呼吸灯课程设计.

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）

指导教师

完成时间 2013年 3 月13日

目录

1 课程设计目的 (1)

2 课程设计任务与要求 (2)

3 设计方案与论证 (4)

3.1 设计任务分析 (4)

3.2 设计电路 (4)

3.3 调试 (5)

4 设计原理及其功能 (6)

5 单元电路的设计 (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 硬件的制作与调试 (13)

6.1 电路焊接 (13)

6.2 功能实现 (13)

6.3 外观 (13)

7 设计总结 (14)

参考文献 (16)

附录一：总体电路原理图 (17)

附录二：元器件清单 (18)

1 课程设计目的

电子技术是一门实践性很强的课程，加强工程训练，特别是技能的培养，对于培养工程人员的素质和能力具有十分重要的作用。在电子信息类本科教学中，电子技术课程设计是一个重要的实践环节，它包括选择课题、电子电路设计、组装、调试和编写总结报告等实践内容。通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的试验、设计方法。即学生根据设计要求和性能参数，查阅文献资料，收集、分析类似电路的性能，并通过组装调试等实践活动，使电路达到性能指标；第二，课程设计为后续的毕业设计打好基础。毕业设计是系统的工程设计实践，而课程设计的着眼点是让学生开始从理论学习的轨道上逐渐引向实际运用，从已学过的定性分析、定量计算的方法，逐步掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法，同时，课程设计报告的书写，为今后从事技术工作撰写科技报告和技术资料打下基础。

2 课程设计任务与要求

数字电子技术课程设计的方法和步骤数字电子技术课程设计的方法和步骤数字电子技术课程设计的方法和步骤数字电子技术课程设计的方法和步骤设计一个电子电路系统时，首先必须明确系统的设计任务，根据任务进行方案选择，然后对方案中的各部分进行单元的设计、参数计算和器件选择，最后将各部分连接在一起，画出一个符合设计要求的完整系统电路图。1、设计任务分析对系统的设计任务进行具体分析，充分了解系统的性能、指标内容及要求，以便明确系统应完成的任务。2、方案论证这一步的工作要求是把系统的任务分配给若干个单元电路，并画出一个能表示各单元功能的整机原理框图。方案选择的重要任务是根据掌握的知识和资料，针对系统提出的任务、要求和条件，完成系统的功能设计。在这个过程中要用于探索，勇于创新，力争做到设计方案合理、可靠、经济、功能齐全、技术先进，并且对方案要不断进行可行性和优缺点的分析，最后设计出一个完整框图。框图必须正确反映系统应完成的任务和各组成部分功能，清楚表示系统的基本组成和相互关系。3、方案实现1）单元电路设计单元电路是整机的一部分，只有把各单元电路设计好才能提高整体设计水平。每个单元电路设计前都需明确本单元电路的任务，详细拟订出单元电路的性能指标，与前后级之间的关系，分析电路的组成形式。具体设计时，可以模仿成熟的先进电路，也可以进行创新或改进，但都必须保证性能要求。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，注意各部分的输入信号、输出信号和控制信号的关系。2）参数计算为保证单元电路达到功能指标要求，就需要用电子技术知识对参数进行计算。例如，放大电路中各阻值、放大倍数的计算；振荡器中电阻、电容、振荡频率等参数的计算。只有很好地理解电路的工作原理，正确利用计算公式，计算的参数才能满足设计要求。3）器件选择阻容元件的选择：电阻和电容种类很多，正确选择电阻和电容是很重要的。不同的电路对电阻和电容性能要求也不同，有些电路对电容的漏电要求很严，还有些电

路对电阻、电容的性能和容量要求很高。例如滤波电路中常用大容量铝电解电容，为滤掉高频通常还需并联小容量瓷片电容。设计时要根据电路的要求选择性能和参数合适的阻容元件，并要注意功耗、容量、频率和耐压范围是否满足要求。分立元件的选择：分立元件包括二极管、晶体三极管、场效应管、光电二（三）极管、晶闸管等。根据其用途分别进行选择。选择的器件种类不同，注意事项也不同。例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，并注意管子的参数是否满足电路设计指标的要求。集成电路的选择：由于集成电路可以实现很多单元电路甚至整机电路的功能，所以选用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，便于调试及运用，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。国内外已生出大量集成电路，其器件的型号、原理、功能、特征可查阅有关手册。选择的集成电路不仅要在功能和特性上实现设计方案，而且要满足功耗、电压、速度、价格等多方面的要求。安装调试：安装与调试过程应按照先局部后整机的原则，根据信号的流向逐块调试，使各功能块都要达到各自技术指标的要求，然后把它们连接起来进行统调和系统测试。调试包括调整与测试两部分，调整主要是调节电路中可变元器件或更换器件，使之达到性能的改善。测试是采用电子仪器测量相关点的数据与波形，以便准确判断设计电路的性能。装配前必须对元器件进行性能参数测试。根据设计任务的不同，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 设计方案与论证

3.1 设计任务分析

说到呼吸灯的设计，也许大家最先想到的就是苹果。确实，从powerbook g3和ibok开始，苹果的笔记本电脑就开始家去了呼吸灯的设计，只要用户合上笔记本的时候，位于笔记本前团的睡眠指示灯就会呈呼吸状的闪动，这样的设计第一次出现在大家面前的时候，人们更多的是赞叹苹果的无限创意。顾名思义，灯光在微电脑控制之下完成由亮到暗的绝剑变化，感觉就像是在呼吸。广泛应用与数码产品，起到装饰和只是工作效果。目前被广泛用于手机之上，并成为各大品牌新款手机的卖点之一。

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，必须先用multisim软件进行仿真，待仿真与预期实验结果完全一致说明参数选择正确才能进行电路的实际焊接，如果与预期结果不一致须检查电路或重设参数重新进行仿真直到与预期结果符合。电路仿真在电路设计中必不可少，先进行了仿真并根据仿真结果焊接电路可以避免元件的损坏和焊接的高效性。

4 设计原理及其功能

LED在电路的控制之下，发光强度由亮到暗逐渐变化，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的导通程度，从而控制4只LED的发亮度和频率，使其亮度和频率的变化像人的呼吸一样。

5 单元电路的设计

5.1 LED日光灯

LED日光灯以质优、耐用、节能为主要特点，投射角度调节范围大，15W 的亮度相当于普通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。灯头与普通日光灯一样。LED日光灯采用最新的LED光源技术，数位化外观设计，节电高达70%以上，12W的LED日光灯光强相当于40W的日光灯管（用于镇流器和启辉器，36W的日光灯真正的耗电量为42W至44W）。LED日光灯寿命为普通灯管的10倍以上，几乎免维护，无须经常更换灯管、镇流器、启辉器。绿色环保的半导体电光源，光线柔和，光谱纯，有利于使用者的视力保护及身体健康。6000K的冷光源给人视觉上清凉的感受，人性化的照度差异设计，更有助于集中精神，提高效率。

目前，LED日光灯和普通日光灯对比来说，优点如下：

1，节能。2，寿命长。3，适用性好，因单颗LED的体积小，可以做成任何形状。4，回应时间短，是ns（纳秒）级别的回应时间，而普通灯具是ms （毫秒）级别的回应时间。5，环保，无有害金属，废弃物容易回收。6，色彩绚丽，发光色彩纯正，光谱范围窄，并能通过红绿蓝三基色混色成七彩或者白光。

缺点：1，价格贵。2，目前能普遍做到的光效率和理论光效率还有很大差距。3，目前能做到的寿命和理论寿命（10w小时）还有很大差距。4，还是有一定的发热量。5，光衰还可以大幅度缩小。

不过这些缺点都可以通过工艺的改进克服，所以即使目前LED光源还不能完全取代现有传统光源，但随着技术的发展，日后一定是LED的天下。

5.2 电阻

电阻（Resistance，通常用“R”表示）是所有电路中使用最多的元件之一。在物理学中，用电阻来表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。不同的导体，电阻一般不同，电阻是导体本身的一种特性。电阻元件是对电流呈现阻碍作用的耗能元件。因为物质对电流产生的阻碍作用，所以称其该作用下的电阻物质。电阻将会导致电子流通量的变化，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的电荷储藏量，记为C，国际单位是法拉（F）。一般来说，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，造成电荷的累积储存，储存的电荷量则称为电容。

因电容是电子设备中大量使用的电子元件之一，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，电容用来通过交流而阻隔直流，也用来存储和释放电荷以充当滤波器，平滑输出脉动信号。小容量的电容，通常在高频电路中使用，如：收音机、发射机和振荡器中。大容量的电容往往是作滤波和存储电荷用。而且还有一个特点，一般1μF以上的电容均为电解电容，而1μF以下的电容多为瓷片电容，当然也有其他的，如：独石电容、涤纶电容、小容量的云母电容等。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，与其它电容器不同，它们在电路中的极性不能接错，而其他电容则没有极性。把电容器的两个电极分别接在电源的正、负极上，过一会儿即使把电源断开，把电容器的两个电极分别接在电源的正、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的充电。充好电的电容器两端有一定的电压。电容器储存的电荷向电路释放的过程，称为电容器的放电。

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，电容器是不能通过直流电的，在电路中起着“隔直流”的作用。电路中，电容器常被用作耦合、旁路、滤波等，都是利用它“通交流，隔直流”的特性。交流电不仅方向往复交变，它的大小也在按规律变化。电容器接在交流电源上，电容器连续地充电、放电，电路中就会流过与交流电变化规律一致（相位不同）的充电电流和放电电流。电容器的选用涉及到很多问题。首先是耐压的问题。加在一个电容器的两端的电压超过了它的额定电压，电容器就会被击穿损坏。一般电解电容的耐压分档为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”。在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结，组成一个PNP（或NPN）结构。中间的N区（或P区）叫基区，两边的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、振荡或开关等作用的半导体电子器件。

晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。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，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）及基区的多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向对方扩散，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了。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极电流Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，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，这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib 是维持一定的比例关系，即：β1=Ic/Ib 式中：β1--称为直流放大倍数，集电极电流的变化量△Ic与基极电流的变化量△Ib之比为：β= △Ic/△Ib。式中β--称为交流电流放大倍数，由于低频时β1和β的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，β值约为几十至一百多。三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。

NPN三极管放大时管子内部的工作原理：

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，发射区的自由电子由直流电源补充，从而形成了发射极电流。（同时，基区的多数载流子也会扩散到发射区，成为发射极电流的一部分。由于基区很薄，且掺杂浓度较低，因此由基区多子空穴形成的电流可以忽略不

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，先在靠近发射结的附近密集，渐渐形成电子浓度差，在浓度差的作用下，促使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）与基区的空穴复合（基区中的空穴由直流电源补充），扩散的电子流与复合电子流之比例决定了三极管的放大能力。

3、集电区收集自由电子，形成集电极电流

由于集电结加反向电压且面积很大，这个反向电压产生的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附近的电子拉入集电区从而形成集电极主电流Icn。另外集电区的少数载流子（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内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

5.5 LM358

LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358特性(Features)：＊内部频率补偿。＊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，包括接地。＊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主要参数输入偏置电流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的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。

6 硬件的制作与调试

6.1 电路焊接

根据仿真电路焊接实际电路，正确掌握电烙铁的使用，注意区分三极管的C,B,E 极，发光二极管的阴极和阳极，在焊接过程中要有足够的耐心，细心。

焊接步骤：

1 备：丝，右手拿电烙铁，是烙铁尖与焊锡丝和焊接部位离得很近，处于谁是可以焊接的状态。

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 焊锡丝脱落融化的焊锡丝达到适量范围之后，立即脱离焊锡丝。

5烙铁脱离达到锡钎焊目的范围时，烙铁头应立刻脱离，在焊锡硬化前，不要挪动焊接部位。

6 检查焊锡凝固后，按工艺要求用直观方法检查焊点，判断是否符合要求。

6.2 功能实现

按电路图焊接完成后，检查电路，检查无误后，接12V电源，观察灯是否像呼吸一样变化。

6.3 外观

各元件在电路板上合理布置，看起来大方，美观，干净，简单。

7 设计总结

通过本次的课程设计让我更加深刻理解模拟电路的相关知识，巧妙地把这门课程应用到现实生活中，在本次课设中，让我感觉了，自己所学知识的溃乏，验证了古人说的“书到用时方恨少”这句话，所以我们要反复的学习学过的知识。在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，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的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。平时看课本时，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。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的。通过课程设计，锻炼了我们的动手能力。还体现了同学们之间的团队精神，每个人都参与进来，让我们感受到了课设的乐趣，在欢乐中我们学到了很多的知识。

我们认为，在这次课程设计中，在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，我们通过查找大量的资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考，动手操作的能力，在各种其它的能力上也都有了提高。更重要的是，在实验上，我们学会了很多的学习方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。面临社会的挑战，只有不断的学习，实践、再学习、再实践。同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。实习中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工

作失败。团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。而这次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。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非常美好的回忆!通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

参考文献

[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2008.22~33

[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.2004.49~77.

[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2008.72~133

附录一：总体电路原理图

图1-2电路图