Explicação do projeto sensor de som

Eletrônica
Professor João Luiz Cesarino Ferreira
2º Módulo
Circuito sensor de som
Introdução
Para a prática proposta, buscando sempre auxílio no conhecimento de
trabalhos anteriores e integrando um pouco com as necessidades e tecnologias
atuais, devemos projetar um sistema de controle que consiste em um
interruptor eletrônico, o qual deve ser capaz de ligar e desligar um circuito
qualquer apenas com o Bater as Palmas da Mãos ou um Estalar de Dedos.
Seu principio de funcionamento se baseia na utilização de um simples
microfone, capaz de gerar um sinal muito intenso devido à alta freqüência e a
intensidade do som propagado pelo Bater as Palmas ou Estalar os Dedos.
Esse sinal deve ser interpretado por um circuito como um pulso de entrada que
está ligado a um flip-flop, o qual será responsável por ligar ou desligar o
interruptor do sistema.
O desenvolvimento do projeto segue abaixo.
Desenvolvimento
Para apresentar o projeto, iremos dividir sua apresentação em partes:
1. Captação do som e filtragem
Para captar o sinal sonoro, usaremos como entrada para o circuito um
microfone de eletreto. Seu diagrama esquemático é mostrado abaixo:
Figura 01: Entrada do circuito, com captação do som.
O microfone capta a vibração do ar provocado pelo som, transformando
essa vibração mecânica em impulsos elétricos, produzindo ondas de mesma
freqüência do som que o gerou. Ele está ligado em série com o resistor de 10k
ohm para limitar a corrente que passa pelo microfone. É necessário também
observar a polaridade do microfone.
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Em seguida, o sinal gerado passa por um filtro que elimina a
componente contínua do sinal (devido à tensão dc de 5V) e atenua parte da
freqüência da fala, já que somente é desejável que o circuito seja acionado por
ruídos muito intensos. Dessa forma, um capacitor de 200 nF já é suficiente
para filtrar a componente contínua.
2. Amplificação do sinal e pull-up
O som produzido por palmas gera sinais elétricos de amplitudes muito
baixas no microfone de eletreto. Esses sinais precisam ser amplificados e
nesse projeto se decidiu por um ganho de 330.
Figura
02:
Estágios
de
amplificação
Observe que o nosso amplificador é inversor, desta forma o sinal entra
no terminal inversor do amplificador. Logo, para uma resistência de 330k ohm
na realimentação, teremos aproximadamente um ganho de 330.
Novamente, ao capturarmos o sinal no final do estagio de amplificação,
teremos agora uma tensão de pico equivalente a cerca de 4V a 5 V.
Essa tensão de saída do comparador vai ativar um temporizador, que será
explicado a seguir.
Para garantir um disparo sem interferencia no trigger do nosso
temporizador, conectamos um filtro de 680 nF e uma resistência de pull-up de
10k ohm.
Figura 03: Filtro
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3. Temporização
O circuito do temporizador foi montado com um LM 555 configurado como
um monoestável, já utilizado em práticas anteriores. Seu funcionamento
permite elevar a tensão em sua saída para o valor da alimentação e mantê-la
assim por um determinado período sempre que um pulso surgir na sua entrada
de disparo (trigger). Nesse caso, a tensão de alimentação será de 5V, já que a
alimentação do circuito é de 5V. Na saída do 555 teremos um flip-flop que será
responsável por gripar o circuito em níveis lógicos 1 e 0, possibilitando ligar ou
desligar o LED.
Na entrada do trigger do 555 foi conectada a saída do amplificador. Dessa
forma, sempre que o microfone gerar um sinal elétrico capaz de disparar o 555,
a saída permanecera por um período de tempo satisfatório ativada. Para que
essa constante de tempo seja alcançada devemos calcular seus parâmetros de
acordo com a fórmula apresentada abaixo:
T = 1,1 CR
Desejamos um tempo de aproximadamente 8ms e escolhemos
arbitrariamente um capacitor de 680 nF, temos que R deve ser igual a
10,7kohm. Considerando esse valor, usaremos o valor comercial mais próximo
e mais comum, que é 10k ohm. Logo, o novo valor para o tempo será de
7,48 ms.
Figura 04: Circuito temporizador com CI LM555
Na saída do monoestável, conectamos mais um filtro de altas
freqüência, o capacitor de 100 nF, e também implementamos um pull-down
(resistor de 10k ohm ), buscando evitar que clocks indesejados apareçam no
flip-flop.
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Figura 05: Filtro
4. Acionamento
Para alternar o estado do LED que será acionado pelas palmas
usaremos um flip-flop tipo D, encapsulado no CI 4013. Esse flip-flop, com clock
sensível a borda de subida, muda seu estado de saída para o mesmo estado
que estiver na entrada D quando um pulso de clock for emitido ao circuito.
Nesse projeto, o pulso de clock será a saída do temporizador 555.
Para garantir que o circuito irá alternar seus estados a cada pulso de
clock, ligaremos o flip-flop como flip-flop tipo T (toogle), onde conectamos a
saída Q’ diretamente a entrada D. Assim, sempre que a saída Q estiver em 0, a
saída Q’ vai estar em 1. Quando um pulso de clock chegar até o circuito, a
saída Q muda para 1, a Q’ para 0 e quando um novo pulso chegar ao clock, a
saída Q voltará para 0.
O LED será conectado à saída Q desse flip-flop por meio de uma resistência de
470 ohm. A importância dessa resistência é a limitação da corrente que passa
pelo LED. É importante ressaltar que o LED será ligado ao flip-flop, ou seja, a
corrente por ele drenada será fornecida por esse dispositivo. Nesse caso não
tem muito problema porque a corrente é baixa. Mas para a ligação de outros
componentes que drenem uma corrente alta se faz necessário um circuito de
acionamento um pouco mais completo, com transistor e até relé, para
aplicações que envolvem sistemas de potência.
Figura 06: Circuito de Acionamento
Conclusão
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Figura 07: Circuito de completo
Lista dos componentes utilizados:
A placa de circuito impresso utilizada no projeto pode ser de fenolite, baquelite ou fibra de vidro.
Referência
na
placa
J1
CI1
CI2
CI3
C1
C2, C4
C3
C5
R1, R4, R5, R6
R2
R3
R7
CN1
CI1, CI2
CI3
D1
Componente
Microfone de eletreto
TL072 ou LM741
LM555
CD4013
Capacitor 220ƞF
Capacitor 680ƞF
Capacitor 22ƞF
Capacitor 100ƞF
Resistor 10KΩ-1/8W
Resistor 1KΩ-1/8W
Resistor 330KΩ-1/8W
Resistor 470Ω-1/8W
Borne KRE de 3 terminais
Soquete de 8 terminais
Soquete de 14 terminais
Led de 5mm
Placa de circuito impresso de 5cm x
10cm
Circuito opcional
R7
Resistor 1KΩ-1/8W
Q1
Transistor BC547
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RE1
CN2
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Relé 12V/10A
Borne KRE de 2 terminais
Será ainda necessário para a execução do projeto:
•
•
•
•
•
Esponja de aço fina;
Caneta de Retroprojetor de 2mm (preta);
Régua de 20cm básica;
Folha de carbono;
Broca de 0,8mm para perfuração de placa.
Circuito opcional:
Esse projeto pode ser considerado um protótipo para uma aplicação mais útil.
Uma delas, simples e que pode ser muito usada no dia-a-dia, é o acionamento
da iluminação de um determinado ambiente por palmas ou um estalar de
dedos.
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Outras considerações:
•
•
•
•
VDD = 5V a -15V
Vss = -5V a -15V
terra = 0V
Os valores de capacitores não são críticos
Pinagem do CI’s ou diagrama de conexões dos circuitos integrados:
Circuito integrado CD4013B
Circuito integrado LM555
Circuito integrado TL072
Circuito integrado LM741
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