一種多功能麥克風(fēng)電教環(huán)的設(shè)計(jì)

趙惟儀 陸娟 李文霞 劉嘉興 王亞楠

摘? 要：本項(xiàng)目以無(wú)線麥克風(fēng)為研究對(duì)象，將其創(chuàng)新改造為頸掛環(huán)式電教工具。即在麥克風(fēng)擴(kuò)音設(shè)備原有基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)以及電工電子等學(xué)科中的研究方法對(duì)其進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，進(jìn)而將PPT翻頁(yè)及激光引導(dǎo)功能整合其中。本設(shè)計(jì)旨在讓教師教學(xué)更加便利，解決教學(xué)過(guò)程中雙手無(wú)法同時(shí)完成的某些操作，從而達(dá)到使教學(xué)過(guò)程更加流暢，方便教師教學(xué)的目的。

關(guān)鍵詞：麥克風(fēng)電教環(huán);頸掛環(huán);多功能引導(dǎo)

中圖分類號(hào)：TN64? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）06-0053-03

1 概述

我國(guó)當(dāng)前教育發(fā)展水平日益提高，隨著九年義務(wù)教育的提出以及高等教育的提倡，國(guó)家對(duì)于教育發(fā)展的重視程度也逐漸加大，越來(lái)越多的人走入校園接受各階段教育。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)本科院校通常以專業(yè)或以一個(gè)學(xué)院的一個(gè)年級(jí)為單位進(jìn)行授課（尤其是思政類課程），大班授課模式成為本科階段教育的普遍情況。為了使學(xué)生能夠清晰接收講授內(nèi)容，每個(gè)教室都配備了麥克風(fēng)和音響等具有擴(kuò)音功能的教學(xué)輔助設(shè)備。無(wú)線麥克風(fēng)為教學(xué)擴(kuò)展了空間，更方便交互式討論式大課教學(xué)[1]。增強(qiáng)了聲音的傳輸效果。但這種手持式麥克風(fēng)穩(wěn)定性差、攜帶不方便、耗電快，教師在使用過(guò)程中需要不斷調(diào)整。在當(dāng)前建設(shè)多媒體校園的大背景下，藍(lán)牙麥克風(fēng)作為一種新的教學(xué)設(shè)備，在很多學(xué)校得到應(yīng)用[2]。但教師還要同時(shí)使用翻頁(yè)筆控制PPT，有時(shí)還需配合板書(shū)，教師雙手無(wú)法同時(shí)完成這些操作，切換使用這些教學(xué)輔助工具的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，講課效率和課堂質(zhì)量均受到一定程度的影響，因而一款綜合型多功能教學(xué)工具的研發(fā)是必要的。

國(guó)外相關(guān)研究發(fā)展較早，1963年研制出了第一款頸掛便攜式話筒MD212。國(guó)內(nèi)得益于電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，新式電教工具屢見(jiàn)不鮮，但目前市面單一擴(kuò)音型麥克風(fēng)及單一功能翻頁(yè)筆產(chǎn)品居多，集擴(kuò)音與翻頁(yè)等多功能為一體的電教工具的開(kāi)發(fā)少之又少。

本設(shè)計(jì)源于日常生活實(shí)踐，針對(duì)教師課堂使用教學(xué)輔助工具開(kāi)展研究，力圖改善傳統(tǒng)麥克風(fēng)的使用模式，同時(shí)將電教輔助的多種功能進(jìn)行整合。依據(jù)調(diào)頻傳輸、翻頁(yè)筆電路設(shè)計(jì)等相關(guān)物理原理對(duì)無(wú)線麥克風(fēng)使用原理進(jìn)行優(yōu)化，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了“頸掛環(huán)”式結(jié)構(gòu)，力爭(zhēng)優(yōu)化教學(xué)者的教學(xué)過(guò)程。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 總體功能設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)無(wú)線麥克風(fēng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將其創(chuàng)新改造為項(xiàng)鏈?zhǔn)诫娊坦ぞ摺Ｏ到y(tǒng)功能框圖如圖1所示，其實(shí)現(xiàn)功能如下：

（1）PPT翻頁(yè)：本裝置采用USB插頭與電教環(huán)主體進(jìn)行連接同時(shí)實(shí)現(xiàn)環(huán)內(nèi)蓄電池為其供電。

（2）激光引導(dǎo)：翻頁(yè)筆部分加入激光二極管，實(shí)現(xiàn)激光筆引導(dǎo)作用，便于演講者操作和發(fā)射[3]。縮小其電路體積，實(shí)現(xiàn)翻頁(yè)筆內(nèi)徑與環(huán)主體一致。

（3）擴(kuò)音功能：利用傳統(tǒng)麥克風(fēng)的傳聲方式，將電路進(jìn)行集成化與小型化，通過(guò)電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)聲音與電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，保證在信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的準(zhǔn)確度。

（4）蓄電功能：考慮電池消耗成本高，頻繁更換電池會(huì)導(dǎo)致電池簧片容易損耗[4]。故外置電源充電插口，充電插口裝置靠近麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)安裝，不僅達(dá)到簡(jiǎn)化連接結(jié)構(gòu)的目的，同時(shí)實(shí)現(xiàn)該裝置的蓄電功能。

2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

不同于以往頭掛式、手持式麥克風(fēng)形式，本設(shè)計(jì)的主體以懸掛于頸部的“頸掛環(huán)”形式展現(xiàn)，減少了因?yàn)轭^戴給使用者帶來(lái)的不舒適感，同時(shí)能夠最大限度的解放使用者雙手。

本設(shè)計(jì)將電教環(huán)整體劃分為三個(gè)區(qū)域：主體功能區(qū)，連接區(qū)及頸部接觸區(qū)。主體功能區(qū)采用制作眼鏡框架的高科技塑料記憶板材制作，輕便、硬度大且經(jīng)久耐用。接觸頸部區(qū)采用合金絲外包橡膠的設(shè)計(jì)，保證其彎曲度并減輕總體重量、提升佩戴者舒適度。連接區(qū)使用不銹鋼制成套筒，保證整體結(jié)構(gòu)的牢固和環(huán)式結(jié)構(gòu)的垂度。三個(gè)區(qū)域的具體連接方式有如下三種：

（1）USB連接：USB接口是最直接的數(shù)據(jù)和功率傳輸?shù)募~帶[5]。翻頁(yè)筆通過(guò)USB連接的方式與電教環(huán)連接區(qū)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)翻頁(yè)筆的蓄電。

（2）套管連接：將電教環(huán)接觸頸部區(qū)的橡膠套入下方連接區(qū)的硬質(zhì)管中實(shí)現(xiàn)連接。

（3）環(huán)橋連接：電教環(huán)主體功能區(qū)與連接區(qū)的連接由一個(gè)附加環(huán)橋?qū)崿F(xiàn)，這樣的連接方式既實(shí)現(xiàn)了美觀也劃分了區(qū)域。產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 整體電路設(shè)計(jì)

根據(jù)功能需要，繪制內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖如圖3。電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為如下板塊：

（1）語(yǔ)音采集：此部分由GB2（紐扣電池）作為電源，在拾音器上并聯(lián)NPN型半導(dǎo)體管，作為開(kāi)關(guān)，當(dāng)UBM>UbeQ時(shí)，拾音器上電工作，開(kāi)始采集音頻。利用放大器將信號(hào)進(jìn)行放大，再經(jīng)RC濾波電路濾波。

（2）充電電路：干電池充電電路為220V經(jīng)變壓器（容量T為10V*A）降壓為5V，在通過(guò)全波整流電路將交流轉(zhuǎn)直流，對(duì)裝置進(jìn)行供電（充電時(shí)會(huì)有LED發(fā)光指示）。

（3）翻頁(yè)筆簡(jiǎn)化電路：GB2供電，經(jīng)肖特基二極管向USB口接電，USB-mini與翻頁(yè)筆相連，暫留兩個(gè)按鍵，控制外射激光和射頻翻頁(yè)。

3.2 電路各模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 語(yǔ)音采集模塊設(shè)計(jì)

語(yǔ)音采集模塊設(shè)計(jì)原理為利用拾音器將收集的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)由放大器將微小信號(hào)放大，最后通過(guò)濾波器得到較高質(zhì)量的音頻信號(hào)。本設(shè)計(jì)將手拿式麥克風(fēng)改為頸掛式麥克風(fēng)，聲源空間增大導(dǎo)致不可控噪聲增加，因此對(duì)拾音器的性能要求增大。故采用高性能拾音器，最大可能降低噪音還原人聲。

純硬件電路實(shí)驗(yàn)證明各模塊級(jí)聯(lián)后，現(xiàn)有精度難以達(dá)到仿真水平，而且發(fā)射機(jī)系統(tǒng)體積難以縮小，不符合設(shè)計(jì)實(shí)際要求，故而改變方案選用集成度高的電路方案。所以，借助軟件無(wú)線電實(shí)現(xiàn)的新方案，原理圖由三部分組成，拾音器部分，晶振，核心芯片及其外圍電路，使硬件部分趨于“微型”。輸入的程序中使用了ADC12，DAC12 和USCI 模塊的I2C通信模式和SPI模式。在主函數(shù)中先將各模塊初始化，使用者在TFT液晶屏上選擇想發(fā)的FM波，ADC12模塊會(huì)將這些信息記錄起來(lái)經(jīng)過(guò)處理（SPI協(xié)議），變?yōu)閱纹瑱C(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)I2C協(xié)議與RAD5820進(jìn)行同步串口通信使其能夠發(fā)送預(yù)期的頻率。最后將發(fā)送的頻率在TFT 屏幕上記錄出來(lái)，并保留其調(diào)頻功能。

接收器可以使用普通FM收音機(jī)或手機(jī)的收音機(jī)功能，外插音頻線連入普通音箱，即可實(shí)現(xiàn)音頻接收。調(diào)頻發(fā)射機(jī)技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）設(shè)計(jì)與制作一個(gè)調(diào)頻發(fā)射機(jī)， 要求載波頻率fS為102.9MHz頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-4。

（2）調(diào)制信號(hào)頻率為88～108MHz;在調(diào)制信號(hào)振幅為1V時(shí)，最大頻偏為105kHz，發(fā)射機(jī)負(fù)載阻抗為50Ω。

（3）在發(fā)射機(jī)輸出功率Po≤50mW時(shí)，收音機(jī)音頻無(wú)明顯失真條件下，通信距離≥15m，可穿墻。

（4）發(fā)射機(jī)整機(jī)效率≥35%。

（5）發(fā)射機(jī)能進(jìn)行語(yǔ)言和音樂(lè)的無(wú)線通信。

3.2.2 翻頁(yè)筆模塊設(shè)計(jì)

翻頁(yè)筆采用的是遠(yuǎn)程遙控技術(shù)，基于藍(lán)牙無(wú)線通信，在使用時(shí)只需將接收器插入電腦主機(jī)的USB接口，無(wú)需安裝驅(qū)動(dòng)即可正常工作[6]。通過(guò)翻頁(yè)筆的上下翻頁(yè)按鈕直接遠(yuǎn)程遙控電腦或多媒體投影設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自由翻頁(yè)和隨意演示功能。使該遙控藍(lán)牙翻頁(yè)筆的主要功能實(shí)現(xiàn)上下遙控翻頁(yè)和廣播連接功能等。上電后，翻頁(yè)筆向PC 機(jī)進(jìn)行廣播，PC 機(jī)找到翻頁(yè)筆設(shè)備。擬藍(lán)牙翻頁(yè)筆電路采用瑞薩RL78/G1D 單片機(jī)。按鍵電路原理圖如圖4所示，電源電路原理圖如圖5所示，激光LED驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖6所示。

3.2.3 充電模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選擇用220V電向GB1（干電池）充電，作為GB2充電的過(guò)渡，改為直接向紐扣電池充電，改進(jìn)設(shè)計(jì)整流濾波穩(wěn)壓電路。盡量避免使用開(kāi)關(guān)電源，此外在根據(jù)降壓芯片的工作電流選擇限流電阻，用7333芯片將5V電壓轉(zhuǎn)為3.3V電壓供電。充電電路的電源電路設(shè)計(jì)是重點(diǎn)，要結(jié)合翻頁(yè)筆和語(yǔ)音發(fā)射器模塊的工作電流和工作電壓決定，當(dāng)兩功能電路工作狀態(tài)確定，利用紐扣電池的已知供電電壓（3V）選擇合適的升壓降壓模塊輸出電壓。這樣的充電電路設(shè)計(jì)既保證了穩(wěn)定的供電，又能有效節(jié)約成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)音、激光引導(dǎo)、PPT翻頁(yè)、防輻射、可充電多功能一體化電教輔助工具為研究目標(biāo)，從初始麥克風(fēng)擴(kuò)音功能研究，將其外觀從普通的手持式改良為項(xiàng)鏈?zhǔn)剑瑫r(shí)考慮PPT翻頁(yè)功能和激光引導(dǎo)功能與麥克風(fēng)進(jìn)行連接，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備的多功能一體化。不僅在教學(xué)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了教師解放雙手的初衷，并且在此基礎(chǔ)上引申研究了麥克風(fēng)設(shè)備的充電功能和頸掛電教環(huán)的預(yù)防電波輻射的功能，充分考慮了教師在教學(xué)過(guò)程中可能出現(xiàn)的各類不便因素，力爭(zhēng)為教師教學(xué)營(yíng)造方便快捷的環(huán)境。

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