Аннотация. 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.
Общие сведения. Большинство известных конструкций акустических автоматов, доступных в литературных источниках и Интернет анализируют появление звуковой команды лишь 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 лишь 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 лишь 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 принципиальная. Схема электрическая автомата приведена на рис.1. 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 2-х 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 районе 0,5…1 сек. Включение лампы индицирует светодиод HL2. В таком состоянии автомат будет оставаться до момента повторного появления 2-х 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 50×85 мм из одностороннего (первая и третья платы) и 2-хстороннего (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). Но 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. Потому 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 лишь 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 районе 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, 2-хкратными 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
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.
Список радиоэлементовОбозначение
Тип
Номинал
Количество
ПримечаниеМагазинМой блокнот
DD1
МикросхемаКР1564ТЛ21
74HC14NDD2
МикросхемаК561ИЕ101
CD4520ANDD3
МикросхемаК1554ТМ21
74AC74NDD4
МикросхемаК561ТЛ11
CD4093ANDA1, DA2
Линейный регуляторLM79L052
DA3
Операционный усилительTL0621
TL072, TL082DA4
Операционный усилительLM3241
VT1-VT4, VT6, VT7
Биполярный транзисторКТ3107Б6
VT5
Биполярный транзисторКТ31021
VT8
Биполярный транзисторКТ815Б1
VS1
СимисторBT137-8001
VD1, VD2
Выпрямительный диодFR2072
FR307VD3
СтабилитронД814Д1
VD4
ДиодКД521А1
VD5-VD9
ДиодКД522Б5
HL1, HL2
Светодиод2
C1, C2
Конденсатор0.47 мкФ2
C3
Электролитический конденсатор470 мкФ 16 В1
C4, C5, C10, C18, C25
Электролитический конденсатор100 мкФ 10 В5
C6
Конденсатор0.047 мкФ1
C7
Конденсатор1000 пФ1
C8, C20, C21, C24, C26
Конденсатор0.1 мкФ5
C9
Конденсатор0.033 мкФ1
C11, C13
Конденсатор47 пФ2
C12
Электролитический конденсатор100 мкФ 16 В1
C14
Электролитический конденсатор2.2 мкФ 16 В1
C15
Конденсатор0.022 мкФ1
C16, C17
Конденсатор0.22 мкФ2
C19
Электролитический конденсатор10 мкФ 10 В1
C22, C23
Конденсатор5600 пФ2
C27
Конденсатор2.2 мкФ1
R1
Резистор51 Ом1
0.5 ВтR2
Резистор1.1 кОм1
R3
Резистор100 кОм1
0.5 ВтR4
Резистор510 кОм1
R5, R31, R32, R45
Резистор10 кОм4
R6, R29
Подстроечный резистор330 к2
СП3-38бR7, R11, R17, R24-R28, R34, R35
Резистор100 кОм10
R8
Резистор220 Ом1
R9
Подстроечный резистор1 МОм1
СП3-38бR10
Резистор4.7 кОм1
R12
Резистор470 кОм1
R13, R23
Резистор1 МОм2
R14, R21
Резистор22 кОм2
R15
Резистор750 Ом1
R16
Резистор12 кОм1
R18, R36
Резистор1 кОм2
R19, R43
Резистор2.2 кОм2
R20
Подстроечный резистор470 к1
СП3-38бR22
Резистор220 кОм1
R30
Резистор3.3 кОм1
R33
Резистор33 кОм1
R37, R38, R46
Резистор47 кОм3
R39-R41
Резистор6.8 кОм3
R42, R44
Подстроечный резистор15 кОм2
СП3-38бM1
Микрофон1
EL1
Лампа накаливания220 В1
Добавить все