繆朝陽,馮明春(通訊作者)
(滁州學院機械與電氣工程學院,安徽滁州,239000)
本設(shè)計是基于51單片機的早教機設(shè)計,面向的群體主要是是尚未入學的兒童。具有講解兒童小故事,播放幼兒動聽音樂,播放優(yōu)美古詩詞,播放簡單英語等學習輔助功能。主要由STC15F2K60S2單片機、電源單元、OLED模塊、解碼單元、功放單元、存儲單元、紅外遙控單元組成。本系統(tǒng)中語音播放模塊內(nèi)置內(nèi)存卡,含有多首幼兒趣味小故事、多首動聽音樂以及很多首唐詩宋詞、簡單幼兒英語歌曲。除了通過程序?qū)Κ毩存I進行設(shè)置,單片機通過按鍵執(zhí)行相應(yīng)的功能外,同時為了擺脫距離的限制,還專門設(shè)置了紅外接收模塊,可以通過遙控器長距離對早教機進行控制,并執(zhí)行相應(yīng)的播放、切換、暫停等功能,通過OLED顯示模塊,可以觀看到當前播放的內(nèi)容,通過遙控或者按鍵可以切換到下一首以及切換到其他內(nèi)容部分,系統(tǒng)的內(nèi)容也很容易修改??偠灾驹O(shè)計實用性很強,對于學齡前兒童具有非常大的幫助,讓他們在人生路上更好地奔跑。具體的系統(tǒng)框架圖,如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)框架圖
主控制器選用的單片機芯片型號為STC15F2K60S2,這是一款低功耗、高效率,抗干擾能力強的8位微控制器,具有可編程Flash存儲器、RAM、以及42位的I/O口線,芯片內(nèi)部含有看門狗定時器,全雙工串行口以及片內(nèi)高精度R/C振蕩時鐘。此外,處理器內(nèi)部含有多種工作方式,從而使得整個系統(tǒng)功耗更低,更加省電,同時運用該單片機能夠使得制作出的早教機更加小巧精致,增加了幼兒的學習興趣。
紅外接收模塊采用的芯片是HS0038B。該芯片采用的是環(huán)氧樹脂塑封封裝結(jié)構(gòu),因此可以對信號進行長距離的接收。它的解調(diào)輸出信號可以通過微處理器進行直接解碼,并且支持所有的傳輸碼。該芯片采用的是一種特殊的紅外接收電路,具有集成度高、體積小、低功耗、密封性好、靈敏度高、抗干擾能力強等優(yōu)點,增加了早教機接收指令的靈敏度。當然為了完善早教機的功能,也留有相應(yīng)的按鍵接口。相比較常規(guī)的按鍵控制,紅外接收模塊的設(shè)計則彌補了按鍵控制進行遠距離控制的弊端,讓兒童隨時隨地進行早期學習教育。
JQ8900-TF語音播報模塊支持中英文播放、播放完成后自動停止,具備專用的busy輸出指示;不僅能夠提升幼兒的專注力,還對于呵護幼兒聽力有非常重大的意義。為了達到預(yù)定的效果,可以先把預(yù)先準備好的音頻下載到的JQ-8900TF語音播報模塊中去,然后再程序中設(shè)定達到警報閾值后觸發(fā)JQ-8900TF語音播報模塊來驅(qū)動揚聲器發(fā)出對應(yīng)的不同的早教機聲音。
溫度檢測模塊使用的是DS18B20溫度傳感器,這也是我們在使用51單片機進行溫度檢測時常用的一款溫度傳感器。測量溫度范圍為-55~+125℃,測溫分辨率為0.5℃。具有體積小,價格便宜,抗干擾能力強,封裝形式多樣,精度高等優(yōu)點。在早教機開機時能夠顯示室內(nèi)的環(huán)境溫度,對于呵護幼兒健康有著非常重要的作用。
顯示模塊采用的是1.3寸帶有中英文字庫的OLED液晶顯示屏,可以通過SH1106和SSD1306來進行控制,在本裝置中所采用的是控制芯片是SH1106,起始地址為0x02。該顯示模塊芯片GT20L16S1Y是一款自身帶有字符庫的芯片,不需要再去寫字符庫,采用的是SPI串行總線接口,工作電壓為2.2V~3.6V,支持GB2312漢字國標,排列方式為豎置橫排。通過該顯示模塊可以顯示出早教機對應(yīng)的開機界面以及播放曲目內(nèi)容等。
在程序初始化以后,緊接著執(zhí)行主程序,初始狀態(tài)為自動控制模式,OLED顯示模塊會自動顯示出當前溫度以及早教機所含有的教學內(nèi)容。當按下對應(yīng)按鍵,系統(tǒng)會進行不同模式轉(zhuǎn)換,可以轉(zhuǎn)換成兒歌模式、古詩詞模式、小故事模式以及英語教學模式。系統(tǒng)主程序流程圖,如圖2所示。每種模式下會有對應(yīng)的不同風格的曲目內(nèi)容,可以根據(jù)幼兒的不同喜好來進行選擇,也可以通過不同按鍵值來進行當前內(nèi)容的暫停以及音量調(diào)節(jié)功能??紤]到按鍵控制的弊端后,特意添加了紅外接收模塊,可以遠距離進行控制,不僅對保護幼兒的視力有著非常大的作用,而且避免兒童把它一直放在身邊造成聽力損傷的困擾,正是有了液晶屏實時顯示的不同內(nèi)容,打開了兒童通往外界的大門,在一定程度上,不僅激發(fā)了他們的學習興趣,對提升創(chuàng)造力、大腦智力也有非常大的作用。
圖2 系統(tǒng)主程序流程圖
接通電源,按下開關(guān)按鍵,觀察OLED液晶顯示模塊顯示狀態(tài)。剛開始時觀察顯示屏上出現(xiàn):基于51單片機的早教機設(shè)計、姓名、當前溫度,以及當前音量值的大小。通過對程序的修正和不斷改進,最終使顯示屏顯示出預(yù)定的內(nèi)容。正常開機顯示界面,如圖3所示。
圖3 正常開機顯示界面
當OLED顯示模塊正確顯示出預(yù)定目標內(nèi)容時,然后通過紅外遙控選擇早教機的不同模式。從而菜單欄會對應(yīng)顯示出不同模式對應(yīng)下的子文件內(nèi)容。觀察OLED顯示屏是否能正確顯示出早教機的不同模式以及對應(yīng)模式下的不同內(nèi)容。
通過兒歌模式,伴隨著歡快而又動聽的兒歌,不僅能夠幫助兒童認識大自然和自己所處的生活環(huán)境,而且還能發(fā)展他們的思維能力和自我表達能力,提高自我運用語言的能力,對于提高自身智力也有一定的幫助。兒歌模式下面對應(yīng)6首曲目,由于顯示模塊面積的限制,6首曲目每3首分別在一個界面顯示,下面的故事、故事英語模式也是這樣規(guī)定。經(jīng)過調(diào)試,發(fā)現(xiàn)兒歌模式一切正常。兒歌模式如圖4所示。
圖4 兒歌模式
經(jīng)過仔細測試,古詩模式狀態(tài)一切很好,正確顯示出預(yù)先安排的內(nèi)容。通過古詩模式,不僅開發(fā)了幼兒的大腦,也使得幼兒對中國古代文化有了一定的了解,增加了對古詩詞熱愛的同時也對培養(yǎng)自身學習興趣有著很大的幫助。古詩模式如圖5所示。
圖5 古詩模式
在故事模式下,經(jīng)過測試,可以發(fā)現(xiàn)通過紅外遙控不同功能鍵來切換不同故事。OLED液晶顯示模塊可以正常顯示出故事模式的當前內(nèi)容。通過故事模式,兒童可以聆聽到繪聲繪色、娓娓動聽的多首小故事,對于提高語言表達能力和豐富自己的想象力有很大益處,也在一定程度上激發(fā)兒童的創(chuàng)新能力,積極學習科學文化知識。相應(yīng)故事模式如圖6所示。
圖6 故事模式
通過測試,發(fā)現(xiàn)英語模式,在對其進行檢測時可以看到按下紅外遙控CH+鍵時菜單欄切換到英語模式,再次按下NEXT鍵可以切換到對應(yīng)模式下的不同內(nèi)容模塊:即英語模式,如圖7所示。通過英語模式,培養(yǎng)幼兒對于英語學習的語感,在糾正發(fā)音的同時自我表達能力也得到了一定的鍛煉。
圖7 英語模式
接著通過紅外遙控的不同功能鍵來選擇不同模式下的不同曲目內(nèi)容,每種模式下含有6首曲目,觀察是否能夠正確選擇及顯示。然后,通過EQ鍵對于選定的某一模式下的曲目進行播放,播放界面,如圖8所示;通過PLAY/PAUSE鍵來暫停對當前所選曲目的播放,暫停界面,如圖9所示。
圖8 播放界面
圖9 暫停界面
通過VOL+/VOL-鍵來對當前播放曲目的音量進行調(diào)節(jié)。音量調(diào)節(jié)1,如圖10所示;音量調(diào)節(jié)2,如圖11所示。
圖10 音量調(diào)節(jié)1
圖11 音量調(diào)節(jié)2
本設(shè)計主要以STC15F2K60S2單片機為主控芯片,預(yù)先準備好的音頻下載到的JQ-8900TF語音播報模塊中去,然后在程序中設(shè)定警報閾值,達到警報閾值后觸發(fā)JQ-8900TF語音播報模塊來驅(qū)動揚聲器發(fā)出對應(yīng)的音頻,從而達到早教的功能。通過DS18B20溫度傳感器來對所處環(huán)境溫度來進行檢測,從而達到呵護幼兒健康的目的。利用紅外接收模塊,可以遠距離進行控制,不僅對保護幼兒的視力有著非常大的作用,而且避免兒童把它一直放在身邊造成聽力損傷的困擾,正是有了液晶屏實時顯示的不同內(nèi)容,打開了兒童通往外界的大門,在一定程度上,不僅激發(fā)了他們的學習興趣,對提升創(chuàng)造力、大腦智力也有非常大的作用。該設(shè)計實現(xiàn)的功能符合設(shè)計要求,達到了預(yù)期結(jié)果。