一款高灵敏的音阶声控开关电路

　　声控开关种类很多，但大多数声控开关都存在灵敏度低、响应频率范围大的缺点。在最好的情况下，响应频宽达几百赫兹。这就是说，不管用什么笛子，不管哪个人吹，这种声控开关都会受控动作。
　　
　　而这款音阶声控开关只对单音宽度内的窄带(对440Hz的乐音A为55Hz)作出响应。也就是说，只有频率落在所选频率的半音之内的声音，才能控制这个开关。
　　
　　在理论上，比所选频带超出1Hz的声音，都对开关不起控制作用。这种声控开关又很灵敏，40米外的笛声也能控制开关动作。
　　
　　本制作在印制板上还增设了一个小型滑动开关，称之为“旁路”开关。这个开关被接通时，音阶声控开关就变成普通的声控开关，即响应整个的音频频谱。
　　
　　工作原理
　　
　　音阶声控开关的方框图如上图示，其电路图如下图所示。它的核心设计思想是从整个音频频谱中选取特定的频率，并在这个频率的控制下接通开关。
　　
　　用标准的音频带通滤波器来选频是不可取的。原因之一是一个滤波器不容易在整个音频范围内被调节到可选任何频率；原因之二是笛声强度和距离的变化会引起输入信号幅度变化不定，使滤波器难以稳定工作。因此，本设计采用数字方式来进行选频。

　　
　　1．原理简说
　　
　　微音器把声信号转变为电信号，经ICla反相放大和IClb同相放大。IC2a被接成斯密特触发器，把IC1输出的正弦波变为方波，送到IC4作为时钟输入。
　　
　　IC4是双二进制4位计数器，被连接成一个二进制8位计数器。它是在IC3的控制下进行计数的。IC3是一个十进制计数器，其时钟输入来自振荡器IC2b。IC3的“1”输出端变为高电平时，IC4进行计数。IC4的输出端Q4A～Q3B被送到4位比，较器IC5的输入端B0～B3。当计数器IC4的最高位即输出端Q4B变为高电平时，它通过TR1使IC3复位，于是IC4停止计数，此后再输入的所有声音被立即取消。
　　
　　IC5的A输入端⑩(12)(13)(15)脚都接到高电平，相当于二进制“1111”，用作比较基准。当输入信号频率使IC5的B输入端⑨(11)(14)①脚也为二进制数“1111”时，IC5的输出端⑥脚变为高电平，使十进制计数器IC6计数，其输出端Ql输出高电平，TR2导通，继电器RLA吸合。
　　
　　2．要点解释
　　
　　(1)在整个电路中使用了多个退耦电容C1～C6，这对于改进电路的稳定性和灵敏度非常重要。微音器的偏置电路Rl、R2和C7用于稳定微音器的输出信号。
　　
　　(2)前置放大器IC1用来把很小的模拟信号放大到足以驱动数字电路。VR1和VR2电位器用于调节放大器的增益，增益可调范围为1～100000倍。
　　
　　(3)IC2a是双定时器7556的一半，在这里被接成斯密特触发器。
　　
　　这是定时器的罕见用法，我们把它叫做高性能正弦波——方波转换器。
　　
　　电阻R6和R8为IC2a的输入端②脚和⑥脚提供偏置，使静态偏压稍高于电源电压的一半。电阻R7串接在输入回路中，以防止7556的开关动作对输入信号产生不良影响。IC2a的⑤脚输出方波。
　　
　　(4)lC2b是双定时器7556的另一半，被接成振荡器，为IC3提供节拍时钟，其频率f取决于定时元件R9、VR3和C13，计算公式如下：f={1.46/[(R9+VR3)xC13)]×16(Hz)
　　
　　(5)振荡器IC2b和十进制计数器IC3共同决定二进制计数器在多长的时间内(t)接收时钟脉冲，而　　在其它时间内不接收时钟的脉冲。

　　这个时间t的计算公式如下：t=l/(f/128)    （秒）
　　
　　通过计算可以知道，这个声控开关“收听”笛声的时间t大约为O.l秒。
　　
　　(6)在本设计中，IC4的Q4A、QIB、Q2B和Q3B被接至IC5的B输入端，这相当于被取样的输入脉冲个数为128。从道理上说，IC4各输出端的任何组合都可以被选接到IC5的B输入端，比如选择Q1A～Q4A。但这时被取样的输入脉冲个数减少到16个，而不是128个。取样数少的一个缺点是容易发生误触发。
　　
　　在噪声严重的环境中，会产生一些以假乱真的声音。由于本电路无法区分正常的数字信号流和虚假的数字信号流，只要在指定的频率下（在一定的时间间隔）脉冲个数符合要求，声控开关即动作，所以取样的脉冲个数越多，误判的可能性就越小。
　　
　　下图表明取样个数少就容易产生误触发。

　　(7)之所以在输出部分选用十进制计数器IC6，是为了给电路增加灵活性。10个输出端可以依次输出信号去控制不同的开关，于是一个音阶声控开关电路就可以顺序指挥船模前进、后退、右转、左转和停止。
　　
　　如果您想增加受控开关，应该如下图所示增加三极管和继电器，这些新增元件应另装在一块印制板上。这时还要改接IC6的复位线，IC6的开关顺序是自上（输出0）而下（输出9）。复位线应接到所需开关序列结束所对应的输出端。在图中，IC6(15)脚的提位线不再连接到④脚（输出2），而改接到⑩脚(输出4)，于是接到⑦脚的附加开关就可以受控。
　　
　　IC6(14)脚的时钟输入端接了一个小电容C15，其作用是在时钟脉冲到达时保持(14)脚为高电平，防止在一个声音输入时IC6多计时钟。

　　(8)如果您想用超声波来控制这个声控开关，除了改用超声传感器之外，输入电路也应改变。接收超声波时的输入电路改动如下图所示。

　　
　　(9)电路中各个发光二极管的作用说明如下：Dl亮说明数字流已到达IC4的时钟输入端①脚。
　　
　　D4亮说明已检测到所选的频率。
　　
　　D3亮说明接收到的频率等于或高于所选的频率。D6亮说明TR2导通，继电器吸合。
　　
　　制作
　　
　　下图为音阶声控开关的1:1印制板图，其中的上图为元件面，下图为印制线面，请注意，印制板还有26根跨接线。
　　
　　所用的元器件参数如元器件表所示。IC2一定要选用低功耗的7556双定时器，以确保电路的省电。按照设计，此电路在待机时只消耗不足4mA的电流，在继电器被触发时功耗约30mA。电解电容要选用直径最小的小型化电容。
　　
　　在制作前，先插好跨接线。为避免短路，建议使用带护套的导线。在26根跨接线中，有些跨接线将被安装在集成电路插座的下方。
　　
　　接着按照集成电路插座、电阻、电位器、继电器、二极管、电容、微音器、开关Sl的顺序安装。在焊好稳压器IC7后，检查IC7是否输出正确的SV电压。如果是，再插入集成电路IC1～IC6。
　　
　　请注意，所用的继电器内含防反冲的保护二极管。如不用这种特殊继电器，应在继电器线圈两端并接一个二极管如1N4148。

　　D4使用高亮度发光二极管，其余发光二极管使用普通型。
　　
　　调试方法
　　
　　把6～24V的任何一个直流电源接至音阶声控开关的电源端，把一个高阻耳机接到测试点TP1与0V之间。把开关Sl拨到“正常”位置（不是旁路的位置）。反时针方向把VR1和VR2调到底，然后慢慢调这两个电位器，直到耳机听到的声音最大，又不发生严重的反馈。
　　
　　用录音机或笛子来产生一个固定的音调，比中C音高1个或2个8度，音源离微音器1或2米，背景噪声要尽可能小。转动VR3，直到发光二极管D4闪亮。如果只有发光二极管D3闪亮，便表示音调太高，应调高IC2b的频率；如果D3始终不亮，便表示音调太低，应调低IC2b的频率。
　　
　　如果声控开关被正常触发（发光二极管D4和D6均发亮），您可以再试调VR1和VR2。太高的灵敏度并不一定是好事，因为容易受到噪声的干扰。
　　
　　在正确调试好之后，音源可以距离微音器达40米之遥，声控开关照样正常工作。

本文关键字：声控开关  感应-遥控开关电路，电子制作 - 感应-遥控开关电路