Войти Регистрация

Войдите в свой аккаунт

Логин *
Пароль *
Запомнить меня

Создать аккаунт

Поля, отмеченные звездочкой(*) обязательны.
Четверг, 27 ноября 2014 06:57

Фонетика плюс автоматика

Оцените материал
(1 Голосовать)
Фонетика плюс автоматика - 4.0 out of 5 based on 1 vote

   Фонетика – это раздел науки о языке, изучающий звуки речи. Как известно, звуки речи делятся на две группы: гласные и согласные. Для обозначения этих звуков придуманы буквы, которые также называются гласные и согласные. В нашем случае остановимся только на гласных. В русском языке их десять:  А, О, У, И, Ы, Э, Е, Ё, Ю, Я.  Буквы  Е, Ё, Ю, Я  могут давать два звука:

Е – { Й”Э } под ударением, { Й”И } без ударения;
Ё – { Й”О } всегда стоит под ударением;
Ю – { Й”У };
Я – { Й”А } под ударением, { Й”И } без ударения.

    Следовательно, в русском языке только шесть гласных звуков: А, О, У, И, Ы, Э. Каждый звук при произношении его в словах характеризуется частотой и длительностью, причем частота будет зависеть от особенностей строения речевого аппарата конкретного человека. Если произносить команды, в которых имеются указанные звуки, то, после соответствующей обработки, можно управлять некоторыми домашними объектами. Голосовые управляющие устройства интереснее обычных звуковых, например, выключателей «хлопкового» типа. Схемы устройств подобного назначения ранее публиковались, в частности в 1981 году была напечатана статья «Машина, слушай мою команду!» в журнале «Юный техник» №1 в рубрике «Заочная школа радиоэлектроники». Модель машины управлялась двумя командами «ИДИ» и «СТОЙ»:

1

   Здесь дешифратор команд – это два активных фильтра, выделяющих частоты звуков «И» и «О» и управляющие каждый своим исполнительным реле. Работа частотного фильтра основана на эффекте резонанса. Чтобы обеспечить высокую избирательность, фильтр построен на LC-контуре, а так как контур работает на голосовой (сотни герц) частоте, то число витков катушки в каждом контуре составляет две и более тысяч.
   Современная элементная база позволяет избавиться от утомительной намотки проводов и настройки контуров, в составе которых работают катушки индуктивности, а сами устройства становятся экономичнее и миниатюрнее. Следует затронуть ещё один немаловажный вопрос – это помехи. Одно дело, если объект управления - детская игрушка и совсем другое, если это освещение в квартире или какой-нибудь бытовой прибор. При появлении звуковой помехи, частота которой совпадает с частотой гласного звука в командном слове, нагрузка может несанкционированно включиться, что приведет к нежелательным последствиям. Схемы голосовых управляющих устройств должны «уметь» не реагировать на такие помехи.
   В теме рассмотрены несколько экспериментальных схем, реализующих голосовое управление нагрузкой. В основе частотных фильтров – микросхема типа LMC567CN. Это тональный декодер, выполненный по КМОП-технологии. Выбор именно этой микросхемы обусловлен её экономичностью, так как предполагается, что микросхема будет использоваться в устройствах с бестрансформаторным питанием, например, с гасящим балластным конденсатором. Если ограничений по экономичности питания нет, то можно применить биполярный функциональный аналог – микросхему типа LM567CN (отечественный клон - КР1001ХА01). Ранее на нашем сайте работа микросхемы LMC567 была показана в теме «Цветомузыкальная установка «DECOR» с фильтрами на LMC567CN», в которой рассказано о назначении внешних элементов «обвязки» микросхемы и даны примеры расчетов центральной частоты ГУН. Можно добавить, что напряжение питания микросхемы находится в границах от 2V до 9V; типовой потребляемый ток составляет: при Uпит=2V – 0,3mA, при Uпит=5V – 0,5mA, при Uпит=9V – 0,8mA (эти показатели не меняются при наличии или отсутствии входного декодируемого сигнала); номинальный ток вывода 8 (выходной ток декодера) - 20mA; входное сопротивление (вывод 3) – 40K; высокая стабильность частоты опорного генератора.
   На РИС.1 показана схема, декодирующая частоту гласной буквы «Е» (звука {Й”Э}) в командном слове «СВЕТ»:

2

 

   В этой и следующих схемах микрофонный усилитель реализован на операционном усилителе DA1 типа КР140УД1208. Особенностью микросхемы является возможность установки тока потребления резистором (на схеме – R5), подключаемого к выводу 8DA1, что позволяет использовать схему в экономичном режиме. Коэффициент усиления задает резистор R4, включенный между выводами 2DA1 и 6DA1. Этим резистором устанавливают чувствительность схемы к голосовым командам. Резисторы R2 и R3 формируют виртуальную среднюю точку питания DA1, устанавливая на неинвертирующем входе 3DA1 примерно половину напряжения питания. С выхода 6DA1 усиленный сигнал через разделительный С3 и ограничивающий ток R6 поступает на ограничитель уровня переменного напряжения – два встречно параллельных германиевых диода VD1 и VD2. Диоды ограничивают сигнал на уровне ~300…400mV. Через R7 и разделительный С6 ограниченный сигнал поступает на вход тонального декодера 3DA2. Резисторы R9, R10 и конденсатор С7 задают частоту опорного генератора (центральную частоту ГУН). Резистором R10 добиваются появления низкого уровня на выводе 8DA2 при произношении команды «СВЕТ». На стоке транзистора VT1 (общая точка соединения резисторов R11, R12 и диода VD3) сигнал инвертируется, т.е. появляется лог.1. Триггер DD1.1 работает в режиме одновибратора, постоянная времени которого задана элементами R13 и С9. С указанными элементами время равно приблизительно одной минуте.


   Как правило, звуковые помехи носят случайный и кратковременный характер. Интегрирующая цепь R12-С8 необходима для подавления этих помех. При декодировании команды «СВЕТ» или звука помехи, на выходе 8DA2 появляется низкий уровень и VT1 закрывается. Через R11 и R12 начинает заряжаться С8. Время заряда С8 больше длительности помехи, поэтому, гласную букву «Е» в слове «СВЕТ» следует произносить немного дольше обычного – свЕ-Е-Ет. Когда помеха прекращается, то С8, заряженный до некоторого уровня напряжения, быстро разряжается через VD3 и открытый канал сток-исток транзистора VT1. Это самый простой способ отсечь звуковые помехи с такой же частотой, что и звук гласной буквы «Е». Команда звучит дольше помехи, поэтому С8 зарядится до порога переключения триггера DD1.1. При достижении напряжением на С8 порога переключения DD1.1 по входу «S», триггер установится в «единичное» состояние – на основном выходе лог.1, а на инверсном – лог.0. Через открытый VD4 конденсатор С8 быстро разрядится, а С9 начнет заряжаться через R13. В зависимости от логики работы исполнительного устройства, сигнал управления можно снять с выходов 1DD1.1 или 2DD1.1. Если во время работы исполнительного устройства опять поступит команда на включение, то это ничего не изменит, т.к. С8 зашунтирован низким уровнем напряжения с 2DD1.1 через открытый диод VD4. Приблизительно через минуту напряжение на С9 достигнет порога переключения триггера по входу «R», триггер вернётся в исходное «нулевое» состояние и С9 быстро разрядится через открытый VD5. Нагрузка обесточится.
   Для проверки устройство собиралось на заводской перфорированной плате. Вместо транзистора КП501А (VT1) был установлен «телефонный» токовый ключ типа КР1014КТ1В:

3

   Ролик, демонстрирующий работу схемы на РИС.1 показан ниже. Счёт имитирует звуковые помехи, при этом видно, что синий светодиод, установленный в стоковой цепи транзистора VT1, гаснет, но лампа не включается – длительность помех мала. Длительность команды «СВЕТ» больше – лампа включается. Команды «ЛАМПА» или «ГОРИ» не включают лампу – избирательность устройства довольно высока:

  Второй ролик демонстрирует работу устройства, реагирующего на команду «ГОРИ» и автоотключение нагрузки. Схема устройства не менялась – такая же, как на РИС.1, но опорный генератор DA2 подстроечным резистором R10 настроен на частоту звука «И». Кроме того, номинал резистора R4 в цепи обратной связи DA1 увеличен до 5,1 мегаома, что определило чувствительность усилительного тракта – команда даётся с расстояния пяти метров от микрофона. Здесь также счёт имитирует звуковые помехи. Интересно отметить, что на команду «ВКЛЮЧИСЬ» устройство не реагирует, хотя гласный звук «И» по длительности совпадает с гласным звуком «И» в команде «ГОРИ». Можно предположить, что звук «И» после согласного звука «Ч» в команде «ВКЛЮЧИСЬ» имеет более высокую частоту по сравнению со звуком «И» после согласного звука «Р» в команде «ГОРИ»:

   На РИС.2 показана схема голосового управляющего устройства, принимающего две команды «СВЕТ» и «СТОП», которое позволяет включить или отключить нагрузку. Предположим, при подаче питания триггер DD1.1 установился в состояние, при котором на выводе 2DD1.1 – лог.1, а на выводе 1DD1.1 – лог.0. Диод VD5 закрыт, а VD6 открыт и шунтирует конденсатор С8. Частота опорного генератора DA1 подстроечным резистором R4 настроена на частоту буквы «Е» (звука {Й”Э}) в командном слове «СВЕТ». При произношении команды и декодировании частоты гласной буквы «Е», транзистор VT1 закроется, поэтому начнется зарядка С7. При достижении напряжением порога переключения DD1.1 по входу «S», триггер переключится в «единичное» состояние при котором на выводе 2DD1.1 – лог.0, а на выводе 1DD1.1 – лог.1. Лог.1 поступит на затвор VT2 и откроет его. Открытый канал сток/исток VT2 подключит конденсатор С6 параллельно конденсатору С5 – частота опорного генератора уменьшится в два раза. Устройство будет готово принимать команду «СТОП». Так как частота ГУН изменилась, то низкий уровень на выводе 8DA1 сменится на высокий и VT1 откроется. Теперь через открытый диод VD5 зашунтирован С7, а VD6 – закрыт, поэтому, если произносить команду «СТОП» для отключения нагрузки, заряжаться будет С8, что приведет к очередному переключению триггера DD1.1. В этой схеме также, как и в схеме на РИС.1, элементы R7, С7, VD3 и R8, С8, VD4 предназначены для отсечения звуковых помех, частоты которых совпадает с частотами гласных звуков в командных словах. Диоды VD5 и VD6 обеспечивают правильный алгоритм работы устройства, определяя нужную очередность зарядки конденсаторов С7 и С8. Емкости конденсаторов С5 и С6 могут отличаться от указанных на схеме. Сначала, установив конденсатор С5 и подстраивая R4, добиваются реакции на команду «СВЕТ», затем подбирают емкость С6, подключая его параллельно к конденсатору С5, чтобы была реакция на команду «СТОП». Только после этого С6 включают в стоковую цепь транзистора VT2.

   На РИС.3 показана схема, реализующая управление лампой накаливания командами «ГОРИ» и «СТОП»:

4

 

   Фактически схема совпадает со схемой на РИС.2, но с некоторыми отличиями. В качестве коммутирующих элементов используются аналоговые ключи. В составе микросхемы К561КТ3 (или К1561КТ3) четыре таких ключа. В исходном состоянии ключ DD1.2 открыт, т.к. на выводе 2DD2.1 – лог.1, а ключ DD1.3 закрыт, т.к. на выводе 1DD2.1 – лог.0 и лампа накаливания EL1 не горит. Открытым каналом X-Y подстроечный резистор R12 зашунтирован, тем самым исключен из цепи опорного генератора, поэтому частота ГУН определяется элементами R10, R14, С7 и настроена (резистором R14) на частоту гласной буквы «И» в командном слове «ГОРИ». При декодировании команды триггер DD2.1 переключается, поэтому ключ DD1.2 закрывается, а ключ DD1.3 открывается. Включается светодиод в твёрдотельном реле VS1 и лампа EL1 светится. Так как ключ DD1.2 теперь закрыт, то последовательно с резисторами R10 и R14 включается резистор R12, значит, частота ГУН становится ниже. Подстроечным резистором R12 её настраивают на частоту гласной буквы «О» в команде «СТОП». Резисторы R8 и R9 задают гистерезис переключательной характеристики вывода 8DA2, что способствует более чёткой отработке команд. Ключ DD1.1 работает как инвертор. Светодиод HL1 во время декодирования сигналов гаснет.
   Эта схема также проверялась на макетной плате и показала положительный результат работы:

5

   Демонстрационный ролик показывает работу устройства, собранного по схеме на РИС.3. Как и в предыдущих роликах, счёт имитирует звуковые помехи, даются другие команды с различными длительностями гласных звуков:

 

   На РИС.4 показан вариант схемы, которая принимает командное слово с тремя гласными буквами. В качестве примера выбрана команда «СИСТЕМА». Такая команда может использоваться как запускающая некий электронный блок или служить звуковым «ключом» к активации схемы с другими звуковыми командами. Может использоваться любое другое командное слово, например, «САНУЗЕЛ» для управления светом в ванной или туалетной комнатах квартиры:

6

 

   Здесь отсев звуковых помех происходит иначе, чем в предыдущих схемах - за счет последовательного переключения триггеров, причём следующий триггер фиксирует состояние предыдущего. Если на входе появляется звуковая помеха, то, чтобы повлиять на состояние нагрузки, частота помехи должна измениться три раза и совпасть с частотами гласных букв в командном слове в нужной последовательности, а это, как представляется, совсем маловероятно. Из схемы видно, что исходная частота ГУН переключается два раза, таким образом, тональный декодер DA2 работает с тремя опорными частотами. В исходном состоянии открыт ключ DD1.2 и частота определяется элементами С7, R11 и R12. Подстроечным резистором R12 она настроена на гласный звук «И». После того, как будет произнесён и декодирован слог «СИ», ключ DD1.2 закроется и откроется ключ DD1.3. Теперь частоту ГУН задают элементы С7, R11 и R15, которым настраивают реакцию устройства на гласный звук «Е». После декодирования слога «СТЕ» ключ DD1.3 закроется, но откроется ключ DD1.4, значит, частоту опорного генератора будут определять элементы С7, R11 и R18, которым настраивают частоту ГУН на гласный звук «А» в слоге «МА». После произношения и декодирования слога «МА» ключ DD1.4 закрывается и декодер DA2 перестает работать – его опорный генератор выключен, т.к. закрыты все ключи. Схема вернётся в исходное состояние по сигналу RESET, который получит от исполнительного устройства после выполнения следующих команд или завершения рабочего цикла объекта управления.
   Если на входе появится помеха, соответствующая звуку «И», то триггер DD2.1 переключится – ключ DD1.2 закроется, а ключ DD1.3 откроется. Теперь частота помехи должна совпасть с частотой гласной буквы «Е». Чудеса, конечно, в нашей жизни случаются, но очень редко. Поэтому, через время Т=0,7*С8*R13 триггер DD2.1 вернётся в исходное состояние, т.к. работает в режиме одновибратора.

   Если была команда и за звуком «И» последовал звук «Е» (были произнесены слоги СИ-СТЕ), то через открытый диод VD5 переключенное состояние триггера DD2.1 зафиксируется – конденсатор С8 не сможет зарядиться до порога переключения триггера по входу «R». То же самое произойдет с триггером DD2.2, если вслед за звуком «Е» декодируется звук «А» (будут произнесены все три слога СИ-СТЕ-МА) – его переключенное состояние зафиксируется открытым диодом VD7. Основной (не инвертирующий) выход предыдущего триггера соединён с входом данных (D) следующего, поэтому декодирование всего командного слова будет возможным только в случае, если гласные звуки следуют друг за другом в строгой (правильной) последовательности. Светодиоды, подключенные к схеме через усилители тока VT1 – VT3, индицируют декодирование гласных звуков. При декодировании последнего звука светодиод «А» остаётся включенным, пока на схему не поступит сигнал RESET от исполнительного устройства. При получении сигнала RESET светодиоды будут переключаться в обратной последовательности (от «А» до «И»), индицируя возвращение устройства (триггерных ячеек) в исходное состояние.
   На базе этой схемы была опробована схема с командным словом «ВКЛЮЧИСЬ» и автоотключением нагрузки. Схема последовательно декодирует гласные буквы «Ю» (звук {Й”У}) и «И». Из ролика видно, что после декодирования звука {Й”У} включается синий светодиод, индицирующий переключение первой триггерной ячейки, а лампа накаливания включается только после декодирования звука «И», т.е. после переключения второй триггерной ячейки, которая задаёт время работы нагрузки. Возвращение в исходное состояние происходит в обратной последовательности: лампа выключается - второй одновибратор переключился в исходное состояние и за тем гаснет светодиод - первый одновибратор переключился в исходное состояние. Подача других команд не приводит к включению лампы накаливания – схема обладает довольно хорошей частотной избирательностью:

 

   И в завершении темы для примера приведу ещё одну экспериментальную схемку. Эта схема как «единое» устройство не проверялась, но её отдельные узлы ранее практически проверялись и показали положительный результат в работе. Если заинтересует, то можно попробовать спаять и поделиться впечатлениями на форуме. Схема позволяет голосом включать, выключать и регулировать яркость лампы накаливания, т.е. это устройство представляет собой голосовой диммер.  Схема показана на РИС.5:

7

 

   Как видно из схемы, управляющая часть состоит из двух голосовых каналов, о работе которых рассказано в схемах на РИС.1 и РИС.2. Первый голосовой канал (DA2 и DD1.1) декодирует команду «СВЕТ» и управляет включением или выключением лампы. Второй голосовой канал (DA3 и DD1.2) декодирует две команды – «ПУСК» и «СТОП», управляя диммированием лампы. Симистором VS1 управляет микросхема DA5 типа К145АП2 в типовом включении. Микросхема имеет два входа управления – инверсный 3DA5 и неинверсный 4DA5. Функциональное назначение этих входов одинаково – первый кратковременный сигнал откроет симистор, и лампа включится, второй кратковременный сигнал – закроет симистор и лампа выключится. Если сигнал управления подавать длительное время, то микросхема вырабатывает импульсы, которые плавно отпирают или запирают симистор. Это приводит к плавному изменению яркости лампы. Если выключить, а затем включить лампу, то яркость лампы будет такой же, как до выключения. Логика работы этих входов различна – вход 3DA5 управляется низким логическим уровнем, а вход 4DA5 – высоким. При декодировании команды «СВЕТ» триггер DD1.1 формирует короткий импульс с низким уровнем напряжения. Это включает лампу. При декодировании команды «ПУСК» триггер DD1.2 устанавливается в «единичное» состояние, поэтому на вход 4DA5 поступит высокий уровень напряжения и яркость лампы начнёт плавно изменяться. Если до этого момента яркость уменьшалась, то теперь она будет увеличиваться. Если до этого яркость увеличивалась, то теперь она начнёт уменьшаться. Если не подавать команду «СТОП» длительное время, то яркость лампы будет меняться от минимума до максимума (или от максимума до минимума) и обратно. После подачи команды «СТОП» и её декодировании, триггер DD1.2 вернётся в исходное «нулевое» состояние и регулирование прекратится - яркость лампы зафиксируется на выбранном уровне. Подав ещё раз команду «СВЕТ» можно выключить лампу – на входе 3DA5 триггер DD1.1 опять сформирует короткий импульс с низким логическим уровнем. Устройство получает питание через гасящий конденсатор С22 и однополупериодный диодно-стабилитронный выпрямитель VD9-VD10. Конденсатор С18 сглаживает пульсации. Микрофонный усилитель DA1 и тональные декодеры DA2, DA3 получают питание +5V от линейного стабилизатора DA4. Транзисторы VT1 и VT2 не только исполняют роль инверторов сигналов, но и согласуют логические уровни декодеров и триггеров.
   В приведенных экспериментальных схемах в качестве нагрузки использована лампа накаливания, но могут применяться различные другие объекты управления. Всё зависит от выдумки и области применения данных схем. Например, можно настроить тональный декодер на частоту гласных звуков «А» и «Ы», а коммутирующий элемент включить в цепь кнопки «TALK» говорящих часов. Тогда по команде «ЧАСЫ» говорящие часы проговорят текущее время…

Прочитано 3944 раз
Другие материалы в этой категории: « Голосовой монитор телефонной линии

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Телефонная приставка - Автоответчик на чипкордере ISD17240PY

Автор: Борисов А.Л. г.Озёрск, Россия Автоответчик предназначен для автоматического ответа…

РадиоАматор №7-8 2012

Название: РадиоАматор №7-8 2012 Год: 2012 Месяц: Июль - АвгустФормат: PDFСтраниц:…

Подключение энкодера к микроконтроллеру PIC

В данном демонстрационном проекте мы рассмотрим задачу сопряжения элемента управления под…

Металлоискатель Pirat

Металлоискатель "PIRAT" (сокращённо от PI - импульсный, RA-T - radioskot - сайт…
makros

Макросы для sprint layout

Если вам лень самим рисовать элементы для программы Sprint-Layout 4-5, тогда это для ВАС!

Автоматическое ЗУ на ATmega16A

Доброе время суток. Сегодня речь пойдет об ЗУ для АКБ. ( автоматическом зарядном…

Видеорегистратор CarCam - взгляд изнутри

Автор: Садовой А.В. г.Лисаковск, Казахстан Очередная смена на работе, делать было не чего…

Описание работы импульсного БП

Схема импульсного стабилизатора ненамного сложней обычного, используемого в…
 

ban240x130

Топ

ТЕЛЕФОННАЯ…

Приставка-спикерфон предназначена для громкоговорящей телефонной связи. Занятие линии АТС…

Управление…

Автор разработал программу и устройство для управления различными электро и…

Ветрогенератор для…

Как работает ветрогенератор ? Работа любого ветрогенератора, независимо от того, снабжает…

Импульсный…

Импульсный преобразователь сетевого напряжения Применение импульсного преобразователя…

Импульсный блок…

Импульсный блок питания 180Вт Мощность блока питания — около 180 Вт, выходное напряжение…
Изображение по умолчанию

Эмулятор ключей…

Назначение. Устройство предназначено для считывания, хранения и эмуляции ключей домофонов…
Изображение по умолчанию

Цифровой…

Цифровой вольтамперметр предназначенный для установки в блок питания для отображения…
Изображение по умолчанию

500 схем для…

1. 500 схем для радиолюбителей. Приемники2. 500 схем для радиолюбителей. Усилители…
Изображение по умолчанию

Вольтамперметр на…

Идеологом этой схемы является вот этот вариант http://avr.4mg.com/custom4_1.html захотел…

ИНДИКАТОР УРОВНЯ…

Принципиальная схема индикатора показана на рисунке. Эта схема использовалась для…

Голосовой монитор…

Голосовой монитор (далее – монитор) предназначен для контроля телефонной линии или…

ТАЙМЕР, УПРАВЛЯЮЩИЙ…

В теме представлено таймерное устройство, управляющее освещением багажника ВАЗ-2114, но…

Авторизация