电子鞭炮电路的设计

1电子鞭炮电路的设计黄()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。2方案一基本框图如图2-1所示。电源音频产生电路音频放大电路放大型晶闸管发光二极管放大型晶闸管热敏电阻扬声器图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。电源音频产生电路音频放大电路脉冲计数器发光二极管单向可控硅光敏电阻扬声器图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3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Ei光mA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。4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。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。R56.8KRGGB9VS220μFC5R56.8KGNDVT输出端图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P1N1P2N2G控制极K阴极阳极A5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Pu、Nu、ou均以“地”为公共端。6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。T7T8T3T1R415KR315KR150KT5T6T2T4同相输入R5150R61.35KT9T10IR715KD1D2增益设置7反相输入电源输出地GND图3-4LM386内部电路原理图PuououNu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。偏置电路输入级中间级输出级7（2）LM386的引脚图LM386的外形和引脚的排列如图3-6所示。增益设定旁路+Ec输出增益设定反相输入同相输入地LM386图3-6LM386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，fU=5RU+6RU≈2iU（3.1）F=ofUU=76565RRRRR≈oiUU2（3.2）uA=ioUU≈2（1+657RRR）≈657RR2R≈20（3.3）当引脚1和8之间外接电阻R时，uA≈7657RRR2R（3.4）当引脚1和8之间对交流信号相当于短路时，uA≈57RR2≈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：8uA≈657RRR2R（3.6）电压放大倍数可以调节，调节范围为20－200。VS6GND4GAIN8325BYP7GAIN1LM386C310μFC4220μFR29.1KR3C20.47μFLS?SpeakerGNDIC2音频输入图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1.35KΩ电阻被旁路，负反馈最弱，电压放大倍数最大，ufA=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9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bc发射区基区基电区发射极集电极集电结发射结b基极eNPNec图3-8NPN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10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