淺談兒童發(fā)聲玩具紅外遙控器的設(shè)計

海燕

（安徽能源技術(shù)學(xué)校電氣教研室　安徽·合肥　230000)

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淺談兒童發(fā)聲玩具紅外遙控器的設(shè)計

海燕

（安徽能源技術(shù)學(xué)校電氣教研室安徽·合肥230000)

摘要：兒童發(fā)聲玩具及其紅外遙控技術(shù)已經(jīng)成為諸多電子產(chǎn)品設(shè)計人員所青睞的領(lǐng)域。本文對基于STC12LE5608AD型號單片機(jī)控制語音合成芯片SYN6288的兒童發(fā)聲玩具的系統(tǒng)原理進(jìn)行了剖析，并重點(diǎn)對基于STC12LE5608AD的紅外遙控器的設(shè)計思路進(jìn)行分析，包括發(fā)射電路設(shè)計分析與軟件設(shè)計分析。以期對讀者對該產(chǎn)品的研發(fā)有所幫助。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)（STC12LE5608AD）；語音合成芯片（SYN6288）；兒童發(fā)聲玩具；紅外遙控

引言

能發(fā)聲的玩具深受孩子們的喜愛，也備受家長推崇。實(shí)現(xiàn)玩具發(fā)音主要有兩種方法。一種是對聲音進(jìn)行采集，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲起來，播放時再將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。這種方式功能強(qiáng)大，既可錄制與播放語音，又可以采集與播放任意歌曲，還能控制采樣速率，既照顧聲音的逼真性又能保持存儲容量不至于過大，缺點(diǎn)是電路和算法復(fù)雜，設(shè)計的工作量大。另一種方法是通過單片機(jī)控制語音合成(text to sPeech，TTS)芯片發(fā)聲[1，2]，這種芯片能直接將文字轉(zhuǎn)換為聲音。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電路及軟件設(shè)計簡單，缺點(diǎn)是不夠靈活，功能不如前一種強(qiáng)大。

本文涉及的兒童發(fā)聲玩具選取的是北京宇音天下科技有限公司的語音合成芯片SYN6288，通過單片機(jī)(STC12LE5608AD)控制TTS芯片SYN6288發(fā)聲，達(dá)到玩具發(fā)聲的目的，加上可以紅外遙控，將會深受小朋友喜愛。單片機(jī)通過串口將待合成語音的文字發(fā)送給語音合成芯片，語音合成芯片將接收到的文字轉(zhuǎn)換為聲音通過喇叭發(fā)出，可以實(shí)現(xiàn)說話，讀詩等功能。語音合成芯片還自帶15首背景音樂，單片機(jī)可以通過控制命令，控制語音合成芯片播放哪一首歌曲。該玩具的設(shè)計主要由五部分構(gòu)成:紅外遙控系統(tǒng)，語音系統(tǒng)，單片機(jī)控制系統(tǒng)，語音合成電路設(shè)計部分，軟件設(shè)計部分。本文將重點(diǎn)介紹紅外遙控器設(shè)計的思路。

1　玩具語音系統(tǒng)構(gòu)成及原理簡介

1.1語音合成系統(tǒng)的構(gòu)成

語音合成系統(tǒng)主要由微控制器

圖1　語音合成系統(tǒng)原理圖

1.2語音合成系統(tǒng)功能原理簡介

SYN6288語音合成芯片接收到控制芯片STC12LE5608AD串口送入的一定格式的字符串信號后對字符串進(jìn)行解析，提取數(shù)據(jù)包，最后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的語音信號，從而驅(qū)動喇叭發(fā)出聲音。以下對單片機(jī)控制器STC12LE5608AD與語音合成芯片SYN6288進(jìn)行簡介。

STC12LE5608AD簡介：STC12LE5608AD型號是屬于STC單片機(jī)系列的新一代較為先進(jìn)的8051單片機(jī)[1，5_6]。高速運(yùn)算能力、體積小、高抗擾能力、損耗低、是STC12LE5608AD的優(yōu)勢。STC12LE5608AD擁有10位AD轉(zhuǎn)換、4路PWM/PCA、MAX810專用復(fù)位電路以及I2C總線接口。此外，美軟Kei1 Software開發(fā)的軟件_kei1C51也可使STC12LE5608AD代碼設(shè)計與調(diào)試環(huán)境比較便捷。STC12LE5608AD單片機(jī)的優(yōu)勢使其在強(qiáng)干擾或計算速度及精度要求較高的場合，有著較好的應(yīng)用，如工業(yè)電機(jī)控制領(lǐng)域、醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備領(lǐng)域等都有應(yīng)用。

SYN6288簡介:北京宇音天下科技有限公司產(chǎn)出的語音合成芯片SYN6288可通過異步串口(UART)，實(shí)時的將接收到的文本信息轉(zhuǎn)化成自然清晰的語音[2，7]。由于性價比優(yōu)越，發(fā)聲清晰，其應(yīng)用范圍廣泛，如在考勤機(jī)、語音電子書、車載調(diào)度及導(dǎo)航都有著很好的應(yīng)用。

2　紅外遙控器設(shè)計

紅外遙控技術(shù)是一種把紅外線[8，9]作為載體進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信的遙控技術(shù)，市場上其軟硬件配置都已非常齊全。由于無線電的波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于紅外線的波長，因此紅外遙控一般不會影響到其它電器或無線電設(shè)備的正常運(yùn)行。

2.1紅外遙控器的發(fā)射接收原理

紅外的簡單發(fā)射接收原理如圖2(a)(b)所示。紅外光波由紅外發(fā)射電路[10]的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的光信號經(jīng)過調(diào)制得到，此后紅外光波被接收電路接收后，再將光信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號后送入放大器處理還原。接收電路主要由紅外接收二極管、三極管或硅光電池組成。

圖2　紅外的簡單發(fā)射接收原理

2.2基于單片機(jī)遙控發(fā)射器的原理分析

用單片機(jī)作為遙控器的核心控制部分，比常用的編碼與解碼電路方便快捷，因為它可任意設(shè)定操作碼的個數(shù)且編程較為靈活。因此使用單片機(jī)作為遙控器的核心控制部分使其不受功能鍵數(shù)的阻礙得到廣泛的應(yīng)用，遙控應(yīng)用范圍擺脫了傳統(tǒng)遙控器只在專用電器中使用的限制。

STC12LE5608AD單片機(jī)、紅外發(fā)射電路、行列式鍵盤以及低功耗空閑方式控制電路組成了單片機(jī)遙控發(fā)射器系統(tǒng)。STC12LE5608AD運(yùn)用空閑節(jié)電工作方式，非工作狀態(tài)下就處在低功耗模式。當(dāng)按下遙控器鍵盤的任一按鍵，此時由于按鍵生成的外部中斷1促使STC12LE5608AD進(jìn)入工作模式。查詢并確定按鍵位置后，程序啟動定時器T0、T1。T0實(shí)現(xiàn)紅外發(fā)射頻率控制；T1控制發(fā)射時間。發(fā)射頻率由寫入定時器程序的初值決定，紅外發(fā)射的終止是由T1定時溢出使中斷程序關(guān)閉T0定時器來完成。

其原理如圖3所示。

圖3　單片機(jī)遙控發(fā)射器設(shè)計原理圖

2.3發(fā)射電路分析

鍵盤矩陣、編碼調(diào)制、LED紅外發(fā)送器組成了紅外發(fā)射主要部分[11][12]。以二級制數(shù)0來表達(dá)1.125ms的周期、0.56ms的間隙、0.565ms的脈寬的發(fā)射組合；以1表達(dá)2.25ms的周期、1.685ms的間隙、0.565ms的脈寬組合。發(fā)射運(yùn)用的是脈寬調(diào)制(Pu1se width modu1ation，PWM)的串行碼，其波形如圖4所示。

圖4　遙控碼的“0”和“1”

32位二進(jìn)制代碼基于上述的二進(jìn)制碼0和1組成，發(fā)射效率的提升是由38kHz的載頻實(shí)施二次調(diào)制實(shí)現(xiàn)的。最后紅外發(fā)射二極管可向外空間發(fā)射紅外線。

32位連續(xù)的二級制數(shù)組組成遙控編碼。前16位二級制代碼即用戶識別碼，可將相異的電路設(shè)備區(qū)分開來，以防互一種機(jī)型遙控碼對另一機(jī)種的遙控碼存在干擾。比如電視機(jī)和空調(diào)便對應(yīng)兩種不同的用戶識別碼。本設(shè)計將用戶識別碼設(shè)置成十六進(jìn)制01H；32位連續(xù)的二級制數(shù)組的后16位為8位操作碼與其反碼，操作碼也稱功能碼。遙控信號編碼波形圖如圖5所示。

圖5　遙控信號編碼

圖6　遙控信號的周期性波形

某時刻按下遙控器的某一按鍵，此時便以108ms左右的周期時間循環(huán)發(fā)出同一種32位的二進(jìn)制代碼。單組代碼包含的二進(jìn)制數(shù)個數(shù)決定其持續(xù)時間，總結(jié)來看，持續(xù)時間一般在45_63ms之間。

按鍵時間大于36ms時便會促使振蕩器工作，此時會生成一組編碼脈沖，儲蓄時間為100ms。編碼脈沖的組成與持續(xù)時間分配:13.5ms的引導(dǎo)碼；9_18ms的用戶識別碼；8位數(shù)據(jù)碼與其反碼的持續(xù)時間都是9_18ms。若按鍵時間大于100ms時，此時連發(fā)代碼由持續(xù)時間為13.5ms的引導(dǎo)碼組成。

欲發(fā)射信號與載波信號進(jìn)行邏輯“與”運(yùn)算后送入發(fā)射管方可實(shí)現(xiàn)紅外信號的發(fā)射，這是紅外發(fā)射管的特性。載波信號頻率為38kHz時可實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)的發(fā)射距離與最好的發(fā)射性能。因此本設(shè)計的載波信號就是由38kHz的晶振電路生成，將載波信號和欲發(fā)射信號進(jìn)行“與”運(yùn)算送入發(fā)射管后，再由三極管驅(qū)動至紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外信號。

圖7為信號發(fā)射電路硬件連接圖。38kHz晶振電路、STC12LE5608AD單片機(jī)、或非門、紅外發(fā)射管驅(qū)動輸出電路等組成了紅外發(fā)送電路。STC12LE5608AD的P3.4引腳為低電平時，發(fā)射管不發(fā)射光信號；P3.4引腳為高電平時，紅外發(fā)射管則發(fā)出38kHz的調(diào)制紅外線。

圖7　信號發(fā)射電路硬件連接圖

直接用I/O線構(gòu)成的單個按鍵電路，即為獨(dú)立式按鍵。獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)雖會占用許多I/O口線，但其結(jié)構(gòu)比較簡單且配置靈活，每個I/O口工作狀態(tài)相互獨(dú)立，各個按鍵之間互不影響。獨(dú)立式按鍵電路如圖8所示，大阻值的上拉電阻可使按鍵斷開時，I/O口為高電平；當(dāng)按鍵被按下時，則對應(yīng)的接口引腳為低電平。

圖8　獨(dú)立式按鍵電路

在主循環(huán)中單片機(jī)不停循環(huán)檢測各個引腳，若發(fā)現(xiàn)某一引腳被拉為低電平，則說明與之關(guān)聯(lián)的按鍵被按下了，應(yīng)該發(fā)射相應(yīng)的編碼。例如，若與P1.0相連的按鍵被按下，則P1.0引腳被拉低，單片機(jī)檢測到P1.0引腳被拉低，就通過紅外發(fā)射二極管發(fā)射前導(dǎo)碼和32位數(shù)據(jù)（包括8位用戶識別碼，8位用戶識別碼反碼，8位數(shù)據(jù)碼和這8位數(shù)據(jù)的反碼）。

3　紅外遙控器控制軟件設(shè)計

遙控器控制軟件程序框圖如圖9所示:在主循環(huán)中單片機(jī)不停循環(huán)檢測各個引腳，若發(fā)現(xiàn)某一引腳被拉為低電平，則說明與之關(guān)聯(lián)的按鍵被按下了，應(yīng)該發(fā)射相應(yīng)的編碼，接收端對接收到的編碼進(jìn)行解碼，從而控制語音合成芯片發(fā)出不同的語音。例如，若與P1.1關(guān)聯(lián)的按鍵被按下了，則發(fā)射相應(yīng)的編碼，控制語音合成芯片朗讀唐詩《春曉》。

雖然在按下一個按鍵后，發(fā)射前導(dǎo)碼及32位數(shù)字信號，但對于每個按鍵，這32位數(shù)字信號是不同的，前十六位是用戶識別碼及反碼，對每一個按鍵都是相同的；后16位是操作碼及其反碼，對每一個按鍵都是不同的。以上是該玩具紅外遙控器設(shè)計的主要過程。

4　結(jié)語

兒童發(fā)聲玩具的開發(fā)與制作并非易事，從選材，設(shè)計，調(diào)試，制作到投入市場都需要花費(fèi)很多人力物力。本文所提及的紅外遙控器的設(shè)計更多是學(xué)術(shù)研究，沒有針對性得考慮商業(yè)價值，僅供大家學(xué)習(xí)參考。

紅外遙控器在兒童發(fā)聲玩具中的應(yīng)用，大大提高了玩具的趣味性，充分滿足了孩子探索世界的欲望，開發(fā)孩子的智力，并把玩具的水平提高到一個全新的高度，受到家長孩子的歡迎。

圖9　遙控發(fā)射器主程序流程圖

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作者簡介：海燕，安徽能源技術(shù)學(xué)校講師，碩士。

中圖分類號：TS951

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-8534（2016）02-151-03