第三章 电子控制类玩具电路设计
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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。. 发声器. 受感器. 电子线路.

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第三章 电子控制类玩具电路设计

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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


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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。


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发声器

受感器

电子线路

执行机构

图2-1 声控玩具的工作过程


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(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


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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。


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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。


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(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。


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1、高阻抗耳塞

图2-3 高阻抗耳塞结构图


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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。


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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


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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。


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图2-5


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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。


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(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


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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。


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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。


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(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。


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图2-7 选频声控玩具电路


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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△ω/ω0) (2-4)

其中,Q为品质因数,ω0为谐振频率,ω0=1/LC,

△ω=ω-ω0为频率失谐量。


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图2-8 直流偏压的形成原理图


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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。


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(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。


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图2-9 声控娃娃线路图

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。


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(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。


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J4

读解说词

J5

做手势

J6

关机

J3

行队礼

单稳3

20~140s

单稳4

140~145s

单稳5

145s

启动级

单稳1

0~15s

单稳2

15~20s

单稳6

20~30s

单稳7

30~130s

J7

挥动讲棍

图2-10 声控机器人框图


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(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。


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声音讯号

前置放大

计数电路

执行机构

每次

复出

图2-11 随意声控原理框图


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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。


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图2-12简单声控玩具电路图


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(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。


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图2-13 声控汽车电路图


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(三)声控娃娃

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。


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图2-14声控娃娃印刷电路板


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(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。


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图2-16 双稳声控汽车电路原理图


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(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。


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(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。


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图2-18 随意声控玩具线路原理图


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图 2-19 IC声控玩具电路图


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第三节 红外控制电子玩具

爱美的波斯猫

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。


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图5-1


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红外线射击游戏机

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。

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。


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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


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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。


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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。


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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。


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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。


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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,

(c) 调幅波

(a) 发射机的组成的单元

(b) 高频等幅正弦波


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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。


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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


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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


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图2-44 超再生检波器

图2-45 LC振荡器的等效电路


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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。


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超再生

检波器

低频

放大器

开关驱

动电路

执行

机构

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。

一、无调制型单通道遥控方式

图3—46单通道发射机

图2-47接收机的方框图


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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2-48 YK-100型发射机


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(2)接收机 图2-49为接收机的原理图。

图2-49 YK-100型接收机


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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。


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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


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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


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超再生

检波器

低频

放大器

开关驱

动电路

继电

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


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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


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图2-56是接收机电原理理图


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2.遥控坦克车

图2-57 遥控担克车发射机


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图2-58 遥控坦克车接收机


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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


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图2-60 低电压遥控玩具接收机


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4.遥控模型飞机

图2-61 模型飞机的发射机

图2-62 LC振荡器等效电路


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图2-63 遥控模型飞机接收机


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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机


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第六节 多通道遥控电子玩具

在遥控电子玩具中,通常采用频分制单路多

通道方式。发射机可以发出多个指令,接收

机利用相应的通道分别接收这个指令,使玩

具完成多个动作,大大增加了玩具的趣味。

发出并能接收二个指令的遥控玩具,称作双

通道遥控电子玩具;以此类推,根据需要,

就有不同通道数的遥控电子玩具。


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—、双通道遥控方式

1.发射机,图2-66为发射机的电原理图

图2-66 双通道发射机


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图2-67 双通道接收机


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二、三通道遥控方式

这是一个控制赛车模型的三通道无线遥控器,可完成前进、

左拐、右拐、后退和停车等五个动作的操作。

1.发射机

图2-68为这种玩具的发射机电原理图。

图2-68 三通道发射机


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2.接收机

图2-69为接收机的电原理图,它由超再生检波器、前置低放、

前进控制和三个舵道——左舵、右舵、倒车控制,以及马达

电路组成。

图2-69 三通道接收机


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三、多指令多机单通道方式

这种方式的工作过程是:发射机可以发出10

种频率不同的指令信号,一部单通道的接收

机只接收一个确定频率的指令信号,这样就

形成了用一个控制器实现控制多个玩具的目

的。下面我们来分析它的工作原理。

1、发射机

图2-70是发射机的电路原理图。


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图2-70 多指令发射机


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2、接收机

图2-71是接收机电路原理图。

图2-71 多指令接收机


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第七节 其他控制方式的电子玩具

除了上面提到的声控、光控、磁控、遥控等控制形

式外,还有一些其他控制方式。下面介绍电磁感

应,超声波与红外线三种控制方式的玩具。

一、电磁感应控制的电子玩具

电磁感应控制电子玩具,是利用电磁感应现象完成

控制目的的一类玩具。

下面我们以电磁感应控制模型车为例来说明这类玩

具的工作原理。


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电磁感应控制模型车分为控制部分和受控部分。图2-

72为控制部分的电路原理图,它是由电感三点式LC

振荡器与一个环状天线组成。

图2-73电磁感应控制玩具的受控部分

图2-72 电磁感应控制玩具的控制部分


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二、超声波控制的电子玩具

图2-75超声波控制电子玩具


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三、红外线控制的电子玩具

图2-77 红外线光源

图2-76 红外线控制的电子玩具


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