基于51單片機(jī)的早教機(jī)設(shè)計

繆朝陽，馮明春（通訊作者）

（滁州學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽滁州，239000）

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計是基于51單片機(jī)的早教機(jī)設(shè)計，面向的群體主要是是尚未入學(xué)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(xué)習(xí)輔助功能。主要由STC15F2K60S2單片機(jī)、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(jìn)行設(shè)置，單片機(jī)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(jī)進(jìn)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(dāng)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?，本設(shè)計實用性很強(qiáng)，對于學(xué)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

2 主要設(shè)計內(nèi)容

■2.1 控制器模塊設(shè)計

主控制器選用的單片機(jī)芯片型號為STC15F2K60S2，這是一款低功耗、高效率，抗干擾能力強(qiáng)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(jī)能夠使得制作出的早教機(jī)更加小巧精致，增加了幼兒的學(xué)習(xí)興趣。

■2.2 紅外接收模塊設(shè)計

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(jìn)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(jìn)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(qiáng)等優(yōu)點，增加了早教機(jī)接收指令的靈敏度。當(dāng)然為了完善早教機(jī)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(bǔ)了按鍵控制進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制的弊端，讓兒童隨時隨地進(jìn)行早期學(xué)習(xí)教育。

■2.3 語音播放模塊設(shè)計

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(hù)幼兒聽力有非常重大的意義。為了達(dá)到預(yù)定的效果，可以先把預(yù)先準(zhǔn)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(dá)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(jī)聲音。

■2.4 溫度檢測模塊設(shè)計

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(jī)進(jìn)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(qiáng)，封裝形式多樣，精度高等優(yōu)點。在早教機(jī)開機(jī)時能夠顯示室內(nèi)的環(huán)境溫度，對于呵護(hù)幼兒健康有著非常重要的作用。

■2.5 顯示模塊設(shè)計

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(jìn)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(biāo)，排列方式為豎置橫排。通過該顯示模塊可以顯示出早教機(jī)對應(yīng)的開機(jī)界面以及播放曲目內(nèi)容等。

3 主程序流程圖

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(dāng)前溫度以及早教機(jī)所含有的教學(xué)內(nèi)容。當(dāng)按下對應(yīng)按鍵，系統(tǒng)會進(jìn)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(xué)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(fēng)格的曲目內(nèi)容，可以根據(jù)幼兒的不同喜好來進(jìn)行選擇，也可以通過不同按鍵值來進(jìn)行當(dāng)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(yuǎn)距離進(jìn)行控制，不僅對保護(hù)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(xué)習(xí)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

4 實物調(diào)試

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(jī)的早教機(jī)設(shè)計、姓名、當(dāng)前溫度，以及當(dāng)前音量值的大小。通過對程序的修正和不斷改進(jìn)，最終使顯示屏顯示出預(yù)定的內(nèi)容。正常開機(jī)顯示界面，如圖3所示。

圖3 正常開機(jī)顯示界面

當(dāng)OLED顯示模塊正確顯示出預(yù)定目標(biāo)內(nèi)容時，然后通過紅外遙控選擇早教機(jī)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(jī)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(rèn)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(dá)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(xì)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(xué)習(xí)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(dāng)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(dá)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(xué)習(xí)科學(xué)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(jìn)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(xué)習(xí)的語感，在糾正發(fā)音的同時自我表達(dá)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(jìn)行播放，播放界面，如圖8所示；通過PLAY/PAUSE鍵來暫停對當(dāng)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(dāng)前播放曲目的音量進(jìn)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

5 結(jié)論

本設(shè)計主要以STC15F2K60S2單片機(jī)為主控芯片，預(yù)先準(zhǔn)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(dá)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(dá)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(jìn)行檢測，從而達(dá)到呵護(hù)幼兒健康的目的。利用紅外接收模塊，可以遠(yuǎn)距離進(jìn)行控制，不僅對保護(hù)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(xué)習(xí)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(dá)到了預(yù)期結(jié)果。