基于51單片機的早教機設計

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）

1 系統架構設計

本設計是基于51單片機的早教機設計，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。本系統中語音播放模塊內置內存卡，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。除了通過程序對獨立按鍵進行設置，單片機通過按鍵執行相應的功能外，同時為了擺脫距離的限制，還專門設置了紅外接收模塊，可以通過遙控器長距離對早教機進行控制，并執行相應的播放、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容部分，系統的內容也很容易修改?？偠灾?，本設計實用性很強，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。具體的系統框架圖，如圖1所示。

圖1 系統框架圖

2 主要設計內容

■2.1 控制器模塊設計

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，芯片內部含有看門狗定時器，全雙工串行口以及片內高精度R/C振蕩時鐘。此外，處理器內部含有多種工作方式，從而使得整個系統功耗更低，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。

■2.2 紅外接收模塊設計

紅外接收模塊采用的芯片是HS0038B。該芯片采用的是環氧樹脂塑封封裝結構，因此可以對信號進行長距離的接收。它的解調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，也留有相應的按鍵接口。相比較常規的按鍵控制，紅外接收模塊的設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。

■2.3 語音播放模塊設計

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，還對于呵護幼兒聽力有非常重大的意義。為了達到預定的效果，可以先把預先準備好的音頻下載到的JQ-8900TF語音播報模塊中去，然后再程序中設定達到警報閾值后觸發JQ-8900TF語音播報模塊來驅動揚聲器發出對應的不同的早教機聲音。

■2.4 溫度檢測模塊設計

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，精度高等優點。在早教機開機時能夠顯示室內的環境溫度，對于呵護幼兒健康有著非常重要的作用。

■2.5 顯示模塊設計

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的開機界面以及播放曲目內容等。

3 主程序流程圖

在程序初始化以后，緊接著執行主程序，初始狀態為自動控制模式，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容。當按下對應按鍵，系統會進行不同模式轉換，可以轉換成兒歌模式、古詩詞模式、小故事模式以及英語教學模式。系統主程序流程圖，如圖2所示。每種模式下會有對應的不同風格的曲目內容，可以根據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容的暫停以及音量調節功能?？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容，打開了兒童通往外界的大門，在一定程度上，不僅激發了他們的學習興趣，對提升創造力、大腦智力也有非常大的作用。

圖2 系統主程序流程圖

4 實物調試

接通電源，按下開關按鍵，觀察OLED液晶顯示模塊顯示狀態。剛開始時觀察顯示屏上出現：基于51單片機的早教機設計、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定的內容。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定目標內容時，然后通過紅外遙控選擇早教機的不同模式。從而菜單欄會對應顯示出不同模式對應下的子文件內容。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模式下的不同內容。

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境，而且還能發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定。經過調試，發現兒歌模式一切正常。兒歌模式如圖4所示。

圖4 兒歌模式

經過仔細測試，古詩模式狀態一切很好，正確顯示出預先安排的內容。通過古詩模式，不僅開發了幼兒的大腦，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，經過測試，可以發現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兒童的創新能力，積極學習科學文化知識。相應故事模式如圖6所示。

圖6 故事模式

通過測試，發現英語模式，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鍵可以切換到對應模式下的不同內容模塊：即英語模式，如圖7所示。通過英語模式，培養幼兒對于英語學習的語感，在糾正發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節。音量調節1，如圖10所示；音量調節2，如圖11所示。

圖10 音量調節1

圖11 音量調節2

5 結論

本設計主要以STC15F2K60S2單片機為主控芯片，預先準備好的音頻下載到的JQ-8900TF語音播報模塊中去，然后在程序中設定警報閾值，達到警報閾值后觸發JQ-8900TF語音播報模塊來驅動揚聲器發出對應的音頻，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容，打開了兒童通往外界的大門，在一定程度上，不僅激發了他們的學習興趣，對提升創造力、大腦智力也有非常大的作用。該設計實現的功能符合設計要求，達到了預期結果。