ГОВОРЯЩАЯ БУТЫЛКА

     простые интересные РАДИОСХЕМЫ сделанные своими руками


» ПОИСК СХЕМ


» РАДИОБЛОГИ
Блок питания с литиевым аккумулятором для портативных устройств
Аварийный выключатель для радиоуправляемых моделей
Как сэкономить при покупке радиодеталей?
Схема подключения GSM-модуля Neoway M660
Сервотестер на микроконтроллере AtTiny13
Управление по UART со смартфона
Серво сбрасыватель и поисковая пищалка для квадрокоптера
Работа с адресными светодиодами WS2812B
Радиосхемы » Схемы

ГОВОРЯЩАЯ БУТЫЛКА


Как-то просматривая интернет наткнулся на видеоролик, в котором показан принцип действия говорящей бутылки. Если бутылку поставить на стол, то голосом девушки бутылка произносит тосты или прикольные фразы. Идея, реализованная в проекте-шутке [лит.1], идея понравилась и захотелось ее повторить. Ко всему прочему скоро Новый 2021 год.

Схема и описание работы

С датчиком положения (наклона) схема обработки сигнала получилась бы простой. Контактные датчики дешевы и доступны на «АЛИЭКСПРЕСС». Это могут быть «ртутные» датчики, в стеклянном корпусе которых капелька ртути замыкает или размыкает контакты при изменении положения объекта, в котором установлен датчик:

Или «шариковые» датчики. Также, в зависимости от положения замыкают или размыкают контакты:

Таких датчиков в моем распоряжении не было. Можно заказать и ждать посылку две недели, но времени до Нового года остается совсем немного. Поэтому, решил применить одну из разновидностей сенсоров – емкостной датчик, определяющий, что бутылку взяли рукой (например, для разлития содержимого) или бутылку поставили на стол (руку убрали после разлития).

Осталось придумать или найти схему, преобразующую сигналы емкостного датчика. На просторах интернета нашлась подходящая схемка [лит.2].

Этот емкостной датчик приближения имеет время отклика меньше микросекунды, а его чувствительность определяется размером сенсорной площадки. На макетной плате собрал и испытал вариант схемы на отечественных элементах КМОП-серии К561 (К1561). Схема приняла вид как на РИС.1:

Эксперименты и измерения показали:

  1. Частота генератора, выполненного на элементах DD1.1, R1 и C1, на чувствительность датчика влияния не оказывает. От частоты зависит время отклика. Сопротивление резистора R1 изменял в очень широких пределах: 10К <= R1 <= 1,5М. С резистором R1 = 1М и конденсатором С1 = 1000 pF (с учетом разброса сопротивления и емкости) частота генератора может находиться в интервале F = 1,0…1,3 кГц (с R1 = 100К F = 10…13 кГц; с R1 = 10К F = 100…130 кГц). С резистором R1 = 1,5М измерение частоты показало F = 923 Гц. Так как для данного проекта время отклика не играет никакой роли, и устройство будет питаться от батареек, то остановился на низкой рабочей частоте – для снижения потребляемого тока в режиме ожидания сигнала от датчика.
  2. В исходном варианте схемы датчик «Sensor pad» представляет собой пластину, к которой подносят проводящий или диэлектрический предмет. При появлении возле сенсорной пластины предмета ее емкость относительно земли возрастает. В случае установки одной пластины эффект изменения емкости будет проявляться только при питании устройства от сети переменного тока. В проекте используется батарейное питание, поэтому пришлось дополнить сенсорную пластину второй, соединенной с минусом источника питания. Параллельно расположенные пластины образуют развернутый в пространстве конденсатор, емкость которого будет меняться при поднесении руки.
  3. После того, как между пластинами поместил бутылку, выход 1 DD2.1 переключился в состояние лог.0 (выход 2 DD2.1, соответственно, в лог.1), то есть узел активировался самопроизвольно. Бутылка играет роль стеклянного диэлектрика между двумя проводящими пластинами, поэтому, электрическая емкость виртуального конденсатора сильно увеличилась. Конструкция «пластинчато-бутылочного» конденсатора, вероятно, обладает емкостью, превышающей допустимое значение для работы схемы. Проблему решил установкой конденсатора С2 последовательно с виртуальным конденсатором. Емкость Сsens + С2 уменьшилась, и нормальная работа узла восстановилась.

Несколько слов о принципе работы. Генератор на элементах DD1.1, R1 и С1 формирует прямоугольные импульсы. Импульсы снимаются с выхода 3 DD1.1 и, проходя через интегрирующие цепи R2 + C2 + Сsens и R3 + С3, на выходах элементов DD1.2 и DD1.3 появляются с некоторой временной задержкой. Увеличивая сопротивление подстроечного резистора R3, добиваются большей задержки на выходе 4 DD1.3, чем задержка на выходе 11 DD1.2. В этом случае на тактовом входе «С» триггера DD2.1 импульсы с уровнем лог.1 появляются позже, чем на входе «D». В триггер постоянно записываются лог.1-цы и его выход 1 DD2.1 примет значение лог.1, а выход 2 DD2.1 – лог.0.

Если к датчику «SENSOR» поднести руку, то его емкость увеличится на столько, что на входе «D» триггера DD2.1 импульсы с уровнем лог.1 начнут появляться позже, чем на тактовом входе «С». Пока к датчику приближена рука, в триггер начнут постоянно записываться лог.0-ли и его выход 1 DD2.1 переключится в лог.0, а выход 2 DD2.1 – в лог.1. Если от датчика убрать руку, то триггер вернется в исходное состояние.

На экране осциллографа работа узла выглядит следующим образом: когда к емкостному датчику «SENSOR» медленно приближают руку на какое-то максимально-достаточное расстояние (также зависит от настройки R3), то на выходе 1 DD2.1 появляются импульсы с низким уровнем напряжения. Если продолжить приближать, то длительность этих импульсов увеличивается и в какой-то момент сменится низким уровнем напряжения, т.е. выход 1 DD2.1 переходит в устойчивое состояние лог.0-ля. При медленном удалении руки от датчика на выходе 1 DD2.1 лог.0 сменяется импульсами с высоким уровнем напряжения и увеличивающейся длительностью. Когда руку от датчика убрали, то устанавливается лог.1-ца.

Остальная часть схемы содержит узел временной задержки, а также узел, формирующий сигналы управления для однокристального устройства записи и воспроизведения – чипкордера ISD17240PY. В чипкордере применяется многоуровневая запись аналогового сигнала, поэтому звуковые фрагменты воспроизводятся в оригинальном и естественном виде без промежуточного преобразования. Работоспособен в интервале напряжений Uпит = 2,4…5,5 V и в режиме ожидания команды ток потребления не превышает Iпотр = 1 µА. Информация  сохраняется в энергонезависимой памяти. Содержит УМЗЧ D-класса для подключения динамика, а время звучания устанавливается одним резистором. В общем, чипкордеры 17-той серии отлично подходят для подобных проектов. Полная принципиальная электрическая схема устройства показана на РИС.2:

С выходов триггера DD2.1 сигналы проходят через перемычку JMP1. Когда перемычка JMP1 в положении 1-2 (как на схеме), звуковые фрагменты воспроизводятся при взятии бутылки рукой, например, для разлития содержимого. Если перемычку JMP1 установить в положение 2-3, звуковые фрагменты будут воспроизводиться после того, как бутылку взяли рукой со стола, разлили содержимое, поставили бутылку обратно на стол и убрали руку.

Далее сигнал поступает на узел временной задержки R4, С4 и DD1.4. Во время торжества бутылку могут перекладывать из руки в руку, передавать другому человеку, переставлять с одного стола на другой и т.п. Временная задержка делает бутылку не чувствительной к различным манипуляциям, время которых меньше процесса разлития и с указанными на схеме элементами составляет Т = 3,0…3,5 сек. При отладке выявилось еще одно полезное свойство узла. Резистор R3 можно настроить так, чтобы на выходах триггера DD2.1 вместо установившихся логических уровней присутствовали редкие и короткие импульсы (на 1 DD2.1 - с низким уровнем, на 2 DD2.1 - с высоким уровнем). За счет интегрирующей цепи R4-С4 на подаче сообщений это никак не отразится, но повысится чувствительность сенсора. Время задержки изменяют подбором номиналов R4 или С4. С выхода 10 DD1.4 сигнал поступает на узел формирования команд для чипкордера.

Узел представляет собой одновибратор, образованный элементами DD2.2, R5 и С5. Его работу удобнее рассмотреть вместе с работой чипкордера DD3. После подачи питания триггер DD2.2 устанавливается в исходное состояние, при котором на выходе 13 DD2.2 – лог.0, а на выходе 12 DD2.2 – лог.1. Внутрисхемно входы «FWD» (ВПЕРЕД) и «PLAY» (ВОСПРОИЗВЕСТИ) чипкордера DD3 подтянуты к цифровой шине питания Vссd резисторами R=600К, поэтому на них «дежурит» высокий уровень напряжения.

Это значит, что в исходном состоянии конденсатор С6 заряжен, а конденсатор С7, наоборот, разряжен. Так как вход «D» триггера DD2.2 постоянно подключен к Uпит, то с приходом на тактовый вход «С» напряжения с уровнем лог.1, триггер установится в единичное состояние: на выходе 13 DD2.2 – лог.1, на выходе 12 DD2.2 – лог.0. Конденсатор С6 быстро разрядится через диод VD1, а конденсатор С7 зарядится, сформировав на входе «PLAY» импульс с низким уровнем напряжения. Включится режим воспроизведения, и динамическая головка BF1 начнет транслировать ранее записанный звуковой фрагмент. На выходах чипкордера «SP+» и «SP-» во время воспроизведения появляются противофазные ШИМ-сигналы с амплитудой почти Uпит. Кроме этого, в чипкордере активируется статусный выход «INT/RDY», выполненный по схеме «Открытый Сток». 

Соединенный с входом 10 DD2.2, внутренний открытый транзистор не дает зарядиться конденсатору С5 и триггер DD2.2 удерживается в единичном состоянии на все время воспроизведения фрагмента. С выхода 12 DD2.2 напряжение лог.0 поступает на вход 2 DD1.1 и блокирует работу генератора. Если сигнал емкостного датчика уже принят узлом преобразования, то этот узел из работы можно исключить, тем самым еще немного повысить экономичность устройства. Во время блокировки генератора триггер DD2.1 остается в состоянии, соответствующему сработанному датчику.

По окончанию воспроизведения звукового фрагмента выход «INT/RDY» выключается. Через резистор R5 конденсатор С5 заряжается до уровня лог.1 и триггер DD2.2 сбрасывается по входу «R», т.е. одновибратор переключается в исходное состояние. Конденсатор С7 быстро разряжается через VD2, а конденсатор С6 заряжается, формируя на входе «FWD» импульс низкого уровня. Включается режим перемотки вперед. Внутри чипкордера маркер адреса перемещается на следующее по очереди сообщение, подготавливая чипкордер к воспроизведению нового звукового фрагмента после очередного срабатывания датчика.

Одновременно с командой «FWD» активируется выход «INT/RDY» и внутренний открытый транзистор быстро разряжает конденсатор С5. С выхода 12DD2.2 напряжение лог.1 разрешает работу генератора и триггер DD2.1 переключается в исходное состояние. Резистор R6, подключенный к входу «Rosc», задает тактовую частоту работы чипкордера DD3 и, значит, определяет время звучания.

Ток, измеренный в точке «А» со «свежими» батарейками (РИС.2):

  • В режиме ожидания сигнала от датчика: не более 23 µА;
  • В режиме воспроизведения звукового фрагмента: не более 60 mA.

Малый ток потребления устройством позволяет обойтись без выключателя питания. Сообщения записывают на отдельной плате с панелькой для чипкордера. На ней собирают схему, рекомендованную в даташите или, например, вариант, представленный в [лит.3]. Сопротивление резистора Rosc на плате для записи должно быть таким же, как сопротивление резистора R6 (допускается ±5 кОм). После записи звуковых фрагментов чипкордер устанавливают в панельку на плате устройства.

На РИС.3 показана схема возможного расположения сенсорных пластин вокруг бутылки:

Изготовление говорящей бутылки

Следует предварительно рассчитать размер корпуса, в который установятся бутылка, пластины датчика, плата с элементами, динамическая головка и бокс для батареек. Разумеется, чем больше площадь пластин, тем больше чувствительность емкостного датчика. Может оказаться так, что достаточно будет только пластин 1 и 2, а дополнительные пластины 3 и 4 не нужны. Не зависимо от формы бутылки (квадратная, круглая и т.п.) пластины датчика должны находиться друг напротив друга параллельно.

Вообще, здесь многое зависит от дизайна или декора бутылки. Бутылку можно декорировать без установки в корпус, а футляр с радиоэлементами разместить возле донышка, используя при этом миниатюрные элементы питания, например, батарейки для часов Uпит = 3V. Тогда емкостной датчик может представлять собой два или четыре тонких провода, прикрепленных к стенкам бутылки и проходящих по всей ее длине, или намотанных вокруг бутылки. Если в интернет-поисковике задать, например, «Декор бутылки», то можно увидеть огромное количество фото с вариантами оформления и роликов с мастер-классом по декорированию разных бутылок.

Далее на фото показаны фрагменты сборки устройства. Для изготовления корпуса применен кабель-канал с размером 60х60 мм. Куплена настойка «Медовая с перцем» от конторы «Nemiroff» в бутылке емкостью 0,25 л. Длина кабель-канала рассчитана с учетом места для батарейного бокса, платы с элементами схемы и динамика. По размеру получившаяся бутылка похожа на квадратную бутылку емкостью 0,5 л.

После проверки работоспособности макета устройства элементы схемы расположил на небольшом кусочке перфорированной платы. Монтаж сделан проводом МГТФ минимального сечения. Конденсаторы С8-С10 расположены непосредственно у выводов чипкордера, к которым они подключены:

Динамик, плата с элементами и бокс для батареек, размеры которых надо учитывать при отрезке кабель-канала. Динамик, показанный на фото, позже заменил другим, конструктивно выполненным в пластмассовом корпусе:

Отрезанный нужной длины кабель-канал. Проверка расположения бутылки. Кусочки телевизионного кабеля для выравнивания бутылки по центру кабель-канала. Чтобы бутылка не «елозила» внутри импровизированного корпуса, на боковые стенки бутылки наклеен двусторонний скотч:

После центровки бутылки устанавливаются сенсорные панели необходимого размера. Вырезанные из жести – это основные пластины 1 и 2, а из фольгированного текстолита – дополнительные пластины 3 и 4. Также устанавливается упор под донышко бутылки, служащий одновременно перегородкой отсека для электронных компонентов. Материал, из которого выполнен кабель-канал, легко соединяется «Суперклеем» или клеем типа «Секунда»:

Далее сделан соединительный монтаж. К плате подключены провода, идущие от сенсорных панелей и динамика. Пластмассовый корпус динамика закреплен стационарно. Карандашом отмечен край кабель-канала после проверочной установки элементов в корпус. Плату разместил с другой стороны батареечного бокса, зафиксировав термоклеем. Получилась конструкция единого съемного блока «батарейки-чипкордер» - это удобно для замены батареек или переустановки чипкордера с другими звуковыми фрагментами:

После окончательного подгона всех размеров, по карандашу отрезается «лишний» кусочек кабель-канала и изготавливается крышка для отсека с электронными компонентами. Размечаются и сверлятся тонким сверлом отверстия для выхода звука. Плата и батарейный бокс фактически вплотную прилегают к динамику. Для увеличения громкости пришлось просверлить дополнительные отверстия «насквозь» в плате и батарейном боксе:

После сборки контрольная проверка работоспособности устройства в целом. Перемычка JMP1 показана в положениях 1-2 и 2-3:

В заключение отверстия для выхода звука рассверлил сверлом с чуть-чуть большим диаметром:

Размеры говорящей бутылки относительно предметов сервировки стола:

В заключение всего действа решил декорировать бутылку. Никогда раньше этим не занимался, но получилось нечто напоминающее мотив «Новогодняя снежная ночь». Сначала заделал швы кабель-канала и щели у горлышка:

Затем все это зашкурил наждачной бумагой - для подготовки к покраске глянцевой черной эмалью. Предварительно, перед покраской закрыл липкой лентой батарейный отсек и пробку:

После высыхания эмали в течение суток:

Наклейка снежинок и звездочек:

Видео работы говорящей бутылки

 

Используемая литература

  1. mypractic.ru/govoryashhaya-butylka.html
  2. www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=95619
  3. shemu.ru/raznoe/492-casu

Для темы отсняты два ролика. Ролик 1 с комментариями демонстрирует работу устройства при разном положении перемычки JMP1. Бутылка без декора. Ролик 2 показывает работу устройства в декорированной бутылке. Перемычка JMP1 установлена в положение 2-3. Автор статьи polaris (Александр Борисов).

   Форум




    Форум по обсуждению материала ГОВОРЯЩАЯ БУТЫЛКА






» РАДИОЭЛЕМЕНТЫ

Группа вконтакте Канал ютуб Группа в фэйсбук © 2010-2021 "Радиосхемы" Все права защищены Почта Моб.версия