新型声控灯的设计与制作

摘要：声控灯应用较广，但易受环境的噪声干扰而产生误动作。文章介绍一款用CD4013集成电路设计制作完成的新型声控灯，其抗干扰能力比常见声控开关要强。对新型声控灯系统的结构组成，具体电路作用及工作原理做了详细的阐述，并介绍了制作步骤。
关键词：声控灯；抗旱扰；设计；制作；CD4013

0 前言
    声控灯应用较广，但易受环境的噪声干扰而产生误动作。本文介绍一款用通用集成电路CD4013设计制作完成的新型声控灯，其抗干扰能力比常见声控开关要强：受二次冲击声亮，再受二次冲击声暗。而且要求二次声音的时间间隔大于0．3s，小于0．8s，满足条件的声音有效，否则无效。这样的控制才是“智能化”的控制，才是生活中需要的控制。
    本声控灯由声波采集，脉冲形成、CD4013为核心组成韵单稳态电路、定时延时电路、双稳态电路、可控硅控制电路等电路组成，它们之间巧妙的作用使其只接收具有一定规律的两个冲击声响，例如，适当快慢的两次拍掌声，而对其他无规律的声响(如说话声、雷声)则不响应。本新型声控白炽灯造价便宜，仅8元左右。

1 系统设计思想和结构框图
1．1 新型声控灯的设计要求
    抗干扰能力较强的新型声控灯要求如下：1)掌声响两次，灯才亮或灭；2)在2s内的掌声才有效；3)两次掌声的间隔在0．5s以上才有效；4)在5m远处击掌能进行控制。
1．2 声控灯的设计原理
    设计思路：1)控制灯的亮暗，用继电器或可控硅。本设计用可控硅，其优点是所需的控制电流小，几mA足矣；体积比继电器要小。2)双稳态电路有分立元件组成的和集成电路的两种。本文采用CMOS集成电路设计：其优点是设计成的控制电路功耗小，电路的一致性好，抗干扰性强。3)声音是模拟信号，需将模拟信号转变成脉冲信号。在CMOS集成电路中，集2)、3)特点应用于一体的可用CD4013集成块来实现。4)驻极体话筒得到的声音信号较弱，要适当放大声音信号，使其有较高的灵敏度。
1．3 声控灯系统结构框图
    根据上述内容，可画出本控制电路的结构方框图，如图1所示。可见系统由声音信号传感器电路、信号放大电路、CD4013为核心组成的单稳态电路和双稳态电路、可控硅控制电路、简易电源电路以及一些辅助电路构成。

2 电路设计及原理阐述
2．1 电路设计
    电路设计要遵从简洁至上原则，根据系统框图所示添加器件。图2是声控灯的初始电路图，在万能板上焊接实验后，基本能满足系统的要求，但声控灵敏度太低，有效距离仅1m左右。看来需改进电路，以提高声控灵敏度。

    在图2的基础上，将Q1放大的声音信号进行检波，由Q2再次放大，设计成如图3所示的声控电路，声控灵敏度大幅度提高，有效距离达到5m，满足了要求。

2．2 声控灯电路组成
2. 2. 1 声音信号传感器电路
    由电阻R1、驻极体话筒BM组成。经实验，电阻R1取值4.7Ω～24kΩ均能正常工作。当然，当UBM=UR1时，此时的R1值最为恰当，其动态电压范围最大。驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低廉等优点，当其接成极输出时，其增益较高。故驻极体话筒BM的灵敏度很高。
2. 2. 2 声音信号放大路
    三极管Q1、电阻R2、R3组成基本放大电路。R2为基极偏置电阻，R3为集电极电阻，当R2>βQ1*R3时，三极管Q1处于放大状态。C1为音频信号耦合电容。
2. 2. 3 脉冲形成电路
    由三极管Q2、二极管D5、电容C6、C7，电阻R11等组成开关电路。当三极管Q1集电极输出的音频信号为负半周时，通过三极管Q2的发射极向C7充电，三极管Q2导通，在R11上形成正向脉冲电压；当音频信号为正半周时，电容C7上的正电荷通过D5快速释放。二极管D5为积存在Q2基极上的正电荷提供通路，不能省略。C6能去除R11上的杂波信号，为取得较为有用纯净的脉冲信号立下了汗马功劳。
2．2．4 脉冲整形电路
    由CD4013集成电路D触发器U1A单元、二极管D2、电阻R4及电容C2组成单稳电路，其作用是将不规则的脉冲信号整形为宽度一致的脉冲，其脉冲宽度由R4、C2的时间常数决定。
2．2．5 双稳态电路
    由CD4013集成电路D触发器U1B单元、电阻R8及电容C4等组成。R8、C4组成延时电路，使触发器翻转延时，避免在0．8S(t=0．7RS*C4)内多个音频脉冲造成触发器多次翻转，而造成输出状态控制不准。其输出的高、低电平通过电阻R9控制可控硅的通、断，即可实现白炽灯的亮暗控制。
2. 2．6 延时开启电路
    由三极管Q3，二极管D1、电容C3、电阻R5、R6等组成。当CD4013的第②引脚为高电平时，通过二极管D1向C3迅速充电，使三极管Q3饱和导通，电路处于封锁状态，音频脉冲控制无效；当CD4013的第②引脚为低电平时，电容C3上的电荷通过电阻R5、R6缓慢放电，放电结束后，三极管Q3截止。此时，电路才处于延时开启状态，音频脉冲才能正常控制双稳态电路翻转。选择R6、C3的值，可确定第一、第二次掌声的有效时间间隔。其时间常数大，有效时间间隔就长些，也就是说拍手的节拍要慢些才能控制灯状态的变化；如果时间常数较小，有效时间间隔就短些，也就是说拍手的速度快些也可控制灯状态的变化。按图3中所示，其有效延时时间间隔约为0．29s(根据C3的放电电压曲线uC=E*e-t／τ，其中时间常数τ=R6*C3。取uC3=0．7V、E=11．3V，得t=2．78 τ=0．29s，详见图4中UC3波形)。注意：R6、C3的时间常数要远远小于R4、C2的时间常数才行。
2．2. 7 简易电源电路
    市电经整流堆D3桥式整流电路整流，形成100Hz的脉动直流电。经R10限流降压，电容C5滤波，稳压管DW5稳压，就形成简易12V稳压电源了。曲于控制电路的工作电流很小，故电阻R10可取大些，取值范围为100～150kΩ均可正常工作，其功率取值为1W。
2．3 声控灯工作原理
2．3. 1 声控开灯过程
    加上市电后，三极管Q1处于放大状态，三极管Q2处于截止状态，CD4013的①脚、O13脚输出低电平，可控硅D4处于关断状态，灯不亮。②脚输出高电平，三极管Q3处于饱和状态，O12脚输出高电平信号，通过延时电阻器R8，延时电容器C4加到数据端D2上，故⑨脚为高电平。当出现第一次掌声时，三极管Q2饱和导通。在R11上形成第一个正向脉冲电压，此信号经D触发器U1A单元组成的单稳电路整形，①脚输出高电平脉冲，其脉冲宽度为0．8s(tW=0．7R4*C2≈0．8s)，详见图4中U1的波形图。C3经R6放电，三极管Q3延时截止(详见图4中UC3的波形图)，为第二个音频脉冲控制双稳态电路做准备。由于第一个正向脉冲电压出现时，三极管Q3还处于饱和状态，故此信号被封锁，不能控制由D触发器U2B单元组成的双稳态电路。在出现第一次掌声后的大于0．29s小于0．8s时间内，当出现第二次掌声时，三极管Q2再次饱和导通，在R11上形成第二令正向脉冲电压，此脉冲对单稳电路无效，却能控制双稳态电路的状态翻转，因为此时三极管Q3已截止。因此，当连续出现两个脉冲时，双稳态电路的状态才翻转一次，O13脚由低电平变为高电平，可控硅D4获得触发电压而导通，灯由暗变为亮，实现了声控开灯的目的(详见图4中U13的波形图)。

2．3．2 声控关灯过程
    当灯亮时，三极管Q1处于放大状态，三极管Q2处于截止状态，CD4013的①脚输出低电平、O13脚输出高电平，可控硅D4处于导通状态，②脚输出高电平，三极管Q3处于饱和状态；O12脚输出低电平信号，通过延时电阻器R8，延时电容器C4加到数据端D2土，故⑨脚为低电平。同理，只有当连续出现两个脉冲时，双稳态电路的状态才翻转一次，O13脚输出低电平，可控硅D4失去触发电压，脉动直流电过零时即关断，灯由亮变为暗，实现了声控关灯的目的。当无声控信号时，电路又进入等待状态。只有再次出现连续的两次掌声时，电路才会重新动作，重复声控开灯的过程。综上所述，本电路不会因为人的说话声或者其他普通声源干扰而受到影响!其抗干扰能力比常见声控开关要强：二次拍手亮，二次拍手暗。而且要求二次拍手的时间间隔大于0．3s小于0．8s，满足条件的拍掌声有效，否则无效。这样的控制才是“智能化”的控制，才是生活中需要的控制。

3 制作步骤
    (1)到市场上买一特大型E27螺旋接口节能灯白炽灯，吸顶式平螺口灯座，如图5a、图5b所示。其尺寸如下；外径11．5cm，高度4.8cm，孔距1：55-70mm，孔距2：86mm，有轻微误差。

    另买一块规格5×10cm厚1．2mm的2-3-5连孔万能环氧板，如图6a所示。当然，也可买规格5×7cm厚1．2mm的万能洞洞环氧板。如图6b所示。

    (2)将连孔万能板按图7所示挖出两个孔，以备连接导线用。

    (3)在连孔万能板上焊接好控制电路，控制电路只要按图正确焊接，无须调试即可成功。焊接好的新型声控控制电路板如图8a所示，图8b是控制电路的铜箔焊接面，电路焊接好后，要去掉多余的铜箔，以加强绝缘性能。

    (4)将以上完成的控制电路安装在特大型E27螺口灯座中(如图8a)，用热熔胶加以固定。在驻极体话筒接近灯座塑料处用电烙铁头烫出一孔，以接受声音信号用，一盏新型声控灯就制作成功了。图9a是制作完成的新型声控灯整体图，图9b是通电后的效果图。

4 制作后续升级电路—新型遥控灯

    将三极管Q1前面的电路去掉不要，用一体化红外线遥控接收头PH1838(引脚排列如图10)的①端接Q1C位置，另加一简易5V稳压电路为红外线遥控接收头供电，则就变为新型红外线遥控灯了。取任意一红外线遥控发射器，对准遥控接收头，按遥控发射器任意键二次-灯亮，按任意键二次-灯暗。而且要求二次按键的时间间隔要大于0.3s小于0．8s，满足条件的按键动作有效，否则无效。