基于环境噪声的广播音量自适应控制系统

王玉芳 汤 杰 曹 辉 沈慧想

(南京信息工程大学自动化系,江苏 南京 210044)

基于环境噪声的广播音量自适应控制系统

王玉芳 汤 杰 曹 辉 沈慧想

(南京信息工程大学自动化系,江苏 南京 210044)

为实现广播音量的自动调节，设计了基于环境噪声的广播音量自适应控制系统。系统以MSP430单片机为控制器，通过噪声检测电路采集大厅内的噪声信号，利用MSP430片内的A/D转换器将其转化为数字量并计算平均噪声；根据处理后的平均噪声，并利用音量控制电路切换分压电阻，实现了广播音量在动态多变噪声环境下的自适应控制。试验表明，系统结构简单、性价比高，对广播音量的自适应控制效果显著，能在保证大厅广播传播率的同时兼顾乘客的舒适度与节能性，具有良好的应用推广价值。

单片机 A/D转换器 自适应控制 噪声检测 分压电阻 语音播放

0 引言

在机场、车站及码头等公共交通枢纽中存在复杂的人为噪声，如旅客的嘈杂声、航班进港离港以及机车进出站所产生的噪声等[1-2]。这些噪声会直接影响乘客收听大厅广播的效果：若广播音量较小，会导致乘客听不清广播内容，错过出行的关键信息；若广播持续大音量播音，则会大大降低乘客的舒适度。文献[3]已关注公共广播音量对环境的污染问题。为了实现公共广播声压自动调控功能，其从理论上讨论了常用的信噪比自适应技术及方法，但并未涉及完整的音量自适应控制系统实现方案。因此，本文设计了基于环境噪声的广播音量自适应控制系统，系统根据检测到的实际环境噪声大小自动调节广播音量，使播音音量略高于环境噪声，既保证了广播的信息传播效率又兼顾了舒适性，同时也在一定程度上降低了广播播音的电能消耗。

1 系统结构

系统结构框图如图1所示。噪声检测电路采集大厅内的环境噪声，通过电容式驻极体话筒MIC将噪声声波转换为电压信号传送给单片机，利用单片机内集成的A/D转换器将电压信号转变为数字信号，并计算平均噪声；控制器根据平均噪声自适应调整音量控制电路中分压电阻的电位切换，控制语音播放电路的输出电压，实现音量的自适应控制。为了便于观测噪声及播音音量大小，系统设计了显示电路及按键电路。

图1 系统结构框图

Fig.1 Block diagram of systematic structure

2 系统硬件设计

2.1 控制器

由于本系统需根据环境噪声自适应控制播音音量，兼顾最佳效果及节约能源的双重目的，所以本系统选择了美国德州仪器公司MSP430系列16位单片机MSP430F149作为控制器，其具有功耗低、运算速度快[4-6]等特点。相对于51系列单片机而言，430系列单片机的I/O资源丰富，内部集成A/D转换模块，更符合本系统的设计应用需求。系统的晶振频率为8 MHz，指令执行时间可达到125 ns，采用22 pF起振电容，效果较好且稳定。

电源统一采用+3.3 V直流电源向控制器的数字电源和模拟电源供电，利用通用电源适配器输出+5 V直流电压，采用AM1117-3.3稳压芯片从+5 V中取得+3.3 V电压，完全能够满足控制器电源电压需求。同时，获得的+3.3 V电压被输入至控制器的VeREF+端，可为后期ADC采样提供参考电压。为了稳定电源，在控制器的数字电源和模拟电源引脚分别接0.1 μF的滤波电容。需要说明的是，在使用AM1117-3.3时，要在输入端和输出端并联滤波电容，起到稳定电源电压的作用。在+5 V电源端串接一个D1发光二极管作为电源指示灯，可判断电源有无电压。

2.2 噪声检测电路

系统的噪声检测电路如图2所示。

图2 噪声检测电路

Fig.2 The noise detection circuit

电容式驻极体话筒MIC将噪声声波转为电压信号，由C21低频滤波和C22高频滤波后，再经过可调电阻R21选择适当的噪声信号电压输入到运放LM386的IN+。LM386的1号和8号引脚是电压增益倍数选择端，接入10 μF电容，可实现LM386的200倍最高增益。当选择较高增益工作时，7号旁路引脚需要对地接入0.1 μF电容，以防止增益下降造成的不稳定工作等情况。在5号引脚的音频输出端，串接C24和R22到地进行高频滤波，经过C23电容低频滤波和D11去除可能出现的电源负压后到R20电位器，增益200倍的电信号在0～4 V范围内，超出单片机的最大采样电压+3.3 V，故通过R20调压后送到单片机的P6.0引脚。在P6.0检测端接入D10指示灯，即可直观地观察噪声的有无及大小。输出端接D12和R23，用来给C23电容放电，放电速度取决于R23的阻值，其目的是较快地反映噪声信号的平均直流电压，以保证噪声检测的实时性。为了消除电源适配器送出的5 V电源中可能夹杂的各种高低频噪声(尤其是低频噪声)，在检测模块电源输入端需并联C16大电容，以去除来自电源中的、不必要的噪声干扰。

系统采用MSP 430单片机片内集成的12位A/D转换器将电压信号转变为数字量，无需另外搭建外围A/D转换电路。MSP430F149的P6端口为8路模拟信号外部输入通道，对模拟信息进行检查，以满足实时数据处理的要求。MSP430F149的A/D转换由寄存器AD12SSEL选择内核时钟源，寄存器ADC12DIV选择分频系数，寄存器SHT控制采样周期。该系统单片机设置的采样周期是128 μs。每次采样后，ADC硬件会自动将转换结果存放到相应的ADC12MEN寄存器中。本系统采样128个点，去降极点后取所有有效数据点的均值作为噪声信号平均噪声点。因为环境噪声的不确定性，可能在某个瞬间出现异常较大噪声，所以将检测时间设置为3 s，并计算3 s内平均噪声作为环境噪声值。

2.3 语音播放电路

为了模拟大厅的广播播音，系统采用华邦公司的ISD1760语音芯片。该芯片可以进行录音，且芯片内部具有自动增益控制、内置扬声器驱动等功能[7]。在ISD1760芯片20号引脚串联振荡电阻Rosc来自定芯片的采样频率，其采样频率可在4～12 kHz的范围内选取，不同的采样频率储存的时间长度不同，系统根据实际播音的平均时长采用8 kHz的采样频率。ISD1760芯片的工作电压为2.4～5.5 V，最高不能超过6 V。芯片有多个电源端，其中，1号引脚数字电源(Vccd)、14号引脚扬声器驱动电源(Vccp)和21号引脚模拟电源(Vcca)均接+5 V电源端供电，同时在芯片输入端并联电容滤除干扰信号。在使用内部自动增益控制电路时，需要在芯片的18号引脚AGC端串接4.7 μF有极电容，以达到自动增益的目的。ISD1760同样可直接进行按键操作，19号引脚VOL控制音量大小，23号引脚PLAY控制声音的播放与停止。本系统只需要将VOL引脚和PLAY引脚连接到按键电路，其余引脚悬空不接。ISD1760的13号和15号引脚为语音播放的输出端口。

2.4 音量控制电路

为了达到控制音量的目的，本系统采用电阻进行信号分压，分压电阻的阻值取决于控制器P1.0、P1.1和P1.2引脚的状态。根据ADC采样得到平均噪声大小，通过控制单片机P1.0、P1.1及P1.2端口的输出状态，控制常闭继电器的吸合来切换分压电阻，具体分压电阻大小根据实际情况而定。总体而言，噪声越小则和扬声器串联的分压电阻越大，扬声器播音越小；反之，扬声器串联的分压电阻越小，扬声器播音越大。分压电阻的电位输出分别接在ISD1760语音芯片的13号和15号引脚上。

2.5 按键电路

为了增加广播音量控制的可靠性，设计了按键电路。S3按键接在ISD1760的23号引脚上进行播放/停止控制，按下给予端口低电平信号，由语音芯片播放广播语音。播放端口同时受控制器的控制，因为考虑到随时有按下按键的可能，需要串联一个100 Ω电阻，否则易造成控制器I/O口短路。S4和S5分别是中断检测端和单次/循环模式端，分别和控制器的P2.0和P2.1端口相连接。P2.0和P2.1须接上拉电阻，否则按键无法正常工作。S4中断检测是指在系统播放广播时，人为进行强制停止进行检测噪声。S5单次/循环播放模式根据实际情况设置，单次模式指广播进行一次环境噪声检测并播放一段广播录音即停止，循环模式则是指系统在检测状态和播放状态来回循环。

考虑到系统的安全性和稳定性，一旦音量自适应控制出现故障，为保证音量可调，设计了手动调节音量功能。S2音量增减键与语音芯片第19号引脚VOL相连。S2控制音量的加减操作，每按一下，音量便会减小一档，达到最小档位后再次按下S2键，音量跳到最大档位，如此循环以控制音量大小。音量手动调节功能共有8个音量档位供选择。每次按下S2键，音量大小会改变4 dB，初始上电时音量默认设置为最大档位。

2.6 显示电路

为了便于观测系统的工作过程，系统采用LCD1602液晶器[8]显示平均采样电压(由噪声检测电路输出经过单片机滤波计算后的电压)、系统工作状态(检测、播放和停止)、噪声大小及当前音量调节方式(自动和手动)。LCD1602的1号和2号引脚分别为电源的对地端和+5 V电压端，3号引脚为模块显示对比度控制引脚，接地时对比度最高，在此接入100 Ω可调电阻，方便随时调节对比度；作为控制端口的4～6号引脚,分别由单片机的P4.5～P4.7端口控制;7～14号引脚为8位双向数据端，与单片机的P5口相连;15～16号引脚为背光灯电源正负极。

3 系统软件设计

系统软件采用C语言编程，为了便于调试、提高软件的可移植性，采用模块化程序设计结构。系统流程如图3所示。

图3 系统流程图

Fig.3 Flowchart of the system

系统上电后，初始化程序完成特殊功能寄存器和I/O端口设定，进入主程序。首先检测按键电路，判定音量调节方式。若按键电路为自动调节模式，则检测大厅内的环境噪声并计算其平均值，根据噪声平均值切换分压电阻，控制语音播放的输出电压，实现音量的自适应控制；若按键电路为手动调节方式，则通过按键状态控制语音的多档位音量输出。显示电路可直观地显示音量调节方式及系统状态等信息。

4 系统试验

在系统试验中，利用语音播放芯片ISD1760录制一段音频模拟实际的广播播音，通过电容式驻极体话筒MIC采集噪声并输入系统中，根据平均噪声切换分压电阻控制语音播放音量。实际检测到的平均噪声小则表明控制播音音量小，平均噪声高则表明播音音量高，必须始终保持播音音量高于检测到的环境平均噪声。经过反复试验，确定如表1所示的噪声大小、分压电阻、I/O状态(P1.0、P1.1及P1.2)和输出音量的对应关系。当环境噪声变化时，系统的播音音量能够自适应调节。同时，对系统的手动调节音量功能进行了测试，通过音量增减键可人为控制音量大小调节。系统上电时，音量默认设置为最大档位，每按一次音量增减键，音量输出减少4 dB， 共设置8个音量调节档位。 当音量减小至最低档位， 再次按下音量增减键，音量将跳至最大档位，如此循环手动调节音量大小。

表1 音量控制关系Tab.1 Volume control relation

5 结束语

结合单片机结构紧凑及内置资源丰富的特点，设计了基于MSP430单片机的广播音量自适应控制系统。试验结果表明，系统能够根据检测到的噪声大小自动调整广播音量，自适应控制效果良好，既保证了复杂环境噪声下乘客既能够听清广播内容，又避免了持续的大音量广播对舒适度的影响和电力资源的消耗。该系统硬件结构简单，软件设计灵活，性价比高，具有良好的应用价值和推广前景。

[1] 梁笑娟,宋刚,吴启航,等.广州市地铁噪声水平调查和分析[J].环境科学与技术,2008,31(12):113-115,163.

[2] 刘玉洁,李国.基于多方式传输的机场噪声自动监测系统[J].自动化仪表,2007(3):55-57,68.

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[4] 李斌,马珺.新型低功耗明渠流量计的设计[J].自动化仪表,2015,34(12):92-94,98.

[5] 胡泽,李强,葛亮.低功耗无线压力变送器研究设计[J].自动化仪表,2013,34(12):87-90.

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[7] 崔巍,曹新亮,王孟德.一种低成本的病床呼叫系统[J].现代电子技术,2014,37(3):91-93.

[8] 曹浩彤,刘艳.基于430单片机的简易频率计设计[J].微型机与应用,2014,33(21):92-94.

Adaptive Broadcast Volume Control System Based on Ambient Noises

To achieve the dynamic adjustment of the broadcast volume,the adaptive control system based on ambient volume for broadcast volume is designed.The system takes MSP430 single chip computer as the controller,and collects the ambient noises in the hall through noise detection circuit.The internal A/D converter in MSP430 is used to transform the ambient noises into digital values,and then calculate the average noise.According to the average noise,the dividing resistors are switched over by the volume control circuit,and the adaptive control of the broadcast volume under dynamically varied noisy environment is realized.The tests indicate that the system is simple in structure and offers high cost effectiveness,the adaptive control effect of broadcast volume is remarkable; the broadcast transmission rate is guaranteed,and both the passenger comfort and energy saving are satisfied.The system has good application and promotion values.

Single chip microcomputer A/D convertor Adaptive control Noise detection Dividing resistors Voice playback

江苏省高校自然科学研究面上基金资助项目(编号：16KJD460005);

江苏省大学生创新创业训练计划基金资助项目(编号：201513982007Y )。

王玉芳(1979— )，女，2015年毕业于东南大学控制理论与控制工程专业，获博士学位，讲师; 主要从事智能控制系统及控制技术应用方向的研究。

TH86;TP216

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201612004

修改稿收到日期：2016-07-13。