多功能便攜式無線擴(kuò)音器改進(jìn)設(shè)計(jì)

何建威 雷源春

摘要：關(guān)于教學(xué)用便攜式多功能擴(kuò)音器體積大、質(zhì)量重、不方便攜帶、功耗大等缺點(diǎn)，使用戶有良好的體驗(yàn)，對教學(xué)用便攜式多功能擴(kuò)音器進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。通過軟硬件結(jié)合與外觀設(shè)計(jì)的改進(jìn)，將現(xiàn)有便攜式擴(kuò)音器由原來不良的用戶體驗(yàn)向多元化體驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，旨在使擴(kuò)音器由原來呆板木訥的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為具有一定符合現(xiàn)代人大方美觀的時(shí)尚設(shè)計(jì)，給用戶有更好的實(shí)用體驗(yàn)，以更好的提升課堂氛圍。

關(guān)鍵詞：擴(kuò)音器nRF24L01芯片；無線傳輸；數(shù)字音頻

現(xiàn)市場上已有的擴(kuò)音器主要以有線傳輸和模擬無線傳輸占大部分市場份額，由于各種原因使得用戶體現(xiàn)并不理想，如有線線材質(zhì)量差容易損壞、模擬的干擾大、設(shè)計(jì)體積大等原因，對現(xiàn)有教學(xué)用便攜式擴(kuò)音器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，使用戶有良好的體現(xiàn)。以提高可攜帶性、實(shí)用性、時(shí)尚性、功能性等優(yōu)點(diǎn)。以提升課堂教學(xué)氛圍。本文基于Atmega8和nRF24L01無線傳輸收發(fā)元件進(jìn)行電路內(nèi)部的方案設(shè)計(jì)，可利用nRF24L01芯片的智能尋址技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的任意匹配，以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)傳輸。通過Atmega8的D/A轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由Atmega8單片機(jī)、nRF24L01無線收發(fā)芯片、語音信號音頻放大運(yùn)放NE5532、集成音頻功率放大TDA2025，電源穩(wěn)壓模塊、可充鋰電池組成（圖1）。由麥克風(fēng)進(jìn)來的音頻信號通過運(yùn)算放大電路處理后的模擬信號經(jīng)過Atmega8內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過SPI接口與nRF24L01芯片進(jìn)行通信。在接收模塊中，由nRF24L01芯片組成的接收機(jī)接收發(fā)送機(jī)信號，再通過Atmega8轉(zhuǎn)換為PWM信號，通過低通濾波器轉(zhuǎn)為音頻信號。最后經(jīng)過TDA2025集成功率方法電路還原并放大輸入信號。

2 無線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用nRF24L01作為無線收發(fā)芯片，nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI 接口進(jìn)行設(shè)置。幾乎可以連接到各種單片機(jī)芯片，并完成無線數(shù)據(jù)傳送工作。當(dāng)其工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為0dBm 時(shí)電流消耗為11.3mA ，接收模式時(shí)電流消耗為12.3mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低，可以實(shí)現(xiàn)低功耗工作。

信號由Atmega8通過SPI接口傳送給nRF24L01芯片（圖2）。本系統(tǒng)采用連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，采樣頻率為20KHZ/8bit精度。轉(zhuǎn)換完成后出發(fā)ADC中斷，由于系統(tǒng)為便攜式設(shè)計(jì)，采用直流可充鋰電池供電，對MCU與RF芯片分別采用獨(dú)立的LDO穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓，以減少電流對芯片的相互影響。

信號接收電路由Atmega8與nRF24L01組成（圖3），無線語音信號通過nRF24L01的SPI接口傳送到Atmega8中，設(shè)置TCCR1A寄存器讓其工作在PWM，讓TIMER2工作在PWM比較匹配模式，修改換成緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)送至TIMER1，從而改變PWM占空比，實(shí)現(xiàn)PWM音頻信號的轉(zhuǎn)換。

3 低通濾波電路與功放電路

本設(shè)計(jì)采用RC低通濾波電路，功放則采用TDA2025集成功率芯片的BTL標(biāo)準(zhǔn)電路，以提高其輸出功率。TDA2025集成功率芯片其具有聲道分離高、電源接通是沖擊噪聲小、外接元件少，最大電壓增益可由外接電阻調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，非常適合于便攜式擴(kuò)音器做功率放大使用，其電壓驅(qū)動要求低，適合使用充電電池供電。

4 喇叭選擇與外觀

市面上大部分便攜式擴(kuò)音器體積和重量都比較大，這直接影響到用戶的體驗(yàn)和時(shí)尚性。大部分廠家只考慮到其使用性而忽略了其外觀性。因?yàn)槔裙β逝c體積的選擇直接關(guān)系到其重量與外形，要想得到音頻覆蓋面積廣，必須采用大尺寸全屏喇叭，而大功率的喇叭體積就無法做??；反之要想得到設(shè)計(jì)精美的外形，就得犧牲大尺寸喇叭。固然這是矛盾的，不能全面兼顧，只能選其一。本設(shè)計(jì)采用1.75寸8W的全頻喇叭，其靈敏度為90db，高度為18MM的全屏喇叭2個(gè)，組成陣列式喇叭，以抵消單個(gè)喇叭輸出功率不足的缺陷，從而為外觀的設(shè)計(jì)創(chuàng)造條件。

考慮到本系統(tǒng)在大空間場合使用的情況，在主擴(kuò)音器預(yù)留一個(gè)3.5MM音頻輸出接口，為外部擴(kuò)展功率放大使用，以提高其輸出功率。主擴(kuò)音器為扁平長方形，基于人體工學(xué)與視覺效果，與利于掛在手臂上等綜合考慮，外形外觀設(shè)計(jì)為90*60*30MM較為合適。擴(kuò)展音箱可設(shè)計(jì)成時(shí)尚的圓柱形，可參考市面上小型藍(lán)牙音頻音響外形做設(shè)計(jì)。

擴(kuò)展音箱與主擴(kuò)音器建模草圖

5 結(jié)語

由于本裝置采用數(shù)字傳輸，模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)無線傳輸再轉(zhuǎn)換為模擬信號，信號經(jīng)過多次的轉(zhuǎn)換，必然會產(chǎn)生不同程度的失真，并不能完全恢復(fù)原來的音頻信號，音質(zhì)必然會產(chǎn)生影響，無法與現(xiàn)有有的模擬音頻信號放大裝置作對比，這也是模擬音頻放大電路一直沿用到現(xiàn)在的原因，而全數(shù)字功放還不能得到較好的廣泛推廣，也是由于其輸出音質(zhì)達(dá)不到理想效果。但本設(shè)置并不在追求音質(zhì)方面考慮，這樣的輸出效果是可以接受的。

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