手勢切換音響系統的設計與實現

徐操喜+楊小英+沈超航+周健梅

摘 要：利用手勢傳感器和單片機技術，結合藍牙技術，設計并實現了一個手勢感應音響。通過感應手勢的方向使播放器動作，包括播放/暫停/上一首/下一首/模式切換/電源開關等功能，另外還擴展了SD卡、藍牙、USB 3種音頻輸入模式。

關鍵詞：單片機；手勢傳感器；音響

市面上的音箱主要通過按鍵開關，來實現音箱的動作。而按鍵開關易磨損，容易藏灰塵，壽命也較短，容易按鍵失靈，還有就是按鍵所占據的空間較多，外觀不美。DFRobot新出的一款手勢識別傳感器，能夠識別手的運動方向，通過感應手部的運動方向來實現音箱的動作，能有效克服按鍵的失靈，延長音箱的使用壽命，并且它所占據的空間比較少，節省空間，在一定程度上美化了音箱的外觀[1]。

1 系統總體功能圖

本系統總體功能框圖，主要由5大模塊組成，分別是：采集模塊、處理模塊、（信號源）接口模塊、控制選擇模塊、功放模塊。可以實現的功能有：（1）SD卡/藍牙/USB 3種模式切換；（2）上一首/下一首切換；（3）播放/暫停切換；（4）電源開關的開/關切換。

2 硬件設計

2.1 采集模塊設計

使用臺灣物聯科技公司生產的Avago APDS-9960 模塊，它是一款采用單個8引腳封裝的數字 RGB、環境光、近程和手勢傳感器裝置。該裝置具有與 I2C 兼容的接口，為紅色、綠色、藍色、透明，近程和手勢感測配有紅外LED。RGB 和環境光感測功能可在多種光條件下以及通過多種減振材料包括深色玻璃的情況下，檢測出光強度。此外，集成 UV-IR 遮光濾光片可實現精準的環境光和相關色溫感測。近程和手勢功能經工廠調整和校準至100毫米的近程檢測距離，無需客戶校準。利用4個定向二極管，與可見光、遮光、濾光片集成，手勢檢測能準確地感應“上下左右”以及更復雜的動作。模塊內增加的微光學透鏡能提供高效的傳輸和紅外能量的接收。內部狀態機能夠將該裝置處于近程和手勢測量之間的低功耗狀態，提供極低的功耗。

2.2 處理模塊設計

使用單片機最小系統電路，主要是提供模擬的IIC接口和其他控制選擇功能。

2.3 接口模塊設計

2.3.1 SD卡/USB接口模塊

SD卡是一種低電壓的flash閃存產品，有標準的MMC/SPI兩種操作模塊，本系統采用SPI操作模塊，速度慢、線少、操作相對簡單。主要通過單片機查詢其存儲的數據，根據需要進行數據的切換。也可以參照參考文獻中的進行設計[2-3]。USB接口模塊的處理方法和SD卡類似，只是對應的協議不同。

2.3.2 藍牙模塊

藍牙模塊采用芯片BC417143實現，該芯片采用Blue2.0，支持主或從模式，支持AT命令集，支持波特率為2 400到1 382 400 bps，適用于嵌入式串口傳輸無線的全新的模塊。另外，由于藍牙芯片工作在3.3 V，而MCU工作在5 V，存在邏輯電平不匹配問題，且IO管腳無法容忍MCU的5 V邏輯電平，參照文獻[4-5]。設計中采用了RT9 193-3.3芯片進行電平轉換輸出3.3 V。藍牙與MCU連接需經過電平限制以保證藍牙模塊正常工作。

2.4 控制選擇模塊

使用繼電器控制電路，實現3種模塊的切換。

2.5 功放模塊設計

采用進口的芯片PAM8 403，3W雙聲道D類數字大功率功放效率可達90%，超薄設計，可以方便地安裝適合DIY改裝使用，輸入5 V時喇叭4Ω阻抗輸出最高2×3 W功率。該芯片內部特殊輸出處理電路，取消了傳統的LC網絡，比用LC的更低的EMI值，在較低電壓下獲得最大功率輸出，超級省電，內置高增益緩沖放大器和短路保護電路。

3 軟件設計

軟件設計總流程方面主要是采集手勢開關的動作，根據手勢動作進行相應的處理。總流程示意如圖1所示。

4 外觀的設計

作品的外觀以簡樸、小巧為主（見圖2）。它是一個長寬高分別為8厘米的正方體，長方體的前后各安裝了一個喇叭，長方體的頂部就是手勢感應器，手勢感應器外露在體外，方便收集數據。長方體后方還引出兩條電源線給HIFI供電。

5 調試測試

作品完成后，對整體進行測試，響應速度快，測試得出的結果與預期結果一致，并且音質達到理想狀態，如表1所示。

[參考文獻]

[1]丹·雅各布.手勢傳感器掀起用戶界面控制新一輪革命[J].中國電子商情（基礎電子），2015（8）：35-37.

[2]劉曉梅，董仲博. SD卡I/O接口設計[J].現代計算機（專業版），2007（11）：136-138.

[3]姚放吾，曹木蓮，盧昭材，等. 51單片機與SD卡接口設計[J].工業控制計算機，2008（9）：60-61，68.

[4]辛娟，周龍.基于AU6860C的多功能藍牙音箱[J].電子技術，2015（1）：47-51.

[5]陳秀美. DIY藍牙音箱[J].微電腦世界，2011（7）：81.