图书馆音量提醒装置的设计与实现

摘 要 本文以图书馆为背景，通过实时采集周围声音信号，对其进行放大、滤波，通过阈值比较器与设定的阈值进行比较；当音量超过阈值时LED灯亮起，进而实现提醒发声人的目的。采用无控制器纯电路方式实现，实际电路仿真及实验结果表明，该系统实现了预期功能，自适应效果良好，能够有效的提醒读者降低音量，成本较低适合大规模部署和推广。

【关键词】图书馆 声音信号 提醒 电路

图书馆是读书、学习的场所，对于没有固定教室的中学校园，更是学生重要的学习场所。然而，某些人讲话音量过大会给其他人带来干扰。近年来，电视等新闻媒体也在宣传中国人出国旅游应该学会低声谈话，维持公共场所的安静。为此，本文提出一种成本低廉并且可以大规模部署的音量检测电路，通过音量检测自动、及时的提醒大音量发声人，从而保持良好的阅读环境。

1 电路设计方案

1.1 系统组成与工作原理

系统组成框图如图1所示。声音信号被麦克风（MIC）采集后，经过放大、滤波整形后与事先设定的阈值电压进行比较，将比较结果作为输入信号传给LED灯。阈值设定利用电阻分压原理，通过改变滑动变阻器的阻值来调节阈值电压。考虑到声音信号的不连续性，在滤波整形模块中利用RC电路对信号进行延时和平滑，避免LED灯的频繁闪烁，从而更好的实现提醒的目的。

1.2 各模块原理

声音信号采集及放大电路：声音信号由驻极体传声器采集后信号幅值为毫伏级别，需要进行放大。采用MAX9812芯片，其封装尺寸小，内置低噪声麦克风偏置，该语音模块固定增益20dB，对语音信号进行放到然后输出。

滤波模块：语音的频率大约在100Hz-10，000Hz，但是图书馆内谈话的主要频率在100-1000Hz。为了避免其它频段的杂音信号，本文设计低通滤波器将高频杂音信号滤除，取截止频率ωc=1kHz

信号整形模块：语音为交流信号，通过整形电路来延长峰值的衰减时间，从而避免LED的频繁闪烁。通过如图2所示的信号整形电路来捕捉信号最高幅值并保持一段时间，以达到延时的效果。取C5=100μF，R5=100kΩ，此处C5的取值决定充电时间，取值越大充电时间越长；R5的取值决定放电时间，取值越大放电时间越长。

阈值比较电路：如图3所示，通过调节滑动变阻器R9的阻值，来改变比较器同相输入端的电压，达到调整阈值的功能，当噪声音量超过阈值时，比较器输出低电平使LED灯变亮。此处的滑动变阻器可使用多段位电阻来代替，从而更方便的调整阀值。

2 仿真验证

为了验证整体设计和各模块的可行性，使用Multisim进行在线仿真。Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于模拟/数字电路板的设计及仿真。本文提出的音量提醒系统采用图4所示的电路进行仿真。

在设计中滤波和整形模块尤为重要，我们首先对滤波模块进行独立验证，输入分别为200Hz、1kHz和2kHz的正弦信号，实验结果如图5所示。可以看出该滤波模块能够很好的通过1kHz以内的信号，而对1kHz以上信号有较好的过滤作用。为了避免不连续的语音信号带来的LED频繁闪烁，通过整形电路来延长衰减时间。整形电路实现的效果如图6所示，图中蓝色为整形前波形，红色为整形后波形，原始信号从4V幅度降为2V幅度的变化过程。

3 实验验证

为了进一步验证该音量提醒方法的可行性，我们用实物进行实验验证，实验用电路如图7所示。在本次实验中，对实验效果、功耗进行了统计和测量。通过调节滑动变阻器，音量阈值最低约为15分贝（测量距离50cm）。当发声人停止发生后，指示灯经过平均2.5s后熄纭Mü测量各个运行状态参数，计算功耗如表1所示。

4 结束语

本文提出了一种用于图书馆音量提醒的实验方法和电路，通过仿真和实验两种方法验证了该方法的可行性和有效性。由于采用无控制器纯电路的方案，整体功耗和使用调试难度都得以降低。同时支持手动调节比较阈值，使应用更加方便。本论文旨在利用所学到的知识提高图书馆等公共场所的环境，让我们更好的读书。

参考文献

[1]寇戈，蒋立平.模拟电路与数字电路[M].北京：电子工业出版社，2008.

[2]培根，清褒.Multisim 10计算机虚拟仿真实验室[M].北京：电子工业出版社，2008.

[3]林占江著.电子测量实验教程[M].北京：电子工业出版社，2010.

作者单位

北京大学附属中学 北京市 100080