自動翻頁式幼兒早教機

劉 凱， 王 寧， 張 維

（廣東機電職業(yè)技術學院 電氣技術學院， 廣州510515）

0 引 言

早教機是幫助寶寶學習的工具，通過全方位訓練兒童學習能力，幫助孩子培養(yǎng)學習興趣，開發(fā)潛能，對幼兒注意力、思維能力等方面提升有很大幫助［1-3］。 另外，在與幼兒互動的同時傳授幼兒拼音、單詞、文字，播放音樂，講故事，有利于提高孩子的語言能力［4］。

目前市場上的早教機可以分為2 種，第一種早教機外殼多為卡通人物或動物外形，內部只有語音播放功能，沒有畫面播放功能，對于1-3 歲、注意力不夠集中的幼兒來說，往往讓幼兒提不起來興趣去聽［5-6］。 第二種早教機具有聲音和畫面兩個功能，外形多為電視機或機器人結構，機器人面部帶有顯示屏，可以顯示卡通畫面或照片等［7］，此種早教機聲音與畫面同步，但是畫面由電子顯示屏顯示，會對長時間觀看的幼兒的視力會造成傷害，因此在1-3歲的幼兒家長中推廣艱難。 因此，有必要開發(fā)一種既保護兒童視力又有趣的早教系列產品。

1 總體設計方案

本文設計的早教機在畫面顯示上放棄了電子顯示屏，取而代之以真實畫面、音頻同步播放的方式播放早教內容，早教機畫面為紙張構成，利用機械翻頁機構實現(xiàn)畫面變化，幼兒可長時間觀看但不傷眼，從而達到保護視力的目的。 早教機系統(tǒng)結構如圖1 所示，由控制面板、小劇場外框、可更換翻頁組件、翻頁驅動模塊和音頻模塊組成。 控制面板上設有啟動按鈕、停止按鈕、音頻音量調節(jié)及燈光調節(jié)電位器，用Arduino 作為控制主板，與步進電機和音頻控制板連接，實現(xiàn)機械運動與音頻同步控制功能。 音頻的播放功能是由MP3 模塊對IF 卡中音頻內容進行解碼，并通過擴音器播放，通過對Arduino 主板編程，實現(xiàn)對TF 卡中的曲目進行精準播放。

2 硬件技術設計

（1）音頻播放設計。 音頻控制部分選用了MP3-TF-16P 串口語音模塊，該模塊完美集成了MP3、WAV、WMA 等硬件碼，同時支持TF 卡的驅動。 通過簡單的引腳控制就能實現(xiàn)音頻播放功能［8-9］。

（2）燈光設計。 為了提高早教機翻頁組件的亮度，保護兒童視力，應用了LED 燈，當音頻播放時LED 燈自動點亮。

圖1 早教機系統(tǒng)結構Fig. 1 System structure of early childhood education

（3）翻頁機構。 自動翻頁機構如圖2 所示，包括驅動步進電機、電機固定支座、渦輪、渦桿、展示葉片、葉片架和翻頁擋針。 翻頁擋針固定在葉片架的上側，頂住翻頁擋針后方的展示葉片；兩個葉片架之間裝有驅動軸，步進電機通過傳動組件帶動驅動軸轉動，實現(xiàn)翻頁功能。

圖2 自動翻頁機構Fig. 2 Basic composition page-turning mechanism

（4）可更換結構設計。 為了豐富早教機的播放內容，本設計將翻頁機構設計為方便更換的卷軸，家長可以選擇內容多樣的學習模塊［10］。 本設計選取了多樣的主題場景，將英語、拼音識字、數(shù)學邏輯、自然常識、道德等領域內容整合到各個主題中。 圖3為已開發(fā)的水果系列、弟子規(guī)系列、三字經系列早教卷軸。

圖3 不同系列的翻頁卷軸Fig. 3 Different series of scrolls

（5）小劇場外觀設計。 小劇場采用木質料，并結合早教內容設置外觀風格。 圖4 展示了歐式和中式風格的小劇場，利用彩色外觀貼紙突出各自風格，劇場正下方設置3 個控制旋鈕，用于啟動設備和調整音量。

圖4 不同風格的小劇場外框Fig.4 Different styles of small theater frame

3 控制系統(tǒng)設計

3.1 主機控制模塊

控制部分按照功能主要分為2 個部分。 第1 部分通過Arduino 主板與按鈕電位器MP3 模塊相連接。第2 部分通過Arduino 主板與ULN 2003 驅動模塊實現(xiàn)步進電機控制。 控制設計流程如圖5 所示。

圖5 控制系統(tǒng)流程圖Fig. 5 The flow char of control system

3.2 音頻播放模塊

作為從機部分，MP3-TF-16P 語音模塊接收Arduino 發(fā)出指令從而把信號傳送到播放器上。 對于播放的音頻即存在TF 卡中，根據(jù)TF 卡容量大小，可以錄制更多的音質和音頻內容。 控制原理如圖6 所示。

圖6 MP3 模塊連接圖Fig. 6 MP3 module connection diagram

4 結束語

本文介紹了一款不傷眼、可與音頻同步播放的幼兒早教機。 其功能總結如下：

（1）可以避免幼兒使用帶液晶顯示屏的早教機視力的傷害問題，利用機械翻頁機構實現(xiàn)畫面變化，提高了家長對早教機的滿意度，促進了此類早教機的推廣。

（2）添加了聲音模塊，葉片可以隨著故事語音的播放按照一定順序翻頁，顯示與故事語音相對應的卡通畫面或真實照片，提高了早教機的趣味性。

（3）外殼的設計，一方面將所有部件包裹在內，提高安全性，另一方面采用了不同風格小劇場的外框設計，吸引幼兒去體驗。