精品基于单片机的早教机设计.docx
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精品基于单片机的早教机设计
基于单片机的早教机设计
摘要
在国际化浪潮下的今天，教育在各国各业扮演着举足轻重的角色，在这种大的国际环境下，父母对于下一代的教育问题那是越来越重视，为了让孩子在各个方面优于别人家的孩子，父母把眼光看向了儿童的早期教育。
再加之婴幼儿本身在早期的学习能力比较强，并且幼儿期还是智力发展的重要阶段。
如何更有趣，更科学的把知识带给咿呀学语的婴幼儿，早教机就是一个很理智的选择。
本课题主要探讨以单片机STC８９C５２单片机作为主控模块，同时STC８９C５２单片机通过调用keil软件编写的程序最终来实现儿童早教机的播放音乐功能。
本设计的早教机体积小。
便于携带。
添加了蓝牙控制模块依次提高父母和孩子的互动性。
对于早教机的主体使用者孩子则可以通过独立按键进行控制早教机中播放的内容，显示屏采用的是LCD１６０２液晶显示屏。
语音模块则采用高品质播放的MP３串口模块，为了使早教机在使用时声音可以足够大的播放出来，采用功率放大器和喇叭来时使早教机在播放使声音足够大而清晰。
关键词：
STC８９C５２单片机；MP３串口模块；蓝牙遥控；LCD１６０２显示屏；功率放大器
ABSTRACT
In today's society, parents pay more and more attention to the next generation of education, in order not to let their children lose in the starting line, the early childhood education is considerable attention, and the baby itself in the early learning ability is relatively strong, and early childhood is an important stage of intellectual development. How to make more interesting and scientific knowledge to the babbling infants, early machine is a very rational choice.
ThemainsubjectoftheresearchonSTC８９C５２Monolithicasthecorecarrier,throughthekeilsoftwareprogramtoachieveearlymusicbroadcastfunction,theusercanconnectthebuildingwithindependentorBluetoothremotecontroltoselectthepoweramplifierandspeakerstoplaysongs,cancontrolthevolumesize,andtheLCD１６０２displayscreencandisplaythesongname,besides,anexternalMonolithicMP３serialportmodule,andaspeakercanachieveitsstorytellingvoicefunction,increasethefunandplay.
Keywords：
STC８９C５２Monolithic；LCD１６０２displayscreen；MP３serialportmodule；increasethefunandplay；HC—０５
摘要I
ABSTRACTII
１引言１
１．１背景１
１．２意义１
１．３早教机发展现状１
２常用软硬件介绍２
２．１软件２
２．１．１Proteus仿真软件２
２．１．２Keil编程软件３
２．２硬件３
２．２．２LCD１６０２显示屏３
３．１总体方案设计４
３．２主控模块选择４
３．３输入模块选择６
３．３．１独立按键６
３．３．２蓝牙遥控６
３．４输出模块６
３．４．１显示屏选择６
３．４．２语音模块选择７
３．５硬件电路设计８
３．５．１歌曲序号及名称显示电路８
３．５．２独立按键电路８
３．５．３晶振电路９
３．５．４指示灯电路９
３．５．５扬声器电路１０
３．６系统硬件总电路图１０
图３．９系统硬件总电路１０
４软件设计１０
４．１音乐播放主控流程图１１
４．２音乐播放子程序流程图１２
４．３LCD１６０２显示子程序流程图１３
４．４语音模块工作流程图１３
５系统仿真与调试１４
５．１初始化状态１５
５．２运行仿真１５
５．３硬件调试１７
６总结２０
致谢２２
１引言
１．１背景
“少年智则国兴智，少年强则国强”儿童是祖国未来的主人。
但基于我国父母一辈大多要忙于赚钱，基本上没时间去关心孩子的教育问题，所以照顾孩子的主要是祖父母。
祖辈的文化程度相对来说比较低，想要很好的去给孩子营造优质的教育氛围是很困难的，因此经济实惠而且功能比较多的儿童早教机是一个很好地对孩子进行早期教育的选择。
孩子早期是一个学习语言的重要时期，周围说什么他们就学什么。
通过儿童早教机通可以让孩子发育初期就了解什么是韵律，以便更好的去学习语言。
市面上的儿童早教机大多都是通过按键和红外遥控器来控制的语音模块的替换，这样的设计是有一定的理由的，利用按键的形式让咿呀学语的孩子对阿拉伯数字有一定的认知。
现如今经济发展都提倡绿色发展，而儿童早教机为了响应绿色发展的历史潮流，从以往的选择触屏设计从而代替以往的纸张。
这样的设计也有利于让幼儿操作起来比较容易儿童增加了使用的安全性。
在国际化的今天我们可以看到，儿童早教机对于孩子的成长是不可缺少的。
１．２意义
此毕业设计课题打破了传统的按键遥控，改为按键遥控或者蓝牙遥控，它不仅习惯了人民以往的习惯，也添加了新的蓝牙遥控功能以更加方便人民的使用，优化了用户体验。
早教机的内容分为歌曲类和故事类，更加的开发了婴幼儿的脑力发育，良好的MP３音质播放更加的提高了音乐的品质。
此外，用户可以随时更换早教机中教学的内容，完全避免了使用一段时间后因为早教机中的内容被听烦而被当作垃圾丢弃，所具有一定的市场适用性。
１．３早教机发展现状
少年强则国强，所以现今各个国家地区都很重视教育问题尤其是儿童的早期教育。
由于贸易的全球化和科技迅速发展的原因，使得儿童早教机处在一个快速发展的状态，但是大致上来讲儿童早教机经历了以下几代的改进：
第一代存在一定的缺陷，具体表现为教学内容枯燥，操作繁琐，孩子需在家长的帮助下使用，而且需要辅助的材料（比如卡片等资料）放在机子上方能使用，这样孩子就不能随时随地，想学就学。
第二代早教机（点读机）经过不断改良在一定程度上弥补了第一代产品的不足，它更加生动有趣的去引导儿童早期智力发育。
点读笔的诞生，大大增加了早教机的趣味性。
它可以让用户在学习的同时感受到游戏的乐趣性，充分完成了从“你要读”变成“我要读”的转变，一经市场就受到一阵热捧。
第三代早教机更是功能繁多，不仅添加了投影的功能，还对设计材料有一定的要求。
投影这一功能的添加可以让孩子在使用早教机时更好的进入氛围，大多都是一些星空，海洋，比较温和舒缓的投影。
这样不仅开发了儿童的听声识别能力，也同时开发了孩子的想象创新的能力。
第四代在第三代的基础上增加了彩色显示屏,可以让宝宝更直观的看动画视频,从而增强宝宝对教学内容的接受度，机身的内存也从原来的１G扩大到４G 或８G及１６G以上,从而大大提高了教学资源的丰富和度。
在产品外观上也有一定的改良,使得产品体积大大缩小，方便随身携带。
将来的儿童早教机不仅仅注重幼儿的娱乐功能和教育功能，更注重儿童的安全考虑。
其中儿童早教机更趋向于选择环保和绿色健康的材料,为了增加儿童对色彩的分辨率以及对美好事物的理解，设计的更加可爱，多姿多彩。
随着时代的发展，我相信儿童早教机一定会发展的越来越好，比如我们可以在早教机中添加温度感应器，这样可以随时关注孩子的体温，有利于孩子的健康；我们还可以添加距离报警器，这样可以在孩子距离家长一定时间后进行报警，大大防范我国儿童屡次被拐卖事件；我们还可以添加天气预报功能，这样可以在孩子出门上学的时候避免了没有带雨伞而要家长专门跑一趟去送伞的情况，可以早早培养孩子的独立自主的良好品质等等诸如此类的功能。
增加远程视频通话的功能，当孩子想念父母使可以通过简单按键实时与父母通话，并且如现在连接手机的智能腕表一样，给孩子一个连接早教机的智能手环连接，实时检测孩子体温和心率等身体状况。
２常用软硬件介绍
２．１软件
２．１．１Proteus仿真软件
电子产品设计过程中最重要的莫过于开始的电路板设计，不管是什么电子产品的设计与实现，其配件都需要合理的布置在电路板上才能实现其我们所想要的功能。
因而我们想要自己所设计的电子产品性能稳定、外观精美、首先就要设计出合理的电路板布局。
所以我们这时就需要在焊制电路板之前进行布局进而仿真验证自己的电路是否准确，功能能否实现。
而Proteus就是当下这些软件中的典型代表的仿真工具，它是具有强大的编辑功能，有效的检测手段，可以通过仿真实时观察到所要设计的实际情况，以此来验证我们的设计是否准确无误，它还能配合系统内置的虚拟检测仪器来显示和输出，以其稳定、易用、高效等优点被广泛使用。
其仿真过程：
首先按照我们所设计的原理图在Proteus中放置我们所需的元器件，并且将放置好的元器件用导线连接起来，最终完成原理图的绘制。
再用鼠标双击我们所放置的单片机，将Keil中所生成的.hex文件加载到我们所使用的单片机中，最终点击软件中的运行按钮，实现最终仿真结果。
２．１．２Keil编程软件
想要单边机实现其我们所设计的功能，自然而然离不开程序汇编。
keil C５１是美国Keil Software公司出品的５１系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势而被广泛使用。
我们在使用Keil编程软件时，首先要建立一个工程，其次在工程文件夹下添加文件并编写我们所设计的程序，编辑完程序后，编译调制进而产生一个二进制文件（.hex）。
本课题设计就是利用Keil编程软件调试生成的（.hex）文件实现早教机播放音乐和故事类功能。
２．２硬件
２．２．１STC８９C５２单边机
产品所设计想要实现其功能，作为主控模块的单片机是一个产品的基础。
我们大多采用STC型单片机。
STC８９C５２是STC公司生产的微型控制器，它具有低电压，高性能等等的优势。
STC８９C５２单片机主要是基于８０５１内核，是新一代增强型单片机，指令代码完全兼容传统８０５１，速度快８~１２倍，带ADC、４路PWM，双串口，有全球唯一ID号，加密性好，抗干扰强，因此被广泛使用。
２．２．２LCD１６０２显示屏
LCD１６０２隶属于简单应用的工业字符液晶，是专门用来显示字母、数字、符号等等。
它本身轻薄短小，功耗低，电压低、无辐射、可以同时显示两行字符，大大扩展了显示的内容等等优点被广泛使用，其工作最适合的电压为５V。
２．２．３HC—０５蓝牙模块
HC—０５蓝牙模块的使用不仅增加其技术含量、方便性、趣味性等，还可以在孩子使用家教机市家长可以通过蓝牙遥控实现和孩子的互动性，让从“一人学”到“亲子活动”更有利于让孩子体验学习的乐趣，促使孩子对学习的积极性。
HC—０５是主从一体的蓝牙模块，可以很方便的使用和连接。
３系统及硬件设计
３．１总体方案设计
本设计的儿童早教机需要实现播放语音的功能。
用单片机作为儿童早教机主控模块，通过输入模块控制其单片机内部运行，然后再通过输出模块达到我们所设计要求要显现的内容，最后通过这一系统化实现其讲播放音乐故事的功能。
如图３．１所示：
图３．１总体方案图
３．２主控模块选择
方案一：
采用STC８９C５２单片机作为主控模块。
它是一款低压，高性能的单片机。
其特点主要特点是：
可反复擦拭的内存，具有３２双向I/O串行口，２５６*８位的内部存储器，３２位可编程定时器/计数器中断，０—２４MHZ的时钟频率，它的串行中断有两个，外部中断源有两个，中断源有８个，读写中断口线两个，具有软件可以设置睡眠和唤醒功能，在低功耗的空闲模式和掉电模式下，还有PDIP,PQFP,TQFP和PLCC等几种分装，以适应不同产品的要求。
方案二：
采用AT８９C５２单片机作为主控模块，它是一个８位微处理器，PDIP封装引脚AT８９C５２引脚图使用行业标准。
标准的C５１工作内核，引脚的排列方式和内部能运行的功能与一般的排列方式和内部能运行的功能与一般的８xC５２单片机相同。
其主要功能包括：
集成电路，数据存储和外部接口模块初始化内部寄存器，发送和接收红外遥控信号。
方案三：
采用增强型５１单片机—STC１２C５A６０S２单片机作为主控模块。
它具有超强抗干扰，超低功耗，运算能力极强，且存储空间非常大，但价格比较昂贵。
由于本课题所设计的早教机不需要占用太大的内存，且本着经济实惠的目的，对比以上三种方案，我们选用方案一STC８９C５２单片机就完全可以达到设计要求。
３．３输入模块选择
３．３．１独立按键
采用独立按键对单片机进行输入要求，一方面独立按键的设计符合了人们长久以来的习惯，另一方面设计独立按键作为输入模块可以在一定程度锻炼孩子对于阿拉伯数字的认识与记忆，建立起良好的数字意识，为以后上幼儿园打下一定的基础。
单片机的每个按键都是工作于一个单独的I/O口线，而且当按下一个按键，I/O口接口工作而别的I/O接口的工作状态不受影响。
因此，通过检测输入线的电平状态可以容易的确定哪个键被按下，键盘工作方式采用定时扫描方式，采用定时器T０定时器。
３．３．２蓝牙遥控
采用HC—０５蓝牙模块作为另一个输入模块，不仅增加其技术含量、方便性、趣味性等，还可以在孩子使用家教机市家长可以通过蓝牙遥控实现和孩子的互动性，让从“一人学”到“亲子活动”更有利于让孩子体验学习的乐趣，促使孩子对学习的积极性。
HC—０５是主从一体的蓝牙模块，可以很方便的使用和连接，故采用。
３．４输出模块
３．４．１显示屏选择
方案一：
采用LED数码管作为显示屏。
用数码管显示所要播放的歌曲的序号，但无法显示所播放歌曲的名字。
故没法采用。
方案二：
采用LCD１２８６４显示块作为显示屏。
LCD１２８６４显示块属于点阵液晶显示模块，它由１２８*６４个液晶显示组成的一个１２８列*６４行的阵列，因此也被称为１２８６４。
每一位二进制数都对应着一个相应的显示点，当输出程序为０时表示灭，为１时就表示亮，当对应的存储单元存入了这些写好的点阵信息后，就可以进行相应的显示。
但是显示点在存储器中的信息和地址液晶屏上的位置之间的关系就成了应用问题的关键。
LCD１２８６４显示屏是一种单中文字库的４位/８位并行的显示屏，一线或多线串行接口方式。
显示屏显示的分辨率为１２８*６４，内置８１２９个１６*１６的汉字和１２８个１６*８点ASCII字符集，利用该模块灵活的接口方式和简单，方便的操作指令，可构成全中文人机互交图形界面。
方案三：
采用LCD１６０２显示器作为显示屏。
LCD１６０２隶属于简单应用的工业字符液晶，LCD１６０２显示屏可以同时显示两行字符，扩展了显示的内容，它行可以显示１６个字符的液晶显示模块（显示数字或者字符），显示内容是１６*２的字符，这样能够让最多１６*０２即３２个字符同时显示，分辨率为５*７。
每个显示点都对应着有一位二进制数，和LCD１２８６４相同，当输出程序为０时表示灭，为１时表示亮。
LCD１６０２液晶屏，它经常被用来，显示字母、数字和符合等。
在每个字符之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了控制字符间距和行间距，让显示更加清楚，但是正也因为这些设计它不能很好的显示图形。
经过比对以上三种方案，LCD１２８６４显示屏功能比较强大，但是由于本课题所设计的早教机只是显示歌曲名称，所以在选择液晶屏方面LCD１６０２显示屏就已经符合我们所要求的了，而且价格更加实惠，低功耗的特点也保证了节能环保，故采用１６０２。
３．４．２语音模块选择
方案一：
采用ISD１８０２语音模块，它的正常工作电压为３到５V，按住录音按键不放就可以自主进行录音，当松开时，就可以播放已经录制好的音频，录入的时间越短其音质越好。
播放方式为循环，可外接话筒，进行人声放音，其音质相比通常的话筒环播放要好一些，除非断电，否则播放不停。
方案二：
在众多语音提示的场合，或者大多一些专业音乐播放的场合，都要求比较高的音质。
因此一般的低成本低音质语音合成类的芯片无法达到我们的要求。
同时这类芯片的产品使用起来特别复杂。
因此基于诸如此类的高要求，串口MP３模块应运而生。
这类模块实际操作起来非常简单，而且音质相对来说比较好，在高要求的语音提示场合和高标准音乐播放的场合，比如银行等窗口提示，商场、超市内语音播报，十字路口的红绿灯语音提示，打铃机等等，都得到了很好的应用而且也很贴合实际情况的应用。
串口MP３模块，最大最直接的有利之处是用户使用起来非常方便简单。
该模块的用户主要是生产各类语音提示设备的企业。
但是由于该模块涉及到了FAT文件系统、USB等等技术。
因此技术研发的难度比较大、工作量也比较大。
而串口MP３模块系统的将FAT文件系统、USB驱动、U盘管理等等功能集于万千宠爱于一身，MP３模块它对外提供串口控制。
使用人员使用时只需要提供简单的串口指令，就可以方便的实现各种各样灵活的语音播放与控制。
为了保证使用过程中的可靠性，以及使用操作的简便性，大部分的串口MP３模块，大多都供了如下功能：
为了保证了没有插拔引起的问题，MP３模块内置NANDFLASH；而内置的串口控制，可以能够按照文件名进行播放，可以设置歌曲的单曲循环模式、依次循坏模式、随机循坏模式等等；而且MP３模块为了用于更新里面所播放的语音或者音乐，提供USB接口；它还提供了各种各样灵活的控制功能，比如按时间播放、按列表播放、随机播放等等
综上所述：
采用MP３串口模块作为儿童早教机的语音播放模块，是最合适不过了。
３．５硬件电路设计
系统硬件电路设计分为三大块为主控模块，输入模块，输出模块。
３．５．１歌曲序号及名称显示电路
在系统正常工作时当前所播放的歌曲需显示在液晶屏上，当按下对应按键时，单边机根据键盘输入做出相对应的反应，最终显示在LCD１６０２液晶屏上。
LCD１６０２液晶显示屏实物八个数据引脚连接在STC８９C５２单边机P０口上，LCD１６０２液晶显示屏的控制信号端RW、RS、EN分别对应在单片机的P２．０、P２．１、P２．２端口上，并且用STC８９C５２中存储的程序来控制LCD１６０２液晶显示屏上的内容。
其电路图如下所示：
图３．４歌曲显示电路
３．５．２独立按键电路
独立按键电路中８个按键分别与STC８９C５２单片机的P１０、P１１、P１２、P１３、P１４、P１５、P１６、P１７一一对应，其每一个按键对应一首歌曲，按下相对应的按键就会播放不同的音乐。
其电路图如下图所示:
图３．５独立按键电路
３．５．３晶振电路
晶振电路为整个系统提供时钟信号，其目的是为了保证处理器按照一定的时序去进行工作。
STC８９C５２单片机自身具有特有的晶振电路，XTAL１、XTAL２、石英晶体以及两个微调电路一起构成了一个稳定的自激振荡器，利用这个自激振荡器将这个时钟脉冲送入STC８９C５２单边机内部。
其电路图如下图所示：
图３．６晶振电路
３．５．４指示灯电路
指示灯电路显示该电路是否处于通电状态下，也可用来检测电路是否接通，其由LED引脚和单片机上P２４口连接。
其电路图如下图所示：
图３．７指示灯电路
３．５．５扬声器电路
扬声器直接由喇叭引脚接在STC８９C５２单片机P２５上，其电路图如下图所示：
图３．８扬声器电路
３．６系统硬件总电路图
系统硬件总体电路主要有主控模块，输入模块，输出模块三大电路组成。
主控模块又STC８９C５２单片机组成；输入模块由独立按键和HC—０５蓝牙遥控模块组成；输出模块由LCD１６０２液晶显示屏组成。
其系统硬件总电路图如下图所示：
图３．９系统硬件总电路
４软件设计
４．１音乐播放主控流程图
电路以STC８９C５２作为主控单元，在开机状态下，单片机开始初始化，同时在LCD１６０２屏幕上显示“EarlyEducationMachine”。
用户在使用时利用独立按键控制音乐的播放，然后子程序实现播放功能，得到来自按键的信号从而识别歌曲的子程序，对其进行调用，进行播放音乐。
确定其歌曲曲目后，１６０２LCD显示歌曲名称
在使用早教机过程中，如果我们需要切换当前所播放的歌曲。
则根据独立按键中断或者HC—０５蓝牙串口模块判断是否需要切换当前所播放的音乐。
如果不需要没切换，只需等待当前音乐播放完毕，如果需要切换当前所播放的音乐，则进行切换操作，当前所播放的音乐播放结束时，子程序会跳会开始位置。
如图４．１所示：
图４．１音乐播放主控流程图
４．２音乐播放子程序流程图
儿童早教机开始播放音乐时，子程序会查找音乐的开始位置，并在音乐的开始字节处进行划分，分为高低字节。
高位字节对应定时器音符音高常数，低字节对音频应节拍数。
单片机会在此时启动中断模式，定时器０在模式１下中断，这时定时器会的得到相应位的音符音高常数，由这个常数子程序会设置相应的节拍数，这样我们就可以重复不断的会去读取这个音乐的音谱，直至这首音乐播放完毕。
如图４．２所示：
图４．２音乐播放子程序图
４．３LCD１６０２显示子程序流程图
我们在使用产品时，首先按下开机键，这时LCD１６０２液晶显示屏会显示“EarlyeducationMachine”当我们按下独立按键对应的阿拉伯数字时，系统会开始调用歌曲子程序并分辨出播放的歌曲名字，并且同时LCD１６０２液晶显示屏显示当前所播放的歌曲名称；当整首歌曲播放完毕，LCD１６０２会返回通入电路时的初始页面。
如图４．３所示：
图４．３LCD１６０２显示流程图
４．４语音模块工作流程图
儿童早教机播放音乐时，首先要下载对应的音乐文件，单片机会通过程序判断键值，为了能使播放音乐时更加的清晰，更大的音量，还会经过一个功率放大器来进行声音的放大，通过设置的独立的按键，进行音乐播放的选择。
在播放音乐过程中，利用按键对当前歌曲做出是否要切换的指示，如要切换歌曲，则按下你要选择的歌曲对应的按键，如不需要切换，则等待歌曲播放完毕，返回初始状态。
如图４．４所示：
图４．４语音模块流程图
５系统仿真与调试
在Windows７\３２位操作系统的电脑上，使用Proteus７．８和Keil上进行仿真。
系统整体电路图如下：
图５．１系统整体电路图
５．１初始化状态
当在Proteus仿真软件中按下运行按键时，STC８９C５２单片机开始初始化，LCD１６０２液晶显示屏显示开机所显示的内容播放歌曲的名称。
其初始仿真电路图如下图所示：
图５．１系统整体电路图
５．２运行仿真
STC８９C５２单片机开始初始化之后，依次按下独立键盘，按下对应的键盘后早教机系统会播放按键所对应的歌曲，LCD１６０２液晶显示屏上显示歌曲名称。
例如依次按下１、２、３、４、５、６、７、８按键时，LCD液晶显示屏对应歌曲名称。
其电路图依次如下图所示：
图５．２（a）按下按键１对应的显示内容
图５．２（b）按下按键２对应的显示内容
图５．２（c）按下按键３对应的显示内容
图５．２（d）按下按键４对应的显示内容
图
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