基于自適應(yīng)環(huán)境噪聲的聲光控LED照明燈設(shè)計(jì)

金永鎬,王炳剛

(延邊大學(xué) 工學(xué)院,吉林 延吉 133002)

基于自適應(yīng)環(huán)境噪聲的聲光控LED照明燈設(shè)計(jì)

金永鎬,王炳剛

(延邊大學(xué) 工學(xué)院,吉林 延吉 133002)

設(shè)計(jì)了一種具有自適應(yīng)環(huán)境噪聲的聲光控LED照明燈,該照明燈通過實(shí)時(shí)采集環(huán)境噪聲信號(hào)電壓,通過A/D轉(zhuǎn)換后計(jì)算出平均電平值,與前一時(shí)刻噪聲平均電平值比較,根據(jù)電平差值的大小自適應(yīng)地控制LED燈,克服了環(huán)境噪聲誤觸發(fā)問題,實(shí)現(xiàn)了在不同環(huán)境噪聲下聲光控LED照明燈的智能觸發(fā)。該電路結(jié)構(gòu)簡單、待機(jī)功耗低、工作穩(wěn)定可靠、成本低,可廣泛應(yīng)用于走廊、公共衛(wèi)生間等場合。

自適應(yīng);噪聲;聲光控;LED照明燈

在能源危機(jī)的壓力和智能控制的要求下,聲光控LED燈被廣泛應(yīng)用于大廳、走廊、居民小區(qū)、衛(wèi)生間等場合。這些場合往往存在不同頻率和不同強(qiáng)度的噪聲,容易引起LED燈的誤觸發(fā),研究發(fā)現(xiàn),目前傳統(tǒng)的聲光控LED照明燈具有抗干擾能力差,不能自適應(yīng)環(huán)境噪聲,導(dǎo)致亮燈時(shí)間較長,電能嚴(yán)重浪費(fèi)或者漏檢不工作。

文中利用單片機(jī)實(shí)時(shí)采集環(huán)境噪聲信號(hào),通過A/D轉(zhuǎn)換后計(jì)算出平均電平值,與前一采樣周期噪聲平均電平值比較,根據(jù)電平差值的大小自適應(yīng)的控制LED燈,解決了環(huán)境噪聲誤觸發(fā)和漏檢不工作的問題,設(shè)計(jì)了一種具有自適應(yīng)環(huán)境噪聲的聲光控LED照明燈。

1 工作原理及整體框圖

1.1 聲光控LED工作模式

傳統(tǒng)的聲光控LED燈工作方式為單片機(jī)預(yù)先設(shè)置比較電平,在光照滿足開啟LED燈的條件下,在一周期內(nèi)通過采集環(huán)境聲音,計(jì)算平均電壓,與比較電平進(jìn)行比較,高于門限電壓則點(diǎn)亮LED,但當(dāng)環(huán)境噪聲變大如圖1(a)所示,平均值則大于比較電平,造成誤觸發(fā)工作,將一直點(diǎn)亮LED燈,變成常亮燈,傳統(tǒng)的聲光控LED燈不能適應(yīng)環(huán)境噪聲的變化,造成電能浪費(fèi)。

自適應(yīng)環(huán)境噪聲的聲光控LED燈工作采用平均值比較法,在平均周期內(nèi)采集環(huán)境聲音,計(jì)算電壓平均值,如圖1(c)平均值2所示,與平均周期1的平均值1進(jìn)行比較判斷,高于一定的電壓則點(diǎn)亮LED,如圖1(d)所示。當(dāng)環(huán)境噪聲變大如圖1(a)所示,平均周期3和平均周期4噪聲變大,但周期內(nèi)平均值3和4相等,不點(diǎn)亮LED燈,能有效克服傳統(tǒng)的聲光控LED燈因環(huán)境噪聲變大而誤觸發(fā)工作的現(xiàn)象。

圖1 普通噪聲下聲光控LED工作模式

傳統(tǒng)的聲光控LED燈在出現(xiàn)周期性環(huán)境噪聲時(shí),因采用固定比較電平法,將錯(cuò)過低幅值大能量的聲音信號(hào),造成漏檢不工作,當(dāng)出現(xiàn)高幅值周期性噪聲則仍會(huì)造成誤觸發(fā)工作,如圖2(a)和圖2(b)所示。自適應(yīng)環(huán)境噪聲的聲光控LED燈采用平均值比較法,在平均周期內(nèi)采樣多個(gè)周期性噪聲信號(hào),周期內(nèi)信號(hào)平均值差值不明顯,不會(huì)因周期內(nèi)噪聲采樣值不同造成誤觸發(fā)工作,當(dāng)出現(xiàn)低幅值大能量信號(hào)時(shí),平均值增幅明顯,將點(diǎn)亮LED燈,如圖2(c)和圖2(d)所示。自適應(yīng)環(huán)境噪聲的聲光控LED燈能克服環(huán)境存在周期噪聲時(shí)漏檢不工作的問題,有效地區(qū)分聲音信號(hào)和周期性噪聲信號(hào)。

圖2 周期性噪聲下聲光控LED工作模式

1.2 整體框圖

總體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示,主要有整流電路、HV9910供電部分、LED燈組、單片機(jī)控制、聲音檢測電路和光檢測電路組成。

圖3 聲光控LED照明燈總體設(shè)計(jì)框圖

2 聲光控LED照明燈設(shè)計(jì)

2.1 聲音檢測及峰值檢波

聲音檢測電路摒棄傳統(tǒng)的壓電陶瓷片傳感器,采用高靈敏度的駐極體麥克風(fēng)進(jìn)行聲音采集,其電路如圖4聲音檢測及峰值檢波電路所示,采集的聲音信號(hào)首先經(jīng)過由R9、Q3、R10和C7組成的電路放大,然后經(jīng)過由Q2、C8、R11組成的半波整流電路,進(jìn)行峰值檢波,檢出0～5 V 的相對(duì)平滑的直流脈沖信號(hào)。

圖4 聲音檢測及峰值檢波電路

信號(hào)的峰值是信號(hào)包絡(luò)的一個(gè)重要特征,環(huán)境噪聲的信號(hào)包絡(luò)與觸發(fā)聲音信號(hào)的包絡(luò)存在明顯的差別,通過檢測包絡(luò)的變化可以高效識(shí)別噪聲中的各種高低頻觸發(fā)信號(hào),提高了檢測精度和識(shí)別效率。通過三極管Q2、電容C8和電阻R9組成射極跟隨峰值檢波電路,這種電路噪聲小,高低頻特性好,滿足在復(fù)雜的環(huán)境噪聲中對(duì)高低頻信號(hào)的高效率檢波。

該峰值檢波電路在理想狀態(tài)下的輸出能夠不失真的反映聲音信號(hào)的包絡(luò)變化規(guī)律,但如果RC常數(shù)選擇過大,將會(huì)出現(xiàn)輸出信號(hào)幅值變化不明顯,部分高頻信號(hào)丟失,檢波效率下降,產(chǎn)生惰性失真。

圖5 惰性失真示意圖

由于惰性失真導(dǎo)致中間的峰值被漏檢。只有當(dāng)電容兩端電壓的變化速率大于包絡(luò)變化的速率,才能有效地避免惰性失真,理論分析不失真的條件為

(1)

式(1)中R為檢波電路放電負(fù)載;C為檢波電容;Vmax為聲音信號(hào)的最大電壓值;fmax為聲音信號(hào)的最高頻率。本設(shè)計(jì)選取104陶瓷電容,放電負(fù)載為500kΩ。峰值檢波的實(shí)測結(jié)果如圖6所示,該檢波電路能能有效的檢測出信號(hào)的峰值,無惰性失真現(xiàn)象。

圖6 峰值檢波

2.2 聲光控LED驅(qū)動(dòng)電路

設(shè)計(jì)采用LED工作電壓為3.0 V,工作電流為10～30 mA,整個(gè)LED燈組功率為10 W左右。設(shè)計(jì)了基于HV9910的恒流的驅(qū)動(dòng)電路,提供15 mA的驅(qū)動(dòng)電流。

圖7為LED燈組驅(qū)動(dòng)電路,AC220V經(jīng)過全波整流后驅(qū)動(dòng)LED燈組,HV9910、R1、C1、L1和D1構(gòu)成恒流驅(qū)動(dòng)電路,提供約為10 W的功率,同時(shí)HV9910通過VDD引腳給單片機(jī)和聲音檢測電路提供工作電壓[3]。

圖7 LED燈組驅(qū)動(dòng)電路

2.3 聲光控LED單片機(jī)控制電路

MK7A23P組成的聲光檢測及控制電路如圖8所示,單片機(jī)首先通過PA0端口采集環(huán)境噪聲信號(hào),實(shí)驗(yàn)得出MK7A23P采樣周期為1 ms時(shí)結(jié)果最為穩(wěn)定可靠,考慮到實(shí)際靈敏度感知問題,以及周期性噪聲信號(hào)周期一般為幾 ms,故將環(huán)境聲音信號(hào)計(jì)算周期設(shè)定為250 ms,對(duì)聲音信號(hào)采樣250次,將該電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并計(jì)算得到電壓平均值,與前一平均值電平比較,做出判斷;然后通過PA3端口判斷光檢測部分高低電平,判斷完后通過PA1端口輸出低電平控制HV9910給LED燈組供電。

圖8 控制電路

光檢測電路由光敏傳感器D4、VR1和C9組成,將光信號(hào)的電壓送入單片機(jī),進(jìn)行高低電壓的判斷。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

如圖9所示,單片機(jī)采集到兩種不同環(huán)境下的噪聲,采集250 ms的噪聲電平值,計(jì)算得到平均電平值,圖9(a)為在有風(fēng)扇的環(huán)境下的噪聲的峰值檢波結(jié)果,經(jīng)計(jì)算得到電平值平均為1.32 V,圖9(b)為在無特殊噪音下的環(huán)境噪聲的峰值檢波結(jié)果,經(jīng)計(jì)算得到電平平均值為0.96 V。通過不同噪聲下平均電平值的對(duì)比,得知不同環(huán)境噪聲具有較大的電平差異。

圖9 噪聲采集

聲控LED照明燈在風(fēng)扇環(huán)境噪聲下對(duì)低頻信號(hào)靈敏度較高,圖10(a)為系統(tǒng)對(duì)口哨高頻信號(hào)的峰值檢波結(jié)果,單片機(jī)能有效檢測到信號(hào),經(jīng)過采樣計(jì)算得到平均電平值為1.83 V;系統(tǒng)對(duì)腳步低頻信號(hào)的峰值檢波結(jié)果如圖10(b)所示,單片機(jī)同樣能有效檢測到信號(hào),經(jīng)過采樣計(jì)算得到平均電平值為1.72 V。通過上述實(shí)驗(yàn)可知,該聲控LED照明燈能很好地適應(yīng)環(huán)境噪聲,對(duì)高低頻信號(hào)具有較高的靈敏度。

圖10 風(fēng)扇噪聲下高低頻信號(hào)檢測

圖11為不同噪聲的聲光控LED燈工作狀態(tài),圖11(a)～圖11(c)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的聲光控LED燈在風(fēng)扇噪聲、電鉆周期性噪聲等不同的環(huán)境下自適應(yīng)效果良好,實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜噪聲環(huán)境下自適應(yīng)控制LED燈。

圖11 不同環(huán)境噪聲的聲光控LED燈

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的聲光控LED照明燈能夠適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境噪聲,克服了環(huán)境噪聲大誤觸發(fā)和周期性噪聲漏檢不工作的問題,能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地檢測腳步、口哨等高低頻信號(hào),靈敏度高,準(zhǔn)確性和可靠性高,抗干擾能力強(qiáng),整體電路簡單、穩(wěn)定可靠。

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Design of a Sound-and-Light Controlled LED Lamp Based on Adaptive Ambient Noise

JIN Yonggao,WANG Binggang

(College of Engineering,Yanbian University,Yanji 133002,China)

A sound-and-light controlled LED lamp based on adaptive ambient noise is designed in this paper.The designed LED lamp gathers voltage signals of ambient noise in real time,and the average level value,which is compared with the average of the previous noise level,will be calculated through A/D conversion.Then the LED lamp can be controlled adaptively according to the size of level difference,thus overcoming the problem of false triggering by ambient noise,and realizing intelligent triggering of the LED lamp under different ambient noises.Experiments show that the LED lamp has the advantages of simple circuit structure,micro-power consumption,high operation stability and low cost,which can be widely used in corridors,public toilets and so on.

self-adaption;ambient noise;sound-and-light control;LED lamp

2014- 09- 28

金永鎬(1964—),男,博士,教授,碩士生導(dǎo)師。研究方向:智能開關(guān)技術(shù)及智能變換。王炳剛(1988—),男,碩士研究生。研究方向:電子智能化技術(shù)。E-mail:bg_ocean@163.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.04.027

TN312+.8;TM923

A

1007-7820(2015)04-098-04