路丹華

摘 要 本文以圖書館為背景，通過實(shí)時(shí)采集周圍聲音信號，對其進(jìn)行放大、濾波，通過閾值比較器與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較；當(dāng)音量超過閾值時(shí)LED燈亮起，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提醒發(fā)聲人的目的。采用無控制器純電路方式實(shí)現(xiàn)，實(shí)際電路仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)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(xué)習(xí)的場所，對于沒有固定教室的中學(xué)校園，更是學(xué)生重要的學(xué)習(xí)場所。然而，某些人講話音量過大會(huì)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(xué)會(huì)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(dòng)、及時(shí)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(jì)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(fēng)（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(jìn)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(dòng)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(jìn)行延時(shí)和平滑，避免LED燈的頻繁閃爍，從而更好的實(shí)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(jìn)行放大。采用MAX9812芯片，其封裝尺寸小，內(nèi)置低噪聲麥克風(fēng)偏置，該語音模塊固定增益20dB，對語音信號進(jìn)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(jì)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(shí)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(shí)間，以達(dá)到延時(shí)的效果。取C5=100μF，R5=100kΩ，此處C5的取值決定充電時(shí)間，取值越大充電時(shí)間越長；R5的取值決定放電時(shí)間，取值越大放電時(shí)間越長。

閾值比較電路：如圖3所示，通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R9的阻值，來改變比較器同相輸入端的電壓，達(dá)到調(diào)整閾值的功能，當(dāng)噪聲音量超過閾值時(shí)，比較器輸出低電平使LED燈變亮。此處的滑動(dòng)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(yàn)證

為了驗(yàn)證整體設(shè)計(jì)和各模塊的可行性，使用Multisim進(jìn)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(jì)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(jìn)行仿真。

在設(shè)計(jì)中濾波和整形模塊尤為重要，我們首先對濾波模塊進(jìn)行獨(dú)立驗(yàn)證，輸入分別為200Hz、1kHz和2kHz的正弦信號，實(shí)驗(yàn)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(shí)間。整形電路實(shí)現(xiàn)的效果如圖6所示，圖中藍(lán)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該音量提醒方法的可行性，我們用實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)用電路如圖7所示。在本次實(shí)驗(yàn)中，對實(shí)驗(yàn)效果、功耗進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和測量。通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，音量閾值最低約為15分貝（測量距離50cm）。當(dāng)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(gè)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，計(jì)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(shí)驗(yàn)方法和電路，通過仿真和實(shí)驗(yàn)兩種方法驗(yàn)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(shí)支持手動(dòng)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(xué)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。

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作者單位

北京大學(xué)附屬中學(xué) 北京市 100080