Акустический автомат управления освещением

В последнее время получило широкое рас­пространение направление «малой автоматиза­ции» домов и приусадебных участков. В составе таких систем часто используются акустические автоматы, включающие нагрузку по определен­ной звуковой команде.

Большинство известных конструкций акусти­ческих автоматов, доступных в литературных ис­точниках и Интернет, анализируют появление звуковой команды только по амплитудному при­знаку и 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 определенном 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 все 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 расчетом 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 ее плавное включение в течение 0,5…1 с после по­явления звуковой команды, что позволяет защи­тить нить лампы от разрушения и, тем самым, значительно увеличить срок ее службы.

Работа устройства

Схема электрическая принципиальная авто­мата показана на рис.1. Автомат содержит:

• параметрический стабилизатор на элемен­тах С1-СЗ, R1, VD1-VD3;
• стабилизаторы «минус 5 В» — DA1 и «минус 10 В» — DA2;
• формирователь отрицательных импульсов при переходе сетевого напряжения через ноль – VT1, VT2, R2-R4;
• симисторный регулятор мощности VT3-VT7, DD4, С5, С6, R5-R13;
• усилитель звукового сигнала DA1-DA3.2;
• полосовой фильтр 1-DA4.4;
• выпрямитель переменного напряжения зву­ковой частоты — VD6, VD7; интегрирующий конденсатор С16;
• одновибратор на элементах DD1.1, DD1.2;
• формирователь временного интервала опо­знавания, в составе которого генератор на элементах DD3, DD1.4 и счетчики DD2.1, DD2.2;
• схему совпадения «2И-НЕ» на диодах VD8, VD9 и элементе DD1.6;
• интегрирующую цепь сброса R32C19;
• D-триггер состояний «включено-выключено».
  

  Рис. 1

При включении питания интегрирующая цепь R32C19 формирует короткий отрицательный им­пульс, устанавливающий D-триггер DD3.1 в ис­ходное единичное состояние, соответствующее выключенной лампе. При этом транзисторы VT3, VT4 закрыты, a VT5, VT6 открыты, конденсатор С5 разряжен, и яркость лампы определяется пара­метрами цепи R13C6. Схема на транзисторах VT1, VT2 формирует 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 R14C7 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 сигнала (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 еще 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 счетчик DD2.1, который разрешает работу DD2.2, и одновременно являются счетными для DD2.2. Первый же выходной положительный им­пульс одновибратора сбрасывает счетчик 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 с. Режим счета DD2.1 индицирует мигающий светодиод HL1, по которому удоб­но контролировать появление звукового сигнала.

При поступлении двух акцентированных хлоп­ков в ладоши, счетчик 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 с — определяется частотой генератора) счетчик DD2.1 перейдет в восьмое состояние, и на выходе его старшего разряда (вывод 14) по­явится лог «1». Этот логический уровень запре­тит работу генератора и одновременно сбросит счетчик DD2.2 в нулевое состояние. После этого еще 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 счетчика DD2.1 (вывод 14) на катод VD8, приведет к появлению на входе эле­мента DD1.6 уровня лог «1» и на выходе послед него будет сформирован короткий отрицатель­ный импульс. Состояние триггера DD3.1 изме­нится на противоположное, что приведет к за­крыванию транзисторов VT6, VT5 и открыванию VT3 и VT4. Теперь яркость свечения 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 R6C5 и может быть выбрано в пределах 0,5.1 с. 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 счетчик 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 трех печатных платах (рис.2-4) одинаковых разме­ров 50×85 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, верхняя — силовая часть.

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

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 630 В), оксидные — ти­па К50-35 или импортные.

Стабилитрон Д814Д заменим Д814Г, КС512 или другим с напряжением стабилизации 12.14 В. Диоды VD1, VD2 могут быть типа FR207, FR307 или другие средней мощности с минимально до­пустимым обратным напряжением не менее 400 В. Маломощные диоды VD4-VD9 могут быть из се­рий КД521, КД522 с любым буквенным индексом; светодиоды — сверхъяркие красного цвета свече­ния, диаметром 5 мм.

Симистор подойдет из серий BT137, BT138, BT139 в пластмассовом корпусе с минимально до­пустимым напряжением анод-катод не менее 400 В. Его необходимо установить на небольшой тепло­отвод с площадью поверхности около 10 см².

Транзисторы КТ3102БМ и КТ3107БМ замени­мы любыми из указанных серий, а также импорт­ными — BC547 и BC557 соответственно.

Микросхемы серии КР1564 (74HCxx) замени­мы ИМС серии КР1554 (74ACxx), а серии К561 (CD40xxAN) — 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 четкого срабатывания триггера DD3.1 счетчик DD2.2 должен обеспечивать достаточно большую задержку для формирования на выходе элемента DD1.6 отри­цательного импульса необходимой длительнос­ти. Поэтому на месте DD2 должен работать счет­чик К561ИЕ10 (CD4520AN) или КР1561ИЕ10 (CD4520BN).

Используемый в схеме микрофонного усили­теля ОУ DA3 типа TL062 заменим TL072 или TL082 и другим с полевыми транзисторами на входах.

Настройка автомата

Она 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 5 В» и «минус 10 В» 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 с. При этом автомат должен сраба­тывать как на два последовательно произнесен­ных слова, так и на непрерывный разговор.

Далее, уменьшая сопротивление резистора R42 (частота), добиваются прекращения сраба­тывания на непрерывный разговор и два подряд произнесенных слова. Теперь, двукратными 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.

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.

Открыть принципиальную схему в высоком качестве

Автор: Александр Одинец, г. Минск
Источник: Радиоаматор №3, 2016