一种多功能麦克风电教环的设计

赵惟仪 陆娟 李文霞 刘嘉兴 王亚楠

摘  要：本项目以无线麦克风为研究对象，将其创新改造为颈挂环式电教工具。即在麦克风扩音设备原有基础上，综合应用工业设计学、机械设计学以及电工电子等学科中的研究方法对其进行创新设计，进而将PPT翻页及激光引导功能整合其中。本设计旨在让教师教学更加便利，解决教学过程中双手无法同时完成的某些操作，从而达到使教学过程更加流畅，方便教师教学的目的。

关键词：麦克风电教环;颈挂环;多功能引导

中图分类号：TN64          文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）06-0053-03

1 概述

我国当前教育发展水平日益提高，随着九年义务教育的提出以及高等教育的提倡，国家对于教育发展的重视程度也逐渐加大，越来越多的人走入校园接受各阶段教育。现阶段国内本科院校通常以专业或以一个学院的一个年级为单位进行授课（尤其是思政类课程），大班授课模式成为本科阶段教育的普遍情况。为了使学生能够清晰接收讲授内容，每个教室都配备了麦克风和音响等具有扩音功能的教学辅助设备。无线麦克风为教学扩展了空间，更方便交互式讨论式大课教学[1]。增强了声音的传输效果。但这种手持式麦克风稳定性差、携带不方便、耗电快，教师在使用过程中需要不断调整。在当前建设多媒体校园的大背景下，蓝牙麦克风作为一种新的教学设备，在很多学校得到应用[2]。但教师还要同时使用翻页笔控制PPT，有时还需配合板书，教师双手无法同时完成这些操作，切换使用这些教学辅助工具的现象时有发生，讲课效率和课堂质量均受到一定程度的影响，因而一款综合型多功能教学工具的研发是必要的。

国外相关研究发展较早，1963年研制出了第一款颈挂便携式话筒MD212。国内得益于电子产业的飞速发展，新式电教工具屡见不鲜，但目前市面单一扩音型麦克风及单一功能翻页笔产品居多，集扩音与翻页等多功能为一体的电教工具的开发少之又少。

本设计源于日常生活实践，针对教师课堂使用教学辅助工具开展研究，力图改善传统麦克风的使用模式，同时将电教辅助的多种功能进行整合。依据调频传输、翻页笔电路设计等相关物理原理对无线麦克风使用原理进行优化，创新设计了“颈挂环”式结构，力争优化教学者的教学过程。

2 总体设计

2.1 总体功能设计

本设计在传统无线麦克风设计的基础上，将其创新改造为项链式电教工具。系统功能框图如图1所示，其实现功能如下：

（1）PPT翻页：本装置采用USB插头与电教环主体进行连接同时实现环内蓄电池为其供电。

（2）激光引导：翻页笔部分加入激光二极管，实现激光笔引导作用，便于演讲者操作和发射[3]。缩小其电路体积，实现翻页笔内径与环主体一致。

（3）扩音功能：利用传统麦克风的传声方式，将电路进行集成化与小型化，通过电路设计实现声音与电信号之间的转换，保证在信号转换过程中的准确度。

（4）蓄电功能：考虑电池消耗成本高，频繁更换电池会导致电池簧片容易损耗[4]。故外置电源充电插口，充电插口装置靠近麦克风结构安装，不仅达到简化连接结构的目的，同时实现该装置的蓄电功能。

2.2 总体结构设计

不同于以往头挂式、手持式麦克风形式，本设计的主体以悬挂于颈部的“颈挂环”形式展现，减少了因为头戴给使用者带来的不舒适感，同时能够最大限度的解放使用者双手。

本设计将电教环整体划分为三个区域：主体功能区，连接区及颈部接触区。主体功能区采用制作眼镜框架的高科技塑料记忆板材制作，轻便、硬度大且经久耐用。接触颈部区采用合金丝外包橡胶的设计，保证其弯曲度并减轻总体重量、提升佩戴者舒适度。连接区使用不锈钢制成套筒，保证整体结构的牢固和环式结构的垂度。三个区域的具体连接方式有如下三种：

（1）USB连接：USB接口是最直接的数据和功率传输的纽带[5]。翻页笔通过USB连接的方式与电教环连接区进行连接，实现翻页笔的蓄电。

（2）套管连接：将电教环接触颈部区的橡胶套入下方连接区的硬质管中实现连接。

（3）环桥连接：电教环主体功能区与连接区的连接由一个附加环桥实现，这样的连接方式既实现了美观也划分了区域。产品总体结构如图2所示。

3 内部电路结构设计

3.1 整体电路设计

根据功能需要，绘制内部电路结构图如图3。电路内部结构分为如下板块：

（1）语音采集：此部分由GB2（纽扣电池）作为电源，在拾音器上并联NPN型半导体管，作为开关，当UBM>UbeQ时，拾音器上电工作，开始采集音频。利用放大器将信号进行放大，再经RC滤波电路滤波。

（2）充电电路：干电池充电电路为220V经变压器（容量T为10V*A）降压为5V，在通过全波整流电路将交流转直流，对装置进行供电（充电時会有LED发光指示）。

（3）翻页笔简化电路：GB2供电，经肖特基二极管向USB口接电，USB-mini与翻页笔相连，暂留两个按键，控制外射激光和射频翻页。

3.2 电路各模块设计

3.2.1 语音采集模块设计

语音采集模块设计原理为利用拾音器将收集的声音信号转换为电信号，再经由放大器将微小信号放大，最后通过滤波器得到较高质量的音频信号。本设计将手拿式麦克风改为颈挂式麦克风，声源空间增大导致不可控噪声增加，因此对拾音器的性能要求增大。故采用高性能拾音器，最大可能降低噪音还原人声。

纯硬件电路实验证明各模块级联后，现有精度难以达到仿真水平，而且发射机系统体积难以缩小，不符合设计实际要求，故而改变方案选用集成度高的电路方案。所以，借助软件无线电实现的新方案，原理图由三部分组成，拾音器部分，晶振，核心芯片及其外围电路，使硬件部分趋于“微型”。输入的程序中使用了ADC12，DAC12 和USCI 模块的I2C通信模式和SPI模式。在主函数中先将各模块初始化，使用者在TFT液晶屏上选择想发的FM波，ADC12模块会将这些信息记录起来经过处理（SPI协议），变为单片机可以识别的数字信号，通过I2C协议与RAD5820进行同步串口通信使其能够发送预期的频率。最后将发送的频率在TFT 屏幕上记录出来，并保留其调频功能。

接收器可以使用普通FM收音机或手机的收音机功能，外插音频线连入普通音箱，即可实现音频接收。调频发射机技术指标如下：

（1）设计与制作一个调频发射机， 要求载波频率fS为102.9MHz频率稳定度优于10-4。

（2）调制信号频率为88～108MHz;在调制信号振幅为1V时，最大频偏为105kHz，发射机负载阻抗为50Ω。

（3）在发射机输出功率Po≤50mW时，收音机音频无明显失真条件下，通信距离≥15m，可穿墙。

（4）发射机整机效率≥35%。

（5）发射机能进行语言和音乐的无线通信。

3.2.2 翻页笔模块设计

翻页笔采用的是远程遥控技术，基于蓝牙无线通信，在使用时只需将接收器插入电脑主机的USB接口，无需安装驱动即可正常工作[6]。通过翻页笔的上下翻页按钮直接远程遥控电脑或多媒体投影设备，实现自由翻页和随意演示功能。使该遥控蓝牙翻页笔的主要功能实现上下遥控翻页和广播连接功能等。上电后，翻页笔向PC 机进行广播，PC 机找到翻页笔设备。拟蓝牙翻页笔电路采用瑞萨RL78/G1D 单片机。按键电路原理图如图4所示，电源电路原理图如图5所示，激光LED驱动电路原理图如图6所示。

3.2.3 充电模块设计

本设计选择用220V电向GB1（干电池）充电，作为GB2充电的过渡，改为直接向纽扣电池充电，改进设计整流滤波稳压电路。尽量避免使用开关电源，此外在根据降压芯片的工作电流选择限流电阻，用7333芯片将5V电压转为3.3V电压供电。充电电路的电源电路设计是重点，要结合翻页笔和语音发射器模块的工作电流和工作电压决定，当两功能电路工作状态确定，利用纽扣电池的已知供电电压（3V）选择合适的升压降压模块输出电压。这样的充电电路设计既保证了稳定的供电，又能有效节约成本。

4 结束语

本设计以实现扩音、激光引导、PPT翻页、防辐射、可充电多功能一体化电教辅助工具为研究目标，从初始麦克风扩音功能研究，将其外观从普通的手持式改良为项链式，同时考虑PPT翻页功能和激光引导功能与麦克风进行连接，最终实现设备的多功能一体化。不仅在教学过程中实现了教师解放双手的初衷，并且在此基础上引申研究了麦克风设备的充电功能和颈挂电教环的预防电波辐射的功能，充分考虑了教师在教学过程中可能出现的各类不便因素，力争为教师教学营造方便快捷的环境。

参考文献：

[1]靳连生.谈谈教学用无线麦克风[J].中國电化教育，2002（08）：83.

[2]张红升，陈鸿跃，朱仁义.支持双麦克风的蓝牙无线接收器及在教学中的应用[J].教育教学论坛，2017（36）：273-274.

[3]张屹峰.多媒体教室的自制激光笔交互系统[D].上海交通大学，2013.

[4]黄珲.多媒体课室无线麦克风的分析与改进[J].科技创新导报，2009（06）：254.

[5]俞德军.基于USBTYPE-C协议的大功率智能电源技术研究[D].电子科技大学，2018.

[6]王静.激光翻页笔原理浅析[J].中国科技信息，2009（21）：128.