基于位權凸輪組合方式點顯的盲文電子閱讀器設計

王子卓

研究設計

研究目的

采用位權凸輪組和凸輪頂桿機構，使得1個舵機同時控制3個盲顯點的狀態，從而實現一種低成本、易實現的盲顯點驅動方法，設計出一種實用創新的盲文電子閱讀器。

降低閱讀器件成本的突破點

致密的盲顯點，導致了其驅動制造的難度非常大。市面上已有的盲文顯示器主要有壓電陶瓷驅動、記憶合金驅動、電磁鐵驅動等幾種驅動方式，這些驅動方式均采用了一對一驅動。其中，壓電陶瓷驅動和記憶合金驅動屬于特種驅動方式，體積雖然輕巧，但是造價昂貴；電磁鐵驅動屬于常規驅動，但是受到尺寸限制，其制作工藝復雜，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將一對一驅動改為一對多驅動，節省驅動器的數量；②降低驅動器的幾何尺寸要求，以便能夠采用常規驅動元件。

新的驅動原理介紹

傳統驅動方式是1個驅動器驅動1個盲顯點，本設計基于二進制位權原理，采用位權組合，1個驅動器可以驅動3個盲顯點，位權組合凸輪如圖1所示。

盲文的一方由6個盲顯點組成3x2的陣列，分左半方和右半方，每個半方由3個盲顯點構成的，每點有2種狀態，相當于二進制的0和1，所以半方有2-8種組合。當舵機帶動凸輪組0～180°旋轉時，凸輪組帶動3個盲顯點，實現8種組合狀態，從而達到1個電機驅動3個盲顯點的目的。由于盲顯點通過凸輪驅動，凸輪通過電機驅動，電機可以遠離盲顯區域，從而可以降低對驅動器尺寸的要求。

研究過程

本設計從硬件和軟件2個方面完成了盲文電子閱讀器的設計，并對所設計的盲文電子閱讀器進行了部分測試。

硬件設計

盲文電子閱讀器的硬件采用“顯示模塊+SD卡模塊+CPU模塊+盲文驅動模塊+盲文顯示模塊”的模塊化結構設計。

◇盲文顯示模塊本文設計的盲文顯示模塊采用位權凸輪組合方式，其中凸輪頂桿機構如圖2所示，凸輪旋轉時，盲顯點可以上下移動，從而實現盲顯點的2種狀態。

1個位權凸輪組由3個盲顯點組成，位權凸輪組如圖3所示，由于每個盲顯點具備0和1兩種狀態，所以3個盲顯點的位權凸輪組在0～180°旋轉時對應2=8種組合方式。位權凸輪組旋轉角度和盲顯點的對應關系如表1所示。

例如，漢字“我”由聲母w和韻母。組成，則對應的4個半方分別為：“101”、“001”、“010”和“001”。通過表1翻譯成角度即為112.5°、22.5°、45。和22.5°，將這4個角度發送給舵機則可表示漢字“我”。

盲顯點通過凸輪驅動，凸輪通過電機驅動，本設計中電機采用一款微型舵機實現。凸輪組和電機組合后，構成了盲顯點的基本顯示單元。本設計中的盲文顯示模塊由32個基本顯示單元構成。

◇盲文驅動模塊盲文驅動模塊的主要功能就是驅動32個舵機按照設計表1所示的凸輪旋轉角度與盲顯點的對應關系進行旋轉。本文所設計的盲文驅動模塊通過2塊PWM Shield forArduino舵機控制器和Arduino擴展板實現。

◇CPU模塊本設計中的CPU模塊采用Silicon公司的C8051F410芯片。

SD卡模塊本設計中的SD模塊通過南京沁恒公司的CH376芯片來實現。

◇顯示模塊本設計中的顯示模塊通過1塊串口HMI觸摸顯示屏來實現。

軟件設計

主程序流程如圖4所示。

例如當單片機接收到打開文件命令時，單片機從命令中獲取需要打開文件的序號，由序號獲取需要打開文件的文件名，調用文件打開函數打開該文件，然后調用文件內容讀取函數，讀取文件內容前16字節，同時保持文件內容偏移指針，在顯示屏上顯示文件內容，接著調用GBK2312碼轉換漢語拼音函數，將這16個字節的GBK2312碼轉換成8個拼音，接著調用拼音轉換盲文函數，將這8個拼音轉換成盲文，再調用盲文舵機角度轉換函數，將這8個盲文轉換成16個舵機需要轉換的角度，最后將這16個角度發送給舵機，舵機驅動凸輪組進行盲文顯示。

系統測試

盲文電子閱讀器實物如圖5所示，現階段已完成盲文驅動的機械部分制作，盲顯點能夠在電機帶動下動作，為后續的盲文顯示打下了基礎。

創新點

◇利用二進制位權原理實現了1個驅動模塊對3個盲顯點的驅動，并采用凸輪頂桿機構實現了符合國家標準的盲文點顯裝置。

◇通過1個驅動器驅動3個盲顯點，使驅動器數量減少了2/3，從而降低了盲文顯示器的制造成本。

◇利用凸輪頂桿機構，使驅動器遠離盲文顯示區，降低對驅動器幾何尺寸的要求，從而進一步降低了制造成本。

項目的進一步構想

本文所設計的盲文電子閱讀器可以將漢字翻譯成盲文，由于翻譯過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合大量的語義環境才能確定，所以翻譯過程中針對同音字會出現一定概率的翻譯錯誤，因此下一步的構想是進行盲文輸入法的研究，期待能夠和搜狗等輸入法結合。

該項目獲得第32屆全國青少年科技創新大賽創新成果競賽項目中學組工程學一等獎。

專家評語

借鑒二進制編碼原理，利用多個位權凸輪組合，實現了一個電機同時驅動多個盲顯點的顯示效果。所設計的點顯器有效降低了制造成本，有利于點顯器在盲人閱讀者中推廣使用。建議設計與電腦等信息資源系統的接口和相關軟件，以方便點顯器的使用。