缪朝阳，冯明春（通讯作者）

（滁州学院机械与电气工程学院，安徽滁州，239000）

1 系统架构设计

本设计是基于51单片机的早教机设计，面向的群体主要是是尚未入学的儿童。具有讲解儿童小故事，播放幼儿动听音乐，播放优美古诗词，播放简单英语等学习辅助功能。主要由STC15F2K60S2单片机、电源单元、OLED模块、解码单元、功放单元、存储单元、红外遥控单元组成。本系统中语音播放模块内置内存卡，含有多首幼儿趣味小故事、多首动听音乐以及很多首唐诗宋词、简单幼儿英语歌曲。除了通过程序对独立按键进行设置，单片机通过按键执行相应的功能外，同时为了摆脱距离的限制，还专门设置了红外接收模块，可以通过遥控器长距离对早教机进行控制，并执行相应的播放、切换、暂停等功能，通过OLED显示模块，可以观看到当前播放的内容，通过遥控或者按键可以切换到下一首以及切换到其他内容部分，系统的内容也很容易修改。总而言之，本设计实用性很强，对于学龄前儿童具有非常大的帮助，让他们在人生路上更好地奔跑。具体的系统框架图，如图1所示。

图1 系统框架图

2 主要设计内容

■2.1 控制器模块设计

主控制器选用的单片机芯片型号为STC15F2K60S2，这是一款低功耗、高效率，抗干扰能力强的8位微控制器，具有可编程Flash存储器、RAM、以及42位的I/O口线，芯片内部含有看门狗定时器，全双工串行口以及片内高精度R/C振荡时钟。此外，处理器内部含有多种工作方式，从而使得整个系统功耗更低，更加省电，同时运用该单片机能够使得制作出的早教机更加小巧精致，增加了幼儿的学习兴趣。

■2.2 红外接收模块设计

红外接收模块采用的芯片是HS0038B。该芯片采用的是环氧树脂塑封封装结构，因此可以对信号进行长距离的接收。它的解调输出信号可以通过微处理器进行直接解码，并且支持所有的传输码。该芯片采用的是一种特殊的红外接收电路，具有集成度高、体积小、低功耗、密封性好、灵敏度高、抗干扰能力强等优点，增加了早教机接收指令的灵敏度。当然为了完善早教机的功能，也留有相应的按键接口。相比较常规的按键控制，红外接收模块的设计则弥补了按键控制进行远距离控制的弊端，让儿童随时随地进行早期学习教育。

■2.3 语音播放模块设计

JQ8900-TF语音播报模块支持中英文播放、播放完成后自动停止，具备专用的busy输出指示；不仅能够提升幼儿的专注力，还对于呵护幼儿听力有非常重大的意义。为了达到预定的效果，可以先把预先准备好的音频下载到的JQ-8900TF语音播报模块中去，然后再程序中设定达到警报阈值后触发JQ-8900TF语音播报模块来驱动扬声器发出对应的不同的早教机声音。

■2.4 温度检测模块设计

温度检测模块使用的是DS18B20温度传感器，这也是我们在使用51单片机进行温度检测时常用的一款温度传感器。测量温度范围为-55~＋125℃，测温分辨率为0.5℃。具有体积小，价格便宜，抗干扰能力强，封装形式多样，精度高等优点。在早教机开机时能够显示室内的环境温度，对于呵护幼儿健康有着非常重要的作用。

■2.5 显示模块设计

显示模块采用的是1.3寸带有中英文字库的OLED液晶显示屏，可以通过SH1106和SSD1306来进行控制，在本装置中所采用的是控制芯片是SH1106，起始地址为0x02。该显示模块芯片GT20L16S1Y是一款自身带有字符库的芯片，不需要再去写字符库，采用的是SPI串行总线接口，工作电压为2.2V~3.6V，支持GB2312汉字国标，排列方式为竖置横排。通过该显示模块可以显示出早教机对应的开机界面以及播放曲目内容等。

3 主程序流程图

在程序初始化以后，紧接着执行主程序，初始状态为自动控制模式，OLED显示模块会自动显示出当前温度以及早教机所含有的教学内容。当按下对应按键，系统会进行不同模式转换，可以转换成儿歌模式、古诗词模式、小故事模式以及英语教学模式。系统主程序流程图，如图2所示。每种模式下会有对应的不同风格的曲目内容，可以根据幼儿的不同喜好来进行选择，也可以通过不同按键值来进行当前内容的暂停以及音量调节功能。考虑到按键控制的弊端后，特意添加了红外接收模块，可以远距离进行控制，不仅对保护幼儿的视力有着非常大的作用，而且避免儿童把它一直放在身边造成听力损伤的困扰，正是有了液晶屏实时显示的不同内容，打开了儿童通往外界的大门，在一定程度上，不仅激发了他们的学习兴趣，对提升创造力、大脑智力也有非常大的作用。

图2 系统主程序流程图

4 实物调试

接通电源，按下开关按键，观察OLED液晶显示模块显示状态。刚开始时观察显示屏上出现：基于51单片机的早教机设计、姓名、当前温度，以及当前音量值的大小。通过对程序的修正和不断改进，最终使显示屏显示出预定的内容。正常开机显示界面，如图3所示。

图3 正常开机显示界面

当OLED显示模块正确显示出预定目标内容时，然后通过红外遥控选择早教机的不同模式。从而菜单栏会对应显示出不同模式对应下的子文件内容。观察OLED显示屏是否能正确显示出早教机的不同模式以及对应模式下的不同内容。

通过儿歌模式，伴随着欢快而又动听的儿歌，不仅能够帮助儿童认识大自然和自己所处的生活环境，而且还能发展他们的思维能力和自我表达能力，提高自我运用语言的能力，对于提高自身智力也有一定的帮助。儿歌模式下面对应6首曲目，由于显示模块面积的限制，6首曲目每3首分别在一个界面显示，下面的故事、故事英语模式也是这样规定。经过调试，发现儿歌模式一切正常。儿歌模式如图4所示。

图4 儿歌模式

经过仔细测试，古诗模式状态一切很好，正确显示出预先安排的内容。通过古诗模式，不仅开发了幼儿的大脑，也使得幼儿对中国古代文化有了一定的了解，增加了对古诗词热爱的同时也对培养自身学习兴趣有着很大的帮助。古诗模式如图5所示。

图5 古诗模式

在故事模式下，经过测试，可以发现通过红外遥控不同功能键来切换不同故事。OLED液晶显示模块可以正常显示出故事模式的当前内容。通过故事模式，儿童可以聆听到绘声绘色、娓娓动听的多首小故事，对于提高语言表达能力和丰富自己的想象力有很大益处，也在一定程度上激发儿童的创新能力，积极学习科学文化知识。相应故事模式如图6所示。

图6 故事模式

通过测试，发现英语模式，在对其进行检测时可以看到按下红外遥控CH+键时菜单栏切换到英语模式，再次按下NEXT键可以切换到对应模式下的不同内容模块：即英语模式，如图7所示。通过英语模式，培养幼儿对于英语学习的语感，在纠正发音的同时自我表达能力也得到了一定的锻炼。

图7 英语模式

接着通过红外遥控的不同功能键来选择不同模式下的不同曲目内容，每种模式下含有6首曲目，观察是否能够正确选择及显示。然后，通过EQ键对于选定的某一模式下的曲目进行播放，播放界面，如图8所示；通过PLAY/PAUSE键来暂停对当前所选曲目的播放，暂停界面，如图9所示。

图8 播放界面

图9 暂停界面

通过VOL+/VOL-键来对当前播放曲目的音量进行调节。音量调节1，如图10所示；音量调节2，如图11所示。

图10 音量调节1

图11 音量调节2

5 结论

本设计主要以STC15F2K60S2单片机为主控芯片，预先准备好的音频下载到的JQ-8900TF语音播报模块中去，然后在程序中设定警报阈值，达到警报阈值后触发JQ-8900TF语音播报模块来驱动扬声器发出对应的音频，从而达到早教的功能。通过DS18B20温度传感器来对所处环境温度来进行检测，从而达到呵护幼儿健康的目的。利用红外接收模块，可以远距离进行控制，不仅对保护幼儿的视力有着非常大的作用，而且避免儿童把它一直放在身边造成听力损伤的困扰，正是有了液晶屏实时显示的不同内容，打开了儿童通往外界的大门，在一定程度上，不仅激发了他们的学习兴趣，对提升创造力、大脑智力也有非常大的作用。该设计实现的功能符合设计要求，达到了预期结果。