一款語音控制翻頁機的設計研究

張美艷 王曉萌 李玉茹 焦 楊

（臨沂大學物理與電子工程學院，山東 臨沂 276000）

0 引言

本研究旨在設計一款便于語音控制的智能翻頁機。該翻頁機能夠通過語音控制自動翻頁，避免手動操作，提高翻頁效率，方便人們的生活學習。雖然讀書翻頁對普通人而言十分簡單，但對于一些肢體障礙人士來說，則存在一定的不便，語音控制的翻頁機能夠滿足這類人群的需要。對于一些需要盡量避免中斷的工作，智能翻頁機能夠省去手動翻頁的步驟，避免浪費時間，提高工作效率。例如，彈奏鋼琴，當需要翻閱下一頁曲譜時，彈奏者不需要停下來手動翻頁，可以最大程度上完整彈奏樂曲，而不出現(xiàn)停頓現(xiàn)象。

現(xiàn)有市面上的翻頁機大多是機械式或自動開關控制，且只能逐頁翻書，如腳踏式和閱讀架自動翻頁機。它們存在體積大、搬運不變、結構復雜、成本較高等問題，影響了翻頁機的應用前景和普及程度。設計一款成本低廉的便攜式語音控制智能翻頁機，能改善人們的生活品質，提高青少年對閱讀紙質書籍的興趣，存在相當?shù)难芯恳饬x和市場價值。

1 基本結構

本設計是由STM32單片機，語音模塊LD3320，舵機，步進電機，橡膠棒，立書架，齒輪，滑軌，麥克風以及螺旋升降臺組成的。其整體模型和平面展示圖如圖1所示。通過調節(jié)螺旋升降臺上的旋轉器件，可以調節(jié)立書架高度，以適應用戶身高。為達到精準翻書的目的，立書架左右各布置了一組書夾，固定書本位置，保證在翻頁過程中不發(fā)生滑動。立書架左右上方各布置了一個模仿手指翻書仿制的橡膠棒，橡膠棒連接著齒輪，齒輪各受一個步進電機和舵機控制。舵機通過旋轉90°帶動橡膠棒擺動插入書頁下方，步進電機則通過翻轉滑軌帶動橡膠棒翻轉，產生摩擦翻起書頁。兩個橡膠棒分別控制向前和向后翻起書頁。步進電機與舵機帶動橡膠棒翻頁的力度與方向相互配合，從而避免力度不夠無法翻書，或者力度過大翻頁過多。

圖1 翻頁機整體模型立體和平面圖

翻頁機總體結構圖如圖2所示。其中，語音識別LD3320模板負責采集聲音信號，對語音信號進行處理。單片機控制系統(tǒng)以STM32單片機為核心，負責根據(jù)收到的信號產生相應的機械結構控制方法，生成相應的翻頁指令。翻頁指令通過機械結構模塊的驅動電路，驅動舵機，提供旋轉力度，帶動橡膠棒插入書頁下方，驅動步進電機翻轉橡膠棒，最終實現(xiàn)翻頁。下面對步進電機、舵機進行簡單的介紹。

圖2 總體結構圖

1.1 步進電機

步進電機能夠將輸入脈沖信號轉化為一定的角位移。當并無脈沖信號時，步進電機轉子處于靜止狀態(tài)；當輸入脈沖信號時，轉子以一定角度轉動。控制單片機向其輸出的脈沖個數(shù)，即可控制步進電機的轉子，使其轉過精確的角度；控制脈沖頻率，即可控制步進電機的轉速。本設計的翻頁控制功能需依靠電動機完成，而使用步進電機可以節(jié)省成本，使得最終成品經濟實用。機械結構上，步進電機轉子與齒輪相連，通過齒輪帶動橡膠棒翻轉，將紙張從立書架一側翻到另一側，兩個橡膠棒分別實現(xiàn)前后翻頁。

1.2 舵機

舵機也稱為伺服電機，具有體積小、扭力大、控制簡單等特點。其主要工作參數(shù)是最大力矩及工作速度。舵機根據(jù)收到的單片機發(fā)送的PWM控制信號，轉過相應角度，帶動橡膠棒旋轉。如果舵機收到的PWM控制信號不發(fā)生變化，其轉動的角度就保持不變。本設計中，舵機能夠通過齒輪，將橡膠棒由與立書架平行擺動到垂直插入書頁下方，進而配合步進電機翻轉橡膠棒實現(xiàn)翻頁。翻頁完成后，舵機還可以在相應信號的作用下控制橡膠棒回歸原位。

2 總體設計

2.1 硬件電路設計

硬件電路由主控制電路、驅動電路和語音識別電路構成。

主控制電路是由STM32F1103單片機、晶振電路、復位電路和電源構成的單片機最小系統(tǒng)。由于從單片機的I/O口上輸出的電流較小，不能夠滿足步進電機的運轉需求，需要采用功率放大器放大單片機的輸出信號，從而驅動步進電機，驅動電路使用常見的反向放大器ULN2803構成，可驅動兩個步進電機。語音識別電路由LD3320芯片及其相關外圍電路構成，負責采集語音信號并輸出識別結果，送給主控制電路的單片機。單片機根據(jù)接收到的語音命令，控制舵機旋轉一定角度，從而控制模擬手指的橡膠棒插入待翻起的書頁，控制步進電機旋轉橡膠棒，模擬手指翻頁的動作翻過書頁。成功翻頁后，舵機和步進電機反轉，橡膠棒回到原始位置，完成全部翻頁動作。

2.2 軟件程序設計

軟件程序設計遵循模塊化的設計流程，與硬件設計配合實現(xiàn)相應功能。翻頁機的軟件模塊包括主程序模塊、電機驅動模塊、語音播報模塊。具體的主程序流程圖如圖3所示。

軟件程序首先通過設置語音識別芯片的內部寄存器，初始化其語音識別功能和聲音播放功能，然后寫入50條漢語拼音語音識別列表并開始計時，繼而控制芯片開始語音識別。根據(jù)識別到的語音命令，執(zhí)行相應子程序。語音播報子程序首先判斷定時是否結束，然后根據(jù)初始化過程中設置好的播報內容播放對應語音。前/后翻頁子程序首先控制左右舵機旋轉橡膠棒，插入待翻起的書頁，其次控制步進電機翻轉橡膠棒，翻過相應書頁，再次步進電機和舵機反向轉動，帶動橡膠棒和翻頁桿歸位，完成一次翻頁。

圖4 主程序流程圖

3 結語

本文設計的語音翻頁機主要結合使用了語音識別、單片機、機械技術。采用語音控制翻頁，單片機識別、控制步進電機和舵機的旋轉角度和力度，實現(xiàn)前翻頁、后翻頁，及翻至指定頁數(shù)。語音翻頁機全部由簡單零部件組成，加工工藝要求低，且部分使用標準件，互換性高，語音操作簡單，易推廣使用。