Gwizdek czyli zdalne sterowanie akustyczne.

[ahmed10]

Witam całego Forbota. Chciałbym przedstawić tu mój autorski projekt, który stworzyłem w sumie w technikum, później go udoskonalałem, aż do wersji mikroprocesorowej. Dzisiaj chciałbym wam pokazać jego jedną z pierwszych wersji (to nie znaczy gorszą tylko ciekawszą).

Zapraszam do lektury.

Wprowadzenie

Niniejsze urządzenie powstało jako unowocześnienie i ulepszenie tanich popularnych na rynku tzw. „klaskaczy”. Jako że te opierają się wbrew temu co mówi nazwa na pomiarze głośnych dźwięków, a nie klaśnięcia to ich niezawodność pozostawia wiele do życzenia. Główną ich wadą jest działanie na wszelkie głośniejsze dźwięki co uniemożliwia np. słuchanie głośniejszej muzyki, ponadto czasem nawet upadający przedmiot jest w stanie aktywować taki „klaskacz”. Projekt włącznika akustycznego jest wysoce efektywnym i niezawodnym zamiennikiem wcześniej wspomnianego rozwiązania, duża czułość powoduje iż nawet najsłabszy gwizd będzie efektywnie interpretowany, jedynym chyba mankamentem jest fakt, że trzeba potrafić gwizdać. Zasada działania jest prosta. Należy gwizdnąć zmieniając w odpowiedni sposób ton gwizdu aby włączyć lub wyłączyć podłączone urządzenie (np światło w pokoju). Włącznik akustyczny w wersji v 1.0 jest układem niemalże całkowicie analogowym.

• Elektroniczny:

• Blokowy:

Ogólny opis zasady działania

Sygnał akustyczny z mikrofonu elektretowego o małej amplitudzie musi zostać najpierw wzmocniony aby mogła zostać przeprowadzona jego analiza, dlatego też trafia najpierw na wzmacniacz oparty na tranzystorach T5,T4 Następnie wzmocniony sygnał podawany jest przez kondensator separujące na wejścia dwóch układów detekcji tonu LM567 gdzie jest porównywany do częstotliwości wzorcowej ustawionej przez zewnętrzne elementy RC. Układy te posiadają wyjście typu open colector, dlatego konieczne stało się zastosowanie rezystorów pull up. Wykrycie takiej samej częstotliwości podawanej na wejście jak częstotliwość referencyjna objawia się pojawieniem stanu niskiego na wyjściu LM567.

Dalej sygnał trafia na układy czasowe NE555 pracujące w trybie monostabilnym, których zadaniem jest powiązanie czasowe wystąpienia obu sygnałów z detektorów tonu. Zwiększa to niezawodność całego układu dlatego, że wykrycie drugiej częstotliwości w odpowiednim przedziale czasowym zapoczątkowanym wykryciem pierwszej częstotliwości umożliwia przełączenia układu wykonawczego. Czas trwania sygnału aktywnej częstotliwości można płynnie regulować zmieniając stałą czasową RC układów NE555.

Następnie sygnały z generatorów monostabilnych trafiają na bramkę AND zbudowaną w oparciu o 3 tranzystory T2, T3, Q1. Sygnał z bramki jest podawany na wejście zegarowe aktywowane zboczem narastającym przerzutnika T (ang. Toggle) zrobionego z przerzutnika D zawartego w układzie CD4013. Pod wyjście przerzutnika podłączony jest tranzystor wykonawczy w roli klucza T1. Obciążalność tego tranzystora reguluje nam jakim urządzeniem możemy sterować. Na płytce została umieszczona dioda włączona w kierunku zaporowym na wypadek indukcyjnego obciążenia tegoż tranzystora np. cewką przekaźnika.

Szczegółowy opis zasady działania

• Układ wejściowy i wzmacniacz

Na układ wejściowy składa się taki mikrofon podłączony przez rezystor 3,3k który polaryzuje wewnętrzny tranzystor polowy. Następnie sygnał trafia przez kondensator separujący składową stałą na wzmacniacz zbudowany na tranzystorze T5 BC547B . Jest to bardzo prosty wzmacniacz, którego baza polaryzowana jest jednym rezystorem. Punkt pracy został dobrany na podstawie charakterystyk tranzystora BC547B, prąd bazy wynosi około 3,3uA, a współczynnik wzmocnienia prądowego β wynosi około 310 daje to prąd kolektora na poziomie 1[mA], zakładając spadek napięcia na rezystorze równy połowie napięcia zasilania, a więc 4V można przyjąć, że wartość rezystora powinna wynosić ok. 4000Ω. W projekcie została użyta wartość znormalizowana 3,3k. Co przesunęło nieco charakterystykę pracy w kierunku wyższego potencjału.

Następnie sygnał trafia przez rezystor - w celu zwiększenia impedancji wejściowej i kondensator - aby wyeliminować składową stałą na układ dzielnika napięcia wstępnie polaryzującego bazę tranzystora bipolarnego NPN BC547B.  Tranzystor ten pracuje w układzie wspólny emiter. Pomiar współczynnika wzmocnienia prądowego tranzystora β wykazał wzmocnienie na poziomie 310. Zakładając niewielką rezystancję emiterową rzędu 220 Ohm oraz przyjmując na niej spadek napięcia 1V  możemy wyliczyć prąd emitera, który wynosi Ie = 1/220 = 4,5[mA]. Upraszczając, że prądy emitera i kolektora są sobie równe jesteśmy w stanie policzyć przy spadku napięcia zasilania 9V o połowę wartość rezystora R1 która będzie równa R1 = 4,5/0,0045 = 1k. Prąd bazy wynosi Ic/Beta = 4,5/310 = 14,5[µA] Należy zatem przyjąć dzielnik napięcia w którym prąd płynący będzie wielokrotnością prądu bazy. Ponieważ wcześniej przyjęte zostało, że spadek napięcia na rezystancji emiterowej R4 wynosi 1[V] to napięcie jakie się odłoży na rezystorze R3 będzie wynosiło 1 + 0,7V =1,7[V], a na rezystorze R5 odpowiednio 9 - 1,7 = 7,3V. Przyjmując wartość rezystora R5 = 22k prąd płynący przez ten rezystor wyniesie 7,3/22000 = 330[µA] , natomiast przez rezystor R3 popłynie ten sam prąd pomniejszony o prąd bazy, więc będzie on wynosił 315,5[µA]. Znając spadek napięcia oraz prąd obliczamy rezystancję i przyjmujemy najbliższą znormalizowaną jej wartość – w tym przypadku 4,7k. Poniżej znajduje się wykres oscyloskopowy sygnału wejściowego i wyjściowego wzmacniacza na samy tranzystorze T1:

Do pomiarów sygnału posłużyła karta dźwiękowa i program SoundCard Osciloscope v1.41. Wzmacniacz został  przetestowany  na sygnale 1kHz. Jak widać cechują go bardzo małe zniekształcenia oraz wzmocnienie napięciowe na poziomie  = 3.37. Oprócz tego sygnał jest przesunięty w fazie o 180ᵒ co jest cechą charakterystyczną wzmacniacza w układzie OE.

Jeśli jeszcze chodzi o realizację praktyczną to pierwszy stopień wzmacniacza został zrealizowany na osobnej płytce.

• Układ detekcji tonu LM567

Następnie sygnał akustyczny z wzmacniacza trafia na układ detekcji tonu oparty na popularnym LM567, zawiera on w swojej strukturze wewnętrzny wysokostabilny generator (źródło częstotliwości wzorcowej) oraz wejście do którego podaje się sygnał badany. Częstotliwości obu przebiegów są porównywane w układzie fazowej pętli synchronizacji (PLL) i – o ile są one z zadaną dokładnością sobie równe – następuje uaktywnienie wyjścia układu. Wejściem sygnału jest nóżka nr 3. Do wyprowadzeń nr 5 i 6 dołączone są zewnętrzne elementy generatora decydujące o częstotliwości jego pracy. Kondensator podłączony do nóżki nr 2 służy do ustalenia głównego parametru wewnętrznej pętli PLL: tzw. zakresu trzymania. Jest to największa dopuszczalna wartość o jaką mogą różnić się porównywane częstotliwości, by układ uznał je za równe.

Kondensator podłączony pod nóżkę nr 1 jest elementem wyjściowym filtra dolnoprzepustowego eliminującego ewentualne przypadkowe krótkotrwałe przełączenia wyjścia. Wejście układu jest spolaryzowane wewnętrznie i wymaga jedynie doprowadzenia sygnału wejściowego, wyjście natomiast jest typu open colector, dlatego konieczne jest zastosowanie rezystorów podciągających. Dokładna zasada działania układów LM567 jest długa do opisania. Generalnie cały układ opiera się na detektorze I-fazowym (In-phase detector) i Q-fazowym  (quadrature-phase detektor). Sygnały I/Q są sygnałami wartości składowych zespolonych sygnału, a otrzymuje się je przez mnożenie sygnału wejściowego przez sygnał referencyjny i przez sygnał referencyjny przesunięty w fazie o 90*.

Następnie wartość zespolona sygnału wejściowego przechodzi przez filtr dolnoprzepustowy gdzie regulowana jest maksymalna wartość o jaką mogą różnić się sygnał referencyjny i wejściowy aby układ mógł uznać je za równe sobie. Sygnał z filtru przestraja odpowiednio generator sterowany napięciowo (VCO), którego sygnał porównywany jest z sygnałem wejściowym w detektorze fazy (I chase detector) składowej rzeczywistej sygnału wejściowego.  Na wyjściu pojawia się różnica tych dwóch sygnałów, więc jeśli są sobie równe wyjście układu przyjmuje stan niski.

Częstotliwość detekcji wylicza się ze wzoru podanego przez producenta:

Fo=1/(1.1*R1*C1), w naszym przypadku R1=R10+R9, C1=C8

• Układ czasowy NE 555

NE555 zawiera komparatory mające swe wyprowadzenia na nóżki 2 i 6. Napięcia na tych nóżkach są porównywane z napięciami panującymi na wewnętrznym dzielniku napięcia. I tak jeśli napięcie na nóżce 6 przekroczy 2/3 napięcia zasilania to wyjście układu przyjmuje stan niski, a wewnętrzny tranzystor przewodzi. W przypadku spadku napięcia poniżej poziomu 1/3 Ucc sytuacja jest analogicznie odwrotna czyli na wyjściu jest stan wysoki, a wewnętrzny tranzystor nie przewodzi. W zależności od podłączenia zewnętrznych elementów można uzyskać 3 rodzaje pracy: układ astabilny, monostabilny oraz przerzutnik RS.

W projekcie został zastosowany tryb monostabilny w przypadku którego sygnał wyzwalający podawany jest na nóżkę 2 układu. Sygnałem wyzwalającym jest sygnał o wartości mniejszej niż  1/3 Ucc, a więc w naszym przypadku mniejszym niż 3V(ponieważ cały układ zasilany jest z 9V). Sygnał ten pobierany jest z wyjść układów LM567. Pojawienie się go na nóżce 2 powoduje iż na wyjściu pojawia się stan wysoki, a kondensator wcześniej non stop rozładowywany przez wewnętrzny tranzystor zaczyna się ładować. Stan wysoki na wyjściu trwa dopóty dopóki napięcie na zewnętrznym kondensatorze ładowanym przez potencjometr osiągnie wartość większą niż 2/3 Ucc. Gdy to nastąpi stan na wyjściu układu zmienia się na niski, a wewnętrzny tranzystor zaczyna rozładowywać kondensator do zera. Powtórne aktywowanie stanu wysokiego na wyjściu wymaga podania stanu niskiego na nóżkę 2. Jak podaje datasheet układu NE555 czas trwania impulsu na wyjściu opisuje zależność: T=1.1*R*C, w naszym przypadku R=

• Bramka AND

Aby mogło nastąpić przełączenie układu wykonawczego w stan przeciwny sygnał z układów czasowych NE555 musi zostać podany na bramkę AND, innymi słowy aktywacja urządzenia wyjściowego następuję wówczas gdy oba sygnały wyjściowe z przerzutników monostabilnych, są aktywne jednocześnie. Bramka AND została zrealizowana na 3 tranzystorach. Schemat bramki został przedstawiony niżej:

Gdy nie ma żadnego sygnału na wejściach podpisanych channel A channel B  tranzystor Q1 nie przewodzi, rezystor R20 podciąga do dodatniej szyny zasilania jego bazę  dzięki czemu nie ma możliwości aby jakikolwiek potencjał zgromadzony w okolicy nóżki bazy tranzystora Q1 przez przypadek go aktywował natomiast wyjście bramki jest podciągnięte rezystorem pull down R25 do ujemnej szyny zasilania. W momencie podania sygnału na bazy  tranzystorów T3 i T4 te zaczynają przewodzić. Przez rezystory R20, R19 oraz bazę tranzystora Q1 zaczyna płynąć prąd w skutek czego na wyjściu bramki pojawia się stan wysoki. Rezystory zostały dobrane tak żeby bez problemu każdy tranzystor pracował w stanie nasycenia, a jednocześnie nie zostały przekroczone dopuszczalne parametry pracy. Maksymalny prąd płynący przez tranzystory T2,T3 wyniesie uwzględniając napięcia Ucesat  na  obu tranzystorach ok. 1,3 [mA]

• Przerzutnik T

Aby móc zrealizować przerzutnik typu T na przerzutniku typu D należy sygnał z jego zanegowanego wyjścia podać na wejście. Sygnał wyjściowy będzie pobierany z jego niezanegowanego wyjścia. Zmiany stanu wyjścia na przeciwny idą w takt zbocza narastającego sygnału podawanego na wejście zegarowe. Sygnał podawany jest na wejście zegarowe przez rezystor zabezpieczający prosto z bramki AND.

Przerzutnik T został zrealizowany na jednym przerzutniku typu D zawartym w układzie CD4013BP. Drugi przerzutnik zostaje niewykorzystany dlatego jego nóżki wejściowe (CLOCK2, RESET2, SET2,D2) są wg zasady podłączone na stałe do masy aby ograniczyć straty mocy.

• Stopień wyjściowy

Stopień wyjściowy został zaprojektowany tak aby był możliwie jak najbardziej uniwersalny. Jako  element przełączający posłużył tranzystor BC237 o maksymalnym prądzie kolektora Ic = 100mA , co w zupełności wystarcza do zasilenia cewki przekaźnika, oraz maksymalnym napięciu kolektor emiter Uce wynoszącym 45V. Mimo iż układ zasilany może być maksymalnie z  9V bo na tyle pozwalają układy LM567 to napięcia panujące na złączu tegoż tranzystora mogą być znacznie większe np. z racji indukcyjnego obciążenia przez cewkę przekaźnika, która w momencie odłączenia zasilania indukuje wysokie napięcie, o polaryzacji przeciwnej do wcześniejszego zasilania cewki. Aby zniwelować wpływ tego napięcia na tranzystor T4 została wprowadzona dodatkowo dioda podłączona równolegle do obciążenia, której zadaniem jest ograniczenie wyindukowanego się wysokiego napięcia do napięcia spadku na diodzie 0,6-0,7V. Rezystor R24 ogranicza prąd bazy tranzystora T7 i został tak dobrany aby tranzystor w momencie aktywacji znalazł się w stanie nasycenia przy jednocześnie dopuszczalnym prądzie bazy.

Przy zasilaniu układu z 9V spadek napięcia na rezystorze wyniesie: 9V-0,7V=8,3V

Rezystancja wynosi 4,7k co po podstawieniu do wzoru daje nam prąd I=1,7[mA], który wystarcza do pełnego otwarcia się tranzystora.

Testy praktyczne

Na podstawie testów przeprowadzonych w laboratorium można stwierdzić bardzo małą awaryjność urządzenia. Dzięki wysokiej selektywności układów LM567 układ reagował nawet przy dużym hałasie z mnóstwem innych składowych np. przy słuchaniu muzyki, znacząco deklasując tradycyjne „klaskacze”. Zdarzały się jednak sporadyczne aktywacje jednej z nastawionych częstotliwości co oczywiście nie zmieniało stanu wyjścia układu. Dzięki podwójnemu wzmacniaczowi urządzenie wychwytuje określone częstotliwości  już przy najcichszym sygnale akustycznym. Testy wykazały, że reaguje na słaby gwizd do 2.5m, natomiast największa odległość z jakiej udało się aktywować urządzenie wynosiła nieco ponad 10 m. Parametry te są w zupełności wystarczające biorąc pod uwagę metraż przeciętnego pokoju. Układ powinien być zasilany napięciem z przedziału 5-9V. Dolną granicę zasilania determinują głównie układy NE555, ponieważ poniżej tej wartości zaczynają się same wzbudzać, natomiast górną komparatory częstotliwości LM567. Najlepsze efekty (czułość) uzyskuje się zasilając układ z 8-9 V.

I to już koniec tego mam nadzieję wyczerpującego opisu. Troszkę może to przypomina powtórkę z podstaw elektroniki, ale mimo wszystko mam nadzieję że komuś taka analiza się przyda w przyszłości aby łatwiej rozpocząć przygodę z elektroniką. Dodam tylko, że całość została zaprojektowana w programie Eagle i wykonana metodą termotransferu na laminacie jednostronnym oraz starannie pocynowana i zabezpieczona kalafonią (stąd ten może brzydki wygląd). Wzięło się to stąd, że układ robiłem koledze do zamontowania w ścianie z kartongipsu, dlatego też cała elektronika nie ma stosownej obudowy oraz trzeba było jakoś ścieżki zabezpieczyć przed ewentualną wilgocią w ścianach ;D

Na zakończenie filmik przedstawiający działające urządzenie oraz zdjęcia. W załączniku płytka w Eaglu.

Eagle.rar

[Treker (Damian Szymański)]

Właśnie zaakceptowałem Twój opis, możesz go teraz zgłosić do akcji rabatowej umieszczając link w temacie zbiorczym. Dziękuję za przedstawienie ciekawego projektu, zachęcam do prezentowania kolejnych DIY oraz aktywności na naszym forum

[marek1707]

Ech, łezka się w oku kręci. "Dziś już takiej elektroniki nie robią" - chciałoby się powiedzieć.. Gratulacje za projekt, budowę a przede wszystkim za opis, bo dawno tu nie widziałem podobnego tekstu w temacie układów podstawowych.

Piszesz o kolejnych wersjach. Czy powstały? Czym się różniły? W tym układzie zrobiłbym bramkę na dwóch diodach - byłaby prostsza, i popracował jednak nad jakąś ARW. Nawet najprostsza ułatwiłoby czujnikowi dopasowanie się do poziomu tła akustycznego co znakomicie poprawiłoby czułość. W układach audio współpracującymi z mikrofonami to w zasadzie standard. Chociaż - jak mówią - lepsze jest wrogiem dobrego. Skoro działało i spełniało założenia.. W sumie duży plus. Gratulacje 

Ciekaw jestem jakich algorytmów (i jakiej mocy) użyłeś w wersji cyfrowej. Czy ew. procesor robił DSP czy był tylko blokiem wykonawczym, inteligentniej reagującym na sygnały z filtrów/detektorów analogowych?

[ahmed10]

Dziękuję bardzo za miłe słowa.

A to prawda można by było zrobić to na dwóch diodach, jakoś tak nie pomyślałem wtedy Można się bawić do woli, można by tak samo zrealizować wzmacniacz na op-ampie i wiele innych modyfikacji przeprowadzić. Kolejne wersje różniły się od siebie np tym, że zamiast dwóch NE555 był jeden układ NE556 który integrował je w sobie. Później dodałem małego Attiny13A i zrealizowałem taką funkcjonalność w kodzie programu dzięki której mogę sterować dwoma urządzeniami. Jeśli sygnał akustyczny jest opadający to włączam/wyłączam urządzenia A, natomiast jeśli jest narastający to włączam/wyłączam urządzenie B. I w sumie jako tako na tym zakończył się rozwój projektu.

Miałem w planach zrealizować na jakimś AVR-ku analizę FFT sygnału i to samo wszystko robić ale już bez LM567 i uwzględniać też ciągłość sygnału, ale niestety teraz nie mam już tyle czasu co kiedyś

[Gość]

REALY COOL! man, its realy cool! Pomysł własny czy podpatrzony? Sam próbowałem kiedyś coś takiego zrobić tylko na wzmacniaczach operacyjnych, niestety nie spełniło zakładanych wymagań dla sterowania atmegą za pomocą gwizdania. Poza tym noszenie ze sobą gwizdka a tym bardziej fletu aby utrzymać odpowiednią powtarzalną częstotliwość przestało mnie bawić po tygodniu i tym sposobem "wynalazek" dołączył do innych podobnych walających się po kazamatach piwnicy .

Fajna rzecz, gratuluję realizacji.

[ahmed10]

Pomysł własny inspirowany na jak dobrze pamiętam jakimś kicie nordlelektronik, gdzie był zastosowany jeden LM567 do wykrywania pojedynczego tonu i to niby miało być rozpoznawanie mowy, poważnie! Ja się na to nabrałem bo gówniarz byłem. A jakiś czas później to zaadaptowałem właśnie w taki sposób jak opisany w tym wątku