一款語(yǔ)音控制翻頁(yè)機(jī)的設(shè)計(jì)研究

張美艷 王曉萌 李玉茹 焦 楊

（臨沂大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，山東 臨沂 276000）

0 引言

本研究旨在設(shè)計(jì)一款便于語(yǔ)音控制的智能翻頁(yè)機(jī)。該翻頁(yè)機(jī)能夠通過(guò)語(yǔ)音控制自動(dòng)翻頁(yè)，避免手動(dòng)操作，提高翻頁(yè)效率，方便人們的生活學(xué)習(xí)。雖然讀書翻頁(yè)對(duì)普通人而言十分簡(jiǎn)單，但對(duì)于一些肢體障礙人士來(lái)說(shuō)，則存在一定的不便，語(yǔ)音控制的翻頁(yè)機(jī)能夠滿足這類人群的需要。對(duì)于一些需要盡量避免中斷的工作，智能翻頁(yè)機(jī)能夠省去手動(dòng)翻頁(yè)的步驟，避免浪費(fèi)時(shí)間，提高工作效率。例如，彈奏鋼琴，當(dāng)需要翻閱下一頁(yè)曲譜時(shí)，彈奏者不需要停下來(lái)手動(dòng)翻頁(yè)，可以最大程度上完整彈奏樂(lè)曲，而不出現(xiàn)停頓現(xiàn)象。

現(xiàn)有市面上的翻頁(yè)機(jī)大多是機(jī)械式或自動(dòng)開關(guān)控制，且只能逐頁(yè)翻書，如腳踏式和閱讀架自動(dòng)翻頁(yè)機(jī)。它們存在體積大、搬運(yùn)不變、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高等問(wèn)題，影響了翻頁(yè)機(jī)的應(yīng)用前景和普及程度。設(shè)計(jì)一款成本低廉的便攜式語(yǔ)音控制智能翻頁(yè)機(jī)，能改善人們的生活品質(zhì)，提高青少年對(duì)閱讀紙質(zhì)書籍的興趣，存在相當(dāng)?shù)难芯恳饬x和市場(chǎng)價(jià)值。

1 基本結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)是由STM32單片機(jī)，語(yǔ)音模塊LD3320，舵機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，橡膠棒，立書架，齒輪，滑軌，麥克風(fēng)以及螺旋升降臺(tái)組成的。其整體模型和平面展示圖如圖1所示。通過(guò)調(diào)節(jié)螺旋升降臺(tái)上的旋轉(zhuǎn)器件，可以調(diào)節(jié)立書架高度，以適應(yīng)用戶身高。為達(dá)到精準(zhǔn)翻書的目的，立書架左右各布置了一組書夾，固定書本位置，保證在翻頁(yè)過(guò)程中不發(fā)生滑動(dòng)。立書架左右上方各布置了一個(gè)模仿手指翻書仿制的橡膠棒，橡膠棒連接著齒輪，齒輪各受一個(gè)步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)控制。舵機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)90°帶動(dòng)橡膠棒擺動(dòng)插入書頁(yè)下方，步進(jìn)電機(jī)則通過(guò)翻轉(zhuǎn)滑軌帶動(dòng)橡膠棒翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生摩擦翻起書頁(yè)。兩個(gè)橡膠棒分別控制向前和向后翻起書頁(yè)。步進(jìn)電機(jī)與舵機(jī)帶動(dòng)橡膠棒翻頁(yè)的力度與方向相互配合，從而避免力度不夠無(wú)法翻書，或者力度過(guò)大翻頁(yè)過(guò)多。

圖1 翻頁(yè)機(jī)整體模型立體和平面圖

翻頁(yè)機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。其中，語(yǔ)音識(shí)別LD3320模板負(fù)責(zé)采集聲音信號(hào)，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理。單片機(jī)控制系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心，負(fù)責(zé)根據(jù)收到的信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)控制方法，生成相應(yīng)的翻頁(yè)指令。翻頁(yè)指令通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊的驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，提供旋轉(zhuǎn)力度，帶動(dòng)橡膠棒插入書頁(yè)下方，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)翻轉(zhuǎn)橡膠棒，最終實(shí)現(xiàn)翻頁(yè)。下面對(duì)步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

圖2 總體結(jié)構(gòu)圖

1.1 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)能夠?qū)⑤斎朊}沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為一定的角位移。當(dāng)并無(wú)脈沖信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)輸入脈沖信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)子以一定角度轉(zhuǎn)動(dòng)。控制單片機(jī)向其輸出的脈沖個(gè)數(shù)，即可控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，使其轉(zhuǎn)過(guò)精確的角度；控制脈沖頻率，即可控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)的翻頁(yè)控制功能需依靠電動(dòng)機(jī)完成，而使用步進(jìn)電機(jī)可以節(jié)省成本，使得最終成品經(jīng)濟(jì)實(shí)用。機(jī)械結(jié)構(gòu)上，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子與齒輪相連，通過(guò)齒輪帶動(dòng)橡膠棒翻轉(zhuǎn)，將紙張從立書架一側(cè)翻到另一側(cè)，兩個(gè)橡膠棒分別實(shí)現(xiàn)前后翻頁(yè)。

1.2 舵機(jī)

舵機(jī)也稱為伺服電機(jī)，具有體積小、扭力大、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。其主要工作參數(shù)是最大力矩及工作速度。舵機(jī)根據(jù)收到的單片機(jī)發(fā)送的PWM控制信號(hào)，轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)角度，帶動(dòng)橡膠棒旋轉(zhuǎn)。如果舵機(jī)收到的PWM控制信號(hào)不發(fā)生變化，其轉(zhuǎn)動(dòng)的角度就保持不變。本設(shè)計(jì)中，舵機(jī)能夠通過(guò)齒輪，將橡膠棒由與立書架平行擺動(dòng)到垂直插入書頁(yè)下方，進(jìn)而配合步進(jìn)電機(jī)翻轉(zhuǎn)橡膠棒實(shí)現(xiàn)翻頁(yè)。翻頁(yè)完成后，舵機(jī)還可以在相應(yīng)信號(hào)的作用下控制橡膠棒回歸原位。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路由主控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和語(yǔ)音識(shí)別電路構(gòu)成。

主控制電路是由STM32F1103單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路和電源構(gòu)成的單片機(jī)最小系統(tǒng)。由于從單片機(jī)的I/O口上輸出的電流較小，不能夠滿足步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)需求，需要采用功率放大器放大單片機(jī)的輸出信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電路使用常見(jiàn)的反向放大器ULN2803構(gòu)成，可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)。語(yǔ)音識(shí)別電路由LD3320芯片及其相關(guān)外圍電路構(gòu)成，負(fù)責(zé)采集語(yǔ)音信號(hào)并輸出識(shí)別結(jié)果，送給主控制電路的單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)接收到的語(yǔ)音命令，控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度，從而控制模擬手指的橡膠棒插入待翻起的書頁(yè)，控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)橡膠棒，模擬手指翻頁(yè)的動(dòng)作翻過(guò)書頁(yè)。成功翻頁(yè)后，舵機(jī)和步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，橡膠棒回到原始位置，完成全部翻頁(yè)動(dòng)作。

2.2 軟件程序設(shè)計(jì)

軟件程序設(shè)計(jì)遵循模塊化的設(shè)計(jì)流程，與硬件設(shè)計(jì)配合實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。翻頁(yè)機(jī)的軟件模塊包括主程序模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊。具體的主程序流程圖如圖3所示。

軟件程序首先通過(guò)設(shè)置語(yǔ)音識(shí)別芯片的內(nèi)部寄存器，初始化其語(yǔ)音識(shí)別功能和聲音播放功能，然后寫入50條漢語(yǔ)拼音語(yǔ)音識(shí)別列表并開始計(jì)時(shí)，繼而控制芯片開始語(yǔ)音識(shí)別。根據(jù)識(shí)別到的語(yǔ)音命令，執(zhí)行相應(yīng)子程序。語(yǔ)音播報(bào)子程序首先判斷定時(shí)是否結(jié)束，然后根據(jù)初始化過(guò)程中設(shè)置好的播報(bào)內(nèi)容播放對(duì)應(yīng)語(yǔ)音。前/后翻頁(yè)子程序首先控制左右舵機(jī)旋轉(zhuǎn)橡膠棒，插入待翻起的書頁(yè)，其次控制步進(jìn)電機(jī)翻轉(zhuǎn)橡膠棒，翻過(guò)相應(yīng)書頁(yè)，再次步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)橡膠棒和翻頁(yè)桿歸位，完成一次翻頁(yè)。

圖4 主程序流程圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的語(yǔ)音翻頁(yè)機(jī)主要結(jié)合使用了語(yǔ)音識(shí)別、單片機(jī)、機(jī)械技術(shù)。采用語(yǔ)音控制翻頁(yè)，單片機(jī)識(shí)別、控制步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和力度，實(shí)現(xiàn)前翻頁(yè)、后翻頁(yè)，及翻至指定頁(yè)數(shù)。語(yǔ)音翻頁(yè)機(jī)全部由簡(jiǎn)單零部件組成，加工工藝要求低，且部分使用標(biāo)準(zhǔn)件，互換性高，語(yǔ)音操作簡(jiǎn)單，易推廣使用。