呼吸灯优秀课程设计.doc

郑州科技大学

《数字电子技术》课程设计

题 目 LED 呼 吸 灯
学生姓名
专业班级
学 号
院 （系）
指导老师
完成时间 3 月13日
目 录
1 课程设计目标 1
2 课程设计任务和要求 2
3 设计方案和论证 4
3.1 设计任务分析 4
3.2 设计电路 4
3.3 调试 5
4 设计原理及其功效 6
5 单元电路设计 7
5.1 LED日光灯 7
5.2 电阻 8
5.3 电容 8
5.4 三极管 9
5.5 LM358 11
6 硬件制作和调试 13
6.1 电路焊接 13
6.2 功效实现 13
6.3 外观 13
7 设计总结 14
参考文件 16
附录 一：总体电路原理图 17
附录 二：元器件清单 18

1 课程设计目标
电子技术是一门实践性很强课程，加强工程训练，尤其是技能培养，对于培养工程人员素质和能力含有十分关键作用。在电子信息类本科教学中，电子技术课程设计是一个关键实践步骤，它包含选择课题、电子电路设计、组装、调试和编写总结汇报等实践内容。经过课程设计要实现以下两个目标：第一，让学生初步掌握电子线路试验、设计方法。即学生依据设计要求和性能参数，查阅文件资料，搜集、分析类似电路性能，并经过组装调试等实践活动，使电路达成性能指标；第二，课程设计为后续毕业设计打好基础。毕业设计是系统工程设计实践，而课程设计着眼点是让学生开始从理论学习轨道上逐步引向实际利用，从已学过定性分析、定量计算方法，逐步掌握工程设计步骤和方法，了解科学试验程序和实施方法，同时，课程设计汇报书写，为以后从事技术工作撰写科技汇报和技术资料打下基础。

2 课程设计任务和要求
数字电子技术课程设计方法和步骤数字电子技术课程设计方法和步骤数字电子技术课程设计方法和步骤数字电子技术课程设计方法和步骤 设计一个电子电路系统时，首先必需明确系统设计任务，依据任务进行方案选择，然后对方案中各部分进行单元设计、参数计算和器件选择，最终将各部分连接在一起，画出一个符合设计要求完整系统电路图。 1、设计任务分析 对系统设计任务进行具体分析，充足了解系统性能、指标内容及要求，方便明确系统应完成任务。 2、方案论证 这一步工作要求是把系统任务分配给若干个单元电路，并画出一个能表示各单元功效整机原理框图。 方案选择关键任务是依据掌握知识和资料，针对系统提出任务、要求和条件，完成系统功效设计。在这个过程中要用于探索，勇于创新，努力争取做到设计方案合理、可靠、经济、功效齐全、技术优异，而且对方案要不停进行可行性和优缺点分析，最终设计出一个完整框图。框图必需正确反应系统应完成任务和各组成部分功效，清楚表示系统基础组成和相互关系。 3、方案实现 1）单元电路设计 单元电路是整机一部分，只有把各单元电路设计好才能提升整体设计水平。每个单元电路设计前全部需明确本单元电路任务，具体拟订出单元电路性能指标，和前后级之间关系，分析电路组成形式。具体设计时，能够模拟成熟优异电路，也能够进行创新或改善，但全部必需确保性能要求。而且，不仅单元电路本身要设计合理，各单元电路间也要相互配合，注意各部分输入信号、输出信号和控制信号关系。 2）参数计算 为确保单元电路达成功效指标要求，就需要用电子技术知识对参数进行计算。比如，放大 电路中各阻值、放大倍数计算；振荡器中电阻、电容、振荡频率等参数计算。只有很好地了解电路工作原理，正确利用计算公式，计算参数才能满足设计要求。 3）器件选择 阻容元件选择：电阻和电容种类很多，正确选择电阻和电容是很关键。不一样 电路对电阻和电容性能要求也不一样，有些电路对电容漏电要求很严，还有些电路对电阻、电容性能和容量要求很高。比如滤波电路中常见大容量铝电解电容，为滤掉高频通常还需并联小容量瓷片电容。设计时要依据电路要求选择性能和参数适宜阻容元件，并要注意功耗、容量、频率和耐压范围是否满足要求。 分立元件选择：分立元件包含二极管、晶体三极管、场效应管、光电二（三）极 管、晶闸管等。依据其用途分别进行选择。选择器件种类不一样，注意事项也不一样。比如选择晶体三极管时，首先注意是选择NPN型还是PNP型管，是高频管还是低频管，是大功率还是小功率，并注意管子参数是否满足电路设计指标要求。 集成电路选择：因为集成电路能够实现很多单元电路甚至整机电路功效，所以 选择集成电路来设计单元电路和总体电路既方便又灵活，它不仅使系统体积缩小，而且性能可靠，便于调试及利用，在设计电路时颇受欢迎。集成电路有模拟集成电路和数字集成电路。中国外已生出大量集成电路，其器件型号、原理、功效、特征可查阅相关手册。选择集成电路不仅要在功效和特征上实现设计方案，而且要满足功耗、电压、速度、价格等多方面要求。 安装调试： 安装和调试过程应根据先局部后整机标准，依据信号流向逐块调试，使各功效块全部要达成各自技术指标要求，然后把它们连接起来进行统调和系统测试。调试包含调整和测试两部分，调整关键是调整电路中可变元器件或更换器件，使之达成性能改善。测试是采取电子仪器测量相关点数据和波形，方便正确判定设计电路性能。装配前必需对元器件进行性能参数测试。依据设计任务不一样，有时需进行印制电路板设计制作，并在印制电路板上进行装配调试。

3 设计方案和论证
3.1 设计任务分析
说到呼吸灯设计，可能大家最先想到就是苹果。确实，从powerbook g3和ibok开始，苹果笔记本电脑就开始家去了呼吸灯设计，只要用户合上笔记本时候，在笔记本前团睡眠指示灯就会呈呼吸状闪动，这么设计第一次出现在大家面前时候，大家更多是赞叹苹果无限创意。顾名思义，灯光在微电脑控制之下完成由亮到暗绝剑改变，感觉就像是在呼吸。广泛应用和数码产品，起到装饰和只是工作效果。现在被广泛用于手机之上，并成为各大品牌新款手机卖点之一。
呼吸分为两个过程： 吸气：指数曲线上升，该过程需要1.5S 呼气：指数曲线下降，该过程需要1.5S. 对成人而言，平均每分钟呼吸16~18次； 对儿童而言，平均每分钟呼吸20次；
3.2 设计电路

图1-1电路图
3.3 调试
各参数选定后，必需先用multisim软件进行仿真，待仿真和预期试验结果完全一致说明参数选择正确才能进行电路实际焊接，假如和预期结果不一致须检验电路或重设参数重新进行仿真直到和预期结果符合。电路仿真在电路设计中必不可少，优异行了仿真并依据仿真结果焊接电路能够避免元件损坏和焊接高效性。

4 设计原理及其功效
LED在电路控制之下，发光强度由亮到暗逐步改变，就像呼吸一样，所以电路名称被定义为呼吸灯。
工作原理：I1A及其外围元件组成一个自激振荡器，其震荡信号由1脚输出，作用在三极管Q1导通程度，从而控制4只LED发亮度和频率，使其亮度和频率改变像人呼吸一样。

5 单元电路设计
5.1 LED日光灯
LED日光灯以质优、耐用、节能为关键特点，投射角度调整范围大，15W亮度相当于一般40W日光灯。抗高温、防潮防水、防漏电。 使用电压有:110V、220V可选，外罩可选玻璃或PC材质。灯头和一般日光灯一样。
LED日光灯采取最新LED光源技术，数位化外观设计，节电高达70%以上，12WLED日光灯光强相当于40W日光灯管（用于镇流器和启辉器， 36W日光灯真正耗电量为42W至44W）。LED日光灯寿命为一般灯管10倍以上，几乎免维护，无须常常更换灯管、镇流器、启辉器。绿色环境保护半导体电光源，光线柔和，光谱纯，有利于使用者视力保护及身体健康。6000K冷光源给人视觉上清凉感受，人性化照度差异设计，更有利于集中精神，提升效率。
现在，LED日光灯和一般日光灯对比来说，优点以下：
1，节能。2，寿命长。3，适用性好，因单颗LED体积小，能够做成任何形状。4，回应时间短，是ns（纳秒）等级回应时间，而一般灯具是ms（毫秒）等级回应时间。5，环境保护，无有害金属，废弃物轻易回收。6，色彩绚丽，发光色彩纯正，光谱范围窄，并能经过红绿蓝三基色混色成七彩或白光。
缺点：1，价格贵。2，现在能普遍做到光效率和理论光效率还有很大差距。3，现在能做到寿命和理论寿命（10w小时）还有很大差距。4，还是有一定发烧量。5，光衰还能够大幅度缩小。
不过这些缺点全部能够经过工艺改善克服，所以即使现在LED光源还不能完全替换现有传统光源，但伴随技术发展，以后一定是LED天下。
5.2 电阻
电阻（Resistance，通常见“R”表示）是全部电路中使用最多元件之一。在物理学中，用电阻来表示导体对电流阻碍作用大小。导体电阻越大，表示导体对电流阻碍作用越大。不一样导体，电阻通常不一样，电阻是导体本身一个特征。电阻元件是对电流展现阻碍作用耗能元件。因为物质对电流产生阻碍作用，所以称其该作用下电阻物质。电阻将会造成电子流通量改变，电阻越小，电子流通量越大，反之亦然。
5.3 电容
电容（Capacitance）亦称作“电容量”，是指在给定电位差下电荷储藏量，记为C，国际单位是法拉（F）。通常来说，电荷在电场中会受力而移动，当导体之间有了介质，则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上，造成电荷累积储存，储存电荷量则称为电容。
因电容是电子设备中大量使用电子元件之一，所以广泛应用于隔直、耦合、旁路、滤波、调谐回路、能量转换、控制电路等方面。在电子线路中，电容用来经过交流而阻隔直流，也用来存放和释放电荷以充当滤波器，平滑输出脉动信号。小容量电容，通常在高频电路中使用，如：收音机、发射机和振荡器中。大容量电容往往是作滤波和存放电荷用。而且还有一个特点，通常1μF以上电容均为电解电容，而1μF以下电容多为瓷片电容，当然也有其它，如：独石电容、涤纶电容、小容量云母电容等。电解电容有个铝壳，里面充满了电解质，并引出两个电极，作为正（+）、负（-）极，和其它电容器不一样，它们在电路中极性不能接错，而其它电容则没有极性。　把电容器两个电极分别接在电源正、负极上，过一会儿即使把电源断开，　把电容器两个电极分别接在电源正、负极上，过一会儿即使把电源断开，两个引脚间仍然会有残留电压，电容器储存了电荷。电容器极板间建立起电压，积蓄起电能，这个过程称为电容器充电。充好电电容器两端有一定电压。电容器储存电荷向电路释放过程，称为电容器放电。
电子电路中，只有在电容器充电过程中，才有电流流过，充电过程结束后，电容器是不能经过直流电，在电路中起着“隔直流”作用。电路中，电容器常被用作耦合、旁路、滤波等，全部是利用它“通交流，隔直流”特征。交流电不仅方向往复交变，它大小也在按规律改变。电容器接在交流电源上，电容器连续地充电、放电，电路中就会流过和交流电改变规律一致（相位不一样）充电电流和放电电流。电容器选择包含到很多问题。首先是耐压问题。加在一个电容器两端电压超出了它额定电压，电容器就会被击穿损坏。通常电解电容耐压分档为6.3V、10V、16V、25V、50V等。
5.4 三极管
半导体三极管又称“晶体三极管”或“晶体管”。在半导体锗或硅单晶上制备两个能相互影响PN结，组成一个PNP（或NPN）结构。中间N区（或P区）叫基区，两边区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极B、发射极E和集电极C，是能起放大、振荡或开关等作用半导体电子器件。
晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一个又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多是硅NPN和锗PNP两种三极管，（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指替换部分硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼替换硅，产生大量空穴利于导电）。二者除了电源极性不一样外，其工作原理全部是相同，下面仅介绍NPN硅管电流放大原理。　对于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，发射区和基区之间形成PN结称为发射结，而集电区和基区形成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，有意识地使发射区多数载流子浓度大于基区，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这么，一旦接通电源后，因为发射结正偏，发射区多数载流子（电子）及基区多数载流子（空穴）很轻易地越过发射结相互向对方扩散，但因前者浓度基大于后者，所以经过发射结电流基础上是电子流，这股电子流称为发射极电流了。因为基区很薄，加上集电结反偏，注入基区电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电极电流Ic，只剩下极少（1-10%）电子在基区空穴进行复合，被复合掉基区空穴由基极电源Eb重新补给，从而形成了基极电流Ibo.依据电流连续性原理得：Ie=Ib+Ic，这就是说，在基极补充一个很小Ib，就能够在集电极上得到一个较大Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic和Ib是维持一定百分比关系，即：β1=Ic/Ib 式中：β1--称为直流放大倍数，集电极电流改变量△Ic和基极电流改变量△Ib之比为：β= △Ic/△Ib。式中β--称为交流电流放大倍数，因为低频时β1和β数值相差不大，所以有时为了方便起见，对二者不作严格区分，β值约为几十至一百多。三极管是一个电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管电流放大作用，经过电阻转变为电压放大作用。
NPN三极管放大时管子内部工作原理：
1、发射区向基区发射电子（形成发射极电流）
发射结施加正向电压且掺杂浓度高，所以发射区多数自由电子越过发射结扩散到基区，发射区自由电子由直流电源补充，从而形成了发射极电流。（同时，基区多数载流子也会扩散到发射区，成为发射极电流一部分。因为基区很薄，且掺杂浓度较低，所以由基区多子空穴形成电流能够忽略不计。）
2、自由电子在基区和空穴复合，形成基区电流，并继续向集电区扩散
自由电子进入基区后，先在靠近发射结周围密集，逐步形成电子浓度差，在浓度差作用下，促进电子流在基区中向集电结扩散，被集电结电场拉入集电区形成集电极电流。也有很小一部分电子（因为基区很薄）和基区空穴复合（基区中空穴由直流电源补充），扩散电子流和复合电子流之百分比决定了三极管放大能力。　
3、集电区搜集自由电子，形成集电极电流
因为集电结加反向电压且面积很大，这个反向电压产生电场力将阻止集电区电子向基区扩散，同时将扩散到集电结周围电子拉入集电区从而形成集电极主电流Icn。另外集电区少数载流子（空穴）也。会产生漂移运动，流向基区形成反向饱和电流，用Icbo来表示，其数值很小，但对温度却异常敏感。
LM358内部包含有两个独立、高增益、内部频率赔偿双运算放大器，适合于电源电压范围很宽单电源使用，也适适用于双电源工作模式，在推荐工 作条件下，电源电流和 电源电压无关。它使用范围包含传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其它全部可用单电源供电使用运算放大器场所。 
5.5 LM358
LM358内部包含有两个独立、高增益、内部频率赔偿双运算放大器，适合于电源电压范围很宽单电源使用，也适适用于双电源工作模式，在推荐工 作条件下，电源电流和 电源电压无关。它使用范围包含传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其它全部可用单电源供电使用运算放大器场所。 LM358特征(Features)： ＊内部频率赔偿。 ＊直流电压增益高(约100dB) 。 ＊单位增益频带宽(约1MHz) 。 ＊电源电压范围宽：单电源(3—30V)；双电源(±1.5~±15V) 。 ＊低功耗电流，适合于电池供电。 ＊低输入偏流。 ＊低输入失调电压和失调电流。 ＊共模输入电压范围宽，包含接地。 ＊差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。 ＊输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V) 。 LM358关键参数 输入偏置电流45 nA 输入失调电流50 nA 输入失调电压2.9mV 输入共模电压最大值VCC~1.5 V 共模抑制比80dB 电源抑制比100dB LM358引脚图 LM358封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。

6 硬件制作和调试
6.1 电路焊接
依据仿真电路焊接实际电路，正确掌握电烙铁使用，注意区分三极管C,B,E极，发光二极管阴极和阳极，在焊接过程中要有足够耐心，细心。
焊接步骤：
1 备：丝，右手拿电烙铁，是烙铁尖和焊锡丝和焊接部位离得很近，处于谁是能够焊接状态。
2 加热：把烙铁尖紧贴焊接部位，进行加热。
3 焊锡丝融化 把焊锡丝紧贴合部适量熔化。
4 焊锡丝脱落 融化焊锡丝达成适量范围以后，立即脱离焊锡丝。
5烙铁脱离 达成锡钎焊目标范围时，烙铁头应立即脱离，在焊锡硬化前，不要挪动焊接部位。
6 检验 焊锡凝固后，按工艺要求用直观方法检验焊点，判定是否符合要求。
6.2 功效实现
按电路图焊接完成后，检验电路，检验无误后，接12V电源，观察灯是否像呼吸一样改变。
6.3 外观
各元件在电路板上合理部署，看起来大方 ，美观，洁净，简单。

7 设计总结
经过此次课程设计让我愈加深刻了解模拟电路相关知识，巧妙地把这门课程应用到现实生活中，在此次课设中，让我感觉了，自己所学知识溃乏，验证了古人说“书到用时方恨少”这句话，所以我们要反复学习学过知识。在设计过程中，常常会碰到这么那样情况，就是心里想老着这么接法能够行得通，但实际接上电路，总是实现不了，所以花费在这上面时间用去很多。我沉得做课程设计同时也是对书本知识巩固和加强，因为书本上知识太多，平时课间学习并不能很好了解和利用各个元件功效，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件功效，而且对于其在电路中使用有了更多认识。平时看书本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还能够记住很多东西。比如部分芯片功效，平时看书本，这次看了，下次就忘了，经过动手实践让我们对各个元件映象深刻。认识起源于实践，实践是认识动力和最终目标，实践是检验真理唯一标准。所以这个期末测试以后课程设计对我们作用是很大。经过课程设计，锻炼了我们动手能力。还表现了同学们之间团体精神，每个人全部参与进来，让我们感受到了课设乐趣，在欢乐中我们学到了很多知识。
我们认为，在这次课程设计中，在收获知识同时，还收获了阅历，收获了成熟，我们经过查找大量资料，请教老师，和不懈努力，不仅培养了独立思索，动手操作能力，在多种其它能力上也全部有了提升。更关键是，在试验上，我们学会了很多学习方法。而这是以后最实用，真是受益匪浅。面临社会挑战，只有不停学习，实践、再学习、再实践。同时我认为我们工作是一个团体工作，团体需要个人，个人也离不开团体，必需发扬团结协作精神。某个人离群全部可能造成造成整项工作失败。实习中只有一个人知道原理是远远不够，必需让每个人全部知道，不然一个人错误，就有可能造成整个工作失败。团结协作是我们实习成功一项很关键确保。而这次实习也恰好锻炼我们这一点，这也是很宝贵。对我们而言，知识上收获关键，精神上丰收愈加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次实习必将成为我人生旅途上一个很美好回想!经过这次课程设计使我知道了理论和实际相结合是很关键，只有理论知识是远远不够，只有把所学理论知识和实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提升自己实际动手能力和独立思索能力。在设计过程中碰到问题，能够说得是困难重重，这毕竟第一次做，难免会碰到过多种多样问题，同时在设计过程中发觉了自己不足之处，对以前所学过知识了解得不够深刻，掌握得不够牢靠。

参考文件

[1] 江晓安 董秀峰 模拟电子技术(第三版) [M] 陕西:西安电子科技大学出版社 .22~33
[2] 胡汉才. 单片机原理及其接口技术（第2版）[M]. 北京：清华大学出版社..49~77.
[3] 江晓安 董秀峰 数字电子技术(第三版) [M] 陕西:西安电子科技大学出版社.72~133

附录 一：总体电路原理图

图1-2电路图

附录 二：元器件清单
名称
数量
安装位置
名称
数量
安装位置
电阻 100
2
R7 R8
LED高亮F5
4
D1-D4
电阻 15K
2
R5 R6
三极管8050
1
Q1
电阻 47K
3
R1 R2 R4
集成电路LM358
1
U1A UIB
电阻 100K
1
R3
IC座8P
1
LM358用
电位器50K
1
RP
接线端子
1
12V电源
电容器100U
1
C1

二极管4007
1
D5