC2 和揚(yáng)聲器組成。模擬燃放禮花的聲音由時(shí)基集成電路 555IC2 來(lái)完成，該電路同樣也是一個(gè)振蕩器，不過(guò)，其復(fù)