CN107360496B - 可根据环境自动调节音量的扬声器系统及调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可根据环境自动调节音量的扬声器系统及调节方法，包括用于收集人声信号和环境噪音的麦克风接收模块、用于分离人声信号和环境噪音的滤波电路模块、用于放大人声信号增益的增益放大电路、用于对增益放大电路的输出相加的加法器电路、用于判断噪声信号大小并控制增益放大电路的单片机、用于对加法器电路输出进行反相的反相器电路、用于输出人声信号的输出麦克风。本发明的扬声器系统利用麦克风收集环境噪音传至单片机进行计算来智能控制目标声音的放大增益大小。且利用运放等电子元件的特性电路在不改变电路参数的情况下做到了改变音量增益，且在智能调控的基础上，同时设置了手动控制选项来满足用户的需求。

Description

可根据环境自动调节音量的扬声器系统及调节方法

技术领域

本发明涉及自动控制系统及控制方法，特别是涉及一种可根据环境自动调节音量的扬声器系统及调节方法。

背景技术

在懒人设备日趋流行化的当代，自动化、智能化备受追捧。现在在一些活动中经常要使用到扩音器，虽然随着技术水平的不断提高，从以前的动圈式、电容式麦克风，再到后来的晶体式、炭粒式、铝带式麦克风，麦克风扬声器的品质也无疑越来越好。

但是，普通的麦克风在使用方面上往往有很大的局限性，现在的大多数扩音器都只能扩大到固定的音量，而在日常生活中人们与环境的声音是随时变化的，所以之前调好的音量可能下一刻被环境噪音所影响，使用者需要不断地调节放大增益，在实际应用中有诸多不便。

发明内容

发明目的：为解决现有技术的不足，本发明提供一种能够根据环境的背景分贝自动调节音量的扬声器系统及其调节方法。

技术方案：可根据环境自动调节音量的扬声器系统，包括用于收集人声信号和环境噪音的麦克风接收模块、用于分离人声信号和环境噪音的滤波电路模块、用于放大人声信号增益的增益放大电路、用于判断噪声信号大小并控制增益放大电路的单片机、用于对增益放大电路的输出相加的加法器电路、用于对加法器电路输出进行反相的反相器电路以及用于输出人声信号的输出麦克风。

所述麦克风接收模块与滤波电路模块串联连接，所述滤波电路模块包括并联连接的带通电路和高低通电路，所述增益放大电路包括N路并联连接的三极管导通电路。

所述带通电路输出与N路并联连接的三极管导通电路的集电极连接，N路并联连接的三极管导通电路的发射极均通过串联电阻与加法器电路的负输入端连接，所述加法器电路的输出端与反相器电路的负输入端连接，所述反相器电路输出与输出麦克风的输入相连。

所述高低通电路的输出与单片机的输入端连接，单片机的N路输出分别与N路并联连接的三极管导通电路的基极连接。

其中，所述麦克风接收模块包括放大电路，该放大电路将输出信号电压等比例调整到0～3.3V。所述带通电路的频段为80～500Hz，所述高低通电路的频段分别为500HZ以上和80Hz以下。所述单片机为K60，其包含ADC模块。所述N路并联连接的三极管导通电路中各支路串联的电阻值不相等。所述高低通电路与单片机输入端之间设有开关器，且所述加法器电路中运算放大器两端并联的电阻为滑动变阻器，以实现手动调节放大增益。所述高低通电路并联有一电容。

另一实施例，可根据环境自动调节音量的扬声器系统，包括麦克风接收模块、滤波电路模块、增益放大电路、单片机、加法器电路、反相器电路和输出麦克风。

麦克风接收模块，用于收集人声信号和环境噪音的复合声波，将声信号转化为电信号输出给滤波电路模块。

滤波电路模块，包括并联连接的带通电路和高低通电路，用于分离人声信号和环境噪音；所述带通电路分离出人声信号，并输出给增益放大电路；所述高低通电路分离出噪音信号，并输出给单片机。

增益放大电路，用于放大人声信号增益，包括N路并联连接的三极管导通电路，放大后的人声信号输出给N路并联连接的三极管导通电路的集电极，每路三极管导通电路的发射极通过串联电阻输出人声信号至加法器电路的负输入端。

单片机，用于判断噪声信号大小，并输出N路控制信号分别至N路并联连接的三极管导通电路的基极，用于控制增益放大电路的输出。

加法器电路，用于N路并联连接的三极管导通电路的输出相加，输出增益放大后的人声信号至反相器电路。

反相器电路，用于对加法器电路输出进行反相，输出增益放大后的人声信号至输出麦克风。

输出麦克风，用于将电信号转换为声信号输出。

一种调节所述扬声器系统的方法，包括以下步骤：

(1)复合声波的预处理

麦克风接收模块收集人声信号和环境噪音的复合声波，将声信号转化为电信号，放大电路根据不同的麦克风型号将输出信号电压等比例调整到0～3.3V，并输出电信号到滤波电路模块。

(2)人声信号与噪音信号的分离

滤波电路模块接收到麦克风接收模块发送出来的电信号，通过带通电路将80～500Hz的人声信号分离出来，高低通电路将80Hz以下及500HZ以上的噪音信号分离出来。

(3)自动调节增益

噪音信号通过ADC转化为数字电信号进入单片机，单片机判断信号大小，并将噪音信号分为四个档；其中，噪声信号为0.5V以下为一档，0.5～1.5V为二挡，1.5～2.5V为三挡，2.5～3.3V为四挡；对应的增益K分别为K，2K，2.8K和3.5K，其中K是基础增益，通过各输出端口控制增益放大电路的各路三极管导通与否来调节增益。

(4)手动调节增益

断开单片机前开关器以关闭自动调节模块，此时该扬声器转换为手动调节状态，通过手动调节加法器电路中的运放两端并联的滑动变阻器，以实现手动调节放大增益。

(5)放大增益信号输出

放大增益信号经过反相器通过输出麦克风输出。

有益效果：与现有技术相比，本发明的扬声器系统利用麦克风收集环境噪音传至单片机进行计算来智能控制目标声音的放大增益大小。且利用运放等电子元件的特性电路在不改变电路参数的情况下做到了改变音量增益，且在智能调控的基础上，同时设置了手动控制选项来满足用户的需求。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，可根据环境自动调节音量的扬声器系统，包括麦克风接收模块101、滤波电路模块102、增益放大电路103、单片机104、加法器电路105、反相器电路106和输出麦克风107。

麦克风接收模块收集人声信号和环境噪音的复合声波，将声信号转化为电信号，麦克风接收模块的放大电路(图中未画出)根据不同的麦克风型号将输出信号电压等比例调整到0-3.3V，并传入滤波电路模块。滤波电路模块由两部分并联而成：带通电路1021和高低通电路1022，复合声波转化的电信号同时流入带通电路和高低通电路。日常生活中，人说话声音频率主要集中在80-500Hz；而由于本发明的应用对象是教室和办公室等日常工作生活环境中，故此时环境噪音频率主要有以下几种：电脑主机噪音(频率范围500—1000赫兹)、挂钟秒表声(频率范围600—1000赫兹)、敲门声(频率范围500—1000赫兹)、揉搓纸张的声音(频率范围1500—2000赫兹)、手指间的摩擦声(频率范围4000—6000赫兹)、汽车喇叭声(频率范围1500—3000赫兹)、冷气器和变压器的噪音(频率范围约30-60Hz)等，故综上所述取20-80Hz及500Hz以上频段为噪声频段。带通电路频段设为80～500Hz，其可将80～500Hz频段的人声信号分离出来；高低通电路的频段设为80Hz以下及500HZ以上，其可将80Hz以下及500HZ以上频段的噪音信号分离出来。

人声信号不通过单片机而直接流入增益放大电路，有效的防止了人声信号的失真。利用高低通电路截取的环境噪音信号流入单片机进行判断，在流入单片机前并联一电容来稳定噪音信号的幅值，以防出现波形突变，使得单片机的判断更为准确。本发明在信号识别部分选用的是K60单片机，使用其中的ADC模块使最终电路变得更加紧凑，同时具有判断精确性和设计严谨性两大优势。在噪音信号通过ADC转化为数电流入单片机后，单片机判断噪音信号大小：噪音信号为0.5V以下为一档、0.5～1.5V为二挡、1.5～2.5V为三挡和2.5～3.3V为四挡。对应的增益K分别为K、2K、2.8K和3.5K，其中K是基础增益，通过单片机的一系列输出端口控制增益放大电路的三极管导通与否来调节增益。

人声信号不通过单片机而直接流入增益放大电路，增益放大电路包括四路并联连接的三级管导通电路，四个三极管由单片机控制。四个并联支路最后并入运算放大器中，构成一个加法器电路，且由于各个支路串联的电阻值不相同，故实现不同的放大增益。在加法器电路中的运放两端并联的电阻为滑动变阻器，这样可以让使用者在智能调控的同时也可以手动调节放大增益。最后由于加法器的运放输出的为反向电压，故在末尾加一反向器电路来使输出电压正向，最终流入输出麦克风。

如图2所示，该扬声器系统的电路为：

带通电路1021为RC滤波电路，其中，放大器U1型号为LM741，在其负输入端接有RC滤波电阻和电容，其中，R5为10kΩ，C2为100nF，C1＝100nF，R6＝6kΩ；正输入端接有电阻R2，大小为1kΩ，且放大器U1正输入端与负输入端之间串联有电阻R3和R4，其大小均为10kΩ；放大器输出端与增益放大电路103的输入连接。

高低通电路1022为两个并联连接的RC电路，其中，C3为199nF，R7为10kΩ，C4为318nF，R8为1kΩ；两个RC电路并联一个电容C5后通过开关器J1连接到单片机MK60DN512ZVLQ10的A5输入端口，电容C5大小为796mF。

增益放大电路包括四路并列连接的三极管导通电路，上述放大器U1的输出端均与四路并联连接的三极管导通电路中的三极管Q1、Q2、Q3和Q4的集电极连接，三极管型号均为9013，三极管Q1、Q2、Q3和Q4的发射极分别串联有电阻R13、R1、R12和R11，电阻大小分别为1kΩ、1.2kΩ、1.5kΩ和1kΩ；单片机U2的输出端口DQ0、DQ1、DQ2和DQ3分别输出至三极管Q4、Q1、Q2和Q3的基极，以控制三极管的通断，达到调节增益的目的。最后四路并联连接的三极管导通电路输出给加法器电路105的负输入端。

加法器电路包括放大器U3，型号为LM741，其负输入端与输出端并联有滑动变阻器R15，大小为1kΩ，输出端串联一个电阻R14后连接至反相器106的负输入端，R14大小为1kΩ。

反相器U4的负输入端与输出端并联有电阻R9，大小为1kΩ，U4型号为LM741。最后反相器输出端连接至输出麦克风，转化为声信号输出。0

本发明在制定方案的过程中做了大量有关声噪比的实验，通过实验数据拟合了在实际生活中的噪声—声噪比曲线，得出了在不同分贝的环境噪音下的声噪比不是一确定值，而是随环境噪音分贝变化而变化的值的结论，故本方案将放大电路中的电阻值进行了调整以满足这种变化。且为了让本方案设计更富有人性化，在增益放大电路加入了可变电阻，这样使得不同的用户在使用本项目产品时在自动调节的范围外可根据自身需求调节输出的音量大小。本方案在单片机输入端前加入了一个开关，这样在某些特定场合下，也可以通过断开单片机前开关来关闭自动调节模块，此时该扬声器就是普通的手动调节的扬声器。

一种调节所述扬声器系统的方法，包括以下步骤：

(1)复合声波的预处理

麦克风接收模块收集人声信号和环境噪音的复合声波，将声信号转化为电信号，放大电路根据不同的麦克风型号将输出信号电压等比例调整到0～3.3V，并输出电信号到滤波电路模块。

(2)人声信号与噪音信号的分离

滤波电路模块接收到麦克风接收模块发送出来的电信号，通过带通电路将80～500Hz的人声信号分离出来，高低通电路将80Hz以下及500HZ以上的噪音信号分离出来。

(3)自动调节增益

噪音信号通过ADC转化为数字电信号进入单片机，单片机判断信号大小，并将噪音信号分为四个档；其中，噪声信号为0.5V以下为一档，0.5～1.5V为二挡，1.5～2.5V为三挡，2.5～3.3V为四挡；对应的增益K分别为K，2K，2.8K和3.5K，其中K是基础增益，通过各输出端口控制增益放大电路的各路三极管导通与否来调节增益。

(4)手动调节增益

断开单片机前开关器以关闭自动调节模块，此时该扬声器转换为手动调节状态，通过手动调节加法器电路中的运放两端并联的滑动变阻器，以实现手动调节放大增益。

(5)放大增益信号输出

放大增益信号经过反相器通过输出麦克风输出。

在课堂上老师用应用该可根据环境自动调节音量扬声器系统的扩音器在给学生们上课。当课堂较为安静时，扬声器自动判断选择一个较小的人声放大增益；突然间有同学敲门，这时敲门声(频率范围500—1000赫兹)作为环境噪音将干扰扩音器原本的老师讲课声，影响了同学的听讲质量；由于扩音器采用了本专利的可根据环境自动调节音量扬声器系统，故当敲门声响起时，系统自动识别敲门声的大小选择了一个较大的放大增益使得老师的讲课声同步变大，同学们的听的依然清晰，听讲质量也不会下降。

Claims (9)

1.可根据环境自动调节音量的扬声器系统，其特征在于，包括：用于收集人声信号和环境噪音的麦克风接收模块(101)、用于分离人声信号和环境噪音的滤波电路模块(102)、用于放大人声信号增益的增益放大电路(103)、用于判断噪声信号大小并控制增益放大电路的单片机(104)、用于对增益放大电路的输出相加的加法器电路(105)、用于对加法器电路输出进行反相的反相器电路(106)以及用于输出人声信号的输出麦克风(107)；

所述麦克风接收模块与滤波电路模块串联连接，所述滤波电路模块包括并联连接的带通电路(1021)和高低通电路(1022)，所述增益放大电路(103)包括N路并联连接的三极管导通电路；

所述带通电路输出与N路并联连接的三极管导通电路的集电极连接，N路并联连接的三极管导通电路的发射极均通过串联电阻与加法器电路(105)的负输入端连接，所述加法器电路的输出端与反相器电路(106)的负输入端连接，所述反相器电路输出与输出麦克风的输入相连；

所述高低通电路的输出与单片机(104)的输入端连接，单片机的N路输出分别与N路并联连接的三极管导通电路的基极连接。

2.根据权利要求1所述的扬声器系统，其特征在于：所述麦克风接收模块包括放大电路，该放大电路将输出信号电压等比例调整到0～3.3V。

3.根据权利要求1所述的扬声器系统，其特征在于：所述带通电路的频段为80～500Hz，所述高低通电路的频段分别为500HZ以上和80Hz以下。

4.根据权利要求1所述的扬声器系统，其特征在于：所述单片机为K60，其包含ADC模块。

5.根据权利要求1所述的扬声器系统，其特征在于：所述N路并联连接的三极管导通电路中各支路串联的电阻值不相等。

6.根据权利要求1所述的扬声器系统，其特征在于：所述高低通电路与单片机输入端之间设有开关器，且所述加法器电路中运算放大器两端并联的电阻为滑动变阻器，以实现手动调节放大增益。

7.根据权利要求1所述的扬声器系统，其特征在于：所述高低通电路并联有一电容。

8.可根据环境自动调节音量的扬声器系统，其特征在于：包括麦克风接收模块、滤波电路模块、增益放大电路、加法器电路、单片机、反相器电路和输出麦克风；

麦克风接收模块，用于收集人声信号和环境噪音的复合声波，将声信号转化为电信号输出给滤波电路模块；

滤波电路模块，包括并联连接的带通电路和高低通电路，用于分离人声信号和环境噪音；所述带通电路分离出人声信号，并输出给增益放大电路；所述高低通电路分离出噪音信号，并输出给单片机；

增益放大电路，用于放大人声信号增益，包括N路并联连接的三极管导通电路，放大后的人声信号输出给N路并联连接的三极管导通电路的集电极，每路三极管导通电路的发射极通过串联电阻输出人声信号至加法器电路的负输入端；

加法器电路，用于N路并联连接的三极管导通电路的输出相加，输出增益放大后的人声信号至反相器电路；

单片机，用于判断噪声信号大小，并输出N路控制信号分别至N路并联连接的三极管导通电路的基极，用于控制增益放大电路的输出；

反相器电路，用于对加法器电路输出进行反相，输出增益放大后的人声信号至输出麦克风；

输出麦克风，用于将电信号转换为声信号输出。

9.一种调节权利要求1至7任一项所述扬声器系统的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)复合声波的预处理

麦克风接收模块收集人声信号和环境噪音的复合声波，将声信号转化为电信号，放大电路根据不同的麦克风型号将输出信号电压等比例调整到0～3.3V，并输出电信号到滤波电路模块；

(2)人声信号与噪音信号的分离

滤波电路模块接收到麦克风接收模块发送出来的电信号，通过带通电路将80～500Hz的人声信号分离出来，高低通电路将80Hz以下及500HZ以上的噪音信号分离出来；

(3)自动调节增益

噪音信号通过ADC转化为数字电信号进入单片机，单片机判断信号大小，并将噪音信号分为四个档；其中，噪声信号为0.5V以下为一档，0.5～1.5V为二挡，1.5～2.5V为三挡，2.5～3.3V为四挡；对应的增益K分别为K，2K，2.8K和3.5K，其中K是基础增益，通过各输出端口控制增益放大电路的各路三极管导通与否来调节增益；

(4)手动调节增益

断开单片机前开关器以关闭自动调节模块，此时该扬声器转换为手动调节状态，通过手动调节加法器电路中的运放两端并联的滑动变阻器，以实现手动调节放大增益；

(5)放大增益信号输出

放大增益信号经过反相器通过输出麦克风输出。

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