多功能便携式无线扩音器改进设计

何建威 雷源春

摘要：关于教学用便携式多功能扩音器体积大、质量重、不方便携带、功耗大等缺点，使用户有良好的体验，对教学用便携式多功能扩音器进行优化改进设计。通过软硬件结合与外观设计的改进，将现有便携式扩音器由原来不良的用户体验向多元化体验进行改进，旨在使扩音器由原来呆板木讷的设计转为具有一定符合现代人大方美观的时尚设计，给用户有更好的实用体验，以更好的提升课堂氛围。

关键词：扩音器nRF24L01芯片；无线传输；数字音频

现市场上已有的扩音器主要以有線传输和模拟无线传输占大部分市场份额，由于各种原因使得用户体现并不理想，如有线线材质量差容易损坏、模拟的干扰大、设计体积大等原因，对现有教学用便携式扩音器进行改进设计，使用户有良好的体现。以提高可携带性、实用性、时尚性、功能性等优点。以提升课堂教学氛围。本文基于Atmega8和nRF24L01无线传输收发元件进行电路内部的方案设计，可利用nRF24L01芯片的智能寻址技术，以实现对发射机与接收机之间的任意匹配，以实现点对点传输。通过Atmega8的D/A转换为模拟音频信号进行设计。

1 系统整体设计

系统由Atmega8单片机、nRF24L01无线收发芯片、语音信号音频放大运放NE5532、集成音频功率放大TDA2025，电源稳压模块、可充锂电池组成（图1）。由麦克风进来的音频信号通过运算放大电路处理后的模拟信号经过Atmega8内部A/D转换成数字信号，通过SPI接口与nRF24L01芯片进行通信。在接收模块中，由nRF24L01芯片组成的接收机接收发送机信号，再通过Atmega8转换为PWM信号，通过低通滤波器转为音频信号。最后经过TDA2025集成功率方法电路还原并放大输入信号。

2 无线收发模块设计

本设计采用nRF24L01作为无线收发芯片，nRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI 接口进行设置。几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。当其工作在发射模式下发射功率为0dBm 时电流消耗为11.3mA ，接收模式时电流消耗为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低，可以实现低功耗工作。

信号由Atmega8通过SPI接口传送给nRF24L01芯片（图2）。本系统采用连续转换模式，采样频率为20KHZ/8bit精度。转换完成后出发ADC中断，由于系统为便携式设计，采用直流可充锂电池供电，对MCU与RF芯片分别采用独立的LDO稳压芯片进行稳压，以减少电流对芯片的相互影响。

信号接收电路由Atmega8与nRF24L01组成（图3），无线语音信号通过nRF24L01的SPI接口传送到Atmega8中，设置TCCR1A寄存器让其工作在PWM，让TIMER2工作在PWM比较匹配模式，修改换成缓冲区数据，并把数据送至TIMER1，从而改变PWM占空比，实现PWM音频信号的转换。

3 低通滤波电路与功放电路

本设计采用RC低通滤波电路，功放则采用TDA2025集成功率芯片的BTL标准电路，以提高其输出功率。TDA2025集成功率芯片其具有声道分离高、电源接通是冲击噪声小、外接元件少，最大电压增益可由外接电阻调节等特点，非常适合于便携式扩音器做功率放大使用，其电压驱动要求低，适合使用充电电池供电。

4 喇叭选择与外观

市面上大部分便携式扩音器体积和重量都比较大，这直接影响到用户的体验和时尚性。大部分厂家只考虑到其使用性而忽略了其外观性。因为喇叭功率与体积的选择直接关系到其重量与外形，要想得到音频覆盖面积广，必须采用大尺寸全屏喇叭，而大功率的喇叭体积就无法做小；反之要想得到设计精美的外形，就得牺牲大尺寸喇叭。固然这是矛盾的，不能全面兼顾，只能选其一。本设计采用1.75寸8W的全频喇叭，其灵敏度为90db，高度为18MM的全屏喇叭2个，组成阵列式喇叭，以抵消单个喇叭输出功率不足的缺陷，从而为外观的设计创造条件。

考虑到本系统在大空间场合使用的情况，在主扩音器预留一个3.5MM音频输出接口，为外部扩展功率放大使用，以提高其输出功率。主扩音器为扁平长方形，基于人体工学与视觉效果，与利于挂在手臂上等综合考虑，外形外观设计为90*60*30MM较为合适。扩展音箱可设计成时尚的圆柱形，可参考市面上小型蓝牙音频音响外形做设计。

扩展音箱与主扩音器建模草图

5 结语

由于本装置采用数字传输，模拟信号转换为数字信号，经无线传输再转换为模拟信号，信号经过多次的转换，必然会产生不同程度的失真，并不能完全恢复原来的音频信号，音质必然会产生影响，无法与现有有的模拟音频信号放大装置作对比，这也是模拟音频放大电路一直沿用到现在的原因，而全数字功放还不能得到较好的广泛推广，也是由于其输出音质达不到理想效果。但本设置并不在追求音质方面考虑，这样的输出效果是可以接受的。

参考文献：

[1]罗志昕，杨文静，朱守正.基于Atmega8的数字功放设计[J].外围电子元器件，2007（7）：1617.

[2]卢官明，宗昉.数字音频原理及应用第3版[J].机械工业出版社，2017（5）：120150.

[3]张炜，王世练，高凯，朱江无线通信基础[J].科学出版社，2017（12）：6890.

[4]穆荣兵，熊丽娜.基于交互设计的可穿戴式教学扩音器设计研究[J].科技创新导报，2017：108109.

[5]Atmega8芯片资料来源：http：//www.waveshare.net/datasheet/ATMEL_PDF/ATmega8_cn.PDF.

[6]NRF24l01芯片资料来源：http：//www.waveshare.net/datasheet/Nordic_PDF/nRF24L01.PDF.