基于多路音控電路的任意控制的研究設計

　　音控電路既是用聲音對電路進(jìn)行控制，不必象無(wú)線(xiàn)遙控和紅外遙控一樣需要專(zhuān)門(mén)的遙控發(fā)射裝置，因而得到廣泛的應用。目前市場(chǎng)上廣泛使用的樓道音控延時(shí)開(kāi)關(guān)，音控玩具開(kāi)關(guān)等即是如此。但是這只是一種輸出狀態(tài)的開(kāi)關(guān)或只能順序控制多種輸出狀態(tài)的開(kāi)關(guān)，不能任意控制輸出狀態(tài)。查閱國內的一些刊物和雜志，目前還沒(méi)有發(fā)現對音控電路進(jìn)行任意控制輸出狀態(tài)的文章或論文。針對這一情況，研究音控電路特點(diǎn)，設計制作出一種能任意控制輸出狀態(tài)的較廉價(jià)的抗噪性能較好的音控電路。

1 一般音控電路分析及任意控制輸出狀態(tài)音控電路設計思路

1.1 一般音控電路特點(diǎn)分析

　　無(wú)線(xiàn)遙控和紅外遙控容易對多路輸出進(jìn)行任意控制，其原因是都可以采用對發(fā)射裝置進(jìn)行狀態(tài)編碼，接收裝置又可以對收到的信號進(jìn)行解碼，因而可以任意控制輸出狀態(tài)。但音控電路一般無(wú)專(zhuān)門(mén)的發(fā)射裝置，無(wú)法對發(fā)射信號進(jìn)行編碼。另外，音控電路的最大缺點(diǎn)是抗干擾能力非常差，環(huán)境噪音很容易使音控電路產(chǎn)生誤動(dòng)作，造成嚴重的不良結果。所以提高音控電路的抗噪能力是非常必要的。

1.2 設計思路

　　以掌聲作為輸入信號，見(jiàn)圖1波形示意圖，圖1(a)為掌聲輸入信號，圖1(b)為經(jīng)正向整流濾波后的波形示意圖。

　　由計數器進(jìn)行計數，計數器輸出經(jīng)RC電路選擇觸發(fā)T'觸發(fā)器翻轉使開(kāi)關(guān)電路動(dòng)作。由圖2可知，RC電路的時(shí)間常數選擇得遠大于掌聲輸入信號的間隔時(shí)間，電容上的電壓小于T'觸發(fā)器翻轉的電壓，雖然掌聲1和掌聲2使計數器的輸出y1，y2為高電平，但時(shí)間都很短暫，對應1路和2路的RC電路輸出信號電平都很低，1，2路的開(kāi)關(guān)電路都不動(dòng)作。第3掌聲使計數器的輸出y3一直為高電平，(因為后面再沒(méi)有掌聲了)該路的RC電路輸出信號為高電平，對應T'觸發(fā)器翻轉使開(kāi)關(guān)電路動(dòng)作。由此可見(jiàn)，用快速的連續掌聲就能任意控制音控電路的輸出狀態(tài)。

2 電路設計

2.1 電路組成方框圖

　　(1)音控輸入放大電路：由駐極體話(huà)筒，三極管T1和外圍元件構成，作用是進(jìn)行聲電轉換和初步放大。

　　(2)帶通放大電路：由RC網(wǎng)絡(luò )和雙運放或4運放LM324內的1個(gè)運放A1構成帶通放大器，作用是進(jìn)行帶通放大，提高抗干擾能力。

　　(3)靈敏度控制與信號處理電路：由4運放LM324內的1個(gè)運放A2及外圍元件和D1，C2等構成，作用是進(jìn)行電壓放大，Rp可以調整音控電路靈敏度。放大的音頻信號再由D1，C2進(jìn)行整流和濾波，得到觸發(fā)脈沖信號。

　　(4)計數器電路：8進(jìn)制計數器CD4022對輸入的掌聲信號進(jìn)行計數。8個(gè)輸出端只用了4個(gè)，當計到5掌聲Y5為高點(diǎn)平時(shí)，觸發(fā)CD4022的異步復零端，使計數器復零。Y6，Y7未用。因為只有4路輸出。

　　(5)延時(shí)選擇電路：R13～R19和C5～C8組成RC充放電積分回路，D3～D6是電容C的放電二極管。作用是對前級輸出信號的脈沖進(jìn)行分離和選擇。

　　(6)雙穩態(tài)電路：2塊上升沿雙D觸發(fā)器中的4個(gè)D觸發(fā)器接成4路T'觸發(fā)器，具有翻轉計數和保持功能。

　　(7)開(kāi)關(guān)控制電路：三極管T2～T5工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，雙向可控硅BCR1～BCR4受到三極管T2-T5的控制而導通或關(guān)斷，從而交流供電通路導通或關(guān)斷。

　　(8)電源：因為整個(gè)電路耗電極微，由R21，C9，D11，Q10，D12組成簡(jiǎn)單的穩壓電源。

2.2 電路工作原理與電路設計

　　電原理圖如圖4所示。

　　圖4(a)為音控輸入放大電路、帶通放大電路、靈敏度控制與信號處理電路和計數器電路的電原理圖。圖4(b)圖為雙穩態(tài)電路、開(kāi)關(guān)控制電路和電源電路的電原理圖。

2.2.1 音控輸入放大電路

　　駐極體話(huà)筒將掌聲轉換成微弱的音頻信號送入到三極管T1的基極，該級為共射小信號放大器。若β=100，R1=5.1 MΩ時(shí)，Ic△0.14 mA，R3為20多kΩ，為了適應不同的三極管，R1用5.1 MΩ的可調電阻，R3用51 kΩ的可調電阻。電壓增益為：

2.2.2 帶通放大電路

　　帶通濾波器是由高通濾波器和低通濾波器組合而成的，其典型電路及幅頻特性曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。

　　輸入端的電阻R和電容C組成低通電路，另一個(gè)電容C和電阻R2組成高通電路，二者串聯(lián)起來(lái)接在集成運放的同相輸入端，設R2=2R，R3=R，帶通濾波器的電壓放大倍數為：

　　由式(2)可知，改變電阻RF或R1阻值可以調節通帶寬度，但中心頻率fo不受影響。

　　掌聲頻率若為500 Hz，由式(1)，取C=0.1μF，可計算出：R=3.3 kΩ，f0=483 Hz，若Q取5，Aup=2.8(特別注意Aup不能大于或等于3，否則電路要產(chǎn)生自激)，R1=10 kΩ，RF=18 kΩ，(為調整方便RF可選33 kΩ的可調電阻)，由式(2)可知，通帶寬度B=0.2f0=96.6 Hz。

2.2.3 靈敏度控制與信號處理電路

　　本級為音控信號的電壓增益主放大器，波形失真對音控信號觸發(fā)計數器影響不太大。因而運放的最大電壓增益設計為500，R11取2 kΩ2時(shí)，R12取1 kΩ的可調電阻，整流濾波的波形如圖6所示，取R12=10 kΩ，C4=10μF。濾波后的波形與矩形脈沖相似，矩形脈沖幅度為0.45 VCC大于手冊查到的CD4022的最小高電平觸發(fā)脈沖幅度0.3VCC，脈沖下降沿的時(shí)間滯后由電容C4的放電時(shí)間決定，約為C4R12=0.1 s(略去了CD4022輸入電阻的影響)，此值不可取得過(guò)大，若掌聲間隔時(shí)間過(guò)小，則電容上的電壓未降到CD4022的最大低電平觸發(fā)脈沖幅度，后面的掌聲不會(huì )起到任何作用。

2.2.4 計數分配電路

　　8進(jìn)制計數器CD4022對輸入的掌聲信號進(jìn)行計數分配。該電路與常見(jiàn)的計數器設計完全相同，8個(gè)輸出端只甩了6個(gè)，將Y5輸出信號送到CD4022的復位端RD端，梅成6進(jìn)制計數器。第1掌聲Y0為高電平，Y0為空腳，作為關(guān)斷電路之用。當計到5掌聲Y5為高電平時(shí)，觸發(fā)CD4022的異步復零端，使計數器復零。Y6，Y7未用。

2.2.5 延時(shí)選擇電路

　　R12～R15和C6～C9組成4路RC充電回路，實(shí)際構成RC積分電路。D3～D6是電容C的放電二極管。放電時(shí)間常數為RdC6，Rd是放電二極管的內阻，隨通過(guò)二極管的電流而變；由于Rd很小，放電時(shí)間常數很短。

　　RC充電回路的時(shí)間常數：

　　此時(shí)C5上的電壓為0.63 VCC=3.8 V。實(shí)際上電容上的電壓只要大于雙D觸發(fā)器的最小高電平觸發(fā)電壓0.3 VCC=1.8 V，雙D觸發(fā)器就會(huì )翻轉。由RC一階零狀態(tài)響應規律可導出對應的時(shí)間為：

　　圖7是延時(shí)選擇電路輸出電壓波形(以連續4掌聲為例)。

　　第1掌聲無(wú)脈沖，第2、第3掌聲脈沖寬度很窄，輸出電壓uC1，2很小，不能使T'觸發(fā)器翻轉，只有第4掌聲脈沖寬度很寬，輸出電壓uC3很高，可以使T'觸發(fā)器翻轉。只要連續擊掌周期小于0.8 s，就可以對輸出電路進(jìn)行任意控制。

2.2.6 雙穩態(tài)保持電路與開(kāi)關(guān)控制電路

　　兩塊上升沿雙D觸發(fā)器中的4個(gè)D觸發(fā)器都是獨立的，將輸入端D與輸出端Q相連就成為T(mén)'觸發(fā)器，具有翻轉計數和保持功能。觸發(fā)器輸出高電平電壓約為VCC，低電平電壓約為0 V。

　　三極管T2～T5工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，設雙向可控硅選用最大陽(yáng)極電流IA為3 A?？刂茦O電流IG為10 mA，三極管β=100，限流電阻R21為：

　　為使三極管可靠飽和，R21～R24取20 kΩ，并在三極管T2～T5的集電極加200 Ω的限流電阻。

2.2.7 電源

　　因為整個(gè)電路耗電極微，由R21，C9，D11，C10，D12組成電容降壓，半波整流，電容濾波，穩壓二極管穩壓常見(jiàn)的簡(jiǎn)單穩壓電源。但注意的是電路接地端與220 V交流相連。調整時(shí)要特別注意安全。

3 結 語(yǔ)

　　根據設計制作出的音控裝置達到任意控制4路輸出的目的。功能為：間斷掌聲(間斷時(shí)間大于0.8 s)可使前幾路或4路都同時(shí)通電；連續掌聲(間斷時(shí)間小于0.8 s)可選擇任意路通電；連續掌聲加間斷掌聲可使后幾路或第4路都同時(shí)通電；第5掌聲使CD4022復位，但通電的路數仍保持通電；CD4022復位后，也可以采用前述的間斷掌聲或連續掌聲切斷欲關(guān)斷的路數。如果要簡(jiǎn)單地切斷任意一路輸出，可將雙D觸發(fā)器的異步復位端RD由接地改為接8進(jìn)制計數器CD4022的Y0輸出端。當Y0為高電平，4路D觸發(fā)器都被復位，4路輸出都被切斷。