張軍林，張 寧，梁 彤，王耀坤，戴宇寧

(佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

世界衛(wèi)生組織的研究報(bào)告顯示，我國(guó)青少年近視率居世界第一，近視發(fā)病低齡化態(tài)勢(shì)明顯[1]。經(jīng)試驗(yàn)得出在乒乓球運(yùn)動(dòng)中兒童及青少年不但鍛煉了身體，還能有效的緩解視覺(jué)疲勞[2]。目前市面上已有的近視防控訓(xùn)練球主要有傳統(tǒng)立式和懸掛式。傳統(tǒng)立式僅由固定底座、彈力桿和乒乓球組成，懸掛式僅由訓(xùn)練繩和乒乓球組成。

傳統(tǒng)立式和懸掛式功能都相對(duì)單一。在傳統(tǒng)訓(xùn)練球已有的功能基礎(chǔ)上加以創(chuàng)新，研發(fā)了一套具有可語(yǔ)音控制開(kāi)關(guān)和播放音頻、計(jì)數(shù)、連接網(wǎng)絡(luò)、自定義訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)以及移動(dòng)功能的訓(xùn)練球，功能多樣化，增強(qiáng)了趣味性，同時(shí)提高了訓(xùn)練質(zhì)量，避免了易忽視的安全隱患問(wèn)題。

1 總體方案及原理

本設(shè)計(jì)主要借助掃地機(jī)器人并結(jié)合功能模塊，功能模塊包括語(yǔ)音識(shí)別控制及音頻播放模塊、計(jì)數(shù)模塊、Wi-Fi模塊和時(shí)鐘模塊。

音頻播放模塊的觸發(fā)引腳連接到語(yǔ)音識(shí)別控制模塊的輸出引腳上，當(dāng)麥克風(fēng)接收到指令后，該模塊將對(duì)應(yīng)輸出引腳接入高電平或者低電平，進(jìn)而觸發(fā)音頻播放模塊，播放音頻。可移動(dòng)底座的開(kāi)關(guān)電路也連接在該模塊的輸出引腳上，根據(jù)該引腳接入的高低電平來(lái)控制開(kāi)關(guān)電路的接通和斷開(kāi)。AT89C51單片機(jī)連接Wi-Fi模塊、陀螺儀和時(shí)鐘模塊。Wi-Fi模塊連接網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至互聯(lián)網(wǎng)；陀螺儀是一個(gè)角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)傳感器，檢測(cè)物體位置的變化；時(shí)鐘模塊用以記錄時(shí)間，均通過(guò)一定的通信協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 語(yǔ)音識(shí)別控制及播放音頻

語(yǔ)音識(shí)別控制模塊接收到命令后，迅速將模塊上的輸出引腳接入高電平或者低電平，便會(huì)觸發(fā)電路，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別控制的功能。

語(yǔ)音播放模塊通過(guò)感應(yīng)觸發(fā)播放，與語(yǔ)音控制模塊的輸出引腳相連接，當(dāng)該引腳感應(yīng)到低電平時(shí)，便會(huì)觸發(fā)語(yǔ)音播放電路。

2.2 計(jì)數(shù)

MPU-6050陀螺儀是一款可用IIC接口連接的第三方數(shù)字傳感器。陀螺儀檢測(cè)乒乓球的坐標(biāo)變換[3]，單片機(jī)通過(guò)該模塊的SDA引腳讀取陀螺儀采集的數(shù)據(jù)，并通過(guò)算法判斷當(dāng)前拍打是否有效，記錄擊打次數(shù)。

2.3 連接網(wǎng)絡(luò)

連接網(wǎng)絡(luò)功能由ESP8266 Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)將陀螺儀測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)TXD和RXD依靠串口通信協(xié)議發(fā)送至Wi-Fi模塊[4]，Wi-Fi模塊接收后便將該數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)，用戶通過(guò)軟件進(jìn)行查看。

2.4 自定義訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)

DS1302時(shí)鐘芯片通過(guò)簡(jiǎn)單的串行接口與單片機(jī)通訊[5]。模塊計(jì)時(shí)通過(guò)芯片的I/O口實(shí)時(shí)被單片機(jī)所讀取，待計(jì)時(shí)達(dá)到設(shè)置時(shí)長(zhǎng)時(shí)，單片機(jī)就會(huì)觸發(fā)語(yǔ)音播放電路，并將本次記錄通過(guò)Wi-Fi模塊上傳至網(wǎng)絡(luò)。

2.5 可移動(dòng)技術(shù)

在掃地機(jī)器人的基礎(chǔ)上加以創(chuàng)新，作為可移動(dòng)底座。利用三極管的放大作用設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電路，三極管的基極連接語(yǔ)音識(shí)別控制電路，當(dāng)接收到打開(kāi)開(kāi)關(guān)的語(yǔ)音命令后，三極管導(dǎo)通，繼電器瞬時(shí)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制可移動(dòng)底座的開(kāi)和關(guān)。

3 程序設(shè)計(jì)

手機(jī)APP自定義訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)后，語(yǔ)音識(shí)別控制模塊接收到“打開(kāi)開(kāi)關(guān)”的命令時(shí)，時(shí)鐘開(kāi)始計(jì)時(shí)，陀螺儀開(kāi)始采集乒乓球位置變化，單片機(jī)記錄擊打次數(shù)，待計(jì)時(shí)到達(dá)自定義時(shí)間后，Wi-Fi模塊將本次記錄數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)，使用者可以通過(guò)手機(jī)APP查看。與此同時(shí)，可選擇是否播放音樂(lè)，并可以通過(guò)語(yǔ)音命令關(guān)閉音樂(lè)。

4 總體調(diào)試

由于陀螺儀存在一定的漂移問(wèn)題，故存在偏差，經(jīng)過(guò)數(shù)次對(duì)單片機(jī)程序的優(yōu)化以及陀螺儀位置的調(diào)整，最終將準(zhǔn)確度穩(wěn)定在93%左右，基本不影響使用，計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)如表1。

表1 計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)表

目前基于Wi-Fi的語(yǔ)音控制可移動(dòng)近視防控球的整體調(diào)試已經(jīng)完成，并將最終完整成品搭建成功，整體電路原理圖如圖2。

圖2 基于Wi-Fi的語(yǔ)音控制可移動(dòng)近視防控球系統(tǒng)連接原理圖

5 總結(jié)

單片機(jī)使用C51編程語(yǔ)言，陀螺儀、時(shí)鐘模塊以及Wi-Fi模塊受單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)、自定義訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)和連接網(wǎng)絡(luò)的功能。語(yǔ)音識(shí)別控制模塊通過(guò)麥克風(fēng)拾取聲音，并通過(guò)高低電平觸發(fā)語(yǔ)音播放模塊，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制和播放音樂(lè)的功能。改造技術(shù)成熟的掃地機(jī)器人，作為整個(gè)設(shè)備的底座，實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)的功能。在訓(xùn)練的過(guò)程中增強(qiáng)了趣味性,對(duì)青少年具有更大的吸引力，對(duì)預(yù)防青少年近視有著極大的幫助和意義。