摘要：聲控燈應用較廣，但易受環(huán)境的噪聲干擾而產(chǎn)生誤動作。文章介紹一款用CD4013集成電路設計制作完成的新型聲控燈，其抗干擾能力比常見聲控開關要強。對新型聲控燈系統(tǒng)的結構組成，具體電路作用及工作原理做了詳細的闡述，并介紹了制作步驟。
關鍵詞：聲控燈；抗旱擾；設計；制作；CD4013

0 前言
    聲控燈應用較廣，但易受環(huán)境的噪聲干擾而產(chǎn)生誤動作。本文介紹一款用通用集成電路CD4013設計制作完成的新型聲控燈，其抗干擾能力比常見聲控開關要強：受二次沖擊聲亮，再受二次沖擊聲暗。而且要求二次聲音的時間間隔大于0．3s，小于0．8s，滿足條件的聲音有效，否則無效。這樣的控制才是“智能化”的控制，才是生活中需要的控制。
    本聲控燈由聲波采集，脈沖形成、CD4013為核心組成韻單穩(wěn)態(tài)電路、定時延時電路、雙穩(wěn)態(tài)電路、可控硅控制電路等電路組成，它們之間巧妙的作用使其只接收具有一定規(guī)律的兩個沖擊聲響，例如，適當快慢的兩次拍掌聲，而對其他無規(guī)律的聲響(如說話聲、雷聲)則不響應。本新型聲控白熾燈造價便宜，僅8元左右。

1 系統(tǒng)設計思想和結構框圖
1．1 新型聲控燈的設計要求
    抗干擾能力較強的新型聲控燈要求如下：1)掌聲響兩次，燈才亮或滅；2)在2s內(nèi)的掌聲才有效；3)兩次掌聲的間隔在0．5s以上才有效；4)在5m遠處擊掌能進行控制。
1．2 聲控燈的設計原理
    設計思路：1)控制燈的亮暗，用繼電器或可控硅。本設計用可控硅，其優(yōu)點是所需的控制電流小，幾mA足矣；體積比繼電器要小。2)雙穩(wěn)態(tài)電路有分立元件組成的和集成電路的兩種。本文采用CMOS集成電路設計：其優(yōu)點是設計成的控制電路功耗小，電路的一致性好，抗干擾性強。3)聲音是模擬信號，需將模擬信號轉(zhuǎn)變成脈沖信號。在CMOS集成電路中，集2)、3)特點應用于一體的可用CD4013集成塊來實現(xiàn)。4)駐極體話筒得到的聲音信號較弱，要適當放大聲音信號，使其有較高的靈敏度。
1．3 聲控燈系統(tǒng)結構框圖
    根據(jù)上述內(nèi)容，可畫出本控制電路的結構方框圖，如圖1所示?？梢娤到y(tǒng)由聲音信號傳感器電路、信號放大電路、CD4013為核心組成的單穩(wěn)態(tài)電路和雙穩(wěn)態(tài)電路、可控硅控制電路、簡易電源電路以及一些輔助電路構成。

2 電路設計及原理闡述
2．1 電路設計
    電路設計要遵從簡潔至上原則，根據(jù)系統(tǒng)框圖所示添加器件。圖2是聲控燈的初始電路圖，在萬能板上焊接實驗后，基本能滿足系統(tǒng)的要求，但聲控靈敏度太低，有效距離僅1m左右?？磥硇韪倪M電路，以提高聲控靈敏度。

    在圖2的基礎上，將Q1放大的聲音信號進行檢波，由Q2再次放大，設計成如圖3所示的聲控電路，聲控靈敏度大幅度提高，有效距離達到5m，滿足了要求。

2．2 聲控燈電路組成
2. 2. 1 聲音信號傳感器電路
    由電阻R1、駐極體話筒BM組成。經(jīng)實驗，電阻R1取值4.7Ω～24kΩ均能正常工作。當然，當UBM=UR1時，此時的R1值最為恰當，其動態(tài)電壓范圍最大。駐極體話筒具有體積小、結構簡單、電聲性能好、價格低廉等優(yōu)點，當其接成極輸出時，其增益較高。故駐極體話筒BM的靈敏度很高。
2. 2. 2 聲音信號放大路
    三極管Q1、電阻R2、R3組成基本放大電路。R2為基極偏置電阻，R3為集電極電阻，當R2>βQ1*R3時，三極管Q1處于放大狀態(tài)。C1為音頻信號耦合電容。
2. 2. 3 脈沖形成電路
    由三極管Q2、二極管D5、電容C6、C7，電阻R11等組成開關電路。當三極管Q1集電極輸出的音頻信號為負半周時，通過三極管Q2的發(fā)射極向C7充電，三極管Q2導通，在R11上形成正向脈沖電壓；當音頻信號為正半周時，電容C7上的正電荷通過D5快速釋放。二極管D5為積存在Q2基極上的正電荷提供通路，不能省略。C6能去除R11上的雜波信號，為取得較為有用純凈的脈沖信號立下了汗馬功勞。
2．2．4 脈沖整形電路
    由CD4013集成電路D觸發(fā)器U1A單元、二極管D2、電阻R4及電容C2組成單穩(wěn)電路，其作用是將不規(guī)則的脈沖信號整形為寬度一致的脈沖，其脈沖寬度由R4、C2的時間常數(shù)決定。
2．2．5 雙穩(wěn)態(tài)電路
    由CD4013集成電路D觸發(fā)器U1B單元、電阻R8及電容C4等組成。R8、C4組成延時電路，使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)延時，避免在0．8S(t=0．7RS*C4)內(nèi)多個音頻脈沖造成觸發(fā)器多次翻轉(zhuǎn)，而造成輸出狀態(tài)控制不準。其輸出的高、低電平通過電阻R9控制可控硅的通、斷，即可實現(xiàn)白熾燈的亮暗控制。
2. 2．6 延時開啟電路
    由三極管Q3，二極管D1、電容C3、電阻R5、R6等組成。當CD4013的第②引腳為高電平時，通過二極管D1向C3迅速充電，使三極管Q3飽和導通，電路處于封鎖狀態(tài)，音頻脈沖控制無效；當CD4013的第②引腳為低電平時，電容C3上的電荷通過電阻R5、R6緩慢放電，放電結束后，三極管Q3截止。此時，電路才處于延時開啟狀態(tài)，音頻脈沖才能正?？刂齐p穩(wěn)態(tài)電路翻轉(zhuǎn)。選擇R6、C3的值，可確定第一、第二次掌聲的有效時間間隔。其時間常數(shù)大，有效時間間隔就長些，也就是說拍手的節(jié)拍要慢些才能控制燈狀態(tài)的變化；如果時間常數(shù)較小，有效時間間隔就短些，也就是說拍手的速度快些也可控制燈狀態(tài)的變化。按圖3中所示，其有效延時時間間隔約為0．29s(根據(jù)C3的放電電壓曲線uC=E*e-t／τ，其中時間常數(shù)τ=R6*C3。取uC3=0．7V、E=11．3V，得t=2．78 τ=0．29s，詳見圖4中UC3波形)。注意：R6、C3的時間常數(shù)要遠遠小于R4、C2的時間常數(shù)才行。
2．2. 7 簡易電源電路
    市電經(jīng)整流堆D3橋式整流電路整流，形成100Hz的脈動直流電。經(jīng)R10限流降壓，電容C5濾波，穩(wěn)壓管DW5穩(wěn)壓，就形成簡易12V穩(wěn)壓電源了。曲于控制電路的工作電流很小，故電阻R10可取大些，取值范圍為100～150kΩ均可正常工作，其功率取值為1W。
2．3 聲控燈工作原理
2．3. 1 聲控開燈過程
    加上市電后，三極管Q1處于放大狀態(tài)，三極管Q2處于截止狀態(tài)，CD4013的①腳、O13腳輸出低電平，可控硅D4處于關斷狀態(tài)，燈不亮。②腳輸出高電平，三極管Q3處于飽和狀態(tài)，O12腳輸出高電平信號，通過延時電阻器R8，延時電容器C4加到數(shù)據(jù)端D2上，故⑨腳為高電平。當出現(xiàn)第一次掌聲時，三極管Q2飽和導通。在R11上形成第一個正向脈沖電壓，此信號經(jīng)D觸發(fā)器U1A單元組成的單穩(wěn)電路整形，①腳輸出高電平脈沖，其脈沖寬度為0．8s(tW=0．7R4*C2≈0．8s)，詳見圖4中U1的波形圖。C3經(jīng)R6放電，三極管Q3延時截止(詳見圖4中UC3的波形圖)，為第二個音頻脈沖控制雙穩(wěn)態(tài)電路做準備。由于第一個正向脈沖電壓出現(xiàn)時，三極管Q3還處于飽和狀態(tài)，故此信號被封鎖，不能控制由D觸發(fā)器U2B單元組成的雙穩(wěn)態(tài)電路。在出現(xiàn)第一次掌聲后的大于0．29s小于0．8s時間內(nèi)，當出現(xiàn)第二次掌聲時，三極管Q2再次飽和導通，在R11上形成第二令正向脈沖電壓，此脈沖對單穩(wěn)電路無效，卻能控制雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，因為此時三極管Q3已截止。因此，當連續(xù)出現(xiàn)兩個脈沖時，雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)才翻轉(zhuǎn)一次，O13腳由低電平變?yōu)楦唠娖?，可控硅D4獲得觸發(fā)電壓而導通，燈由暗變?yōu)榱?，實現(xiàn)了聲控開燈的目的(詳見圖4中U13的波形圖)。

2．3．2 聲控關燈過程
    當燈亮時，三極管Q1處于放大狀態(tài)，三極管Q2處于截止狀態(tài)，CD4013的①腳輸出低電平、O13腳輸出高電平，可控硅D4處于導通狀態(tài)，②腳輸出高電平，三極管Q3處于飽和狀態(tài)；O12腳輸出低電平信號，通過延時電阻器R8，延時電容器C4加到數(shù)據(jù)端D2土，故⑨腳為低電平。同理，只有當連續(xù)出現(xiàn)兩個脈沖時，雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)才翻轉(zhuǎn)一次，O13腳輸出低電平，可控硅D4失去觸發(fā)電壓，脈動直流電過零時即關斷，燈由亮變?yōu)榘?，實現(xiàn)了聲控關燈的目的。當無聲控信號時，電路又進入等待狀態(tài)。只有再次出現(xiàn)連續(xù)的兩次掌聲時，電路才會重新動作，重復聲控開燈的過程。綜上所述，本電路不會因為人的說話聲或者其他普通聲源干擾而受到影響!其抗干擾能力比常見聲控開關要強：二次拍手亮，二次拍手暗。而且要求二次拍手的時間間隔大于0．3s小于0．8s，滿足條件的拍掌聲有效，否則無效。這樣的控制才是“智能化”的控制，才是生活中需要的控制。

3 制作步驟
    (1)到市場上買一特大型E27螺旋接口節(jié)能燈白熾燈，吸頂式平螺口燈座，如圖5a、圖5b所示。其尺寸如下；外徑11．5cm，高度4.8cm，孔距1：55-70mm，孔距2：86mm，有輕微誤差。

    另買一塊規(guī)格5×10cm厚1．2mm的2-3-5連孔萬能環(huán)氧板，如圖6a所示。當然，也可買規(guī)格5×7cm厚1．2mm的萬能洞洞環(huán)氧板。如圖6b所示。

    (2)將連孔萬能板按圖7所示挖出兩個孔，以備連接導線用。

    (3)在連孔萬能板上焊接好控制電路，控制電路只要按圖正確焊接，無須調(diào)試即可成功。焊接好的新型聲控控制電路板如圖8a所示，圖8b是控制電路的銅箔焊接面，電路焊接好后，要去掉多余的銅箔，以加強絕緣性能。

    (4)將以上完成的控制電路安裝在特大型E27螺口燈座中(如圖8a)，用熱熔膠加以固定。在駐極體話筒接近燈座塑料處用電烙鐵頭燙出一孔，以接受聲音信號用，一盞新型聲控燈就制作成功了。圖9a是制作完成的新型聲控燈整體圖，圖9b是通電后的效果圖。

4 制作后續(xù)升級電路—新型遙控燈

    將三極管Q1前面的電路去掉不要，用一體化紅外線遙控接收頭PH1838(引腳排列如圖10)的①端接Q1C位置，另加一簡易5V穩(wěn)壓電路為紅外線遙控接收頭供電，則就變?yōu)樾滦图t外線遙控燈了。取任意一紅外線遙控發(fā)射器，對準遙控接收頭，按遙控發(fā)射器任意鍵二次-燈亮，按任意鍵二次-燈暗。而且要求二次按鍵的時間間隔要大于0.3s小于0．8s，滿足條件的按鍵動作有效，否則無效。