基于位权凸轮组合方式点显的盲文电子阅读器设计

王子卓

研究设计

研究目的

采用位权凸轮组和凸轮顶杆机构，使得1个舵机同时控制3个盲显点的状态，从而实现一种低成本、易实现的盲显点驱动方法，设计出一种实用创新的盲文电子阅读器。

降低阅读器件成本的突破点

致密的盲显点，导致了其驱动制造的难度非常大。市面上已有的盲文显示器主要有压电陶瓷驱动、记忆合金驱动、电磁铁驱动等几种驱动方式，这些驱动方式均采用了一对一驱动。其中，压电陶瓷驱动和记忆合金驱动属于特种驱动方式，体积虽然轻巧，但是造价昂贵；电磁铁驱动属于常规驱动，但是受到尺寸限制，其制作工艺复杂，重量和能耗均较高。综合以上分析，降低盲文显示器的成本，可以从以下方面着手：①将一对一驱动改为一对多驱动，节省驱动器的数量；②降低驱动器的几何尺寸要求，以便能够采用常规驱动元件。

新的驱动原理介绍

传统驱动方式是1个驱动器驱动1个盲显点，本设计基于二进制位权原理，采用位权组合，1个驱动器可以驱动3个盲显点，位权组合凸轮如图1所示。

盲文的一方由6个盲显点组成3x2的阵列，分左半方和右半方，每个半方由3个盲显点构成的，每点有2种状态，相当于二进制的0和1，所以半方有2-8种组合。当舵机带动凸轮组0～180°旋转时，凸轮组带动3个盲显点，实现8种组合状态，从而达到1个电机驱动3个盲显点的目的。由于盲显点通过凸轮驱动，凸轮通过电机驱动，电机可以远离盲显区域，从而可以降低对驱动器尺寸的要求。

研究过程

本设计从硬件和软件2个方面完成了盲文电子阅读器的设计，并对所设计的盲文电子阅读器进行了部分测试。

硬件设计

盲文电子阅读器的硬件采用“显示模块+SD卡模块+CPU模块+盲文驱动模块+盲文显示模块”的模块化结构设计。

◇盲文显示模块本文设计的盲文显示模块采用位权凸轮组合方式，其中凸轮顶杆机构如图2所示，凸轮旋转时，盲显点可以上下移动，从而实现盲显点的2种状态。

1个位权凸轮组由3个盲显点组成，位权凸轮组如图3所示，由于每个盲显点具备0和1两种状态，所以3个盲显点的位权凸轮组在0～180°旋转时对应2=8种组合方式。位权凸轮组旋转角度和盲显点的对应关系如表1所示。

例如，汉字“我”由声母w和韵母。组成，则对应的4个半方分别为：“101”、“001”、“010”和“001”。通过表1翻译成角度即为112.5°、22.5°、45。和22.5°，将这4个角度发送给舵机则可表示汉字“我”。

盲显点通过凸轮驱动，凸轮通过电机驱动，本设计中电机采用一款微型舵机实现。凸轮组和电机组合后，构成了盲显点的基本显示单元。本设计中的盲文显示模块由32个基本显示单元构成。

◇盲文驱动模块盲文驱动模块的主要功能就是驱动32个舵机按照设计表1所示的凸轮旋转角度与盲显点的对应关系进行旋转。本文所设计的盲文驱动模块通过2块PWM Shield forArduino舵机控制器和Arduino扩展板实现。

◇CPU模块本设计中的CPU模块采用Silicon公司的C8051F410芯片。

SD卡模块本设计中的SD模块通过南京沁恒公司的CH376芯片来实现。

◇显示模块本设计中的显示模块通过1块串口HMI触摸显示屏来实现。

软件设计

主程序流程如图4所示。

例如当单片机接收到打开文件命令时，单片机从命令中获取需要打开文件的序号，由序号获取需要打开文件的文件名，调用文件打开函数打开该文件，然后调用文件内容读取函数，读取文件内容前16字节，同时保持文件内容偏移指针，在显示屏上显示文件内容，接着调用GBK2312码转换汉语拼音函数，将这16个字节的GBK2312码转换成8个拼音，接着调用拼音转换盲文函数，将这8个拼音转换成盲文，再调用盲文舵机角度转换函数，将这8个盲文转换成16个舵机需要转换的角度，最后将这16个角度发送给舵机，舵机驱动凸轮组进行盲文显示。

系统测试

盲文电子阅读器实物如图5所示，现阶段已完成盲文驱动的机械部分制作，盲显点能够在电机带动下动作，为后续的盲文显示打下了基础。

创新点

◇利用二进制位权原理实现了1个驱动模块对3个盲显点的驱动，并采用凸轮顶杆机构实现了符合国家标准的盲文点显装置。

◇通过1个驱动器驱动3个盲显点，使驱动器数量减少了2/3，从而降低了盲文显示器的制造成本。

◇利用凸轮顶杆机构，使驱动器远离盲文显示区，降低对驱动器几何尺寸的要求，从而进一步降低了制造成本。

项目的进一步构想

本文所设计的盲文电子阅读器可以将汉字翻译成盲文，由于翻译过程是先將汉字翻译成拼音，而后将拼音翻译成盲文，拼音的具体含义需要结合大量的语义环境才能确定，所以翻译过程中针对同音字会出现一定概率的翻译错误，因此下一步的构想是进行盲文输入法的研究，期待能够和搜狗等输入法结合。

该项目获得第32届全国青少年科技创新大赛创新成果竞赛项目中学组工程学一等奖。

专家评语

借鉴二进制编码原理，利用多个位权凸轮组合，实现了一个电机同时驱动多个盲显点的显示效果。所设计的点显器有效降低了制造成本，有利于点显器在盲人阅读者中推广使用。建议设计与电脑等信息资源系统的接口和相关软件，以方便点显器的使用。