自适应环境噪声的声光控制LED照明灯

自适应环境噪声的声光控制LED照明灯

金永镐,曲晓东

( 延边大学工学院 电子信息通信学科，吉林 延吉 133002 )

摘要：提出了一种利用信号平均值的动态特性来判断噪声和信号的方法，该方法可较准确地判断出前后一段时间信号特性的一致性和突发信号的特性.利用这种方法设计了能够自适应环境噪声的声光控制LED照明灯，实验表明，该灯具有高触发灵敏度、低功耗、工作稳定、成本低、电路简单等优点，可适用于工作在环境噪声较大的场合，如装有排风扇的卫生间、走廊等场所.

关键词：分段平均; 突发信号; 环境噪声; LED照明灯

收稿日期：2015-05-13

作者简介：金永镐(1964—)，男，博士，教授，研究方向为智能开关技术及智能变换.

文章编号：1004-4353(2015)03-0229-04

中图分类号：TP23

Sound-and-light controlled LED lamp of adaptive ambient noise

JIN Yonggao，QU Xiaodong

(DepartmentofElectronics&CommunicationEngineering,CollegeofEngineering，

YanbianUniversity，Yanji133002，China)

Abstract：Put forward a judgment method of noise and signal which based on the dynamic characteristics of signal average. This method can accurately judge the characteristics of the burst signal and the consensus of the characteristics of the signal in two consecutive periods of time. A sound-and-light controlled LED lamp which based on adaptive ambient noise is designed by this method. Experiments show that the LED lamp has the advantages of high trigger sensitivity,high operation stability,low cost,simple circuit structure and micro-power consumption,which can be widely used in the environment of high ambient noise such as corridors,public toilets and so on.

Key words： piecewise averaged; burst signal; ambient noise; LED lamp

目前，声光控LED灯已被广泛应用于学校的大厅、走廊、卫生间以及居民楼的楼道等场所，但由于现有的声光控LED照明灯大多是采用声音信号与固定电压门限值比较的声控方式[1]，其对噪声很敏感，抗干扰能力较差，因此当环境噪声高于触发门限值时易产生误触发，不仅造成电能浪费，还会缩短产品的使用寿命.为此，部分声控灯厂商提高了声控灯的抗噪声性能，将声音触发门限提高，进而导致声控灯反应不灵敏，造成使用上的不便[2].为了解决上述问题，本文利用具有低成本、微功耗特性的MK7A23单片机设计了能够自适应环境噪声的声光控制LED照明灯.这种声光控制LED照明灯，采用先对输入声音信号进行平均值处理，后根据输入信号的平均值动态特性来区分噪声和正常信号的方法，该方法可较准确地判断出前后一段时间信号特性的一致性和突发信号的特性，因此具有很强的噪声抑制能力.

1环境噪声对声控LED灯的影响分析

1.1　固定电压与声音信号比较模式分析

图1为现有的声光控LED灯在环境噪声为非周期性噪声时的误动作分析图.由图1可知，当噪声小于预设声音触发门限即比较电平时，LED灯能够正常工作，但当噪声高于比较电平时会产生误动作.

图1　非周期性噪声时误动作分析

图2为现有的声光控LED灯在环境噪声为周期性噪声时的误动作分析图.由图2可知：当噪声较小时，声控LED灯对产生的低幅值长时间大能量声音信号无反应，即发生漏检情况；当噪声较大时，声控LED灯对产生的高幅值周期性噪声有反应，即发生误动作.

图2　周期性噪声时误动作分析

1.2　利用信号平均值动态特性的检测方法

为了能够使用简单的方法准确区分噪声信号和正常信号，本文设计了一种利用信号平均值检测信号的方法，如图3所示.图3中T0为对声音信号的采样时间.为了确保检测的可靠性，信号的采样时间T0必须大于环境中周期性噪声信号的最大周期，T0越大则检测精度越高；声音信号的检测时间必须大于2倍的T0，但为了避免检测速度过慢，T0不宜过大.

图3　平均值检测方式

(1)

(2)

K0+K≫K0.

(3)

K4≫K0.

(4)

由式(4)可知，虽然低声说话时产生的声音信号平均值(K1~K4)的幅值较小，但其累计量较大，使得差值ΔU仍然远大于K0.

图4为有脚步声和低声说话声时的检测模式图.由图4可知，这种方式对噪声有很强的抑制能力，同时能检测出脚步声，特别是能检测出幅值很低但持续时间较长的声音信号，因此说明本文设计的声控灯具有很好的灵敏度.

图4　有脚步声和低声说话声时的检测模式

图5　平均值的包络特性检测模式

2整体电路设计

2.1　整体电路框图

声光控制LED照明灯的整体电路框图如图6所示.图6中麦克风信号经过放大后进行绝对值处理，把交流声音信号转换为单极性脉动直流信号后用积分器处理.积分器在单片机控制下工作，当声音信号满足点亮声控灯的条件时，判断环境亮度条件，如果两者都符合条件则控制开关电源点亮声控灯.整体电路是由一片低功耗运放TL062完成信号放大和绝对值处理功能，如图7所示.

图6　整体电路框图

2.2　信号放大及绝对值处理电路的实验分析

在图7中：由U1A、U1B、D1、D2、R1~R4等组成绝对值处理电路，该电路可同时完成对麦克风信号的绝对值处理和放大；R7、R8对电源电压UCC分压并提供运放的“中点”电压UREF=UCCR7/(R7+R8).当麦克风输入信号为负时，D1截止，D2导通，U1B的5脚、6脚电压值近似相同，因此U1A的反馈电阻由R4和(R1+R2)并联组成.设R1~R4=R，则并联后的反馈电阻RF=2R/3，B点的输出电压由式(5)决定:

(5)

由U1B组成的放大器的同相端有信号输入，输出电压由式(6)决定:

(6)

当麦克风输入信号为正时，D1导通，D2截止，U1B的5脚、6脚电压为UREF，U1A的反馈电阻只有R1，A点的输出电压由式(7)决定:

(7)

由U1B组成的放大器的反相端有信号输入，输出电压由式(8)决定:

(8)

由此可知，不管输入电压是正是负，输出电压的表达式是一样的，以中点电压UREF为基准电压总是增加，且电路对输入信号有放大的作用.如果在公式(5)—(8)中取R=470kΩ,R6=5kΩ，则放大倍数为94.

图7　整体电路

2.3　对信号的滤波处理

为了不丢失高频信号的变化量，本文设计的声控灯采取了对信号绝对值处理及放大电路的输出信号先进行滤波处理以获得信号的包络后再使用单片机自带的ADC进行采样的方法.本文使用的MK7A23单片机内部具有准14位的ADC，其采样时间约为260μs时，频率为3.8kHz，若提高采样频率则精度变低.如图7所示，信号放大及绝对值处理电路的输出信号经过R9、C2低通滤波后提供给单片机的ADC进行采样.图8为使用信号发生器输入正弦波信号后所得的各点的工作波形，图9为输入实际声音信号后各点的工作波形.对比图9和图8可知，输入为真实信号时，D点对应的波形为C点波形的包络.

图8　输入正弦波时A、B、C、E点的工作波形

图9　输入音频信号时A、B、C、E点的工作波形

3结束语

本文设计的声光控制LED灯采用将声音信号进行平均值处理后提取其包络部分交由单片机采样的方法，解决了因低功耗单片机采样频率不高所引起的失真.实验证明，采用平均值总量差值法和包络检测方法并用的方法，可使声控制LED灯具备自适应环境噪声的能力，且具有低功耗、高灵敏度、线路简单、成本低等特点，因而本文方法所设计的LED声控灯，可广泛地使用在环境噪声较大的各种场合，且可有效避免现有声控灯因环境噪声误触发而引起的电能浪费.本文在设计过程中，仅考虑了声光控制LED灯因环境噪声误触发引起的电能损耗，对降低待机功耗方面还有所不足，有待于今后进一步地研究.

参考文献：

[1]金永镐,金杰.微功耗高灵敏度声光控制型LED照明灯的设计[J].电子科技,2012,25(3):66-68.

[2]郭维,杨幸,朱大中.精密比例采样模式LED驱动电路设计和研究[J].半导体学报,2010,31(4):94-98.

[3]金永镐，金银实.基于NCP1200的高功率因数恒流型LED驱动电源的设计[J].延边大学学报(自然科学版)，2013，39(1):59-62.

[4]Wang S J,Lee M R,Chen D. A High-efficiency integrated circuit for LED driving[C]//Computer Communication Control and Automation (3CA),2010 International Symposium,Taiwan,2010:385-388.

[5]Moo C S,Chen Y J,Yang W C. An efficient driver for dimmable LED lighting[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(11):4613-4618.