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行控制，不必象無線遙控和紅外遙控一樣需要專門的遙控發射裝置，因而得到廣泛的應用。目前市場上廣泛使用的樓道音控延時開關，音控玩具開關等即是如此。但是這只是一種輸出狀態的開關或只能順序控制多種輸出狀態的開關，不能任意控制輸出狀態。查閱國內的一些刊物和雜志，目前還沒有發現對音控電路進行任意控制輸出狀態的文章或論文。針對這一情況，研究音控電路特點，設計制作出一種能任意控制輸出狀態的較廉價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音控電路設計思路

1.1 一般音控電路特點分析

　　無線遙控和紅外遙控容易對多路輸出進行任意控制，其原因是都可以采用對發射裝置進行狀態編碼，接收裝置又可以對收到的信號進行解碼，因而可以任意控制輸出狀態。但音控電路一般無專門的發射裝置，無法對發射信號進行編碼。另外，音控電路的最大缺點是抗干擾能力非常差，環境噪音很容易使音控電路產生誤動作，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，見圖1波形示意圖，圖1(a)為掌聲輸入信號，圖1(b)為經正向整流濾波后的波形示意圖。

　　由計數器進行計數，計數器輸出經RC電路選擇觸發T'觸發器翻轉使開關電路動作。由圖2可知，RC電路的時間常數選擇得遠大于掌聲輸入信號的間隔時間，電容上的電壓小于T'觸發器翻轉的電壓，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路的開關電路都不動作。第3掌聲使計數器的輸出y3一直為高電平，(因為后面再沒有掌聲了)該路的RC電路輸出信號為高電平，對應T'觸發器翻轉使開關電路動作。由此可見，用快速的連續掌聲就能任意控制音控電路的輸出狀態。

2 電路設計

2.1 電路組成方框圖

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

　　(2)帶通放大電路：由RC網絡和雙運放或4運放LM324內的1個運放A1構成帶通放大器，作用是進行帶通放大，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個運放A2及外圍元件和D1，C2等構成，作用是進行電壓放大，Rp可以調整音控電路靈敏度。放大的音頻信號再由D1，C2進行整流和濾波，得到觸發脈沖信號。

　　(4)計數器電路：8進制計數器CD4022對輸入的掌聲信號進行計數。8個輸出端只用了4個，當計到5掌聲Y5為高點平時，觸發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行分離和選擇。

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

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

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

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)圖為雙穩態電路、開關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，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見圖5。

　　輸入端的電阻R和電容C組成低通電路，另一個電容C和電阻R2組成高通電路，二者串聯起來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，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的最小高電平觸發脈沖幅度0.3VCC，脈沖下降沿的時間滯后由電容C4的放電時間決定，約為C4R12=0.1 s(略去了CD4022輸入電阻的影響)，此值不可取得過大，若掌聲間隔時間過小，則電容上的電壓未降到CD4022的最大低電平觸發脈沖幅度，后面的掌聲不會起到任何作用。

2.2.4 計數分配電路

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

2.2.5 延時選擇電路

　　R12～R15和C6～C9組成4路RC充電回路，實際構成RC積分電路。D3～D6是電容C的放電二極管。放電時間常數為RdC6，Rd是放電二極管的內阻，隨通過二極管的電流而變；由于Rd很小，放電時間常數很短。

　　RC充電回路的時間常數：

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

　　圖7是延時選擇電路輸出電壓波形(以連續4掌聲為例)。

　　第1掌聲無脈沖，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行任意控制。

2.2.6 雙穩態保持電路與開關控制電路

　　兩塊上升沿雙D觸發器中的4個D觸發器都是獨立的，將輸入端D與輸出端Q相連就成為T'觸發器，具有翻轉計數和保持功能。觸發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工作于開關狀態，設雙向可控硅選用最大陽極電流IA為3 A。控制極電流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的簡單穩壓電源。但注意的是電路接地端與220 V交流相連。調整時要特別注意安全。

3 結 語

　　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(間斷時間大于0.8 s)可使前幾路或4路都同時通電；連續掌聲(間斷時間小于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斷的路數。如果要簡單地切斷任意一路輸出，可將雙D觸發器的異步復位端RD由接地改為接8進制計數器CD4022的Y0輸出端。當Y0為高電平，4路D觸發器都被復位，4路輸出都被切斷。