基于多路音控电路的任意控制的研究设计

音控电路既是用声音对电路进行控制，不必象无线遥控和红外遥控一样需要专门的遥控发射装置，因而得到广泛的应用。目前市场上广泛使用的楼道音控延时开关，音控玩具开关等即是如此。但是这只是一种输出状态的开关或只能顺序控制多种输出状态的开关，不能任意控制输出状态。查阅国内的一些刊物和杂志，目前还没有发现对音控电路进行任意控制输出状态的文章或论文。针对这一情况，研究音控电路特点，设计制作出一种能任意控制输出状态的较廉价的抗噪性能较好的音控电路。

　　1 一般音控电路分析及任意控制输出状态音控电路设计思路

　　1.1 一般音控电路特点分析

　　无线遥控和红外遥控容易对多路输出进行任意控制，其原因是都可以采用对发射装置进行状态编码，接收装置又可以对收到的信号进行解码，因而可以任意控制输出状态。但音控电路一般无专门的发射装置，无法对发射信号进行编码。另外，音控电路的最大缺点是抗干扰能力非常差，环境噪音很容易使音控电路产生误动作，造成严重的不良结果。所以提高音控电路的抗噪能力是非常必要的。

　　1.2 设计思路

　　以掌声作为输入信号，见图1波形示意图，图1(a)为掌声输入信号，图1(b)为经正向整流滤波后的波形示意图。

　　由计数器进行计数，计数器输出经RC电路选择触发T'触发器翻转使开关电路动作。由图2可知，RC电路的时间常数选择得远大于掌声输入信号的间隔时间，电容上的电压小于T'触发器翻转的电压，虽然掌声1和掌声2使计数器的输出y1，y2为高电平，但时间都很短暂，对应1路和2路的RC电路输出信号电平都很低，1，2路的开关电路都不动作。第3掌声使计数器的输出y3一直为高电平，(因为后面再没有掌声了)该路的RC电路输出信号为高电平，对应T'触发器翻转使开关电路动作。由此可见，用快速的连续掌声就能任意控制音控电路的输出状态。

　　2 电路设计

　　2.1 电路组成方框图

　　(1)音控输入放大电路：由驻极体话筒，三极管T1和外围元件构成，作用是进行声电转换和初步放大。

　　(2)带通放大电路：由RC网络和双运放或4运放LM324内的1个运放A1构成带通放大器，作用是进行带通放大，提高抗干扰能力。

　　(3)灵敏度控制与信号处理电路：由4运放LM324内的1个运放A2及外围元件和D1，C2等构成，作用是进行电压放大，Rp可以调整音控电路灵敏度。放大的音频信号再由D1，C2进行整流和滤波，得到触发脉冲信号。

　　(4)计数器电路：8进制计数器CD4022对输入的掌声信号进行计数。8个输出端只用了4个，当计到5掌声Y5为高点平时，触发CD4022的异步复零端，使计数器复零。Y6，Y7未用。因为只有4路输出。

　　(5)延时选择电路：R13～R19和C5～C8组成RC充放电积分回路，D3～D6是电容C的放电二极管。作用是对前级输出信号的脉冲进行分离和选择。

　　(6)双稳态电路：2块上升沿双D触发器中的4个D触发器接成4路T'触发器，具有翻转计数和保持功能。

　　(7)开关控制电路：三极管T2～T5工作于开关状态，双向可控硅BCR1～BCR4受到三极管T2-T5的控制而导通或关断，从而交流供电通路导通或关断。

　　(8)电源：因为整个电路耗电极微，由R21，C9，D11，Q10，D12组成简单的稳压电源。

　　2.2 电路工作原理与电路设计

　　电原理图如图4所示。

　　图4(a)为音控输入放大电路、带通放大电路、灵敏度控制与信号处理电路和计数器电路的电原理图。图4(b)图为双稳态电路、开关控制电路和电源电路的电原理图。

　　2.2.1 音控输入放大电路

　　驻极体话筒将掌声转换成微弱的音频信号送入到三极管T1的基极，该级为共射小信号放大器。若β=100，R1=5.1 MΩ时，Ic△0.14 mA，R3为20多kΩ，为了适应不同的三极管，R1用5.1 MΩ的可调电阻，R3用51 kΩ的可调电阻。电压增益为：

　　2.2.2 带通放大电路

　　带通滤波器是由高通滤波器和低通滤波器组合而成的，其典型电路及幅频特性曲线见图5。

　　输入端的电阻R和电容C组成低通电路，另一个电容C和电阻R2组成高通电路，二者串联起来接在集成运放的同相输入端，设R2=2R，R3=R，带通滤波器的电压放大倍数为：

　　由式(2)可知，改变电阻RF或R1阻值可以调节通带宽度，但中心频率fo不受影响。

　　掌声频率若为500 Hz，由式(1)，取C=0.1μF，可计算出：R=3.3 kΩ，f0=483 Hz，若Q取5，Aup=2.8(特别注意Aup不能大于或等于3，否则电路要产生自激)，R1=10 kΩ，RF=18 kΩ，(为调整方便RF可选33 kΩ的可调电阻)，由式(2)可知，通带宽度B=0.2f0=96.6 Hz。

　　2.2.3 灵敏度控制与信号处理电路

　　本级为音控信号的电压增益主放大器，波形失真对音控信号触发计数器影响不太大。因而运放的最大电压增益设计为500，R11取2 kΩ2时，R12取1 kΩ的可调电阻，整流滤波的波形如图6所示，取R12=10 kΩ，C4=10μF。滤波后的波形与矩形脉冲相似，矩形脉冲幅度为0.45 VCC大于手册查到的CD4022的最小高电平触发脉冲幅度0.3VCC，脉冲下降沿的时间滞后由电容C4的放电时间决定，约为C4R12=0.1 s(略去了CD4022输入电阻的影响)，此值不可取得过大，若掌声间隔时间过小，则电容上的电压未降到CD4022的最大低电平触发脉冲幅度，后面的掌声不会起到任何作用。

　　2.2.4 计数分配电路

8进制计数器CD4022对输入的掌声信号进行计数分配。该电路与常见的计数器设计完全相同，8个输出端只甩了6个，将Y5输出信号送到CD4022的复位端RD端，梅成6进制计数器。第1掌声Y0为高电平，Y0为空脚，作为关断电路之用。当计到5掌声Y5为高电平时，触发CD4022的异步复零端，使计数器复零。Y6，Y7未用。

　　2.2.5 延时选择电路

　　R12～R15和C6～C9组成4路RC充电回路，实际构成RC积分电路。D3～D6是电容C的放电二极管。放电时间常数为RdC6，Rd是放电二极管的内阻，随通过二极管的电流而变；由于Rd很小，放电时间常数很短。

　　RC充电回路的时间常数：

　　此时C5上的电压为0.63 VCC=3.8 V。实际上电容上的电压只要大于双D触发器的最小高电平触发电压0.3 VCC=1.8 V，双D触发器就会翻转。由RC一阶零状态响应规律可导出对应的时间为：

　　图7是延时选择电路输出电压波形(以连续4掌声为例)。

　　第1掌声无脉冲，第2、第3掌声脉冲宽度很窄 第4掌声脉冲宽度很宽，输出电压uC3很高，可以使T'触发器翻转。只要连续击掌周期小于0.8 s，就可以对输出电路进行任意控制。

　　2.2.6 双稳态保持电路与开关控制电路

　　两块上升沿双D触发器中的4个D触发器都是独立的，将输入端D与输出端Q相连就成为T'触发器，具有翻转计数和保持功能。触发器输出高电平电压约为VCC，低电平电压约为0 V。

　　三极管T2～T5工作于开关状态，设双向可控硅选用最大阳极电流IA为3 A。控制极电流IG为10 mA，三极管β=100，限流电阻R21为：

　　为使三极管可靠饱和，R21～R24取20 kΩ，并在三极管T2～T5的集电极加200 Ω的限流电阻。

　　2.2.7 电源

　　因为整个电路耗电极微，由R21，C9，D11，C10，D12组成电容降压，半波整流，电容滤波，稳压二极管稳压常见的简单稳压电源。但注意的是电路接地端与220 V交流相连。调整时要特别注意安全。

　　3 结 语

　　根据设计制作出的音控装置达到任意控制4路输出的目的。功能为：间断掌声(间断时间大于0.8 s)可使前几路或4路都同时通电；连续掌声(间断时间小于0.8 s)可选择任意路通电；连续掌声加间断掌声可使后几路或第4路都同时通电；第5掌声使CD4022复位，但通电的路数仍保持通电；CD4022复位后，也可以采用前述的间断掌声或连续掌声切断欲关断的路数。如果要简单地切断任意一路输出，可将双D触发器的异步复位端RD由接地改为接8进制计数器CD4022的Y0输出端。当Y0为高电平，4路D触发器都被复位，4路输出都被切断。