Interruptor Controlado por Som
Autor: Marco Roda Data: Setembro 2013 Contacto: marcoroda20@gmail.com
Resumo – Este projeto tem como objetivo controlar (ligar/desligar) qualquer aparelho elétrico através do som. Com um simples estalar de dedos ou um bater de palmas, uma carga pode ser accionada ou desligada. O principio de funcionamento baseia-se num simples microfone de eletreto (podem achar um, num microfone para desktop). O microfone será responsável por captar o som gerado pelo bater de palmas, produzindo assim um sinal elétrico muito fraco. Esse sinal passará de seguida por um estágio de amplificador. O sinal amplificador, ligado no pino 2, irá provocar otrigger do conhecido oscilador monoestável 555. Assim, o 555 gerará um impulso que será entregue ao clock do Flip-Flop D, que com a entrada D ligada à saída Q negada, irá funcionar no liga/desliga sempre que recebe um impulso. Serão necessários alguns filtros, de modo a que não existam variações não desejáveis na saída.
O circuito completo é apresentado abaixo. Como podem verificar, dividi o circuito em diferentes blocos, de forma a tornar mais fácil a compreensão do mesmo.
Explicação dos Blocos do Circuito:
Alimentação e Regulação:
Este bloco é composto por um LED de indicação se a placa está ligada ou desligada, contém um conector para a ligação de uma pilha de 9V e um regulador de tensão linear LM7805. Todo o circuito é alimentado por 5V, excepto o amplificador AD820 que é alimentado por 5V e -5V.
Conversão de tensão positiva para negativa:
Existem muitas formas de tornar este circuito funcional. A forma como eu o implementei, foi necessário uma tensão de alimentação simétrica para o amplificador. Quer isto dizer que o AD820 tem alimentação positiva e negativa, podendo a sua saída variar entre -5V e 5V. Para isso, fiz uso de um circuito da Texas Instruments (podem pedir como samples), LM2611. Trata-se de um circuito capaz de produzir uma tensão negativa através de uma tensão positiva na entrada.
Aquisição de Sinal:
Para a captura do som, foi utilizado um microfone de eletreto. Podem encontrar um nos microfones de um desktop. O microfone capta a vibração do ar captado pelo som, transformando essa vibração mecânica em impulsos elétricos, produzindo ondas da mesma frequência do som que o gerou. Está ligado em série com uma resistência de 10k para limitar a corrente que passa pelo microfone. Atenção à polaridade do microfone. De seguida, o sinal gerado passa por um filtro que elimina a componente DC do sinal, provocada pela alimentação DC de 5V. Um condensador de 100nF é suficiente.
O som produzido pelas palmas gera sinais elétricos de amplitudes muito baixas. Esses sinais precisam de ser amplificados, e feitos alguns testes de funcionamento decidi por um ganho de -220. No entanto, podem aumentar ou diminui a sensibilidade do circuito, introduzindo uma resistência de valor variável. O sinal na saída do amplificador será portanto negativo quando o microfone captar algum som. Como na entrada trigger do 555 está conectada uma resistência pull-up forçando a entrada a 5V, para que o trigger seja accionado e provoque o impulso na saída, o sinal do amplificador terá que ser menor que 1/3 VDD (ver comparador dentro do 555). Para tal, quando o som for captado, a saída do amplificador tem que variar negativamente e por essa razão se utilizou uma montagem não inversora requerendo alimentação simétrica.
Para garantir um disparo sem interferência no trigger do comparador do 555 (ver esquema interno), foi ligado um condensador em série, eliminando possíveis disparos indesejáveis.
Para provocar um impulso de clock foi usado o circuito 555 como monoestável. O seu funcionamento baseia-se na produção de um impulso na saída, pino 3, assim que recebe o trigger (explicado anteriormente). Desta forma, sempre que o microfone gerar um sinal elétrico capaz de disparar o 555, a saída permanece por um período ativa. Esse período de tempo é ajustado através da resistência R3 e do condensador C3. Com uma resistência de 10k e um condensador de 680nF, obtém-se um pulso com 7.48 ms.
Para alternar o estado da saída (poderá ser conectado todo o tipo de carga), foi usado o circuito integrado CD4013. Este CI contém dois Filop-Flops D, no entanto apenas foi utilizado um. O Flip-Flop D comporta-se como uma memória, mudando apenas o seu estado para o estado presente na entrada D, quando for aplicado um impulso na entrada de clock. Assim como a entrada D está lida à saída negada do Flip-Flop, em cada impulso de clock (gerado pelo som) a saída irá alternar ente o nível lógico ‘1’ e ‘0’. Obtendo assim um liga/desliga sempre que o som captado é capaz de gerar um trigger.
Para verificação do funcionamento e accionamento de uma carga ligada à rede elétrica (se for desejável) foi implementada uma interface de potência recorrendo a um transistor funcionando na zona corte-saturação e um relé. O relé que usei, é de um pólo apenas, contendo um contacto normalmente aberto (NA) e outro normalmente fechado (NF). Através destes contactos, é possível ligar uma carga à rede elétrica. Para o cálculo da resistência R10, têm que ter em atenção à resistência da bobine do relé e com esse valor, calcular o valor da corrente de coletor. Neste circuito usei um transistor PNP BC237, no entanto um NPN serve perfeitamente também. Cuidado à forma como o ligam, é ligeiramente diferente.
Pois bem, com o circuito montado, é hora de verficar o seu funcionamento! 😉
Fiz um pequeno vídeo que demonstra o seu funcionamento, ora vejam: Teste do funcionamento. De salientar que a sensibilidade com que circuito altera o seu estado, poder ser alterada através da resistência R1 do andar de amplificação.
Com o circuito testado e a funcionar corretamente, procedi à implementação de uma PCB. O circuito utilizado para a PCB foi o circuito completo apresentado no início do artigo. A PCB foi desenvolvida apenas com duas layers e com as especificações técnicas da OSH Park. A PCB desenvolvida em 3D pode ser vista na figura abaixo.
Se alguém quiser os ficheiros de produção, peçam-me. Por outro lado, se quiserem adicionar outras características à vossa placa, o esquemático que utilizem está no início do artigo. Funciona! 😉
Espero que tenham gostado! 😉