光聲轉換LDR合成器

十月 17, 2014
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555計時器、光敏電阻、LED、喇叭和一些簡單的元件組裝出一臺以電池驅動的合成器!
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材料

LM555計時器8-pin DIP封裝IC RadioShack網站商品編號 #276-1723
8接腳 DIP RadioShack網站商品編號 #276-1723
8接腳IC插座 RadioShack網站商品編號 #276-1995
5mm 高亮度白色 LED RadioShack網站商品編號 #276-017
光敏電阻(5)RadioShack網站商品編號#276-1657
圓形萬用板(5RadioShack網站商品編號 #276-004
迷你喇叭 RadioShack網站商品編號#273-092
100μF電解電容(徑向接腳RadioShack網站商品編號 #272-1028
20入電解電容 我使用的是 2.2μFRadioShack網站商品編號#272-802

工具

烙鐵 RadioShack網站商品編號#64-053
焊錫 RadioShack網站商品編號#64-013
熱熔膠槍及熱熔膠
打火機或熱風槍,用於熱縮套管 RadioShack網站商品編號#64-212
輔助夾座 RadioShack網站商品編號#64-235
膠帶 供輕量作業使用的紙膠帶或其他膠帶
3/4″ 雙面泡棉膠帶RadioShack網站商品編號 #64-2343
電鑽及鑽頭 13/64″3/16″皆可
套管 ,供LED滑入的「光管」使用
細金屬棒 ,供將LED滑入套管的電樞使用
鉛筆,供洞洞板上進行畫記使用
剝線鉗 / 剪線鉗 RadioShack網站商品編號#64-224


LDR合成器是一種使用常見元件所製成的感光發聲器,如同專題名稱所示LDR又稱光敏電阻,配上經典的555計時器來產生快速的脈波,並透過迷你喇叭發出一系列的音調。

555計時器是一種小型積體電路(IC),外表看起來像小蟲,並以8接腳雙列直插封裝的方式來設計:
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信不信由你,你在現代的玩具到早期的雨刷中都可以找到這個小傢伙,甚至到現在,而且每年仍有十億顆的產量。

由查爾斯‧普拉特(Charles Platt)所著的《Make: Electronics》中,在第150161頁之間有提到555計時器的理論、背景和基礎,你可以在Maker Shed網站或住家附近的RadioShack店面購得此書,而在本篇專題指南的最後也有我參考用的555計時器資料與相關專題連結

我們將555計時器設定成非穩態模式,也就是它每次作動只會產生一個脈波,請參考下方的概圖來得知連接此電路之後555計時器的內部工作情形:
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555計時器內部概圖,取自查爾斯‧普拉特的著作《MAKE: Electronics》第158頁。

如同前面所述,非穩態模式下的555計時器可產生脈波,而兩個脈波之間的週期或間隔,通常由連接在VCC端的接腳78之間的電阻值,與接腳6跟接地端之間的電容值所決定。雖然這是這個電路的基本原則(參見下方的電路圖),但LDR的電阻值會隨著光照程度而改變。因此,當光照較弱時,電阻值變大造成脈波的間隔拉長,所以產生較低的音調。當光照較強時,電阻值變小導致脈波的間隔縮短,進而產生較高的音調。

此為電路圖:
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在接腳6與接地端之間的電容也會影響555計時器產生脈波的時間,在上方的電路圖中,我雖然是使用2.2μF的電解電容,但你可以嘗試用不同的電容。因此,我建議你先在麵包板上試接電路,以便你測試LDR與電容的搭配方是。麵包板接線圖如下:
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更換位在麵包板上方的電容會改變輸出的聲音,因為將環境控制在較黑暗環境中,使得LDR上的光照程度很低,所以你會聽到的「喀喀聲」,但是當LED的光線照射到LDR時就不是這種聲音了。

2.2μF:

4.7μF:

6.7μF:

可以想見,就算搭配高亮度LED,電容使用6.7μF所產生的音調還是比2.2μF來得低。在實驗中我發現在這些範圍之外的數值產生的音調不是高到受不了,就是低到聽不見。你可以多加嘗試來挑選出合適的配置,最後我依照LED亮度與套管材質的透光程度選用2.2μF的電容。

這個綠色套管是我在一元商店中買到的,它是人造花束的軸,而支撐花莖的鐵絲也拿來當作在管中滑動LED用的金屬棒,像這樣: 

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所有光照程度能產生下列的音調範圍:
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這樣一來,我們便把光線轉換成聲音了!
看看下面的影片,參考別人是如何組裝各個元件,並依照下列步驟製作屬於你自己的LDR合成器。我在結論中有提到如何進一步改良這個專題的方法,而我也期待看到你的想法。

我這個專題的參考對象是迪諾‧西哥維斯(Dino Segovis)的555滑動合成器,除此之外,我也感謝迪諾提供我這個專題和其他Hack A Week專題的想法。

1步:在麵包板試接電路

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  • 這個步驟非常實用,接好的麵包板電路可以用來測試C1的數值,還可以找出你所需的LED/LDR搭配方式。
  • 小提示:RadioShack所販賣的#276-1657光敏電阻(5入),這五顆LDR各有不同的電阻值。你可以在這裡找到這些元件的規格表,但是我一直到專題焊接好之後才發現這份規格表,而我用來製作專題的是組合包裡的「中型」LDR
  • 註:在附圖和麵包板接線圖中所用的是一顆迷你蜂鳴器,但只適合用來製作原型,若要產生完整的合成器因校,需要使用材料表中所提到的迷你喇叭。

2步:鑽開關孔

  • 選擇最大塊的圓形萬用板。
  • 使用Fritzing設計電路之前,我先畫出每個元件想擺放的位置。為了方便拇指比較粗的人使用,我將開關設計在比較空曠的位置。我先用廢棄的萬用板嘗試開關的安裝位置,最後決定的位置如圖1所示。
  • 若你有13/64″鑽頭,孔徑會剛剛好。若你只有比較常見的3/16″鑽頭,則需要稍微把孔擴大一點,否則會有點難裝上開關。
  • 註:這個短綠色套管取自人造花束,在此我先把它黏上當作參考位置。

3步:焊接IC腳座

  • 註:在開始焊接之前請注意,在我設計的電路中,我將IC腳座的缺口朝下(圖1),也就是說555計時器的接腳1會位在右下角。我用這個方向安裝腳座,以方便其他元件的連接。
  • 8接腳的IC腳座安裝在圖中所示的位置,並比對萬用板上的孔洞數是否與文章開頭的圖片相符。
  • 用膠帶把腳座固定在萬用板上,確保其在焊接時不會脫落。
  • 把萬用板翻面,使用輔助夾具、鉗具或你喜歡的方式,把腳座的接腳焊在萬用板上,這個腳座將會是其他元件和配線的參考點。

4步:開始焊接電路

  • 如圖中所示,你可以看到我把電阻「立」起來了,雖然我平常喜歡讓電阻躺平,但我想將這個專題的電路設計得緊密一點,所以我將它們直立起來擺放。這兩個電阻都是100Ω¼W5%誤差,所以色碼都是棕黑棕加上金。
  • 這些電解電容上的側邊條代表負極,所以在焊接電容之前務必確認它們的極性。
  • 在圖1中,我用一條灰色電線連接接腳2(腳座右側)與接腳6(腳座左側)。
  • 而圖2中的紅色電線還沒有焊接,但是其他部分都已經焊好了。接著我修剪紅色電線的長度,讓它左邊對齊腳座的接腳8,完成後請比對文章開頭的圖片確認元件位置。
  • 在這個步驟中,將短綠色套管黏在萬用板上只是為了確認元件的位置不會影響到套管。但為了進行下一步,我用鉛筆沿著套管的邊緣做出記號。

5步:焊接迷你喇叭

  • 萬用板上半部的電路已經完成了,套管的寬度也用鉛筆標出來,所以依照圖中所示把迷你喇叭安裝在這個位置上。喇叭的紅線(+)與較大的電容(100μF)的負極()相連,而喇叭的黑線()則對齊腳座的接腳1,而在接腳1與電阻之間則用橘線「跨接」。
  • 滴一點熱熔膠在迷你喇叭的背面,把它固定在萬用板上。

6步:準備LDR

  • 裁剪兩條電線的末端,並剝除絕緣外皮後鍍上焊錫。我選擇線規24的電線,因為它比線規22的電線來得軟。RadioShack所販賣的整捲對講機線有4種顏色可以選擇。我選擇黑色和白色來連接LDR,又因為它是電阻,所以並沒有極性,不需要像其他元件一樣考慮正負極。
  • 如圖1所示,我先裁剪LDR的針腳長度。
  • 先套上兩條熱縮套管,當你將電線焊到LDR的針腳上之後,再用熱風槍或打火機加熱套管使其收縮。現在,能夠放入合成器光管中的LDR已經準備好了!

7步:以熱熔膠固定LDR

  • 現在我取下萬用板上的短綠色套管,換成實際要用的套管。就像前面文章中所提到的,我的光管長度是6″,而我選擇這個套管的原因在於LED亮起時我可以稍微看到從套管中透出的光。你也可以使用不透明的套管,但我不建議使用透明套管,因為會有更多的光跑進去。
  • 注意!你絕對不能讓熱熔膠或環氧樹脂沾到LDR上,因為這是該元件的感光處。請保持耐心慢慢做,確保不要造成無法修復的錯誤。
  • 我先找出光管中要放置LDR的地方,接著小心地用熱熔膠固定LDR和電線。
  • 固定LDR後,我將電線稍做纏繞,並把它們修剪成能對齊腳座左邊接腳78的長度(圖3)。但現在光管只是稍微放在位置上,但我們接下來要將它固定。

8步:固定光管

  • 根據先前用鉛筆畫的記號,我可以知道光管要固定的位置,請塗上足夠的熱熔膠來固定套管。
  • 在萬用板的背面,你可以看到一些擠出來的熱熔膠。把它們抹平,尤其是用來固定電池的中間部分。
  • 你的裝置現在看起來應該像圖3這樣,接著就只剩下電池座、開關和LED了。

9步:固定電池座

  • 我先把電池座大約固定在中間,接著用簽字筆(或鉛筆)沿著電池座的邊緣做記號。
  • 你可以在圖2中看到電池座是用熱熔膠固定的,但是請不要用熱熔膠!因為沒多久熱熔膠上的電池座就脫落了,因此請用比較穩固的泡棉雙面膠。

10步:插入開關及焊接電池座

  • 我之所以預先鑽開關安裝孔,就是可以不用在裝有元件的萬用板上鑽孔!
  • 把電池扣的黑線()固定在喇叭黑線()的右邊。
  • 裝上開關,並用兩把鉗子來固定開關的主體和螺帽。其中一把鉗子用來固定主體,另一把則從上方鎖緊螺帽。依照電路圖來焊接接點,電池扣的紅線(+)會和開關的其中一個接點相連,另一個開關接點則會焊接到與接腳8對齊的地方。
  • 訣竅:3是我連接開關的方式,我用一小段的熱縮套管來保護開關接點。紅色和黑色並不是代表極性,但你應該要用熱縮套管來保護接點。請記住必須在進行焊接之前先套上熱縮套管!
  • 註:你可以看到圖2中的LED已經焊接到萬用板上了,但建議你先繼續進行下一個步驟,因為最後還是會把LED焊好。
  • 現在你可以裝上555計時器了,請記得,在這個電路中,555的「凹點」會朝向萬用板方向的右下方,請記得比對文章前面的圖片進行確認。

11步:LED

  • 我錯估LED與萬用板相連所需的電線長度,因為我原本的線路只有大約12″。這導致我無法完全在套管中滑動LED。我決定不要解焊萬用板上的焊點,而是剪開電線並用熱縮套管重接兩條延長的電線。如此一來,我就有與萬用板相連的黑線和紅線了,但連接到LED的卻是綠線和白線。(其實我應該要用紅線和黑線才對,但我也不知道為什麼當初要這樣做。)
  • 別像我在剪電線時一樣搞錯了!6″的光管至少需要長達24″的電線來連接LED與萬用板,這樣才有足夠的長度來操作LDR合成器。
  • 我把電線纏繞在細鐵絲上,讓整個裝置更強韌堅固。
  • 你的光聲轉換LDR合成器應該會像圖3所示!

12步:確認所有連結

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  • 在啟動你的LDR合成器之前,請參考本文章開頭的完整配線圖,並確認所有接點,以及555計時器IC的方向。而圖中的灰點代表元件間相連的線路。
  • 檢查完畢之後,將電池接上電池扣,並按下開關。

13步:開始搖滾!

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  • 試試看用你剛做好的LDR合成器彈奏你最愛的任天堂音樂,或最近的流行音樂。
  • 把你的演奏錄起來,上傳到網路和大家分享!把連結貼到下面的留言中,讓大家瞧瞧你有多厲害。

結論

光聲轉換LDR合成器就像個升級版的感光特雷門琴,非常適合當作製作和演奏的專題,但它還可以再升級!

我在完成這個專題之後才想到用印刷電路板端子臺來更改電容(C1)的最小數值,如此一來,可以比較輕易地藉由調整這個元件以改變裝置的音調範圍。

訊號也可以透過MonoBox插電喇叭這類的放大器來輸出

再次感謝Hack A Week的迪諾‧西哥維斯啟發這個專題,我也推薦約翰‧休斯(John Hewes)的電子俱樂部(Electronics Club(前身為kpsec.freeuk.com),所提供的555教學和知識。


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尼克‧諾莫(NICK NORMAL

我是一位藝術家也是一位MAKER,同時我也喜歡蒐集藏書,以及喜歡推廣所有和極客馬拉松(Geekathon)相關的事物。我家在全世界最棒的地方:皇后區長島市。曾進駐在Flux Factory藝術空間中五年,我也是World Maker Faire(紐約市)的共同主辦人,更喜歡在網路上寫部落格。大家好!


(譯:屠建明)
[原文]

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