Акустический автомат управления освещением по двум хлопкам в ладоши

В последнее время среди радиолюбителей и профессионалов получило широкое распространение, так называемое, направление «малой автоматизации» домов и приусадебных участков. В составе таких систем часто используются акустические автоматы, включающие нагрузку по определённой звуковой команде. С одним из вариантов такого автомата, включающего освещение по двум хлопкам в ладоши, читателей знакомит предлагаемая статья.

Большинство известных конструкций акустических автоматов, доступных в литературных источниках и Интернет анализируют появление звуковой команды только по амплитудному признаку и по количеству звуковых образцов, реализуя управление одной или несколькими нагрузками. Существенным недостатком таких конструкций являются ложные срабатывания, поскольку наличие звукового сигнала определяется в относительно широком частотном диапазоне. Как результат – срабатывание не только на заданную звуковую команду, к примеру, акцентированный хлопок, свист, но также на непрерывный речевой или шумовой сигнал.

Чтобы существенно повысить достоверность распознавания управляющего звукового образца и полностью исключить ложные срабатывания, необходимо анализировать входящий сигнал не только по амплитудному, но и по частотному признаку. Для этого необходимо дополнить автомат полосовым фильтром, выделяющим анализируемый управляющий сигнал в определённом диапазоне частот и подавляющий побочные составляющие за его пределами.

Спектр звукового сигнала хлопков в ладоши располагается примерно в диапазоне частот от 300 Гц до 6 кГц, но максимум спектральных составляющих данного звукового образца приходится всё же на диапазон 3,2-3,6 кГц. Этот максимум может изменяться в небольших пределах, поэтому полосовой фильтр необходимо дополнить регулятором резонансной частоты, позволяющим производить оперативную настройку под конкретного пользователя. Подробнее ознакомиться с расчётом и практической реализацией полосовых аналоговых фильтров можно в [1] и [2].

Базовым схемотехническим решением, используемым в составе предлагаемого автомата, является симисторный регулятор мощности, рассмотренный в [3], с некоторыми изменениями, позволяющий выбирать максимальную яркость лампы накаливания, а также обеспечить её плавное включение в течение 0,5…1 сек, после появления звуковой команды, что позволяет защитить нить лампы от разрушения и, тем самым, значительно увеличить срок её службы. Применение симистора в качестве коммутирующего элемента позволило сократить число силовых элементов, устанавливаемых на теплоотвод, с пяти до одного.

Схема электрическая автомата приведена на рис.1 (нажмите на картинку для увеличения). Автомат содержит: параметрический стабилизатор на элементах C1…C3, R1, VD1…VD3; стабилизаторы «минус 5В» – DA1 и «минус 10В» – DA2; формирователь отрицательных импульсов при переходе сетевого напряжения через ноль – VT1, VT2, R2…R4; симисторный регулятор мощности VT3…VT7, DD4, C5, C6, R5…R13, усилитель звукового сигнала DA3.1-DA3.2, полосовой фильтр DA4.1…DA4.4; выпрямитель переменного напряжения звуковой частоты – VD6, VD7; интегрирующий конденсатор C16; одновибратор на элементах DD1.1, DD1.2; формирователь временного интервала опознавания, в составе которого: генератор на элементах DD1.3, DD1.4 и счётчики DD2.1, DD2.2; схему совпадения «2И-НЕ» на диодах VD8, VD9 и элементе DD1.6; интегрирующую цепь сброса C19-R32 и D-триггер состояний «включено-выключено».

При включении питания интегрирующая цепь C19-R32 формирует короткий отрицательный импульс, устанавливающий D-триггер DD3.1 в исходное единичное состояние, соответствующее выключенной лампе. При этом транзисторы VT3, VT4 закрыты, а VT5, VT6 открыты, конденсатор C5 разряжен, и яркость лампы определяется параметрами цепи C6-R13. Схема на транзисторах VT1, VT2 формируют короткие отрицательные импульсы в моменты близкие к переходу сетевого напряжения через ноль. Эти импульсы, инвертируясь элементом DD4.1, открывают эмиттерный повторитель VT7 и быстро заряжают конденсатор C6. Положительный перепад напряжения, дважды инвертируясь элементами DD4.2, DD4.3, перезаряжает конденсатор C7, а когда С6 разряжается через R13 до порогового напряжения переключения элемента DD4.2, на выходе элемента DD4.3 формируется отрицательный перепад, который после ограничения по длительности до 12 мкс цепочкой C7-R14 и инвертирования элементом DD4.4 открывает транзистор VT8, а вслед за ним – и симистор VS1. При этом лампа EL1 полностью выключена, если сопротивление резистора R13 достаточно велико и соответствует номиналу, указанному на схеме.

При появлении звукового образца (хлопка в ладоши), переменное напряжение амплитудой в несколько милливольт с выхода микрофона M1, после усиления ОУ DA3.1 в 100…200 раз, поступает на вход полосового фильтра DA4.1…DA4.4. Его задача, как отмечено выше, выделить сигнал в узкой полосе частот 3,2…3,6 кГц и подавить побочные спектральные составляющие за пределами этого диапазона. С выхода полосового фильтра переменное напряжение поступает на вход второго усилителя – ОУ DA3.2, с помощью которого усиливается ещё в 50 раз и поступает на диодный выпрямитель VD6-VD7. После сглаживания конденсатором C16 постоянное напряжение через резистор R26 поступает на вход одновибратора DD1.1-DD1.2, который, каждый раз при достижении напряжением на конденсаторе C16 порогового напряжения элемента DD1.1, формирует на выходе DD1.2 короткий положительный импульс.

Выходные импульсы одновибратора сбрасывают счётчик DD2.1, который разрешает работу DD2.2, и одновременно являются счётными для DD2.2. Первый же выходной положительный импульс одновибратора сбрасывает счётчик DD2.1 в нулевое состояние. Уровень лог.«0» с выхода его старшего разряда (вывод 14), инвертируясь элементом DD1.5, запирает диод VD10 и разрешает работу генератора на элементах DD1.3-DD1.4 с частотой 8…16 Гц, что соответствует интервалу опознавания 0,5…1 сек. Режим счёта DD2.1 индицирует мигающий светодиод HL1, по которому удобно контролировать появление звукового сигнала.

При поступлении двух акцентированных хлопков в ладоши, счётчик DD2.2 устанавливается во второе состояние и на его выходе второго разряда (вывод 4) появляется лог.«1». Если хлопков больше не последует, то через некоторое время (0,5…1 сек – определяется частотой генератора) счётчик DD2.1 перейдёт в восьмое состояние и на выходе его старшего разряда (вывод 14) появится лог.«1». Этот логический уровень запретит работу генератора и одновременно сбросит счётчик DD2.2 в нулевое состояние. Но после этого ещё некоторое время (около 100 нс – определяется задержкой распространения сигнала в DD2.2) на его выходе второго разряда (вывод 4) будет поддерживаться уровень лог.«1», который в сочетании с таким же уровнем, приходящим с выхода старшего разряда счётчика DD2.1 (вывод 14) на катод VD8, приведёт к появлению на входе элемента DD1.6 уровня лог.«1» и на выходе последнего будет сформирован короткий отрицательный импульс. Состояние триггера DD3.1 изменится на противоположное, что приведёт к закрыванию транзисторов VT6, VT5 и открыванию VT3 и VT4. Теперь яркость лампы накаливания будет определяться сопротивлением подстроечного резистора R9 и постоянного R10, включенных параллельно R13 через открытый транзистор VT4. Время включения лампы определяется параметрами интегрирующей цепи C5-R6 и может быть выбрано в пределах 0,5…1 сек. Включение лампы индицирует светодиод HL2. В таком состоянии автомат будет оставаться до момента повторного появления двух последовательных хлопков в ладоши.

Если на вход устройства поступят один или три хлопка в ладоши, то счётчик DD2.2 установится в первое или третье состояние, соответственно, по прошествии интервала опознавания. При поступлении новых звуковых сигналов интервал опознавания будет автоматически продлеваться.

Конструкция и детали. Все элементы автомата размещаются на трёх печатных платах (рис. 2…4) одинакового размера 50x85 мм из одностороннего (первая и третья платы) и двухстороннего (вторая плата) фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Платы размещаются «этажеркой» одна над другой в следующем порядке: нижняя плата – полосовой фильтр, средняя – блок цифровой обработки сигнала и верхняя – силовая часть. Платы фиксируются друг с другом и в корпусе с помощью металлических втулок и размещаются в пластмассовом корпусе подходящих размеров, к примеру, от блока питания, с сетевой вилкой. Для подключения лампы накаливания автомат снабжается сетевой розеткой, которая также закрепляется на корпусе устройства.

В устройстве применены резисторы типа МЛТ-0,125, МЛТ-0,5 (R1, R3), подстроечные – типа СП3-38б в горизонтальном исполнении, конденсаторы неполярные типа К10-17 и К73-17 (C1, на напряжение 630В), оксидные – типа К50-35 или импортные. Стабилитрон Д814Д заменим на Д814Г, КС512 или другой с напряжением стабилизации 12…14В. Диоды VD1, VD2 могут быть типа FR207, FR307 или другие средней мощности с минимально допустимым обратным напряжением не менее 400В. Маломощные диоды VD4…VD9 могут быть из серий КД521, КД522 с любой буквой; светодиоды – сверхъяркие красные, диаметром 5 мм. Симистор подойдет из серий BT137, BT138, BT139 в пластмассовом корпусе с минимально допустимым напряжением анод-катод не менее 400В. Его необходимо установить на небольшой теплоотвод с площадью поверхности около 10см2. Транзисторы КТ3102БМ и КТ3107БМ заменимы на любые из указанных серий, а также импортные – BC547 и BC557, соответственно.

Микросхемы серии КР1564 (74HCxx) заменимы на ИМС серии КР1554 (74ACxx), а серии К561 (CD40xxAN) – на ИМС серии К1561 (CD40xxBN). Однако следует заметить, что в сериях КР1564 и КР1554 существует полнофункциональный аналог ИМС К561ИЕ10 (CD4520AN) – КР1564ИЕ23 (74HC4520N) или КР1554ИЕ23 (74AC4520N), но он не применим из-за слишком высокого быстродействия. Для обеспечения чёткого срабатывания триггера DD3.1 счётчик DD2.2 должен обеспечивать достаточно большую задержку для формирования на выходе элемента DD1.6 отрицательного импульса необходимой длительности. Поэтому на месте DD2 должен работать счётчик К561ИЕ10 (CD4520AN) или КР1561ИЕ10 (CD4520BN).

Используемый в схеме микрофонного усилителя ОУ DA3 типа TL062 заменим на TL072 или TL082 и другие с полевыми транзисторами на входах. На месте ОУ DA4 типа LM324 полосового фильтра применим только ОУ с биполярными транзисторами на входах. Применение в схеме полосового фильтра ОУ с полевыми транзисторами на входах приводит к трудно устранимому самовозбуждению на резонансной частоте.

Настройка автомата заключается в установке необходимой чувствительности микрофонного усилителя (резистором R20), резонансной частоты (R42), добротности (R44), интервала опознавания (R29), времени задержки включения (R6) и максимальной яркости (R9) лампы накаливания.

При первом включении контролируют наличие отрицательных напряжений «минус 5В» и «минус 10В» на выходах DA1 и DA2 относительно катода стабилитрона VD3. Движки резисторов R20 (усиление), R42 (частота) и R44 (добротность) устанавливают в положение максимального сопротивления, а R6 (время включения) и R9 (яркость) – в положение минимального сопротивления. Произнося слова вблизи от микрофона, контролируют мигание светодиода HL1 и устанавливают частоту миганий резистором R29 в пределах 4…8 Гц, что соответствует интервалу опознавания 0,5…1 сек. При этом автомат должен срабатывать как на два последовательно произнесённых слова, так и на непрерывный разговор.

Далее, уменьшая сопротивление резистора R42 (частота), добиваются прекращения срабатывания на непрерывный разговор и два подряд произнесённых слова. Теперь, двухкратными хлопками в ладоши добиваются срабатывания автомата, подстраивая резистор R44. Добротность регулируют, увеличивая сопротивление R44 при более звонких хлопках в ладоши и уменьшая при более глухих. При необходимости подстраивают R29, изменяя интервал опознавания, в зависимости от частоты хлопков. После завершения настройки полосового фильтра, контролируют срабатывание триггера DD3.1 по зажиганию светодиода HL2. Необходимую задержку включения лампы накаливания устанавливают резистором R6, а максимальную яркость – резистором R9.

Внимание! При настройке автомата необходимо соблюдать правила техники безопасности! Конструкция имеет непосредственную гальваническую связь с сетью переменного тока! Все элементы находятся под напряжением 220 В. При настройке устройства необходимо использовать отвёртку с ручкой из изоляционного материала.

Отзывы и вопросы по усовершенствованию данного устройства читатели могут направлять на адрес электронной почты автора: A_Odinets@tut.by

Источник: www.cxem.net
Литература:
1. Козлов А. Графический эквалайзер. — Радио, 1988, №2, с.42-45.
2. Тишкунов А. Электроакустический датчик разбития стекла. — Схемотехника, 2002, №4, с.22-24.
3. Бирюков С.А. Симисторные регуляторы мощности. — Радио, 1996, №1, с.44-46.

C этой схемой также часто просматривают:

Радиотехническая система дистанционного управления
Автомат кормления аквариумных рыб
Акустический автомат
Кодовый замок без кнопок управления
Автомат защиты от перенапряжения
Мигающий светодиодный сигнализатор с низковольтным питанием
Брелок в форме сердца в техностиле
Полицейский стробоскоп из доступных деталей
Отображение данных в зеркале заднего вида