一種多功能麥克風電教環(huán)的設計

趙惟儀 陸娟 李文霞 劉嘉興 王亞楠

摘? 要：本項目以無線麥克風為研究對象，將其創(chuàng)新改造為頸掛環(huán)式電教工具。即在麥克風擴音設備原有基礎上，綜合應用工業(yè)設計學、機械設計學以及電工電子等學科中的研究方法對其進行創(chuàng)新設計，進而將PPT翻頁及激光引導功能整合其中。本設計旨在讓教師教學更加便利，解決教學過程中雙手無法同時完成的某些操作，從而達到使教學過程更加流暢，方便教師教學的目的。

關鍵詞：麥克風電教環(huán);頸掛環(huán);多功能引導

中圖分類號：TN64? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）06-0053-03

1 概述

我國當前教育發(fā)展水平日益提高，隨著九年義務教育的提出以及高等教育的提倡，國家對于教育發(fā)展的重視程度也逐漸加大，越來越多的人走入校園接受各階段教育。現(xiàn)階段國內本科院校通常以專業(yè)或以一個學院的一個年級為單位進行授課（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。為了使學生能夠清晰接收講授內容，每個教室都配備了麥克風和音響等具有擴音功能的教學輔助設備。無線麥克風為教學擴展了空間，更方便交互式討論式大課教學[1]。增強了聲音的傳輸效果。但這種手持式麥克風穩(wěn)定性差、攜帶不方便、耗電快，教師在使用過程中需要不斷調整。在當前建設多媒體校園的大背景下，藍牙麥克風作為一種新的教學設備，在很多學校得到應用[2]。但教師還要同時使用翻頁筆控制PPT，有時還需配合板書，教師雙手無法同時完成這些操作，切換使用這些教學輔助工具的現(xiàn)象時有發(fā)生，講課效率和課堂質量均受到一定程度的影響，因而一款綜合型多功能教學工具的研發(fā)是必要的。

國外相關研究發(fā)展較早，1963年研制出了第一款頸掛便攜式話筒MD212。國內得益于電子產業(yè)的飛速發(fā)展，新式電教工具屢見不鮮，但目前市面單一擴音型麥克風及單一功能翻頁筆產品居多，集擴音與翻頁等多功能為一體的電教工具的開發(fā)少之又少。

本設計源于日常生活實踐，針對教師課堂使用教學輔助工具開展研究，力圖改善傳統(tǒng)麥克風的使用模式，同時將電教輔助的多種功能進行整合。依據調頻傳輸、翻頁筆電路設計等相關物理原理對無線麥克風使用原理進行優(yōu)化，創(chuàng)新設計了“頸掛環(huán)”式結構，力爭優(yōu)化教學者的教學過程。

2 總體設計

2.1 總體功能設計

本設計在傳統(tǒng)無線麥克風設計的基礎上，將其創(chuàng)新改造為項鏈式電教工具。系統(tǒng)功能框圖如圖1所示，其實現(xiàn)功能如下：

（1）PPT翻頁：本裝置采用USB插頭與電教環(huán)主體進行連接同時實現(xiàn)環(huán)內蓄電池為其供電。

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

（3）擴音功能：利用傳統(tǒng)麥克風的傳聲方式，將電路進行集成化與小型化，通過電路設計實現(xiàn)聲音與電信號之間的轉換，保證在信號轉換過程中的準確度。

（4）蓄電功能：考慮電池消耗成本高，頻繁更換電池會導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結構安裝，不僅達到簡化連接結構的目的，同時實現(xiàn)該裝置的蓄電功能。

2.2 總體結構設計

不同于以往頭掛式、手持式麥克風形式，本設計的主體以懸掛于頸部的“頸掛環(huán)”形式展現(xiàn)，減少了因為頭戴給使用者帶來的不舒適感，同時能夠最大限度的解放使用者雙手。

本設計將電教環(huán)整體劃分為三個區(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、硬度大且經久耐用。接觸頸部區(qū)采用合金絲外包橡膠的設計，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，保證整體結構的牢固和環(huán)式結構的垂度。三個區(qū)域的具體連接方式有如下三種：

（1）USB連接：USB接口是最直接的數據和功率傳輸的紐帶[5]。翻頁筆通過USB連接的方式與電教環(huán)連接區(qū)進行連接，實現(xiàn)翻頁筆的蓄電。

（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)的硬質管中實現(xiàn)連接。

（3）環(huán)橋連接：電教環(huán)主體功能區(qū)與連接區(qū)的連接由一個附加環(huán)橋實現(xiàn)，這樣的連接方式既實現(xiàn)了美觀也劃分了區(qū)域。產品總體結構如圖2所示。

3 內部電路結構設計

3.1 整體電路設計

根據功能需要，繪制內部電路結構圖如圖3。電路內部結構分為如下板塊：

（1）語音采集：此部分由GB2（紐扣電池）作為電源，在拾音器上并聯(lián)NPN型半導體管，作為開關，當UBM>UbeQ時，拾音器上電工作，開始采集音頻。利用放大器將信號進行放大，再經RC濾波電路濾波。

（2）充電電路：干電池充電電路為220V經變壓器（容量T為10V*A）降壓為5V，在通過全波整流電路將交流轉直流，對裝置進行供電（充電時會有LED發(fā)光指示）。

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

3.2 電路各模塊設計

3.2.1 語音采集模塊設計

語音采集模塊設計原理為利用拾音器將收集的聲音信號轉換為電信號，再經由放大器將微小信號放大，最后通過濾波器得到較高質量的音頻信號。本設計將手拿式麥克風改為頸掛式麥克風，聲源空間增大導致不可控噪聲增加，因此對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。

純硬件電路實驗證明各模塊級聯(lián)后，現(xiàn)有精度難以達到仿真水平，而且發(fā)射機系統(tǒng)體積難以縮小，不符合設計實際要求，故而改變方案選用集成度高的電路方案。所以，借助軟件無線電實現(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模塊會將這些信息記錄起來經過處理（SPI協(xié)議），變?yōu)閱纹瑱C可以識別的數字信號，通過I2C協(xié)議與RAD5820進行同步串口通信使其能夠發(fā)送預期的頻率。最后將發(fā)送的頻率在TFT 屏幕上記錄出來，并保留其調頻功能。

接收器可以使用普通FM收音機或手機的收音機功能，外插音頻線連入普通音箱，即可實現(xiàn)音頻接收。調頻發(fā)射機技術指標如下：

（1）設計與制作一個調頻發(fā)射機， 要求載波頻率fS為102.9MHz頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-4。

（2）調制信號頻率為88～108MHz;在調制信號振幅為1V時，最大頻偏為105kHz，發(fā)射機負載阻抗為50Ω。

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

（4）發(fā)射機整機效率≥35%。

（5）發(fā)射機能進行語言和音樂的無線通信。

3.2.2 翻頁筆模塊設計

翻頁筆采用的是遠程遙控技術，基于藍牙無線通信，在使用時只需將接收器插入電腦主機的USB接口，無需安裝驅動即可正常工作[6]。通過翻頁筆的上下翻頁按鈕直接遠程遙控電腦或多媒體投影設備，實現(xiàn)自由翻頁和隨意演示功能。使該遙控藍牙翻頁筆的主要功能實現(xiàn)上下遙控翻頁和廣播連接功能等。上電后，翻頁筆向PC 機進行廣播，PC 機找到翻頁筆設備。擬藍牙翻頁筆電路采用瑞薩RL78/G1D 單片機。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驅動電路原理圖如圖6所示。

3.2.3 充電模塊設計

本設計選擇用220V電向GB1（干電池）充電，作為GB2充電的過渡，改為直接向紐扣電池充電，改進設計整流濾波穩(wěn)壓電路。盡量避免使用開關電源，此外在根據降壓芯片的工作電流選擇限流電阻，用7333芯片將5V電壓轉為3.3V電壓供電。充電電路的電源電路設計是重點，要結合翻頁筆和語音發(fā)射器模塊的工作電流和工作電壓決定，當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。這樣的充電電路設計既保證了穩(wěn)定的供電，又能有效節(jié)約成本。

4 結束語

本設計以實現(xiàn)擴音、激光引導、PPT翻頁、防輻射、可充電多功能一體化電教輔助工具為研究目標，從初始麥克風擴音功能研究，將其外觀從普通的手持式改良為項鏈式，同時考慮PPT翻頁功能和激光引導功能與麥克風進行連接，最終實現(xiàn)設備的多功能一體化。不僅在教學過程中實現(xiàn)了教師解放雙手的初衷，并且在此基礎上引申研究了麥克風設備的充電功能和頸掛電教環(huán)的預防電波輻射的功能，充分考慮了教師在教學過程中可能出現(xiàn)的各類不便因素，力爭為教師教學營造方便快捷的環(huán)境。

參考文獻：

[1]靳連生.談談教學用無線麥克風[J].中國電化教育，2002（08）：83.

[2]張紅升，陳鴻躍，朱仁義.支持雙麥克風的藍牙無線接收器及在教學中的應用[J].教育教學論壇，2017（36）：273-274.

[3]張屹峰.多媒體教室的自制激光筆交互系統(tǒng)[D].上海交通大學，2013.

[4]黃琿.多媒體課室無線麥克風的分析與改進[J].科技創(chuàng)新導報，2009（06）：254.

[5]俞德軍.基于USBTYPE-C協(xié)議的大功率智能電源技術研究[D].電子科技大學，2018.

[6]王靜.激光翻頁筆原理淺析[J].中國科技信息，2009（21）：128.