一款语音控制翻页机的设计研究

2022-02-16张美艳王晓萌李玉茹

科技视界 2022年28期

张美艳王晓萌李玉茹焦杨

（临沂大学物理与电子工程学院，山东临沂 276000）

0 引言

本研究旨在设计一款便于语音控制的智能翻页机。该翻页机能够通过语音控制自动翻页，避免手动操作，提高翻页效率，方便人们的生活学习。虽然读书翻页对普通人而言十分简单，但对于一些肢体障碍人士来说，则存在一定的不便，语音控制的翻页机能够满足这类人群的需要。对于一些需要尽量避免中断的工作，智能翻页机能够省去手动翻页的步骤，避免浪费时间，提高工作效率。例如，弹奏钢琴，当需要翻阅下一页曲谱时，弹奏者不需要停下来手动翻页，可以最大程度上完整弹奏乐曲，而不出现停顿现象。

现有市面上的翻页机大多是机械式或自动开关控制，且只能逐页翻书，如脚踏式和阅读架自动翻页机。它们存在体积大、搬运不变、结构复杂、成本较高等问题，影响了翻页机的应用前景和普及程度。设计一款成本低廉的便携式语音控制智能翻页机，能改善人们的生活品质，提高青少年对阅读纸质书籍的兴趣，存在相当的研究意义和市场价值。

1 基本结构

本设计是由STM32单片机，语音模块LD3320，舵机，步进电机，橡胶棒，立书架，齿轮，滑轨，麦克风以及螺旋升降台组成的。其整体模型和平面展示图如图1所示。通过调节螺旋升降台上的旋转器件，可以调节立书架高度，以适应用户身高。为达到精准翻书的目的，立书架左右各布置了一组书夹，固定书本位置，保证在翻页过程中不发生滑动。立书架左右上方各布置了一个模仿手指翻书仿制的橡胶棒，橡胶棒连接着齿轮，齿轮各受一个步进电机和舵机控制。舵机通过旋转90°带动橡胶棒摆动插入书页下方，步进电机则通过翻转滑轨带动橡胶棒翻转，产生摩擦翻起书页。两个橡胶棒分别控制向前和向后翻起书页。步进电机与舵机带动橡胶棒翻页的力度与方向相互配合，从而避免力度不够无法翻书，或者力度过大翻页过多。

图1 翻页机整体模型立体和平面图

翻页机总体结构图如图2所示。其中，语音识别LD3320模板负责采集声音信号，对语音信号进行处理。单片机控制系统以STM32单片机为核心，负责根据收到的信号产生相应的机械结构控制方法，生成相应的翻页指令。翻页指令通过机械结构模块的驱动电路，驱动舵机，提供旋转力度，带动橡胶棒插入书页下方，驱动步进电机翻转橡胶棒，最终实现翻页。下面对步进电机、舵机进行简单的介绍。

图2 总体结构图

1.1 步进电机

步进电机能够将输入脉冲信号转化为一定的角位移。当并无脉冲信号时，步进电机转子处于静止状态；当输入脉冲信号时，转子以一定角度转动。控制单片机向其输出的脉冲个数，即可控制步进电机的转子，使其转过精确的角度；控制脉冲频率，即可控制步进电机的转速。本设计的翻页控制功能需依靠电动机完成，而使用步进电机可以节省成本，使得最终成品经济实用。机械结构上，步进电机转子与齿轮相连，通过齿轮带动橡胶棒翻转，将纸张从立书架一侧翻到另一侧，两个橡胶棒分别实现前后翻页。

1.2 舵机

舵机也称为伺服电机，具有体积小、扭力大、控制简单等特点。其主要工作参数是最大力矩及工作速度。舵机根据收到的单片机发送的PWM控制信号，转过相应角度，带动橡胶棒旋转。如果舵机收到的PWM控制信号不发生变化，其转动的角度就保持不变。本设计中，舵机能够通过齿轮，将橡胶棒由与立书架平行摆动到垂直插入书页下方，进而配合步进电机翻转橡胶棒实现翻页。翻页完成后，舵机还可以在相应信号的作用下控制橡胶棒回归原位。

2 总体设计

2.1 硬件电路设计

硬件电路由主控制电路、驱动电路和语音识别电路构成。

主控制电路是由STM32F1103单片机、晶振电路、复位电路和电源构成的单片机最小系统。由于从单片机的I/O口上输出的电流较小，不能够满足步进电机的运转需求，需要采用功率放大器放大单片机的输出信号，从而驱动步进电机，驱动电路使用常见的反向放大器ULN2803构成，可驱动两个步进电机。语音识别电路由LD3320芯片及其相关外围电路构成，负责采集语音信号并输出识别结果，送给主控制电路的单片机。单片机根据接收到的语音命令，控制舵机旋转一定角度，从而控制模拟手指的橡胶棒插入待翻起的书页，控制步进电机旋转橡胶棒，模拟手指翻页的动作翻过书页。成功翻页后，舵机和步进电机反转，橡胶棒回到原始位置，完成全部翻页动作。

2.2 软件程序设计

软件程序设计遵循模块化的设计流程，与硬件设计配合实现相应功能。翻页机的软件模块包括主程序模块、电机驱动模块、语音播报模块。具体的主程序流程图如图3所示。

软件程序首先通过设置语音识别芯片的内部寄存器，初始化其语音识别功能和声音播放功能，然后写入50条汉语拼音语音识别列表并开始计时，继而控制芯片开始语音识别。根据识别到的语音命令，执行相应子程序。语音播报子程序首先判断定时是否结束，然后根据初始化过程中设置好的播报内容播放对应语音。前/后翻页子程序首先控制左右舵机旋转橡胶棒，插入待翻起的书页，其次控制步进电机翻转橡胶棒，翻过相应书页，再次步进电机和舵机反向转动，带动橡胶棒和翻页杆归位，完成一次翻页。