基于電子技術的聲光控制照明電路設計

陳煒強

（中山市煒泰照明科技有限公司，廣東 中山 528478）

隨著智能化技術的不斷發展，智能照明系統在提升生活質量和節能減排方面發揮著重要作用。傳統的光照調節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，特別是在環境光照條件不斷變化的情況下。為了實現更智能、更自適應的照明控制，聲光控制技術逐漸受到關注。通過捕捉環境中的聲音信號，結合光敏元件感知環境光照強度，可以實現實時自動化照明調節，提升用戶體驗的同時降低能源浪費。

1 系統整體架構設計

系統主要由主控板模塊、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，用于存儲用戶設置的參數，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據交互。二是聲音檢測模塊。麥克風選擇采用MEMS麥克風，其具有低噪聲、高靈敏度和小尺寸特點，適合嵌入式系統應用。聲音放大與濾波設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，因其響應速度快、成本低，且易于集成。為了驅動LED 或其他照明設備，設計了一個MOSFET驅動電路，以實現精確的PWM 亮度控制。四是電源管理。穩壓電源設計了一個線性穩壓電路，為整個系統提供穩定的3.3 V 電源。電池管理為便攜式應用，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，系統板上預留了擴展接口，如SPI、GPIO等。

圖1 系統總體框架圖

2 聲音檢測模塊設計

2.1 麥克風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、頻率響應等因素 ，選擇 MEMS 麥克風 (Micro-Electro-Mechanical Systems Microphone)，其具有結構緊湊、靈敏度高、易于集成等特點，MEMS 麥克風基于聲音產生的壓力波動，通過將這些波動轉化為電信號來實現聲音的捕捉。當聲波碰撞到麥克風的膜片時，膜片會因壓力變化而振動，導致其與靜電傳感器之間的距離發生變化。這個距離變化會引起電容的變化，進而轉化為電壓信號。

2.2 聲音信號的采集與預處理

聲音信號將經過適當的處理和增強，準備好被傳遞給控制電路模塊進行聲音觸發邏輯的執行。在每個處理步驟中進行測試和驗證，以確保聲音信號的準確捕捉和預處理。

以下是具體的設計實踐步驟：一是麥克風信號采集。將選定的麥克風傳感器連接到主控板上的麥克風輸入引腳。確保按照麥克風的數據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的范圍。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，使聲音信號更準確。濾波器可以選擇數字濾波或者模擬濾波，具體選擇取決于系統需求和設計復雜度。四是模數轉換 (ADC)。將經過放大和濾波的模擬聲音信號轉換為數字信號，以便微控制器進行處理。選擇合適的模數轉換器并設置適當的采樣率，以確保捕捉到足夠的聲音細節。五是數字信號預處理。可以在數字領域進行信號處理，如均衡化、降噪、平滑等。這些步驟有助于提高聲音信號的質量和準確性。

2.3 聲音閾值設定與觸發邏輯

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

3 光控制模塊設計

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鍵組件?？紤]到成本、響應速度、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 的模擬讀數轉化為數字信號，并對其進行解析的過程。使用微控制器上的ADC 將LDR 的阻值變化轉換為數字值。這需要將LDR 與一個固定的電阻連接形成一個電壓分壓器，然后測量這個節點的電壓。一旦獲得數字讀數，再應用移動平均法來過濾噪聲，并提供穩定的光線讀數。將處理后的讀數與預設閾值進行比較，確定是否需要調整照明設備。

3.2 照明設備的控制策略

照明設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。如果環境光低于預設閾值，照明設備將自動打開；如果高于另一預設閾值，則關閉。這樣可以確保只在需要時使用照明。使用 脈沖寬度調制(PWM) 控制照明設備的亮度。例如，當環境光處于兩個閾值之間時，可以根據讀數自動調整亮度。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閉，以節省能源。用戶可以隨時手動調整照明狀態和亮度，這將暫時覆蓋自動控制策略。

4 控制電路設計

4.1 聲光控制算法設計

聲光控制算法主要基于兩個輸入：聲音和光線。首先，從麥克風和光敏電阻獲取原始數據，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境中是否有聲音大于一定分貝，從而決定是否啟動或調整燈光。光線數據則用于確定當前環境的亮度。數據經過處理后，將與預設的閾值進行比較，根據結果決定燈光的開關和亮度。此外，聲光數據可以聯合處理，例如，在特定的光線條件下，只有當檢測到聲音時才開啟燈光[2]。

4.2 控制電路的硬件設計與電路圖

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 驅動輸出構成。微控制器的GPIO引腳接收來自傳感器的數據，并通過其PWM引腳控制照明設備的亮度。音頻信號首先經過一個放大器放大，然后送入微控制器的ADC端口進行數字化。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，從而控制照明設備的開關和亮度。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系和電源管理設計。

5 軟件編程與算法實現

5.1 微控制器編程環境搭建

針對聲光控制照明電路的設計，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支持、高性能及廣泛的應用案例。具體環境搭建如下：（1）開發環境。選擇STM32CubeIDE作為開發環境，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，使得硬件驅動的開發更為便捷；（2）驅動安裝。連接STM32 微控制器到計算機，并確保安裝了ST-LINK 驅動，以便微控制器能夠通過USB 與開發環境進行通信；（3）庫安裝。使用STM32CubeIDE 的庫管理功能，安裝對應STM32型號的HAL 庫。為了聲光傳感器的信號處理，安裝CMSIS DSP 庫，它提供了豐富的數字信號處理功能；（4）環境驗證。在STM32CubeIDE中創建一個新項目，選擇對應的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，以驗證開發環境的配置是否正確。

5.2 聲光控制算法的編碼實現

對于聲光控制算法，考慮將環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生影響[3]。首先，從聲音和光線傳感器中采集數據，然后根據預定的權重，計算燈光的亮度。當環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 結論

聲光控制照明電路的設計與實現在當今的智能環境控制應用中具有廣泛的前景。本文詳細探討了從系統架構設計到軟件編碼實現的各個關鍵環節。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庫，為聲音與光線的交互控制策略打下了堅實的基礎。通過對聲音檢測和光線控制的模塊設計，可以精確地把握環境變量并據此調整照明設備的亮度。微控制器編程環境的搭建和適當的算法實現進一步確保了系統的穩定性與實用性。文中提供的代碼示例展示了如何將理論知識與實際應用結合，為讀者提供了一個實用的聲光控制解決方案。隨著科技的發展和物聯網的普及，此類應用在未來的智能家居、辦公和娛樂場所中都將得到廣泛應用，為人們創造更為舒適、智能和環保的生活環境。