一種新型的智能聲控燈系統(tǒng)

蔡丹丹 胡頌華

（江蘇省啟東折桂中學 江蘇啟東 226200）

一、緒論

市面上有各式各樣功能的燈，這些燈被用于各種不同的場所，很多學生在生活中也或多或少地使用過。本課題就是利用模擬電子元件制作一個樓道聲控燈，聲控燈是一種比較“人性化”的燈。這次實驗采用的硬件是科技創(chuàng)客材料包中的元件，使用的軟件是北京師范大學創(chuàng)客教育實驗室研發(fā)的一款圖形化編程工具-米思齊（Mixly）。Mixly是一款面向創(chuàng)意電子開發(fā)的免費開源圖形化編程工具，具有軟件界面友好等特點。通過系統(tǒng)地學習與實驗，同學們已經(jīng)掌握了如何點亮該種新型的聲控燈，如何進行自動控制等，為設(shè)計樓道聲控燈奠定了良好的基礎(chǔ)。

二、電路搭建

本課題所搭建的樓道聲控燈系統(tǒng)，采用的是5V直流電源為系統(tǒng)供電，使用的元件是Arduino Nano主控板、光敏模塊、模擬聲音模塊、LED燈模塊以及3P數(shù)據(jù)線數(shù)根，連接如實物連接圖所示。電路搭設(shè)：

●光敏模塊連接到模擬引腳A0；

●模擬聲控模塊連接到模擬引腳A2；

●LED燈模塊連接到數(shù)字引腳11。

Arduino是一個開源的電子制作平臺，Arduino既可以獨立運行，又具備互動性。它可以通過PC的外圍裝置相連接，還能與PC軟件進行溝通。Nano擴展板給外部電路提供了便捷的物理和電氣連接，同時給Nano主控板提供了擴展能力。

光敏模塊是對外界光信號或光輻射有響應(yīng)或轉(zhuǎn)換功能的敏感裝置，是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。它隨著光強的變化而改變其電阻，可以用來制作光控開關(guān)。光照愈強，阻值就愈低；光照愈弱，阻值就愈高。[1]

聲音模塊是一種接收聲波并將其轉(zhuǎn)換為電信號的電子器件，它像麥克風一樣檢測周圍環(huán)境中的聲音強度。主要是檢測當前的聲音信號，并感應(yīng)聲貝的高低輸出對應(yīng)的數(shù)值。[2]

實物連接圖

三、軟件的編寫

根據(jù)光敏傳感器和模擬聲音傳感器的工作原理，來分析樓道聲控燈的工作原理是什么呢？光線充足，燈常閉；光線不足，感應(yīng)到聲音燈開啟，一段時間后燈關(guān)閉。我們根據(jù)聲控燈的工作原理，制作了一個控制軟件的工作流程圖，再用米思齊軟 件進編程。

部分主要程序

在運行程序里面我們聲明了一個亮度控制的函數(shù)，封裝了一段燈泡從亮至滅整個過程的程序代碼，在程序執(zhí)行的過程中一旦光線值大于等于200和聲音值大于等于40，就執(zhí)行了亮度控制，調(diào)用亮度控制函數(shù)，從而實現(xiàn)了實驗設(shè)計效果。

四、聲控燈系統(tǒng)的功能拓展

聲控燈的拓展一：前面我們設(shè)計的聲控燈只是控制了一個燈的亮滅，在一些特定的場合需要一個控制器控制多個燈泡同時亮滅?？梢远嘤脦赘?P數(shù)據(jù)線連接燈泡至主控板的數(shù)字引腳上，在程序中添加兩個循環(huán)，控制幾個燈泡地點亮和熄滅。

聲控燈的拓展二：給電路添加一個按鍵模塊，預(yù)防聲控燈感應(yīng)不靈敏或者出現(xiàn)燈泡長明的現(xiàn)象。控制程序是從上至下運行的，在燈泡被點亮后需要人為通過開關(guān)來熄滅燈泡，我們選擇用中斷功能來實現(xiàn)。因為Arduino Nano板上只有數(shù)字引腳2、3端口可以觸發(fā)中斷，并且引腳2對應(yīng)的中斷優(yōu)先級要高于引腳3對應(yīng)的中斷[2]，所以我們把按鍵模塊連接到數(shù)字引腳2端口。

程序運行的過程中，除了通過光敏和聲音傳感器來點亮燈泡以外，還可以通過按鍵模塊來點亮。只要在程序中觸發(fā)點亮燈泡的條件判斷語句那，添加邏輯或把按鍵模塊按下點亮燈泡這一條件加上可實現(xiàn)。因為按鍵模塊抬起為1按下為0，所以在獲取的按鍵狀態(tài)前加一個“非”，只有按鈕按下才點亮。

光線、聲音和按鍵點亮燈泡的條件判斷語句

程序在Arduino Nano上的CPU中具有不同的優(yōu)先級，中斷程序具有高優(yōu)先級，CPU會優(yōu)先執(zhí)行。一旦外部端口觸發(fā)中斷操作，主控板上的CPU會暫停正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷程序，待中斷程序執(zhí)行完畢后，再返回中斷前暫停的程序繼續(xù)執(zhí)行。Mixly只提供了3種模式支持中斷：上升、下降和改變[2]。

執(zhí)行中斷的程序

在初始化模塊中添加中斷聲明，在聲明函數(shù)的下面添加按鍵模塊的函數(shù)，一旦觸發(fā)中斷執(zhí)行按鍵模塊函數(shù)。由于我們不清楚開關(guān)的當前狀態(tài)是抬起還是按下，所以在這里我們選用的中斷模式為改變，一旦數(shù)字引腳2接收到數(shù)據(jù)（無論是按鍵按下或者抬起），則執(zhí)行按鍵模塊函數(shù)。按鍵模塊函數(shù)的功能是如果燈泡亮則熄滅，如果是燈暗則亮起。數(shù)字引腳2的按鍵模塊的作用是實現(xiàn)除光線和聲音對燈泡的控制以外的手動開關(guān)功能。

五、小結(jié)

生活中，聲控燈照明的應(yīng)用非常廣泛，一是安裝便捷、使用智能，二是可以節(jié)約電力資源，三是提前預(yù)防各種因照明不及時帶來的風險，人們也不必為在黑暗中摸索開關(guān)而煩惱。當然，任何產(chǎn)品也有弊端，由于開關(guān)的頻率比較高，若燈泡的質(zhì)量不過關(guān)則壽命會受到影響，也可能造成一定的噪音污染。

本課題的實驗方案是一種由自然光及聲音互補控制熄與亮的新型智能聲控燈系統(tǒng)，是由對聲音敏感的模擬聲音模塊及對自然光敏感的光敏模塊組成開關(guān)來控制照明用燈，適用于任何可用自然光控制電燈熄亮的場所。特別是在公共場合，它可減少人工開關(guān)電燈帶來的一切麻煩和風險，也避免了忘記關(guān)燈或故意不關(guān)燈而造成的用電浪費，達到了安全可靠、資源節(jié)約、智能便捷的效果。