电子控制类玩具电路设计.ppt

第三章电子控制类玩具电路设计 第一节声控电子玩具第二节光控电子玩具第三节红外控制电子玩具第四节遥控电子玩具第五节单通道遥控电子玩具第六节多通道遥控电子玩具第七节其他控制方式电子玩具 第一节声控电子玩具 一 声控原理声控玩具由发声器和玩具主体组成 玩具的基本工作原理如下 由发声器发出的声音 被玩具主体内的受感器接收 受感器把声音信号转化为电信号 完成由非电量的转换 信号传输到电子线路的输入端 经过电子线路的各种处理 使驱动机构完成各种动作 其工作过程如图2 1所示 图2 1声控玩具的工作过程 一 发声器它是声控玩具的控制源 其作用是发出一定响度与一定频率的声波 根据其发声方式 可分为气流发声器和碰击发声器两类 如图2 2所示 图2 2各种发声器 a 接触发声器 b 气流发声器 c 哨子 接触发声器 如图2 2 a 所示 它的外壳由塑料制成 内装弹性钢片 在钢片中央要冲制一个浅圆印 当扣动扳机时 其端部即可碰击钢片压迫它弯曲而发出爆鸣声 而当松开扳机时 钢片又凭自身弹力复位 故由能发出一次声音 这种声音的频率较高 响度也较强 可以与其它杂声相区别 气流发声器 如图2 2 b c 所示 图2 2 b 为手 式气流发声器 它由气囊和 哨子 组成 当手压气囊一下 则压缩空气形成气流通过 哨子 排出 当此气流经风口受阻而振动发出一定频率的声音 图2 2 c 所示为一个哨子 它由塑料制成 用嘴吹哨子时 气流经过哨子的风口 受阻而振动发声 其频率由哨子的空腔来决定 除上述两类发声器外 还有电子发声器 这是由电子线路产生一定频率的音频信号 经功率放大后推动扬声器而发声的 或推动压电陶瓷片而发声 电子发声器需要电源 故结构比较复杂 成本也较昂贵 在声控玩具中较少使用 二 受感器在声控玩具中安装有接收声波用的受感器 它的作用是接收从发声器送来的声波并转换为电信号 所以它是声控玩具中的换能元件 在声控玩具中 受感器可以使用高阻抗耳塞 驻极体电容传声器和压电陶瓷片等 1 高阻抗耳塞 图2 3高阻抗耳塞结构图 图2 3为高阻抗耳塞的结构图 它由前盖 膜片 磁铁 线圈与壳体组成 它的工作原理如下 当声波通过空气传到耳塞的膜片时 膜片就做微弱的机械运动 此片平时紧贴磁铁 处在磁场中 当它轻微震动时 就会切割磁力线 使线圈内产生感应电势 其频率和声波一致 于是耳塞就起到了把电波变为电信号的作用 一般在声控玩具中使用的高阻抗耳塞 其阻值为1 5其频带较宽 国产声控爬蛙中就是利用这种高阻抗耳塞 若要使用低阻抗8的耳塞来作为感受器 则需要在输入端加接变压器进行变换阻抗 一般用市售的输出变压器即可 2 驻极体电容传声器它通常作为录音机的机内话筒 由于体积较小 灵敏度高 所以目前它已用作许多声控玩具中的受感器 图2 4电容传声器原理 驻极体电容传声器是在有极化电源的普通电容传声器的基础上发展起来的 电容传声器的工作原理 可以用图2 4来说明 其中电源E为极化电源 振膜与底极构成电容C的两个电极 电阻R的阻值极高 以便保证电容上充得的电荷在电容C变化时保持不变 驻机体电容传声器 又称自极化电容传声器或预极化电容传声器 图2 5 顾名思义 这种传声器所使用的振膜与底极材料中 存以永久性的电荷 这种情况类似于磁学中的永久磁铁 这种材料的获取 是在高温条件下 对聚四氟乙烯塑料薄膜施加很高的极化电压进行电晕放电或用电子轰击 使它保持永久电荷 显然 用这种材料做电容传声器的振膜和底极时 可省去一般电容传声器的极化电源 所以减少了体积与重量 也降低了造价 这种传声器频响特性很好 信噪比也高 图2 5为驻极体电容传声器的内部电路图 它由电容传声器极头 场效应管组成 场效应管起阻抗变换作用 二极管起抗阻塞作用 a b 图2 6电容传声器的接法 a 源极输出接法 b 漏极输出接法 3 压电陶瓷片在有些声控玩具中也使用压电陶瓷片作为受感器 它是由两片经过特殊处理的陶瓷薄片胶合而成 并从两片上各引出导线接入放大器 当声波传至压电陶瓷片时 激起它作微弱振动 因此产生压电效应 把机械能转变为电能 由于压电陶瓷片的输出阻抗很大 所以可不用电容而将它直接输入放大器 压电陶瓷片虽然使用方便 价格低廉 但灵敏度较低 二 声控玩具的工作原理受感器输出的信号一般非常微弱 必须经过放大器放大后的信号进行各种变换处理 以便完成各种动作 按照对信号的处理方式 声控玩具可分为五个基本类型 先分述如下 一 简单声控玩具为了简化玩具 降低成本 有些声控玩具就用放大后的音频信号直接连通驱动机构 控制玩具动作 这类玩具一般不用专门的发声器 通常的拍手声 大声说话声就能控制玩具 二 选频声控玩具简单声控玩具对任何人的拍手声甚至干扰声都会产生动作 造成不必要的误动作 这里介绍选频声控玩具就能克服这一缺点 它是只受某一特定频率的信号所控制的一类玩具 下面以一个典型的例子来说明起工作原理 其电原理如图2 7所示 图2 7选频声控玩具电路 由图可知 高阻抗耳塞EJ作为受感器 耳塞首先将声音信号变换为电信号 然后加到由BG1和BG2组成的直接耦合放大器进行放大 放大的信号直接驱动继电器动作 就是前面提到的简单声控玩具原理 电位器W1引入电流并联负反馈 其目的有二 一是稳定工作点 因为直接耦合放大器之间的静态工作点是互相影响的 二是使放大器具有较高的输出阻抗 以便减少放大器对下面选频网络的影响 经过放大后的信号通过C2输入到由电感L和电容C并联谐振回路构成的选频网络 其阻抗Z为Z Z0 1 jQ2 0 2 4 其中 Q为品质因数 0为谐振频率 0 1 LC 0为频率失谐量 图2 8直流偏压的形成原理图 直流偏压的形成原理可以用图2 8说明 其中uce为BG3集电极与发射极之间的等效电压 当uce为正半周时 D导通 对C4充电如图2 8所示 当uce为负半周时 D截止 因此 电容C4就为BG3提供了适当的偏置电压 使BG3能正常工作 三 双稳态声控电路上述的简单声控方式与选频声空方式 一般地只能使玩具完成一种动作 相当于一个开关的作用 显然 这种方式比较单调 如果利用双稳态电路作为执行机构的控制电路 那么玩具至少可以完成良种以上的动作 因此 为了扩大玩具的功能 就出现了一类利用双稳态触发器的声控玩具 一种声控娃娃就采用了这种声控方式 其原理如图2 9所示 图2 9声控娃娃线路图 四 多元稳态声控方式众所周知 单稳态触发器具有一个稳态 一个暂态 而且暂态时间可以任意控制 如果将多个单稳态进行恰当的组合 而且在每个单稳态电路的暂态时间内使玩具做一种动作 那么就可以使玩具顺序完成多种动作 大大地提高了玩具的功能 声控机器人就是采用这种控制方式的 其原理框图如图2 10所示 图2 10声控机器人框图 五 随意声控方式多元单稳声控方式虽然可以实现多种动作 但是这种动作是周而复始地按照一定的顺序进行的 不能随意变动 显然 这种玩具的功能受到限制 例如 声控行驶玩具有四个基本动作 前进 左拐 右拐与停止 它们分别与命令 连续发声次数 相对立 也就是说 发声一次对应 前进 动作 连续发声量词对立 左拐 动作 以此类推 很显然 如果发出连续发声四次的命令 玩具就要经历前进 左拐 右拐 停止四个过程才能完成停止动作 不能做到马上停止 那么如何使玩具按照命令从任何运动状态 立即转换到所需要的运动状态呢 这就是随意声控方式 其原理框图如图2 11所示 其详细工作原理 将在下面结合实例进行说明 图2 11随意声控原理框图 三 声控玩具举例 一 简单声控玩具这是一个可以控制任何动物 汽车等的简单声控玩具 下面以控制彩灯为例加以说明 装饰用的彩灯或串灯附加一套简单的声控装置 就可以使灯光随着音乐或人们的欢声笑语而明亮闪烁 给大家增添快乐 这种声控装置 使用灵活 灵敏度高 结构简单 电路原理如图2 12所示 图2 12简单声控玩具电路图 二 声控汽车图2 13为声控汽车的电路图 我们可以看出 这个电路是一个选频声控线路 声音受感器话筒直接耦合放大器进行放大 放大后的信号经C3耦合到L C4组成的选频回路 如果声音的频率与选频回路频率相近 就会产生谐强 输出的电流越大 此电流经BG3放大 去驱动继电器J C5与D1的作用参阅图2 8 C6作用是使J得到一个比较稳定的工作电流 继电流J吸合使电机工作 小汽车启动 掌声停止 小汽车也将停止 图2 13声控汽车电路图 声控娃娃属于双稳态声控方式 工作原理如前所述 其原理如图2 9所示 这里只介绍它的介绍它的制作与调试 受感器采用8低阻力耳塞机 因为它体积小 防震性能良好 于在线路板之外的地方安装 晶体管BG1 BG4可用任何型号的NPN管 要求BG1 BG2的值大于30 BG3 BG4的外特性基本相似 值在60 150之间 BG5选用3DG12 3DG27等 耐用要大于25V 值大于30 变压器T用E型铁心 截面积为2 5 5 5mm2 L1用0 06mm的漆包线圈绕600匝 L2用0 1mm的漆包线圈绕55匝 继电器用HG型9V小功率电磁继电器 三 声控娃娃 图2 14声控娃娃印刷电路板 四 双稳声控汽车它在声波的控制下 可实现汽车的前进与后退两个动作 其电路原理如图2 16所示 线路采用驻极体电容传声器作为受感器 故灵敏度较高 其工作原理如下 图2 16双稳声控汽车电路原理图 五 声控机器人一个机器人在哨声控制下 它可以完成眨眼 行队礼 摇头 念解说词 挥动讲演棍 作手势等一系列动作 它属于多元单稳态声控方式 前面分析了它的基本工作原理 这里我们将结合实际电路详细进行分析 图2 17为声控机器人的电路原理图 见书末 概括地说 它由声控开关电路与程序控制电路组成 声控开关电路类似于上述的选频声控电路 其中 BG1 BG2组成音频放大级 L1 C7组成并联谐振回路 作为选频网络 BG3 BG4为直接耦合放大器 以便推动可控硅3CT1 程控电路由多谐振荡器 BG5 BG6 启动电路 BG7 C14 R19 与7个单稳电路 BG8 BG21 组成 六 随意声控玩具行驶玩具的四个基本动作 左拐 右拐 前进 停止 可以按照发出的声控命令任意控制 实现这种功能的玩具 通常采用多路声控方式 程序控制方式 但是 其电器复杂 不易实现 这里介绍一个能够实现上述功能又比较简单的电路 图2 18随意声控玩具线路原理图 图2 19IC声控玩具电路图 第三节红外控制电子玩具 一 功能概述爱美的波斯猫特别喜爱照镜子 当你拿一面镜子放到它的面前时 它就会高兴地眨着绿色的双眼 同时发出 喵 喵 的叫声 非常逗人喜欢 二 电路工作原理爱美的波斯猫的电路原理如图5 1所示 它运用了红外线发射控制原理 红外控制原理如下 开关S1闭合时 电源给所有的电路供电 当无红外光时 红外光电管VD2处于截止状态 晶体管VT1基极为底电平 致使晶体管VT1处于截止 即延时电路输出为低电平 无触发信号输出 后续电路不能工作 当红外光经镜面反射至VD2时 VD2导通 VT1也导通 使C1充电 同时使VT2导通 VT2集电极输出高电平触发IC1工作 当移走镜子时 红外光电管VD2截止 VT1截止 但由于C1的作用 VT2仍会导通一段时间 时间取决于C1 R3的数值 爱美的波斯猫 图5 1 一 功能概述红外线射击游戏机由红外发射枪和红外光接收靶组成 当红外发射枪打中接收靶时 将发出被击中的报警声音 并发出红外光表示靶被打中 若没有打中接收靶 则无任何指示 红外线射击游戏机 二 电路工作原理红外线射击游戏机包括红外发射枪和红外光接受靶两部分 红外发射电路原理图如图5 10所示 在IC1输出脉冲序列高电平时 发光二极管LED1点亮 表示正在射击 而在脉冲序列低电平时 MOS管VT1导通 驱动红外发光二极管LED2发射红外脉冲 VT1采用MOS型场效应管IRF9520 在IC1输出负脉冲时导通 驱动窄光红外二极管LED2发射1000Hz的红外光脉冲束 红外光接收靶电路由红外接收及放大电路和声光报靶电路等组成 如图5 11 红外接收采用红外光电管TIL414 它的光电转换效率高 当红外发射枪发出的红外光束扫射到红外电管靶面上时 光电转换信号在R4上产生一个频率与红外脉冲相同的1000Hz脉冲电信号 经晶体管VT3放大后 驱动扬声器BL1发出1000Hz的音频报靶信号 同时 驱动发光二极管LED3发光 表示靶被打中 图5 10红外发射电路原理图 图5 11红外接受靶电路原理图 红外光控电子小姐 一 功能概述红外光控电子小姐能实现自动问候来宾 当客人走进大厅时 电子礼仪小姐就会说 欢迎光临 从而使客人备感亲切 二 工作原理分析此电路是由红外光控制的 NE555集成电路 电阻R4和电容C1组成单稳触发定时电路 红外发光二极管LED1 光敏三极管VT1 电阻R1 RW1和R2组成红外电开关电路 平时 LED1和VT1之间没有阻碍物 VTI导通 VT2截止后面的电路停止工作 BL1不发出声音 相反 LED1和VT1之间有阻碍物时 VTI截止 VT2导通 NE555电路第2脚为低电平 第3脚输出为高电平 VT3导通 语言芯片工作 喇叭BL1发声 从而达到礼仪小姐的功能 让客人感到亲切 迎客自动门铃 一 功能概述当有客人到来时 门铃自动发出 欢迎光临 的亲切问候 二 工作原理分析电路中的B1和B2为两个热释电红外探测模块HN911 主要用来探测人体发射出来的红外线能量 当有人来的时候 B1的第1端输出高电平 没人是为低电平 当S1刚闭合的一瞬间 电容C1上为低电平 则 R1 R2也为低电平 从而使Q1 Q2均输出高电平 Q2使后面的语言芯片工作 BL1发出 欢迎光临 的声响 Q1使IC1A的1端为高电平 电路处于等待状态 当客人从B2走向B1时 电路才能发声响 当客人离去时从B1走向B2 不能使电路发出声响 从而达到迎客的目的 第四节遥控电子玩具概述 无线电遥控电子玩具有遥控发射机 玩具本体 内装接收机 组成 它们之间互相联系的靠某一频率的电磁波 对于业余无线电遥控设备 规定使用频率范围为27MHz波段和40MHz波段 这些业余波段具有受外界干扰小 传输损耗小与稳定的特点 一 分类遥控玩具是电子玩具中种类最多 趣味性最强的一种玩具 一般以通道数量和控制方式来划分 按通道数量可分为单通道控制和多通道控制 按控制方式又可分为开关式控制和比例控制 而两者结合起来的遥控玩具又分为单通道开关方式 单通道比例方式 多通道开关方式及多通道比例方式四种类型 此外 还可以发射机的调制方式划分 通常分为无调节制式 调幅式及调频式等 若以接收机的接收方式来分类 则可分为直接放大式 超再生式和超外差式 二 无线电遥控原理1 发射机发射机组成如图2 42 a 所示 在没有调制时载波振荡器将产生27 30MHZ得高频等幅正弦波 如图2 42 b 所示 a 发射机的组成的单元 b 高频等幅正弦波 c 调幅波 2 接收机电磁波由发射机得发射天线向空间发射出去 因此 在相应的空间范围内就存在这种电磁波 该电磁波遇到接收机的天线 就会在天线上感应出电流 此电流与空间电场强度成正比 电厂越强 天线产生的电流就越大 检波的方式很多 但是 为了提高电路的利用率 在玩具中常常利用超再生检波器 下面对此进行分析 超再生建波的工作波形如图2 43所示 a 图为有调幅波输入时的各电压的波形 其中 1 为熄灭电压波形 2 为调幅波波形 3 为超再生振荡电压波形 4 为检波后的波形 b 图为无调幅波输入时各电压的波形 其中 1 为熄灭电压波形 2 为超再生振荡波形 3 为检波后的波形 图2 43超再生检波器的工作波形 a 有调幅波输入时的波形 b 无调幅波输入时的波形 图2 44超再生检波器 图2 45LC振荡器的等效电路 第五节单通道遥控电子玩具 由于单通道控制方式电路简单 成本低 并且可以完成前进直线 后退时固定向一方转弯的动作 基本上能满足控制玩具目的 所以单通道控制方式的遥控玩具占很大的比重 单通道控制方式大体上分为两大类 无调制型和调制型 一 无调制型单通道遥控方式 1 原理简介图3 46是单通道玩具遥控器发射机的电路原理图 从图中可以看出 它用的元件非常少 图3 46单通道发射机 图2 47接收机的方框图 2 举例下面结合YK 100型无线电遥控器 对这一无调制行遥控玩具进行分析 YK 100型电遥控器可以装在玩具汽车 坦克等 构成各种玩具 1 发射机图2 48是发射机的电理图 图2 48YK 100型发射机 2 接收机图2 49为接收机的原理图 图2 49YK 100型接收机 二 调制型单通道遥控方式上述无调制遥控电路 具有结构简单 价格低廉的特点 但也存在不足 1 由于接收机没有收到信号时 是靠噪声电压使继电器吸合的 同时需要较强的高频信号才能有效地使继电器释放 这样 在控制距离较远 高频信号变弱时 就要产生失控现象 2 由于振荡器稳定性差 容易受其它信号的影响产生误动作 3 由于它只能产生一个控制信号 使玩具动作单调 这就限制了它的应用 本节叙述的调制型遥控器能克服这三个缺点 1 工作原理调制型遥控玩具就是发射机发送一个已调制的高频信号的一类玩具 在遥控玩具中通常采用两种调制方式 一种是与无线电广播中相同的调幅方式 音频调幅式 另一种是振幅键控 ASK 调制方式 前者较后者具有较强的抗火花干扰能力 图2 52振幅键控的调制过程 a 调制信号 b 载波信号 c 已调信号 下面我们来分析这类遥控玩具的工作原理 1 发射机图2 53为发射机的方框图 图2 53调制型发射机的方框图 超再生检波器低频放大器开关驱动电路继电器 2 接收机图2 54为接收机的方框图 图2 54调制型接收机的方框图 三 玩具举例在现有的遥控玩具中 采用调制型单通道遥控方式的较多 下面我们将举几个例子进行分析 1 遥控赛车图2 55是发射机电原理图 图2 55遥控赛车发射机 图2 56是接收机电原理理图 2 遥控坦克车 图2 57遥控担克车发射机 图2 58遥控坦克车接收机 2 低电压遥控玩具这是一种新型的遥控装置 其特点是耗能低 仅需两节5号电池 图2 59低电压遥控玩具发射机 图2 60低电压遥控玩具接收机 4 遥控模型飞机 图2 61模型飞机的发射机 图2 62LC振荡器等效电路 图2 63遥控模型飞机接收机 5 另一种音频调制玩具遥控器 1 发射机图2 64为发射机原理图 图2 64音频调制玩具发射机 图2 65音频调制遥控玩具接收