張軍林，張 寧，梁 彤，王耀坤，戴宇寧

(佳木斯大學信息電子技術學院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

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

傳統立式和懸掛式功能都相對單一。在傳統訓練球已有的功能基礎上加以創(chuàng)新，研發(fā)了一套具有可語音控制開關和播放音頻、計數、連接網絡、自定義訓練時長以及移動功能的訓練球，功能多樣化，增強了趣味性，同時提高了訓練質量，避免了易忽視的安全隱患問題。

1 總體方案及原理

本設計主要借助掃地機器人并結合功能模塊，功能模塊包括語音識別控制及音頻播放模塊、計數模塊、Wi-Fi模塊和時鐘模塊。

音頻播放模塊的觸發(fā)引腳連接到語音識別控制模塊的輸出引腳上，當麥克風接收到指令后，該模塊將對應輸出引腳接入高電平或者低電平，進而觸發(fā)音頻播放模塊，播放音頻?？梢苿拥鬃拈_關電路也連接在該模塊的輸出引腳上，根據該引腳接入的高低電平來控制開關電路的接通和斷開。AT89C51單片機連接Wi-Fi模塊、陀螺儀和時鐘模塊。Wi-Fi模塊連接網絡將數據上傳至互聯網；陀螺儀是一個角運動檢測傳感器，檢測物體位置的變化；時鐘模塊用以記錄時間，均通過一定的通信協議與單片機進行數據傳輸。系統原理圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖

2 硬件設計

2.1 語音識別控制及播放音頻

語音識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，便會觸發(fā)電路，實現語音識別控制的功能。

語音播放模塊通過感應觸發(fā)播放，與語音控制模塊的輸出引腳相連接，當該引腳感應到低電平時，便會觸發(fā)語音播放電路。

2.2 計數

MPU-6050陀螺儀是一款可用IIC接口連接的第三方數字傳感器。陀螺儀檢測乒乓球的坐標變換[3]，單片機通過該模塊的SDA引腳讀取陀螺儀采集的數據，并通過算法判斷當前拍打是否有效，記錄擊打次數。

2.3 連接網絡

連接網絡功能由ESP8266 Wi-Fi模塊實現，單片機將陀螺儀測量的數據通過TXD和RXD依靠串口通信協議發(fā)送至Wi-Fi模塊[4]，Wi-Fi模塊接收后便將該數據上傳至網絡，用戶通過軟件進行查看。

2.4 自定義訓練時長

DS1302時鐘芯片通過簡單的串行接口與單片機通訊[5]。模塊計時通過芯片的I/O口實時被單片機所讀取，待計時達到設置時長時，單片機就會觸發(fā)語音播放電路，并將本次記錄通過Wi-Fi模塊上傳至網絡。

2.5 可移動技術

在掃地機器人的基礎上加以創(chuàng)新，作為可移動底座。利用三極管的放大作用設計開關電路，三極管的基極連接語音識別控制電路，當接收到打開開關的語音命令后，三極管導通，繼電器瞬時動作，實現語音控制可移動底座的開和關。

3 程序設計

手機APP自定義訓練時長后，語音識別控制模塊接收到“打開開關”的命令時，時鐘開始計時，陀螺儀開始采集乒乓球位置變化，單片機記錄擊打次數，待計時到達自定義時間后，Wi-Fi模塊將本次記錄數據上傳至網絡，使用者可以通過手機APP查看。與此同時，可選擇是否播放音樂，并可以通過語音命令關閉音樂。

4 總體調試

由于陀螺儀存在一定的漂移問題，故存在偏差，經過數次對單片機程序的優(yōu)化以及陀螺儀位置的調整，最終將準確度穩(wěn)定在93%左右，基本不影響使用，計數數據如表1。

表1 計數數據表

目前基于Wi-Fi的語音控制可移動近視防控球的整體調試已經完成，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的語音控制可移動近視防控球系統連接原理圖

5 總結

單片機使用C51編程語言，陀螺儀、時鐘模塊以及Wi-Fi模塊受單片機控制，實現計數、自定義訓練時長和連接網絡的功能。語音識別控制模塊通過麥克風拾取聲音，并通過高低電平觸發(fā)語音播放模塊，實現語音控制和播放音樂的功能。改造技術成熟的掃地機器人，作為整個設備的底座，實現可移動的功能。在訓練的過程中增強了趣味性,對青少年具有更大的吸引力，對預防青少年近視有著極大的幫助和意義。