圖書館音量提醒裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

路丹華

摘 要 本文以圖書館為背景，通過實時采集周圍聲音信號，對其進行放大、濾波，通過閾值比較器與設(shè)定的閾值進行比較；當音量超過閾值時LED燈亮起，進而實現(xiàn)提醒發(fā)聲人的目的。采用無控制器純電路方式實現(xiàn)，實際電路仿真及實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了預(yù)期功能，自適應(yīng)效果良好，能夠有效的提醒讀者降低音量，成本較低適合大規(guī)模部署和推廣。

【關(guān)鍵詞】圖書館 聲音信號 提醒 電路

圖書館是讀書、學習的場所，對于沒有固定教室的中學校園，更是學生重要的學習場所。然而，某些人講話音量過大會給其他人帶來干擾。近年來，電視等新聞媒體也在宣傳中國人出國旅游應(yīng)該學會低聲談話，維持公共場所的安靜。為此，本文提出一種成本低廉并且可以大規(guī)模部署的音量檢測電路，通過音量檢測自動、及時的提醒大音量發(fā)聲人，從而保持良好的閱讀環(huán)境。

1 電路設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)組成與工作原理

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。聲音信號被麥克風（MIC）采集后，經(jīng)過放大、濾波整形后與事先設(shè)定的閾值電壓進行比較，將比較結(jié)果作為輸入信號傳給LED燈。閾值設(shè)定利用電阻分壓原理，通過改變滑動變阻器的阻值來調(diào)節(jié)閾值電壓?？紤]到聲音信號的不連續(xù)性，在濾波整形模塊中利用RC電路對信號進行延時和平滑，避免LED燈的頻繁閃爍，從而更好的實現(xiàn)提醒的目的。

1.2 各模塊原理

聲音信號采集及放大電路：聲音信號由駐極體傳聲器采集后信號幅值為毫伏級別，需要進行放大。采用MAX9812芯片，其封裝尺寸小，內(nèi)置低噪聲麥克風偏置，該語音模塊固定增益20dB，對語音信號進行放到然后輸出。

濾波模塊：語音的頻率大約在100Hz-10，000Hz，但是圖書館內(nèi)談話的主要頻率在100-1000Hz。為了避免其它頻段的雜音信號，本文設(shè)計低通濾波器將高頻雜音信號濾除，取截止頻率ωc=1kHz

信號整形模塊：語音為交流信號，通過整形電路來延長峰值的衰減時間，從而避免LED的頻繁閃爍。通過如圖2所示的信號整形電路來捕捉信號最高幅值并保持一段時間，以達到延時的效果。取C5=100μF，R5=100kΩ，此處C5的取值決定充電時間，取值越大充電時間越長；R5的取值決定放電時間，取值越大放電時間越長。

閾值比較電路：如圖3所示，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器R9的阻值，來改變比較器同相輸入端的電壓，達到調(diào)整閾值的功能，當噪聲音量超過閾值時，比較器輸出低電平使LED燈變亮。此處的滑動變阻器可使用多段位電阻來代替，從而更方便的調(diào)整閥值。

2 仿真驗證

為了驗證整體設(shè)計和各模塊的可行性，使用Multisim進行在線仿真。Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計及仿真。本文提出的音量提醒系統(tǒng)采用圖4所示的電路進行仿真。

在設(shè)計中濾波和整形模塊尤為重要，我們首先對濾波模塊進行獨立驗證，輸入分別為200Hz、1kHz和2kHz的正弦信號，實驗結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯鲈摓V波模塊能夠很好的通過1kHz以內(nèi)的信號，而對1kHz以上信號有較好的過濾作用。為了避免不連續(xù)的語音信號帶來的LED頻繁閃爍，通過整形電路來延長衰減時間。整形電路實現(xiàn)的效果如圖6所示，圖中藍色為整形前波形，紅色為整形后波形，原始信號從4V幅度降為2V幅度的變化過程。

3 實驗驗證

為了進一步驗證該音量提醒方法的可行性，我們用實物進行實驗驗證，實驗用電路如圖7所示。在本次實驗中，對實驗效果、功耗進行了統(tǒng)計和測量。通過調(diào)節(jié)滑動變阻器，音量閾值最低約為15分貝（測量距離50cm）。當發(fā)聲人停止發(fā)生后，指示燈經(jīng)過平均2.5s后熄滅。通過測量各個運行狀態(tài)參數(shù)，計算功耗如表1所示。

4 結(jié)束語

本文提出了一種用于圖書館音量提醒的實驗方法和電路，通過仿真和實驗兩種方法驗證了該方法的可行性和有效性。由于采用無控制器純電路的方案，整體功耗和使用調(diào)試難度都得以降低。同時支持手動調(diào)節(jié)比較閾值，使應(yīng)用更加方便。本論文旨在利用所學到的知識提高圖書館等公共場所的環(huán)境，讓我們更好的讀書。

參考文獻

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作者單位

北京大學附屬中學 北京市 100080