手势切换音响系统的设计与实现

2024.06.04

徐操喜+杨小英+沈超航+周健梅

摘要：利用手势传感器和单片机技术，结合蓝牙技术，设计并实现了一个手势感应音响。通过感应手势的方向使播放器动作，包括播放/暂停/上一首/下一首/模式切换/电源开关等功能，另外还扩展了SD卡、蓝牙、USB 3种音频输入模式。

关键词：单片机；手势传感器；音响

市面上的音箱主要通过按键开关，来实现音箱的动作。而按键开关易磨损，容易藏灰尘，寿命也较短，容易按键失灵，还有就是按键所占据的空间较多，外观不美。DFRobot新出的一款手势识别传感器，能够识别手的运动方向，通过感应手部的运动方向来实现音箱的动作，能有效克服按键的失灵，延长音箱的使用寿命，并且它所占据的空间比较少，节省空间，在一定程度上美化了音箱的外观[1]。

1 系统总体功能图

本系统总体功能框图，主要由5大模块组成，分别是：采集模块、处理模块、（信号源）接口模块、控制选择模块、功放模块。可以实现的功能有：（1）SD卡/蓝牙/USB 3种模式切换；（2）上一首/下一首切换；（3）播放/暂停切换；（4）电源开关的开/关切换。

2 硬件设计

2.1 采集模块设计

使用台湾物联科技公司生产的Avago APDS-9960 模块，它是一款采用单个8引脚封装的数字 RGB、环境光、近程和手势传感器装置。该装置具有与 I2C 兼容的接口，为红色、绿色、蓝色、透明，近程和手势感测配有红外LED。RGB 和环境光感测功能可在多种光条件下以及通过多种减振材料包括深色玻璃的情况下，检测出光强度。此外，集成 UV-IR 遮光滤光片可实现精准的环境光和相关色温感测。近程和手势功能经工厂调整和校准至100毫米的近程检测距离，无需客户校准。利用4个定向二极管，与可见光、遮光、滤光片集成，手势检测能准确地感应“上下左右”以及更复杂的动作。模块内增加的微光学透镜能提供高效的传输和红外能量的接收。内部状态机能够将该装置处于近程和手势测量之间的低功耗状态，提供极低的功耗。

2.2 处理模块设计

使用单片机最小系统电路，主要是提供模拟的IIC接口和其他控制选择功能。

2.3 接口模块设计

2.3.1 SD卡/USB接口模块

SD卡是一种低电压的flash闪存产品，有标准的MMC/SPI两种操作模块，本系统采用SPI操作模块，速度慢、线少、操作相对简单。主要通过单片机查询其存储的数据，根据需要进行数据的切换。也可以参照参考文献中的进行设计[2-3]。USB接口模块的处理方法和SD卡类似，只是对应的协议不同。

2.3.2 蓝牙模块

蓝牙模块采用芯片BC417143实现，该芯片采用Blue2.0，支持主或从模式，支持AT命令集，支持波特率为2 400到1 382 400 bps，适用于嵌入式串口传输无线的全新的模块。另外，由于蓝牙芯片工作在3.3 V，而MCU工作在5 V，存在逻辑电平不匹配问题，且IO管脚无法容忍MCU的5 V逻辑电平，参照文献[4-5]。设计中采用了RT9 193-3.3芯片进行电平转换输出3.3 V。蓝牙与MCU连接需经过电平限制以保证蓝牙模块正常工作。

2.4 控制选择模块

使用继电器控制电路，实现3种模块的切换。

2.5 功放模块设计

采用进口的芯片PAM8 403，3W双声道D类数字大功率功放效率可达90%，超薄设计，可以方便地安装适合DIY改装使用，输入5 V时喇叭4Ω阻抗输出最高2×3 W功率。该芯片内部特殊输出处理电路，取消了传统的LC网络，比用LC的更低的EMI值，在较低电压下获得最大功率输出，超级省电，内置高增益缓冲放大器和短路保护电路。

3 软件设计

软件设计总流程方面主要是采集手势开关的动作，根据手势动作进行相应的处理。总流程示意如图1所示。

4 外观的设计

作品的外观以简朴、小巧为主（见图2）。它是一个长宽高分别为8厘米的正方体，长方体的前后各安装了一个喇叭，长方体的顶部就是手势感应器，手势感应器外露在体外，方便收集数据。长方体后方还引出两条电源线给HIFI供电。

5 调试测试

作品完成后，对整体进行测试，响应速度快，测试得出的结果与预期结果一致，并且音质达到理想状态，如表1所示。

[参考文献]

[1]丹·雅各布.手势传感器掀起用户界面控制新一轮革命[J].中国电子商情（基础电子），2015（8）：35-37.

[2]刘晓梅，董仲博. SD卡I/O接口设计[J].现代计算机（专业版），2007（11）：136-138.

[3]姚放吾，曹木莲，卢昭材，等. 51单片机与SD卡接口设计[J].工业控制计算机，2008（9）：60-61，68.

[4]辛娟，周龙.基于AU6860C的多功能蓝牙音箱[J].电子技術，2015（1）：47-51.

[5]陈秀美. DIY蓝牙音箱[J].微电脑世界，2011（7）：81.