拍手開關(guān)電路的原理解析

拍手開關(guān)電路是一個(gè)創(chuàng)意項(xiàng)目，可以用于家庭自動(dòng)化中。它可以在拍手聲下實(shí)現(xiàn)設(shè)備的開關(guān)。盡管它的名字是＂拍手開關(guān)＂，但其實(shí)它能被任何與拍手聲相同音調(diào)的聲音打開或關(guān)閉。該電路的重心在電容麥克風(fēng)上，它將作為我們的聲音傳感器。電容麥克風(fēng)能將聲能轉(zhuǎn)換為電能，從而通過三極管輪流觸發(fā)555定時(shí)器。而555定時(shí)器的觸發(fā)則可以作為D觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖，從而打開LED，知道下一波時(shí)鐘脈沖到來(lái)前都保持在打開狀態(tài)，也就是下一次拍手/聲音。所以第一次拍手開關(guān)打開，第二次拍手開關(guān)斷開。如果我們從電路中移除D觸發(fā)器，則LED會(huì)在1.1 x R1 x C1秒的時(shí)間后自動(dòng)關(guān)閉，這是因?yàn)?55定時(shí)器處于單穩(wěn)態(tài)模式。

簡(jiǎn)略原理

我們使用電容麥可分來(lái)感知聲音，三極管來(lái)觸發(fā)555定時(shí)器，而555定時(shí)器來(lái)設(shè)置和重置D觸發(fā)器，而D觸發(fā)器來(lái)則用于記憶下一次拍手/聲音之前的邏輯電平（LED打開或關(guān)閉）。

所需電子元器件

電容麥克風(fēng)

555定時(shí)器

三極管BC547

電阻（1kΩ，47kΩ，100kΩ）

電容（10uF）

7474（D觸發(fā)器）

LED與電池（5-9V）

電路圖及原理

你可以在以上的電路圖中看到其連線。三極管初始為關(guān)閉狀態(tài)，因?yàn)榛鶚O-發(fā)射極電壓不夠（0.7V）打開。而點(diǎn)A處于高電位并與555定時(shí)器的觸發(fā)引腳2相連，結(jié)果就是觸發(fā)引腳2也處于高電位。為了通過引腳2來(lái)觸發(fā)整個(gè)555定時(shí)器，引腳2的電壓必須低于Vcc/3。所以輸出引腳3上沒有輸出，也就意味著D觸發(fā)器沒有時(shí)鐘脈沖，所以LED為熄滅的狀態(tài)。

現(xiàn)在我們?cè)陔娙蓰溈孙L(fēng)上產(chǎn)生一些聲音，這股聲能會(huì)轉(zhuǎn)換為電能，從而升高基極上的電平致使三極管導(dǎo)通。一旦三極管導(dǎo)通，A點(diǎn)電平將變低從而因?yàn)榈碗妷海ǖ陀赩cc/3）而觸發(fā)555定時(shí)器。所以輸出引腳3為高，一個(gè)正時(shí)鐘脈沖會(huì)是加到D觸發(fā)器上，使LED打開。觸發(fā)器的SET狀態(tài)會(huì)一直保持，直到下一次時(shí)鐘脈沖的到來(lái)。D觸發(fā)器的具體原理在下一部分中講解。

此處555定時(shí)器為單穩(wěn)態(tài)模式，它的輸出（引腳3）被用作D觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖。所以時(shí)鐘脈沖會(huì)保持在高電平1.1 x R1 x C1，秒，然后便轉(zhuǎn)為低電平。

D觸發(fā)器的工作原理

此處我們使用的是正沿觸發(fā)的D觸發(fā)器，也就意味著觸發(fā)器只會(huì)當(dāng)時(shí)鐘脈沖從低到高時(shí)才作出響應(yīng)。當(dāng)時(shí)鐘上升沿時(shí)，輸出Q由輸入D的狀態(tài)決定。觸發(fā)器會(huì)記住輸出狀態(tài)Q，直到下一個(gè)上升沿的到來(lái)為止。而下一個(gè)上升沿時(shí)，輸出Q再度根據(jù)D的狀態(tài)來(lái)決定。

所以D觸發(fā)器基本就是S-R觸發(fā)器的改進(jìn)版。在S-R出發(fā)其中，S=0和R=0的情況是不允許的，因?yàn)檫@會(huì)讓觸發(fā)器的行為充滿不確定性。該問題在D觸發(fā)器中解決了，通過在兩個(gè)輸入之間加入一個(gè)逆變器（見上方原理圖）。而第二輸入則給到去NAND門的時(shí)鐘脈沖。此處的逆變器是為了避免輸入上的相同邏輯電平，這樣＂S=0同時(shí)R=0＂的情況就不會(huì)發(fā)生了。

D觸發(fā)器在時(shí)鐘脈沖為低時(shí)不會(huì)改變狀態(tài)，因?yàn)樗鼤?huì)在與非門A和B處輸出邏輯電平＂1＂，這同樣是與非門X和Y的輸入，所以輸出不會(huì)改變。所以時(shí)鐘脈沖為低時(shí)，無(wú)論輸入D是什么都不會(huì)改變。只有時(shí)鐘脈沖處于上升沿的時(shí)候會(huì)改變。我們可以據(jù)此給到D觸發(fā)器的真值表。

IC 7474

這里的7474我們使用的是仙童的DM74S74N，這是一個(gè)雙D觸發(fā)器，其中內(nèi)含兩個(gè)D觸發(fā)器，既可以單獨(dú)使用也可以實(shí)現(xiàn)主從組合。這個(gè)電路中我們只需使用其中的一個(gè)D觸發(fā)器。第一個(gè)觸發(fā)器的引腳在左邊，第二個(gè)觸發(fā)器的引腳在右邊。其中還有PRE和CLR引腳，這些是D觸發(fā)器的低電平有效引腳。它們可以分別用來(lái)設(shè)置或重置D觸發(fā)器，而不用考慮輸入D和時(shí)鐘。我們將其與Vcc相連好讓它們處于閑置狀態(tài)。

理解了D觸發(fā)器后我們就可以理解電路原理。我們通過第一次拍手觸發(fā)555定時(shí)器，Q=1且Q＇=0，所以LED亮起。而且它會(huì)一直亮起直到下一次觸發(fā)或下一次正向時(shí)鐘脈沖（上升沿）的到來(lái)。我們將Q＇與輸入D向量，所以當(dāng)LED亮起時(shí)，Q＇=0是在等待第二次時(shí)鐘脈沖，這樣才能施加到輸入D上，使得Q=0而Q＇=1，從而關(guān)閉LED。

在測(cè)試該電路的時(shí)候你需要拍得響一點(diǎn)，因?yàn)橐话阈〉碾娙蓰溈孙L(fēng)拾音范圍都不大?；蛘吣阋部梢暂p輕拍拍麥克風(fēng)。

幾個(gè)要點(diǎn)

如果電路初始無(wú)法工作，那么將CLR（DM74S74N的1號(hào)引腳）與地相連來(lái)重置觸發(fā)器，之后再像電路圖一樣接入Vcc。

我們可以接入繼電器來(lái)控制其它電子設(shè)備。

555定時(shí)器的控制引腳5應(yīng)該與地相連，中間加一個(gè)0.01uF的電容。

需要用一個(gè)220Ω的電阻與LED相連。