Акустический автомат управления освещением по двум хлопкам в ладоши

Введение

Большинство известных конструкций акустических автоматов, доступных в литературных источниках и сети Интернет, анализируют появление звуковой команды только по амплитудному признаку, 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 и 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. Применение полосового фильтра и реализация специального алгоритма идентификации звукового образца обеспечивают автомату высокую помехоустойчивость и полностью исключают ложные срабатывания от постороннего речевого или шумового сигнала.

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. Более подробно с расчётом и реализацией перестраиваемых полосовых фильтров можно ознакомиться в статьях [1] и [2].

Для управления коммутирующим силовым симистором применён оптосимистор типа MOC3062 с идентификацией нуля сетевого напряжения. Это позволило минимизировать уровень помех при включении нагрузки. Применение симистора в качестве коммутирующего элемента, в отличие от тиристорного варианта, позволило сократить число силовых элементов с пяти до одного.

Принципиальная электрическая схема устройства

Электрическая схема автомата приведена на рисунке 1.

Автомат содержит:

При включении питания интегрирующая цепь C11–R8 формирует короткий отрицательный импульс, устанавливающий D-триггер DD3.1 в исходное единичное состояние, соответствующее выключенной лампе.

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 DA3.2, DA3.3. Его задача, как уже было отмечено, – 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 идёт на вход второго усилителя – ОУ DA3.4, с по­мощью которого усиливается ещё в 50 раз и поступает на диодный выпрямитель VD5–VD6. После сглаживания конденсатором C16 постоянное напряжение через резистор R22 поступает на вход одновибратора DD1.2–DD1.3, который, каждый раз при достижении на конденсаторе C16 порогового напряжения элемента DD1.2, формирует на выходе DD1.3 короткий положительный импульс.

Выходные импульсы одновибратора сбрасывают счётчик DD2.1, который уровнем логического 0 с выхода своего старшего разряда разрешает работу DD2.2, и одновременно эти импульсы являются счётными для DD2.2. Первый же выходной положительный импульс одновибратора сбрасывает счётчик DD2.1 в нулевое состояние. Уровень логического 0 с выхода его старшего разряда (вывод 14) смещает диод VD4 в обратном направлении и, тем самым, разрешает работу генератора на триггере Шмитта DD1.1 с частотой 8…16 Гц, что соответствует интервалу опознавания 0,5…1 с. 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 логическая 1. Если хлопков больше не последует, то через некоторое время (0,5…1 с – определяется частотой генератора) счётчик DD2.1 перейдёт в восьмое состояние и на выходе его старшего разряда (вывод 14) появится логическая 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 выходе его второго разряда (вывод 4) будет поддерживаться уровень логической 1, который в сочетании с таким же уровнем, приходящим с выхода старшего разряда счётчика DD2.1 (вывод 14) на входы элемента DD1.4, приведёт к появлению на его выходе короткого отрицательного импульса. Состояние триггера DD3.1 изменится на противоположное, что приведёт к открыванию симистора и включению лампы накаливания. Включение лампы индицирует светодиод HL2. В таком состоянии автомат будет оставаться до момента повторного появления двух последовательных хлопков в ладоши.

При поступлении трёх акцентированных хлопков счётчик DD2.2 устанавливается в третье состояние и на выходе его первого разряда (вывод 3) также появляется логическая 1. Транзистор VT1 открывается и шунтирует на общий провод правый по схеме вывод резистора R7, таким образом, на нижнем по схеме входе элемента DD1.4 (вывод 10) оказывается уровень логического 0, поэтому переключения триггера DD3.1 в таком случае не происходит.

Конструкция и детали

Все элементы автомата размеща­ются на печатной плате (см. рис. 2) размером 120 × 90 мм из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм.

В устройстве применены резисторы типа МЛТ-0,125, МЛТ-0,5 (R2, R12, R13), подстроечные типа СП3-38б в горизонтальном исполнении, конденсаторы неполярные типа К10-17 и К73-17 (C1, C2), оксидные типа К50-35 или импортные. Транзистор VT1 может быть из серий КТ503 и КТ3102 с любыми индексами. Стабилитрон BZX85C15 заменим на BZX85C12, КС515А, Д814Г, Д814Д или другой аналогичный с напряжением стабилизации 12…15 В. Маломощные диоды VD3…VD6 могут быть из серий КД521, КД522, 1N4148. Светодиоды – сверхъ­яркие красные, диаметром 5 мм. Симистор может быть из серий BT137, BT138 и BT139 в пластмассовом корпусе с минимально допустимым напряжением анод-катод не менее 400 В. При мощности лампы накаливания более 100 Вт его необходимо установить на тепло­отвод.

Оптосимистор MOC3062 заменим на MOC3061 или MOC3063 с учётом коррекции номинала токоограничительного резистора R11. Для MOC3061 ток включения составляет 15 мА, а для MOC3063 – 5 мА при падении напряжения на светодиоде до 3 В. ИМС КР1564ТЛ3 заменима на КР1554ТЛ3, а К561ИЕ10 (CD4520AN) – на КР1561ИЕ10 (CD4520BN). Однако следует заметить, что в сериях КР1564 и КР1554 существуют полнофункцио­нальные аналоги ИМС К561ИЕ10 – КР1564ИЕ23 (74HC4520N) и КР1554ИЕ23 (74AC4520N), но они не применимы 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 DD1.4 отрицательного импульса необходимой длительности. Поэтому на месте DD2 должен работать обязательно счётчик К561ИЕ10 (CD4520AN) или КР1561ИЕ10 (CD4520BN).

В качестве ОУ полосового фильтра DA3 типа LM324N применим только ОУ с биполярными транзисторами на входах. Применение в схеме полосового фильтра ОУ с полевыми транзисторами на входах приводит к трудноустранимому самовозбуждению на резонансной частоте.

Настройка устройства

Настройка автомата заключается в установке необходимой чувствительности микрофонного усилителя (резистором R18), резонансной частоты (R28), добротности (R29) и длительности интервала опознавания (R3).

При первом включении автомата контролируют наличие питающих напряжений +5 В и +10 В на выходах ИМС интегральных стабилизаторов DA1 и DA2 соответственно. Движки резисторов R18 (усиление), R28 (частота) и R29 (добротность) устанавливают в положение максимального сопротивления. Произнося слова вблизи от микрофона, контролируют мигание светодиода HL1 и устанавливают частоту миганий резистором R3 в пределах 4…8 Гц, что соответствует интервалу опознавания 0,5…1 с. При этом автомат должен срабатывать как на два последовательно произнесённых слова, так и на непрерывный разговор.

Далее, уменьшая сопротивление резистора R28, добиваются прекращения срабатывания на непрерывный разговор и два подряд произнесённых слова. Теперь двухкратными хлопками в ладоши добиваются срабатывания автомата, подстраивая резистор R29. Добротность регулируют, увеличивая сопротивление R29 при более звонких хлопках в ладоши и уменьшая при более глухих. При необходимости подстраивают R3, изменяя длительность интервала опознавания, в зависимости от частоты хлопков. После завершения настройки полосового фильтра, контролируют срабатывание триггера DD3.1 по зажиганию светодиода HL2.

При настройке устройства необходимо помнить о правилах техники безопасности. Конструкция не имеет гальванической развязки от сети переменного тока. Все элементы находятся под напряжением ~220 В. Поэтому при настройке устройства необходимо использовать отвёртку с ручкой из изоляционного материала.

Литература

1. Козлов А. Графический эквалайзер. Радио. 1988. №2.
2. Тишкунов А. Электроакустический датчик разбития стекла. Схемотехника. 2002. №4.