基于位權(quán)凸輪組合方式點(diǎn)顯的盲文電子閱讀器設(shè)計(jì)

王子卓

研究設(shè)計(jì)

研究目的

采用位權(quán)凸輪組和凸輪頂桿機(jī)構(gòu)，使得1個(gè)舵機(jī)同時(shí)控制3個(gè)盲顯點(diǎn)的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)一種低成本、易實(shí)現(xiàn)的盲顯點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方法，設(shè)計(jì)出一種實(shí)用創(chuàng)新的盲文電子閱讀器。

降低閱讀器件成本的突破點(diǎn)

致密的盲顯點(diǎn)，導(dǎo)致了其驅(qū)動(dòng)制造的難度非常大。市面上已有的盲文顯示器主要有壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)、記憶合金驅(qū)動(dòng)、電磁鐵驅(qū)動(dòng)等幾種驅(qū)動(dòng)方式，這些驅(qū)動(dòng)方式均采用了一對(duì)一驅(qū)動(dòng)。其中，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)和記憶合金驅(qū)動(dòng)屬于特種驅(qū)動(dòng)方式，體積雖然輕巧，但是造價(jià)昂貴；電磁鐵驅(qū)動(dòng)屬于常規(guī)驅(qū)動(dòng)，但是受到尺寸限制，其制作工藝復(fù)雜，重量和能耗均較高。綜合以上分析，降低盲文顯示器的成本，可以從以下方面著手：①將一對(duì)一驅(qū)動(dòng)改為一對(duì)多驅(qū)動(dòng)，節(jié)省驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量；②降低驅(qū)動(dòng)器的幾何尺寸要求，以便能夠采用常規(guī)驅(qū)動(dòng)元件。

新的驅(qū)動(dòng)原理介紹

傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式是1個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)1個(gè)盲顯點(diǎn)，本設(shè)計(jì)基于二進(jìn)制位權(quán)原理，采用位權(quán)組合，1個(gè)驅(qū)動(dòng)器可以驅(qū)動(dòng)3個(gè)盲顯點(diǎn)，位權(quán)組合凸輪如圖1所示。

盲文的一方由6個(gè)盲顯點(diǎn)組成3x2的陣列，分左半方和右半方，每個(gè)半方由3個(gè)盲顯點(diǎn)構(gòu)成的，每點(diǎn)有2種狀態(tài)，相當(dāng)于二進(jìn)制的0和1，所以半方有2-8種組合。當(dāng)舵機(jī)帶動(dòng)凸輪組0～180°旋轉(zhuǎn)時(shí)，凸輪組帶動(dòng)3個(gè)盲顯點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)8種組合狀態(tài)，從而達(dá)到1個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)3個(gè)盲顯點(diǎn)的目的。由于盲顯點(diǎn)通過(guò)凸輪驅(qū)動(dòng)，凸輪通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)可以遠(yuǎn)離盲顯區(qū)域，從而可以降低對(duì)驅(qū)動(dòng)器尺寸的要求。

研究過(guò)程

本設(shè)計(jì)從硬件和軟件2個(gè)方面完成了盲文電子閱讀器的設(shè)計(jì)，并對(duì)所設(shè)計(jì)的盲文電子閱讀器進(jìn)行了部分測(cè)試。

硬件設(shè)計(jì)

盲文電子閱讀器的硬件采用“顯示模塊+SD卡模塊+CPU模塊+盲文驅(qū)動(dòng)模塊+盲文顯示模塊”的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

◇盲文顯示模塊本文設(shè)計(jì)的盲文顯示模塊采用位權(quán)凸輪組合方式，其中凸輪頂桿機(jī)構(gòu)如圖2所示，凸輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，盲顯點(diǎn)可以上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)盲顯點(diǎn)的2種狀態(tài)。

1個(gè)位權(quán)凸輪組由3個(gè)盲顯點(diǎn)組成，位權(quán)凸輪組如圖3所示，由于每個(gè)盲顯點(diǎn)具備0和1兩種狀態(tài)，所以3個(gè)盲顯點(diǎn)的位權(quán)凸輪組在0～180°旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)2=8種組合方式。位權(quán)凸輪組旋轉(zhuǎn)角度和盲顯點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

例如，漢字“我”由聲母w和韻母。組成，則對(duì)應(yīng)的4個(gè)半方分別為：“101”、“001”、“010”和“001”。通過(guò)表1翻譯成角度即為112.5°、22.5°、45。和22.5°，將這4個(gè)角度發(fā)送給舵機(jī)則可表示漢字“我”。

盲顯點(diǎn)通過(guò)凸輪驅(qū)動(dòng)，凸輪通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，本設(shè)計(jì)中電機(jī)采用一款微型舵機(jī)實(shí)現(xiàn)。凸輪組和電機(jī)組合后，構(gòu)成了盲顯點(diǎn)的基本顯示單元。本設(shè)計(jì)中的盲文顯示模塊由32個(gè)基本顯示單元構(gòu)成。

◇盲文驅(qū)動(dòng)模塊盲文驅(qū)動(dòng)模塊的主要功能就是驅(qū)動(dòng)32個(gè)舵機(jī)按照設(shè)計(jì)表1所示的凸輪旋轉(zhuǎn)角度與盲顯點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。本文所設(shè)計(jì)的盲文驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)2塊PWM Shield forArduino舵機(jī)控制器和Arduino擴(kuò)展板實(shí)現(xiàn)。

◇CPU模塊本設(shè)計(jì)中的CPU模塊采用Silicon公司的C8051F410芯片。

SD卡模塊本設(shè)計(jì)中的SD模塊通過(guò)南京沁恒公司的CH376芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。

◇顯示模塊本設(shè)計(jì)中的顯示模塊通過(guò)1塊串口HMI觸摸顯示屏來(lái)實(shí)現(xiàn)。

軟件設(shè)計(jì)

主程序流程如圖4所示。

例如當(dāng)單片機(jī)接收到打開(kāi)文件命令時(shí)，單片機(jī)從命令中獲取需要打開(kāi)文件的序號(hào)，由序號(hào)獲取需要打開(kāi)文件的文件名，調(diào)用文件打開(kāi)函數(shù)打開(kāi)該文件，然后調(diào)用文件內(nèi)容讀取函數(shù)，讀取文件內(nèi)容前16字節(jié)，同時(shí)保持文件內(nèi)容偏移指針，在顯示屏上顯示文件內(nèi)容，接著調(diào)用GBK2312碼轉(zhuǎn)換漢語(yǔ)拼音函數(shù)，將這16個(gè)字節(jié)的GBK2312碼轉(zhuǎn)換成8個(gè)拼音，接著調(diào)用拼音轉(zhuǎn)換盲文函數(shù)，將這8個(gè)拼音轉(zhuǎn)換成盲文，再調(diào)用盲文舵機(jī)角度轉(zhuǎn)換函數(shù)，將這8個(gè)盲文轉(zhuǎn)換成16個(gè)舵機(jī)需要轉(zhuǎn)換的角度，最后將這16個(gè)角度發(fā)送給舵機(jī)，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪組進(jìn)行盲文顯示。

系統(tǒng)測(cè)試

盲文電子閱讀器實(shí)物如圖5所示，現(xiàn)階段已完成盲文驅(qū)動(dòng)的機(jī)械部分制作，盲顯點(diǎn)能夠在電機(jī)帶動(dòng)下動(dòng)作，為后續(xù)的盲文顯示打下了基礎(chǔ)。

創(chuàng)新點(diǎn)

◇利用二進(jìn)制位權(quán)原理實(shí)現(xiàn)了1個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)3個(gè)盲顯點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)，并采用凸輪頂桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的盲文點(diǎn)顯裝置。

◇通過(guò)1個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)3個(gè)盲顯點(diǎn)，使驅(qū)動(dòng)器數(shù)量減少了2/3，從而降低了盲文顯示器的制造成本。

◇利用凸輪頂桿機(jī)構(gòu)，使驅(qū)動(dòng)器遠(yuǎn)離盲文顯示區(qū)，降低對(duì)驅(qū)動(dòng)器幾何尺寸的要求，從而進(jìn)一步降低了制造成本。

項(xiàng)目的進(jìn)一步構(gòu)想

本文所設(shè)計(jì)的盲文電子閱讀器可以將漢字翻譯成盲文，由于翻譯過(guò)程是先將漢字翻譯成拼音，而后將拼音翻譯成盲文，拼音的具體含義需要結(jié)合大量的語(yǔ)義環(huán)境才能確定，所以翻譯過(guò)程中針對(duì)同音字會(huì)出現(xiàn)一定概率的翻譯錯(cuò)誤，因此下一步的構(gòu)想是進(jìn)行盲文輸入法的研究，期待能夠和搜狗等輸入法結(jié)合。

該項(xiàng)目獲得第32屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競(jìng)賽項(xiàng)目中學(xué)組工程學(xué)一等獎(jiǎng)。

專(zhuān)家評(píng)語(yǔ)

借鑒二進(jìn)制編碼原理，利用多個(gè)位權(quán)凸輪組合，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)盲顯點(diǎn)的顯示效果。所設(shè)計(jì)的點(diǎn)顯器有效降低了制造成本，有利于點(diǎn)顯器在盲人閱讀者中推廣使用。建議設(shè)計(jì)與電腦等信息資源系統(tǒng)的接口和相關(guān)軟件，以方便點(diǎn)顯器的使用。