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拍手开关电路的原理解析

拍手开关电路是一个创意项目,可以用于家庭自动化中。它可以在拍手声下实现设备的开关。

拍手开关电路是一个创意项目,可以用于家庭自动化中。它可以在拍手声下实现设备的开关。尽管它的名字是"拍手开关",但其实它能被任何与拍手声相同音调的声音打开或关闭。该电路的重心在电容麦克风上,它将作为我们的声音传感器。电容麦克风能将声能转换为电能,从而通过三极管轮流触发555定时器。而555定时器的触发则可以作为D触发器的时钟脉冲,从而打开LED,知道下一波时钟脉冲到来前都保持在打开状态,也就是下一次拍手/声音。所以第一次拍手开关打开,第二次拍手开关断开。如果我们从电路中移除D触发器,则LED会在1.1 x R1 x C1秒的时间后自动关闭,这是因为555定时器处于单稳态模式。

简略原理

我们使用电容麦可分来感知声音,三极管来触发555定时器,而555定时器来设置和重置D触发器,而D触发器来则用于记忆下一次拍手/声音之前的逻辑电平(LED打开或关闭)。

所需电子元器件:

● 电容麦克风

● 555定时器

● 三极管BC547

电阻(1kΩ,47kΩ,100kΩ)

● 电容(10uF)

● 7474(D触发器)

● LED与电池(5-9V)

电路图及原理

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你可以在以上的电路图中看到其连线。三极管初始为关闭状态,因为基极-发射极电压不够(0.7V)打开。而点A处于高电位并与555定时器的触发引脚2相连,结果就是触发引脚2也处于高电位。为了通过引脚2来触发整个555定时器,引脚2的电压必须低于Vcc/3。所以输出引脚3上没有输出,也就意味着D触发器没有时钟脉冲,所以LED为熄灭的状态。

现在我们在电容麦克风上产生一些声音,这股声能会转换为电能,从而升高基极上的电平致使三极管导通。一旦三极管导通,A点电平将变低从而因为低电压(低于Vcc/3)而触发555定时器。所以输出引脚3为高,一个正时钟脉冲会是加到D触发器上,使LED打开。触发器的SET状态会一直保持,直到下一次时钟脉冲的到来。D触发器的具体原理在下一部分中讲解。

此处555定时器为单稳态模式,它的输出(引脚3)被用作D触发器的时钟脉冲。所以时钟脉冲会保持在高电平1.1 x R1 x C1,秒,然后便转为低电平。

D触发器的工作原理

此处我们使用的是正沿触发的D触发器,也就意味着触发器只会当时钟脉冲从低到高时才作出响应。当时钟上升沿时,输出Q由输入D的状态决定。触发器会记住输出状态Q,直到下一个上升沿的到来为止。而下一个上升沿时,输出Q再度根据D的状态来决定。

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所以D触发器基本就是S-R触发器的改进版。在S-R出发其中,S=0和R=0的情况是不允许的,因为这会让触发器的行为充满不确定性。该问题在D触发器中解决了,通过在两个输入之间加入一个逆变器(见上方原理图)。而第二输入则给到去NAND门的时钟脉冲。此处的逆变器是为了避免输入上的相同逻辑电平,这样"S=0同时R=0"的情况就不会发生了。

D触发器在时钟脉冲为低时不会改变状态,因为它会在与非门A和B处输出逻辑电平"1",这同样是与非门X和Y的输入,所以输出不会改变。所以时钟脉冲为低时,无论输入D是什么都不会改变。只有时钟脉冲处于上升沿的时候会改变。我们可以据此给到D触发器的真值表。

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IC 7474

这里的7474我们使用的是仙童DM74S74N,这是一个双D触发器,其中内含两个D触发器,既可以单独使用也可以实现主从组合。这个电路中我们只需使用其中的一个D触发器。第一个触发器的引脚在左边,第二个触发器的引脚在右边。其中还有PRE和CLR引脚,这些是D触发器的低电平有效引脚。它们可以分别用来设置或重置D触发器,而不用考虑输入D和时钟。我们将其与Vcc相连好让它们处于闲置状态。

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理解了D触发器后我们就可以理解电路原理。我们通过第一次拍手触发555定时器,Q=1且Q'=0,所以LED亮起。而且它会一直亮起直到下一次触发或下一次正向时钟脉冲(上升沿)的到来。我们将Q'与输入D向量,所以当LED亮起时,Q'=0是在等待第二次时钟脉冲,这样才能施加到输入D上,使得Q=0而Q'=1,从而关闭LED。

在测试该电路的时候你需要拍得响一点,因为一般小的电容麦克风拾音范围都不大。或者你也可以轻轻拍拍麦克风。

几个要点

● 如果电路初始无法工作,那么将CLR(DM74S74N的1号引脚)与地相连来重置触发器,之后再像电路图一样接入Vcc。

● 我们可以接入继电器来控制其它电子设备。

● 555定时器的控制引脚5应该与地相连,中间加一个0.01uF的电容。

● 需要用一个220Ω的电阻与LED相连。


THE END
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