自动翻页式幼儿早教机

刘 凯， 王 宁， 张 维

（广东机电职业技术学院 电气技术学院， 广州510515）

0 引 言

早教机是帮助宝宝学习的工具，通过全方位训练儿童学习能力，帮助孩子培养学习兴趣，开发潜能，对幼儿注意力、思维能力等方面提升有很大帮助［1-3］。 另外，在与幼儿互动的同时传授幼儿拼音、单词、文字，播放音乐，讲故事，有利于提高孩子的语言能力［4］。

目前市场上的早教机可以分为2 种，第一种早教机外壳多为卡通人物或动物外形，内部只有语音播放功能，没有画面播放功能，对于1-3 岁、注意力不够集中的幼儿来说，往往让幼儿提不起来兴趣去听［5-6］。 第二种早教机具有声音和画面两个功能，外形多为电视机或机器人结构，机器人面部带有显示屏，可以显示卡通画面或照片等［7］，此种早教机声音与画面同步，但是画面由电子显示屏显示，会对长时间观看的幼儿的视力会造成伤害，因此在1-3岁的幼儿家长中推广艰难。 因此，有必要开发一种既保护儿童视力又有趣的早教系列产品。

1 总体设计方案

本文设计的早教机在画面显示上放弃了电子显示屏，取而代之以真实画面、音频同步播放的方式播放早教内容，早教机画面为纸张构成，利用机械翻页机构实现画面变化，幼儿可长时间观看但不伤眼，从而达到保护视力的目的。 早教机系统结构如图1 所示，由控制面板、小剧场外框、可更换翻页组件、翻页驱动模块和音频模块组成。 控制面板上设有启动按钮、停止按钮、音频音量调节及灯光调节电位器，用Arduino 作为控制主板，与步进电机和音频控制板连接，实现机械运动与音频同步控制功能。 音频的播放功能是由MP3 模块对IF 卡中音频内容进行解码，并通过扩音器播放，通过对Arduino 主板编程，实现对TF 卡中的曲目进行精准播放。

2 硬件技术设计

（1）音频播放设计。 音频控制部分选用了MP3-TF-16P 串口语音模块，该模块完美集成了MP3、WAV、WMA 等硬件码，同时支持TF 卡的驱动。 通过简单的引脚控制就能实现音频播放功能［8-9］。

（2）灯光设计。 为了提高早教机翻页组件的亮度，保护儿童视力，应用了LED 灯，当音频播放时LED 灯自动点亮。

图1 早教机系统结构Fig. 1 System structure of early childhood education

（3）翻页机构。 自动翻页机构如图2 所示，包括驱动步进电机、电机固定支座、涡轮、涡杆、展示叶片、叶片架和翻页挡针。 翻页挡针固定在叶片架的上侧，顶住翻页挡针后方的展示叶片；两个叶片架之间装有驱动轴，步进电机通过传动组件带动驱动轴转动，实现翻页功能。

图2 自动翻页机构Fig. 2 Basic composition page-turning mechanism

（4）可更换结构设计。 为了丰富早教机的播放内容，本设计将翻页机构设计为方便更换的卷轴，家长可以选择内容多样的学习模块［10］。 本设计选取了多样的主题场景，将英语、拼音识字、数学逻辑、自然常识、道德等领域内容整合到各个主题中。 图3为已开发的水果系列、弟子规系列、三字经系列早教卷轴。

图3 不同系列的翻页卷轴Fig. 3 Different series of scrolls

（5）小剧场外观设计。 小剧场采用木质料，并结合早教内容设置外观风格。 图4 展示了欧式和中式风格的小剧场，利用彩色外观贴纸突出各自风格，剧场正下方设置3 个控制旋钮，用于启动设备和调整音量。

图4 不同风格的小剧场外框Fig.4 Different styles of small theater frame

3 控制系统设计

3.1 主机控制模块

控制部分按照功能主要分为2 个部分。 第1 部分通过Arduino 主板与按钮电位器MP3 模块相连接。第2 部分通过Arduino 主板与ULN 2003 驱动模块实现步进电机控制。 控制设计流程如图5 所示。

图5 控制系统流程图Fig. 5 The flow char of control system

3.2 音频播放模块

作为从机部分，MP3-TF-16P 语音模块接收Arduino 发出指令从而把信号传送到播放器上。 对于播放的音频即存在TF 卡中，根据TF 卡容量大小，可以录制更多的音质和音频内容。 控制原理如图6 所示。

图6 MP3 模块连接图Fig. 6 MP3 module connection diagram

4 结束语

本文介绍了一款不伤眼、可与音频同步播放的幼儿早教机。 其功能总结如下：

（1）可以避免幼儿使用带液晶显示屏的早教机视力的伤害问题，利用机械翻页机构实现画面变化，提高了家长对早教机的满意度，促进了此类早教机的推广。

（2）添加了声音模块，叶片可以随着故事语音的播放按照一定顺序翻页，显示与故事语音相对应的卡通画面或真实照片，提高了早教机的趣味性。

（3）外壳的设计，一方面将所有部件包裹在内，提高安全性，另一方面采用了不同风格小剧场的外框设计，吸引幼儿去体验。