一、项目思路

台灯是一个核心功能为照明的家用电器，常见的使用场景为书桌、床头等。在生活中我们有时会遇到在书桌或床上睡着忘记关灯的情况，这时不仅会影响我们的睡眠质量，还会浪费宝贵的能源。

为了更贴合平时的使用环境，我设计了一款新的智能台灯，主打的特点：

1. 通过蓝牙与智能手环或手表相连接，根据手环传递出的睡眠状态来控制台灯。当检测到使用者睡着后自动降低亮度或关闭，检测到使用者醒来自动调高亮度或打开。
2. 加入响度和亮度控制模块。当环境安静或亮度提高后自动关闭台灯以节省资源，使用者可根据需要打开或关闭此功能。
3. 加入DSC6000 系列 MEMS 振荡器。可以自由设置台灯定时开关的时间。
4. 加入麦克风与语音助手，利用乐鑫的Skainet组件，实现用语音控制台灯，调整台灯的状态或者控制上述其他功能的状态。

二、方案框图

根据比赛要求，使用得捷的Scheme-it来设计框图如下，得捷网站链接如下：Fastbond2-智能台灯 | Scheme-it | Free Online Schematic and Diagramming Tool | DigiKey Electronics

主要元器件：

• ESP32S3 乐鑫
• Microchip 的 DSC6000 系列 MEMS 振荡器
• 555芯片
• 光敏、声敏电阻
• MAX98357AETE+T_(ADI(亚德诺)/MAXIM(美信))
• INMP441麦克风芯片--支持I2S

定时控制模块：DSC6000 系列 MEMS 振荡器

Microchip 的 DSC6000 系列 MEMS 振荡器结合了业内领先的低功耗和超小封装特点，且在整个温度范围内具有出色频率稳定性和抖动性能。在如可穿戴设备和物联网 (IoT) 设备等小尺寸、低功耗和长期可靠性是重要特性的小型电池供电型设备中，单输出 DSC6000 MEMS 振荡器是用作时钟基准的理想选择。这些器件还满足汽车电子委员会标准 Q100 (AEC-Q100) 严格的机械耐久性和可靠性要求，因此也非常适用于汽车应用。

主控芯片：乐鑫ESP32S3

ESP32-S3 是一款集成 2.4 GHz Wi-Fi 和 Bluetooth 5 (LE) 的 MCU 芯片，支持远距离模式 (Long Range)。ESP32-S3 搭载 Xtensa® 32 位 LX7 双核处理器，主频高达 240 MHz，内置 512 KB SRAM (TCM)，具有 45 个可编程 GPIO 管脚和丰富的通信接口。ESP32-S3 支持更大容量的高速 Octal SPI flash 和片外 RAM，支持用户配置数据缓存与指令缓存。

ESP32-S3芯片具有行业领先的低功耗性能和射频性能，支持 WiFi IEEE802.11b/g/n 协 议和 Bluetooth 5。该芯片搭载 Xtensa-R32 位 LX7 双核处 理器，工作频率高达 240 MHz。支持二次开发，无需使用其它微控制器或处理器。芯片内置 512 KB SRAM，384 KB ROM， 16KB RTC SRAM。芯片支持多种 低功耗工作状态，能够满足各种应用场景的功耗需求。芯片所特有的精细时钟门控功能、动态电压时钟频率调节功能、射频输出功率可调节功 能等特 性，可以实现通信距离、通信速率和功耗之间的最佳平衡。

模组提供丰富的外设接口，包括 UART，PWM，SPI，I2S，I2C，ADC，LCD， DVP,RMT(TX/RX)，脉冲计数器，USB OTG，USB Serial/JTAG，SDIO，DMA 控制器， TWAI 控制器，温度传感器，电容式传感器和多个IO 口。

模块具有多种特有的硬件安全机制。硬件加密加速器支持 AES、SHA 和 RSA 算法。其中的 RNG、HMAC 和数字签名(Digital Signature) 模块提供了更多安全性能。 其他安全特性还包括 Flash 加密和安全启动 (secure boot) 签名验证等。完善的安全机 制使芯片能够完美地应用于各种加密产品。模块支持低功耗蓝牙：Bluetooth5，Bluetooth mesh。蓝牙速率支持：125Kbps，500Kbps，1Mbps，2Mbps。支持广播扩展，多广播，信道选择。

支持蓝牙和WIFI，就意味着可以进行很多的无线连接；同时乐鑫提供了大量的开源库，包括语音识别Skainet，可以方便的进行后期扩展。

音频编解码芯片：ADI MAX98357

MAX98357A/MAX98357B是数字脉冲编码调制(PCM)输入D类功率放大器，可提供AB类音频性能，同时具有D类的效率。器件在I2S/左对齐模式下通过单个增益设置输入可提供5中可选择增益(3dB、6dB、9dB、12dB、15dB)，在TDM模式下为固定12dB增益。

数字音频接口高度灵活，MAX98357A支持I²S数据，MAX98357B支持左对齐数据。两种器件均支持8通道时分复用(TDM)数据。对于所有支持的数据格式，数字音频接口可接收8KHz至96KHz的指定采样速率。 IC通过配置可将立体声输入数据转换成左声道、右声道、(左声道/2 + 右声道/2)输出。对于I2S和左对齐模式，IC采用16/24/32位数据工作，对于TDM模式，器件采用16位或32位数据工作。IC无需PCM通讯应用中的外部MCLK信号。这有助于减小EMI以及电路板的耦合问题，另外，也可减小电路板尺寸以及IC引脚数。

IC在BCLK和LRCLK上具有很高的宽带抖动容限(12ns典型值)，能够可靠工作。

有源辐射抑制、边沿速率限制以及过冲控制电路大大减小EMI。无需滤波的扩谱调制机制可省去传统D类器件中的输出滤波器件，可减少方案中的器件数量。

IC采用9引脚WLP (1.345mm x 1.435mm x 0.64mm)和16引脚TQFN (3mm x 3mm x 0.75mm)封装，工作在-40°C至+85°C温度范围。

声光敏感控制模块：

主要基于555芯片与声敏光敏电阻实现，天亮时，光敏二极管 VP 受到光线的影响，阻值变小，（亮阻小于 5K，暗阻大于 5M）。V 与 RP2分压值较低，555 的 4 脚电压很低，芯片被强制复位即 3 脚输出低电平，此时即使柱体扬声器 BM 接收到声音，555 的 3 脚输出仍是低电平，即控制双向晶闸管 VR 无触发信号，呈截止关断状态，灯 EL 不亮。天黑时，光敏二极管 VP 不受光照影响，因此阻值增大。与 RP2分压后电压增大，使555 芯片 4 脚电压升高，强制复位消除，当有声响时，柱体扬声器 BM 将声音信号转换成电信号，并加在三极管 VT 的基极，VT 放大的信号加在 555 的 2 脚，使 555 芯片的 3 脚输出由低电平转为高电平，双向晶闸管 VR 被触发导通，灯 EL 点亮。声音消失后，整个电路仍处于暂稳态，当电容上的电压充至 555 的 6 脚的阈值电压时，电容通过 7 脚放电，整个电路又回到初始状态。555 的暂态工作时间长短决定了灯的延时长短，可由 1.1RP1C3进行估算，调整电位器 RP1可改变灯的延时时间。

电源电池模块：

使用小电压电路、大容量的电池，在保证安全的前提下提供更久的使用时间，在停电等紧急情况下也能保障使用者的体验。

三、电路图

此处为声光敏感模块的电路图与使用面包板简单测试的结果：

四、总结

通过此次FastBond2阶段1，我设计了一款多功能智能台灯，可以通过蓝牙连接的智能手环的睡眠监测控制台灯的开关和亮度，也能够设置台灯定时开关以及光敏声敏开关，同时还能够使用麦克风语音控制上述功能，此外还有超长的续航时间。

希望这样一块智能和人性化的台灯能够得到使用者的喜欢。