《传感器与传感网技术应用》2-1使用声音传感器控制楼道灯亮

项目二楼道开灯传感器与传感网技术应用项目二楼道开灯单元阐述：

本单元使用NEWLab实训套件中的声音传感器模块和光照传感器模块来采集环境信息，用以CC2530单片机为核心的ZigBee模块控制LED模拟灯具，搭建的楼道开灯系统。当光照度达到或超过设定阈值时，声音传感器采集的音量值经单片机处理生成控制LED灯通断的信号，实现照明器件的自动控制。

项目综合运用了CC2530单片机中断控制、延时、I/O端口输入输出、数据采集、AD转换等知识。项目二楼道开灯知识目标：了解开关量、数字量、模拟量传感器的分类和选型；了解声音传感器、光电传感器的结构和工作原理；了解声音传感器、光电传感器的关键参数；了解声音传感器、光电传感器技术手册的查阅方法。项目二楼道开灯技能目标：能够识别声音、光电传感器；能够搭建声光控开灯系统；能够根据需求检测并处理信号；能够熟练掌握IAR开发环境及程序编译、调试、下载等功能；能够通过编程实现声光控楼道开灯系统的编译和调试。任务一使使用声音传感器控制楼道灯亮任务资讯01任务实施03任务计划与决策02任务小结04任务描述任务描述：

某老旧小区楼道灯开关存在问题，灯总是不能正常打开和关闭。晚上居民上下楼时常有踩空、磕碰、摔倒等情况发生，引发安全隐患；白天长明灯现象严重，造成能源的浪费。小区物业现委托新大陆科技有限公司对楼道灯光进行改造，要求改造后的新系统环保且便捷。鉴于以上需求，公司计划使用声音控制系统实现楼道灯开关自动控制。任务要求：应用ZigBee模块搭建实现楼道灯光声控开关模拟系统；使用声音传感器模块采集楼道内的声音信号；通过声音信号控制灯开关状态的切换，即有声时灯变亮照明一段时间后熄灭；使用IAR完成基于CC2530的楼道灯开关程序的开发与调试；完成程序烧写，实现楼道灯光声控开关系统。引导问题问题1：

你是否有过自己更换灯泡的经历？

问题2：

你认为楼道灯光系统该如何改造才能实现节能和智能化管理？传感器及数据采集声音传感器NEWLab声音传感模块任务资讯1235在信息技术时代已经来临，数之不尽的信息系统应用在生活的各个领域，而构建信息系统先要获取准确可靠的信息。浩瀚宇宙、微小粒子、瞬间反应等信息收集，超高低温、超高压、超强弱磁场等场合的信息感知，存在大量人类无法用感官直接获取的信息。现代传感器技术是获取自然、生产、生活中的信息的主要途径，随着物联网技术的落地传感器的应用也成为了必然，且已渗透到工业生产、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、新能源、新材料等各个领城。传感器及数据采集传感器及数据采集1传感器的定义传感器的分类23传感器的选择传感器的定义02传感器（英文名transducer或sensor）是一种检测周边环境的物理变化、将感受到的信息转换成电子信号的形式输出的装置，又称电五官，下图列出信息系统中人的感官与传感器的对应关系。传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，在高温、高湿、深井、高空、高精度、高可靠性、远距离、超细微等场景中的能力远远超出人类感官。传感器的定义02

国家标准GB7665-2005给出的传感器定义为，传感器是能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器的定义02几款典型的传感器应用场景介绍传感器及数据采集传感器的定义传感器的分类23传感器的选择1传感器的分类02传感器及数据采集传感器的定义传感器的分类23传感器的选择1传感器的选择02

传感器种类繁多，做出合理的选择具有一定的难度。具体应用中需根据测量对象、测量环境和对结果精确度的要求选择性能匹配的传感器，具体可参照以下五条原则：

①根据测量对象和测量环境确定传感器的类型

②灵敏度的选择

③频率响应特性

④线性范围

⑤稳定性任务资讯传感器及数据采集声音传感器NEWLab声音传感模块1235声音传感器

声音传感器又称为声敏传感器，是一种将在气体、液体或固体中传播的机械振动转化为电信号，再将电信号输送给后续处理电路以实现数据采集的器件或装置。工业生产等场景中，为利用声音信号作控制源实现自动控制，常用声音传感器作为自动控制系统的“耳朵”。声音传感器工作原理工作参数23传感器的选择1工作原理

声音测量属于非电量的测量，如图2-1-7所示，测量中声音传感器起声电换能的作用，先将外界作用于其上的声音信号转换成相应的电信号，然后将所得的电信号输送给后继的电测系统进行测量。所以声电换能所用的传声器是测量声音的最基本和最重要的器件。声电转换示意图工作原理

常用的声音传感器按换能原理大体可分为3类，即压电式、电容式和电动式。典型应用有驻极体电容式传声器、压电驻极体电声器件和动圈式传声器。它们具有结构简单、使用方便、性能稳定可靠、灵敏度高等诸多优点。工作原理①压电驻极体电声器件压电传声器外观图ECM压电传声器结构图工作原理②驻极体电容式声音传感器驻极体电容声音传感器实物图

（a）振膜式：驻极体与振膜一体

（b）背极式：驻极体与极板一体驻极体电容式声音传感器结构图工作原理③

动圈式传声器动圈式话筒内部结构声音传感器工作原理工作参数23传感器的选择1工作参数

以电容式传声器为例，传声器主要技术参数见表2-1-3。参数有频率范围、灵敏度、响应类型、动态范围、外形尺寸等。①频率范围②灵敏度③动态范围④指向特性型号频率范围灵敏度响应类型动态范围外形尺寸±2db（Hz）（mv/pa）（db）直径（mm）CHZ—113~18K50自由场12~14623.77CHZ—124~8K50声场10~14623.77CHZ—11T4~16K100自由场5~10020CHZ—134~20K50自由场15~14612CHZ—14A4~20K12.5声场15~14612HY2052~18K50声场40~16012.741755~12.5K50自由场16~1322642BF5032p70~200005自由场20~13549CZII—6040~12000100自由场/声场349.7表2-1-3测量用驻极体传声器技术参数声音传感器工作原理工作参数23传感器的选择1应用电路

此处为举驻极体式电容传声器的应用电路。为避免使用极化电压，有两种接法，具体如图2-1-12。在实际应用的电路中，

简化电源电路后结果如图2-1-13所示。图2-1-12驻极体式电容传声器接法简图图2-1-13驻极体式电容传声器的应用电路图声音传感器广泛应用于噪声监测、电声、水声、超声与医疗等领域。声音传感器的应用①日常生活②工业领域③军事领域④医疗领域传感器及数据采集声音传感器NEWLab声音传感模块任务资讯1235NEWLab声音传感模块认识声音传感模块电路板认识声音传感模块的工作原理21声音传感模块电路板认识NEWlab套件的声音传感模块可以采集声音变化情况，转换输出为对应电压，并可通过放大、比较电路输出结果电平。模块各接口的名称及功能如下：①麦克风输入头MP9767P；②麦克风信号接口J4，测试麦克风输出的音频信号③信号放大电路；④信号放大接口J6，测量音频信号经过放大后叠加在直流电平上的信号，即比较器1的负端输入电压；⑤灵敏度调节电位器；⑥灵敏度测试接口J10，测试可调电阻可调端输出电压，即比较器1的正端输入电压；⑦比较器电路；⑧比较信号测试接口J7，即比较器1的输出电压；⑨比较输出测试接口J3，即比较器2的输出电压；⑩接地GND接口J2。NEWLab声音传感模块认识声音传感模块电路板认识声音传感模块的工作原理21

声音信号通过驻极体话筒将转化为电压信号，经Q2进行放大后，从比较器1的反相端输入，其输出电压经过与R7的电压信号比较后经比较器2的J3端口输出。这一过程如图2-1-16所示。声音传感模块的工作原理声音信号电压信号输出电压驻极体话筒电压比较器图2-1-16声音传感模块转化示意图声音传感模块的工作原理声音传感模块电路图测一测

声音传感器的信号检测依据是什么？涉及哪些环节？想一想生活中其他用到传感器的场景，同学们说说还有哪些？任务一使使用声音传感器控制楼道灯亮任务资讯01任务实施03任务计划与决策02任务小结04声控楼道灯控制系统结构分析声控楼道灯光系统硬件连接声控楼道灯光系统代码设计与分析任务计划与决策123声控楼道灯控制系统结构分析

要实现声控LED的亮灭需要解决声音采集、信号处理、数据输出、点亮LED等问题。本任务使用声音传感模块采集声音信号，其输出的开关量信号送至CC2530的I/O端口；CC2530判断声音信号的情况、控制LED的点亮与熄灭。其中楼道灯采用ZigBee模块上的“连接”指示灯模拟，声控楼道灯光模拟系统结构如图2-1-18所示。图2-1-18声控楼道灯光模拟系统结构图声控楼道灯控制系统结构分析声控楼道灯光系统硬件连接声控楼道灯光系统代码设计与分析123任务计划与决策声控楼道灯光系统硬件连接

声音传感器作为控制源，将采集到的声音信号放大后与比较器1的阈值电平对比，据此判断声音信号的强弱；当声音信号超过阈值电平时，比较器2输出端产生输出有效信号，并经P1.2输入CC2530单片机；CC2530的P1.0与模块上的“连接”灯相连，处于GPIO输出状态控制LED灯的开关。声音传感器模块比较器2（J3）输出接ZigBee模块的J15（OUT1），其连接实物图如图2-1-19所示。图2-1-19声控楼道灯光系统硬件连接图声控楼道灯控制系统结构分析声控楼道灯光系统硬件连接声控楼道灯光系统代码设计与分析123任务计划与决策声控楼道灯光系统代码设计与分析声控楼道灯光系统程序流程如图2-1-20所示。图2-1-20声控楼道灯光系统代码设计声音传感模块的工作原理声音传感模块电路图测一测

声音传感器的信号检测依据是什么？涉及哪些环节？想一想生活中其他用到传感器的场景，同学们说说还有哪些？任务一使使用声音传感器控制楼道灯亮任务资讯01任务实施03任务计划与决策02任务小结04任务实施硬件环境搭建编译链接下载程序结果测评与分析硬件环境搭建声音传感模块的比较输出结果除了与外界声音的有无和强度有关之外，还与声音采集的阈值设置有关。那么该如何设置声音采集灵敏度的阈值呢？图2-1-21（a）声音传感模块调零硬件环境搭建如图2-1-21（b）所示，把声音传感器模块的J3线（比较输出）连接到ZigBee模块的out1口，ZigBee模块的J15(out1)与内部CC2530单片机的P1.5相连，定义为声音输入端口，两个模块均通过NEWLab实验台供电。图2-1-21（b）

硬件连线图任务实施硬件环境搭建编译链接下载程序结果测评与分析项目编译及链接

在完成开发环境搭建及工程配置、源文件编辑后，进行代码的编译与链接，直到【Messages】区显示【Done.0error(s),0warning(s)】，说明程序编译、链接成功。任务实施硬件环境搭建编译链接下载程序结果测评与分析IAR下载程序

图2-1-22连接实训板与仿真器用CCDebugger仿真下载器的下载线连接ZigBee模块至主机USB接口，如图2-1-22所示。下载步骤与项目一中《智能交通灯》程序下载操作一致，不再详述。任务实施硬件环境搭建编译链接下载程序结果测评与分析结果验证

将程序烧写完成后，执行IAR开发环境中的【DownloadandDebug】，在主机端应用调试工具栏的按钮进行程序调试。（1）单击“单步”调试按钮，逐