基于電子技術(shù)的聲光控制照明電路設(shè)計

陳煒強

（中山市煒泰照明科技有限公司，廣東 中山 528478）

隨著智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，智能照明系統(tǒng)在提升生活質(zhì)量和節(jié)能減排方面發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)的光照調(diào)節(jié)通常依賴于手動操作或基于固定時間段的自動控制。然而，這種方式往往無法滿足實際使用需求，特別是在環(huán)境光照條件不斷變化的情況下。為了實現(xiàn)更智能、更自適應(yīng)的照明控制，聲光控制技術(shù)逐漸受到關(guān)注。通過捕捉環(huán)境中的聲音信號，結(jié)合光敏元件感知環(huán)境光照強度，可以實現(xiàn)實時自動化照明調(diào)節(jié)，提升用戶體驗的同時降低能源浪費。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)主要由主控板模塊、電源管理模塊、聲音檢測模塊、光控制模塊、擴展接口等構(gòu)成，具體框架如圖1 所示。一是主控板模塊。主要由微控制器 (MCU)、存儲器、通信接口構(gòu)成，微控制器 (MCU)選擇了具有高性能和低功耗的ARM Cortex-M4系列微控制器，以滿足實時處理和長時間運行的需求。存儲器集成了EEPROM，用于存儲用戶設(shè)置的參數(shù)，如聲音閾值、光照模式等。通信接口采用I2C 和UART接口，與聲音檢測模塊和光控制模塊進行數(shù)據(jù)交互。二是聲音檢測模塊。麥克風(fēng)選擇采用MEMS麥克風(fēng)，其具有低噪聲、高靈敏度和小尺寸特點，適合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。聲音放大與濾波設(shè)計了運放放大電路并集成低通濾波器，以提高聲音信號的清晰度。三是光控制模塊。光敏元件選擇了LDR (光敏電阻) 作為傳感元件，因其響應(yīng)速度快、成本低，且易于集成。為了驅(qū)動LED 或其他照明設(shè)備，設(shè)計了一個MOSFET驅(qū)動電路，以實現(xiàn)精確的PWM 亮度控制。四是電源管理。穩(wěn)壓電源設(shè)計了一個線性穩(wěn)壓電路，為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的3.3 V 電源。電池管理為便攜式應(yīng)用，加入了鋰電池充電和管理電路。五是擴展接口考慮到未來可能的功能擴展或模塊升級，系統(tǒng)板上預(yù)留了擴展接口，如SPI、GPIO等。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

2 聲音檢測模塊設(shè)計

2.1 麥克風(fēng)傳感器的選擇與工作原理

本次研究考慮到靈敏度、噪聲水平、頻率響應(yīng)等因素 ，選擇 MEMS 麥克風(fēng) (Micro-Electro-Mechanical Systems Microphone)，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高、易于集成等特點，MEMS 麥克風(fēng)基于聲音產(chǎn)生的壓力波動，通過將這些波動轉(zhuǎn)化為電信號來實現(xiàn)聲音的捕捉。當(dāng)聲波碰撞到麥克風(fēng)的膜片時，膜片會因壓力變化而振動，導(dǎo)致其與靜電傳感器之間的距離發(fā)生變化。這個距離變化會引起電容的變化，進而轉(zhuǎn)化為電壓信號。

2.2 聲音信號的采集與預(yù)處理

聲音信號將經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗驮鰪?，?zhǔn)備好被傳遞給控制電路模塊進行聲音觸發(fā)邏輯的執(zhí)行。在每個處理步驟中進行測試和驗證，以確保聲音信號的準(zhǔn)確捕捉和預(yù)處理。

以下是具體的設(shè)計實踐步驟：一是麥克風(fēng)信號采集。將選定的麥克風(fēng)傳感器連接到主控板上的麥克風(fēng)輸入引腳。確保按照麥克風(fēng)的數(shù)據(jù)手冊進行正確的電路連接，包括電源、地線和信號引腳。二是信號放大。麥克風(fēng)輸出的信號可能很微弱，需要通過運放電路將其放大到適當(dāng)?shù)姆秶?。運放電路通常包括一個運放芯片，選擇合適的增益值以確保足夠的信號放大，但不會導(dǎo)致信號過度放大而失真[1]。三是濾波。 聲音信號中可能包含噪聲和雜散，使用低通濾波器進行濾波可以去除高頻噪聲，使聲音信號更準(zhǔn)確。濾波器可以選擇數(shù)字濾波或者模擬濾波，具體選擇取決于系統(tǒng)需求和設(shè)計復(fù)雜度。四是模數(shù)轉(zhuǎn)換 (ADC)。將經(jīng)過放大和濾波的模擬聲音信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便微控制器進行處理。選擇合適的模數(shù)轉(zhuǎn)換器并設(shè)置適當(dāng)?shù)牟蓸勇?，以確保捕捉到足夠的聲音細節(jié)。五是數(shù)字信號預(yù)處理。可以在數(shù)字領(lǐng)域進行信號處理，如均衡化、降噪、平滑等。這些步驟有助于提高聲音信號的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。

2.3 聲音閾值設(shè)定與觸發(fā)邏輯

為了觸發(fā)聲控制，需要在聲音信號達到一定閾值時進行觸發(fā)。在微控制器中，可以設(shè)置一個閾值，當(dāng)聲音信號的幅度超過該閾值時，被認定為有效聲音觸發(fā)。為了防止噪聲引起誤觸發(fā)，可以添加滯后時間，即聲音超過閾值后一段時間內(nèi)仍然保持在該范圍內(nèi)才觸發(fā)。這有助于排除短暫的噪聲干擾。觸發(fā)邏輯可以根據(jù)應(yīng)用需求進行定制，例如，不同閾值對應(yīng)不同亮度級別的控制，或者觸發(fā)特定場景模式。通過完成這些步驟，聲音檢測模塊能夠準(zhǔn)確地捕捉聲音信號并將其轉(zhuǎn)化為可供控制電路處理的數(shù)字信號，從而實現(xiàn)聲音觸發(fā)的照明控制。

3 光控制模塊設(shè)計

3.1 光敏元件選擇及信息處理

光敏元件是感知光線變化的關(guān)鍵組件。考慮到成本、響應(yīng)速度、靈敏度和可靠性，本研究選擇了光敏電阻 (LDR) 作為主要的光敏元件。LDR 在光線下的阻值會顯著減少，而在暗處阻值則會增加。這使其成為檢測環(huán)境光線變化的理想選擇。同時LDR 通常具有很長的使用壽命和高度的可靠性。光敏元件的信號采集與處理是將LDR 的模擬讀數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并對其進行解析的過程。使用微控制器上的ADC 將LDR 的阻值變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。這需要將LDR 與一個固定的電阻連接形成一個電壓分壓器，然后測量這個節(jié)點的電壓。一旦獲得數(shù)字讀數(shù)，再應(yīng)用移動平均法來過濾噪聲，并提供穩(wěn)定的光線讀數(shù)。將處理后的讀數(shù)與預(yù)設(shè)閾值進行比較，確定是否需要調(diào)整照明設(shè)備。

3.2 照明設(shè)備的控制策略

照明設(shè)備的控制策略旨在為用戶提供合適的照明效果，同時考慮能源效率。如果環(huán)境光低于預(yù)設(shè)閾值，照明設(shè)備將自動打開；如果高于另一預(yù)設(shè)閾值，則關(guān)閉。這樣可以確保只在需要時使用照明。使用 脈沖寬度調(diào)制(PWM) 控制照明設(shè)備的亮度。例如，當(dāng)環(huán)境光處于兩個閾值之間時，可以根據(jù)讀數(shù)自動調(diào)整亮度。在特定的時間（如深夜）或在長時間沒有活動檢測時，照明可以自動切換到低亮度或關(guān)閉，以節(jié)省能源。用戶可以隨時手動調(diào)整照明狀態(tài)和亮度，這將暫時覆蓋自動控制策略。

4 控制電路設(shè)計

4.1 聲光控制算法設(shè)計

聲光控制算法主要基于兩個輸入：聲音和光線。首先，從麥克風(fēng)和光敏電阻獲取原始數(shù)據(jù)，再利用濾波算法進行噪聲消除。對于聲音，采用閾值方法來判斷環(huán)境中是否有聲音大于一定分貝，從而決定是否啟動或調(diào)整燈光。光線數(shù)據(jù)則用于確定當(dāng)前環(huán)境的亮度。數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，將與預(yù)設(shè)的閾值進行比較，根據(jù)結(jié)果決定燈光的開關(guān)和亮度。此外，聲光數(shù)據(jù)可以聯(lián)合處理，例如，在特定的光線條件下，只有當(dāng)檢測到聲音時才開啟燈光[2]。

4.2 控制電路的硬件設(shè)計與電路圖

控制電路由主微控制器、聲音和光敏傳感器輸入、繼電器或MOSFET 驅(qū)動輸出構(gòu)成。微控制器的GPIO引腳接收來自傳感器的數(shù)據(jù)，并通過其PWM引腳控制照明設(shè)備的亮度。音頻信號首先經(jīng)過一個放大器放大，然后送入微控制器的ADC端口進行數(shù)字化。光敏電阻與一個固定的電阻形成一個電壓分壓器，然后連接到另一個ADC端口。為了控制照明設(shè)備，微控制器的一個PWM輸出引腳連接到一個MOSFET的門，從而控制照明設(shè)備的開關(guān)和亮度。電路圖可以用工具如Eagle 或KiCad 來繪制，展示各個組件之間的連接關(guān)系和電源管理設(shè)計。

5 軟件編程與算法實現(xiàn)

5.1 微控制器編程環(huán)境搭建

針對聲光控制照明電路的設(shè)計，本研究選擇STM32 系列微控制器作為核心控制單元，因其具有豐富的外設(shè)支持、高性能及廣泛的應(yīng)用案例。具體環(huán)境搭建如下：（1）開發(fā)環(huán)境。選擇STM32CubeIDE作為開發(fā)環(huán)境，因其集成了對STM32 系列的原生支持并提供了硬件抽象層（HAL）庫，使得硬件驅(qū)動的開發(fā)更為便捷；（2）驅(qū)動安裝。連接STM32 微控制器到計算機，并確保安裝了ST-LINK 驅(qū)動，以便微控制器能夠通過USB 與開發(fā)環(huán)境進行通信；（3）庫安裝。使用STM32CubeIDE 的庫管理功能，安裝對應(yīng)STM32型號的HAL 庫。為了聲光傳感器的信號處理，安裝CMSIS DSP 庫，它提供了豐富的數(shù)字信號處理功能；（4）環(huán)境驗證。在STM32CubeIDE中創(chuàng)建一個新項目，選擇對應(yīng)的STM32 型號，并編寫一個簡單的LED 閃爍代碼，然后編譯、上傳到微控制器，并觀察微控制器上的LED 是否正常閃爍，以驗證開發(fā)環(huán)境的配置是否正確。

5.2 聲光控制算法的編碼實現(xiàn)

對于聲光控制算法，考慮將環(huán)境聲音和光線作為輸入，計算得到燈光的亮度輸出。聲音和光線的強度都會對燈光的亮度產(chǎn)生影響[3]。首先，從聲音和光線傳感器中采集數(shù)據(jù)，然后根據(jù)預(yù)定的權(quán)重，計算燈光的亮度。當(dāng)環(huán)境聲音達到一定閾值且光線低于特定閾值時，燈光才會亮起。以下是一個基于STM32 HAL庫的代碼示例：假設(shè)聲音和光線傳感器都已連接到微控制器的ADC輸入。首先配置ADC以讀取傳感器的輸出值。主循環(huán)中，首先從聲音和光線傳感器中分別讀取值，然后計算燈光的亮度。最后，使用定時器（如TIM1）的PWM輸出功能來控制燈光的亮度。

6 結(jié)論

聲光控制照明電路的設(shè)計與實現(xiàn)在當(dāng)今的智能環(huán)境控制應(yīng)用中具有廣泛的前景。本文詳細探討了從系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計到軟件編碼實現(xiàn)的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過精心選擇STM32系列微控制器作為核心組件，并利用其強大的硬件支持與豐富的外設(shè)庫，為聲音與光線的交互控制策略打下了堅實的基礎(chǔ)。通過對聲音檢測和光線控制的模塊設(shè)計，可以精確地把握環(huán)境變量并據(jù)此調(diào)整照明設(shè)備的亮度。微控制器編程環(huán)境的搭建和適當(dāng)?shù)乃惴▽崿F(xiàn)進一步確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與實用性。文中提供的代碼示例展示了如何將理論知識與實際應(yīng)用結(jié)合，為讀者提供了一個實用的聲光控制解決方案。隨著科技的發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)的普及，此類應(yīng)用在未來的智能家居、辦公和娛樂場所中都將得到廣泛應(yīng)用，為人們創(chuàng)造更為舒適、智能和環(huán)保的生活環(huán)境。