(绍兴文理学院 数理信息学院 绍兴 越城 312000)

引言

据统计，我国肢体残疾人数超过了2000万，其中包括为数众多的上肢不灵活的群体。随着社会的进步与科技的发展，这些群体的物质生活有所改善，但精神方面有所残缺，尤其是阅读各类书籍资料[1-4]。为了满足特殊人群阅读的需求，我们设计了一款成本低廉、自动化程度高，并适用市面最常见大小的书本的自动翻书器。它极大了克服了传统翻书机成本高昂、结构复杂的缺陷，并为用手不便的群体提供了阅读及娱乐功能，提升了他们的生活品质。

一、硬件设计

该装置主要由CPU模块、舵机驱动模块、语音模块、红外遥控模块和微动开关模块五大部分组成，包括控制吸盘升降实现翻页的往复直线运动功能与调整适合书本的大小的伸缩功能、语音操作功能及舒适护眼功能。该装置通过红外线传感器检测书本的放置，由32位单片机控制底部舵机将载书板的大小调整至合适大小，利用单片机控制吸盘开闭，并控制舵机转动，带动吸盘的上升与下降，实现书本的放置与翻页。该装置总结构设计、框架图分别如图 1所示。

图1 装置总框架图

(一)CPU模块。该模块采用STM32F103的32位ARM微控器，其内核为Cortex-M3。该模块主要用于接收来自红外测距传感器、红外遥控器和光敏传感器的数据。数据处理后传给电机驱动模块和照明模块等。当检测到信息异常时，发送信息给报警模块，系统发出报警信息。

(二)光敏传感器模块。光敏电阻模块对环境光线敏感，用来检测周围环境的光线的亮度，触发CPU模块或继电器模块等；该模块在环境光线亮度达不到设定阈值时，DO端输出高电平,当外界环境光线亮度超过设定阈值时,DO端输出低电平。

(三)舵机驱动模块。该舵机驱动模块的工作电压为3.5-6V，可以接收PWM信号调整转动角度。

(四)语音模块。该模块使用JQ8400 语音模块，利用的是 SOC 方案，集成了一个16位的 MCU，以及一个专门针对音频解码的 ADSP，采用硬解码的方式，更加保证了系统的稳定性和音质。

(五)红外遥控模块。该模块的尺寸为：86(长)*40(宽)*6.6(厚)，配合51单片机&AVR 试验板 TX-1C 可以做红外遥控试验.标准的38K调制频率，内置大通用3V纽扣电池，使用时间长、方便更换。

(六)气泵驱动模块。该气泵驱动模块的工作电压为2-6V，其吸力大小可以调节，可满足不同书本不同纸张的要求。

(七)微动开关模块。微动开关(又称限位开关)的一种，是一种常用的小电流主令电器。利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。

(八)护眼灯。作为外部补充的光源，三档可调，保护用户的眼睛。

二、软件部分

该装置的执行功能均通过单片机控制软件系统来实现的，工作过程主要包括：检测书本的放置、调整书本板的大小、控制书本的翻页、实现灯光的调节及语音操作。在该翻书机处于待机状态，压力传感器模块单独工作，时刻检测是否有书本放置。如果一旦检测到有书本放置，红外测距模块检测书本距离，CPU模块控制底部舵机调整在书本板的大小至适合大小，并且语音模块播报“欢迎使用全自动翻书机”。全自动翻书机等待红外遥控模块发出控制信息，红外遥控模块可以发出的信息有：下一页、上一页、音乐播放、灯光调节、设备关闭。若CPU接收到“上一页”/“下一页”信息时，气泵打开、左/右舵机开始工作，而后由舵机控制直线往复机构升降，同时控制气泵开启吸盘吸起书页后，由下端的拨书片将书页拨至适当位置并且展平，实现翻页动作，气泵关闭，然后CPU等待下一信息再进行工作。若CPU接收到“音乐播放”信息时，语音模块播放对应的音乐。若CPU接收到“灯光调节”信息时，照明模块打开护眼灯。其主、子流程分别如图所示。

图2 主流程图

图3 子流程图图

三、结论

该翻书机基于机械结构设计[5]，结合STM32F1系列单片机控制吸盘及舵机来实现翻页功能，并通过语音模块实现了定点报时、音乐娱乐等功能。它适用手部不灵活的群体，可在桌子上或者床边使用，丰富了残疾老年人的生活，填补了市场对于残疾老年人娱乐方面的空缺，并且造价低廉，方便加工，也适合广大人民的经济接受范围，对于残疾老年人的娱乐或者说是阅读方面起到了积极的作用。