浅谈儿童发声玩具红外遥控器的设计

海燕

（安徽能源技术学校电气教研室　安徽·合肥　230000)



浅谈儿童发声玩具红外遥控器的设计

海燕

（安徽能源技术学校电气教研室安徽·合肥230000)

摘要：儿童发声玩具及其红外遥控技术已经成为诸多电子产品设计人员所青睐的领域。本文对基于STC12LE5608AD型号单片机控制语音合成芯片SYN6288的儿童发声玩具的系统原理进行了剖析，并重点对基于STC12LE5608AD的红外遥控器的设计思路进行分析，包括发射电路设计分析与软件设计分析。以期对读者对该产品的研发有所帮助。

关键词：单片机（STC12LE5608AD）；语音合成芯片（SYN6288）；儿童发声玩具；红外遥控

引言

能发声的玩具深受孩子们的喜爱，也备受家长推崇。实现玩具发音主要有两种方法。一种是对声音进行采集，经模数转换为数字信号存储起来，播放时再将数字信号转换为模拟信号。这种方式功能强大，既可录制与播放语音，又可以采集与播放任意歌曲，还能控制采样速率，既照顾声音的逼真性又能保持存储容量不至于过大，缺点是电路和算法复杂，设计的工作量大。另一种方法是通过单片机控制语音合成(text to sPeech，TTS)芯片发声[1，2]，这种芯片能直接将文字转换为声音。这种方法的优点是电路及软件设计简单，缺点是不够灵活，功能不如前一种强大。

本文涉及的儿童发声玩具选取的是北京宇音天下科技有限公司的语音合成芯片SYN6288，通过单片机(STC12LE5608AD)控制TTS芯片SYN6288发声，达到玩具发声的目的，加上可以红外遥控，将会深受小朋友喜爱。单片机通过串口将待合成语音的文字发送给语音合成芯片，语音合成芯片将接收到的文字转换为声音通过喇叭发出，可以实现说话，读诗等功能。语音合成芯片还自带15首背景音乐，单片机可以通过控制命令，控制语音合成芯片播放哪一首歌曲。该玩具的设计主要由五部分构成:红外遥控系统，语音系统，单片机控制系统，语音合成电路设计部分，软件设计部分。本文将重点介绍红外遥控器设计的思路。

1　玩具语音系统构成及原理简介

1.1语音合成系统的构成

语音合成系统主要由微控制器

图1　语音合成系统原理图

1.2语音合成系统功能原理简介

SYN6288语音合成芯片接收到控制芯片STC12LE5608AD串口送入的一定格式的字符串信号后对字符串进行解析，提取数据包，最后将数据转换为对应的语音信号，从而驱动喇叭发出声音。以下对单片机控制器STC12LE5608AD与语音合成芯片SYN6288进行简介。

STC12LE5608AD简介：STC12LE5608AD型号是属于STC单片机系列的新一代较为先进的8051单片机[1，5_6]。高速运算能力、体积小、高抗扰能力、损耗低、是STC12LE5608AD的优势。STC12LE5608AD拥有10位AD转换、4路PWM/PCA、MAX810专用复位电路以及I2C总线接口。此外，美软Kei1 Software开发的软件_kei1C51也可使STC12LE5608AD代码设计与调试环境比较便捷。STC12LE5608AD单片机的优势使其在强干扰或计算速度及精度要求较高的场合，有着较好的应用，如工业电机控制领域、医疗监测设备领域等都有应用。

SYN6288简介:北京宇音天下科技有限公司产出的语音合成芯片SYN6288可通过异步串口(UART)，实时的将接收到的文本信息转化成自然清晰的语音[2，7]。由于性价比优越，发声清晰，其应用范围广泛，如在考勤机、语音电子书、车载调度及导航都有着很好的应用。

2　红外遥控器设计

红外遥控技术是一种把红外线[8，9]作为载体进行点对点通信的遥控技术，市场上其软硬件配置都已非常齐全。由于无线电的波长远远大于红外线的波长，因此红外遥控一般不会影响到其它电器或无线电设备的正常运行。

2.1红外遥控器的发射接收原理

红外的简单发射接收原理如图2(a)(b)所示。红外光波由红外发射电路[10]的红外发光二极管发出的光信号经过调制得到，此后红外光波被接收电路接收后，再将光信号转换为相应的电信号后送入放大器处理还原。接收电路主要由红外接收二极管、三极管或硅光电池组成。

图2　红外的简单发射接收原理

2.2基于单片机遥控发射器的原理分析

用单片机作为遥控器的核心控制部分，比常用的编码与解码电路方便快捷，因为它可任意设定操作码的个数且编程较为灵活。因此使用单片机作为遥控器的核心控制部分使其不受功能键数的阻碍得到广泛的应用，遥控应用范围摆脱了传统遥控器只在专用电器中使用的限制。

STC12LE5608AD单片机、红外发射电路、行列式键盘以及低功耗空闲方式控制电路组成了单片机遥控发射器系统。STC12LE5608AD运用空闲节电工作方式，非工作状态下就处在低功耗模式。当按下遥控器键盘的任一按键，此时由于按键生成的外部中断1促使STC12LE5608AD进入工作模式。查询并确定按键位置后，程序启动定时器T0、T1。T0实现红外发射频率控制；T1控制发射时间。发射频率由写入定时器程序的初值决定，红外发射的终止是由T1定时溢出使中断程序关闭T0定时器来完成。

其原理如图3所示。

图3　单片机遥控发射器设计原理图

2.3发射电路分析

键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器组成了红外发射主要部分[11][12]。以二级制数0来表达1.125ms的周期、0.56ms的间隙、0.565ms的脉宽的发射组合；以1表达2.25ms的周期、1.685ms的间隙、0.565ms的脉宽组合。发射运用的是脉宽调制(Pu1se width modu1ation，PWM)的串行码，其波形如图4所示。

图4　遥控码的“0”和“1”

32位二进制代码基于上述的二进制码0和1组成，发射效率的提升是由38kHz的载频实施二次调制实现的。最后红外发射二极管可向外空间发射红外线。

32位连续的二级制数组组成遥控编码。前16位二级制代码即用户识别码，可将相异的电路设备区分开来，以防互一种机型遥控码对另一机种的遥控码存在干扰。比如电视机和空调便对应两种不同的用户识别码。本设计将用户识别码设置成十六进制01H；32位连续的二级制数组的后16位为8位操作码与其反码，操作码也称功能码。遥控信号编码波形图如图5所示。

图5　遥控信号编码

图6　遥控信号的周期性波形

某时刻按下遥控器的某一按键，此时便以108ms左右的周期时间循环发出同一种32位的二进制代码。单组代码包含的二进制数个数决定其持续时间，总结来看，持续时间一般在45_63ms之间。

按键时间大于36ms时便会促使振荡器工作，此时会生成一组编码脉冲，储蓄时间为100ms。编码脉冲的组成与持续时间分配:13.5ms的引导码；9_18ms的用户识别码；8位数据码与其反码的持续时间都是9_18ms。若按键时间大于100ms时，此时连发代码由持续时间为13.5ms的引导码组成。

欲发射信号与载波信号进行逻辑“与”运算后送入发射管方可实现红外信号的发射，这是红外发射管的特性。载波信号频率为38kHz时可实现最远的发射距离与最好的发射性能。因此本设计的载波信号就是由38kHz的晶振电路生成，将载波信号和欲发射信号进行“与”运算送入发射管后，再由三极管驱动至红外发光二极管发射红外信号。

图7为信号发射电路硬件连接图。38kHz晶振电路、STC12LE5608AD单片机、或非门、红外发射管驱动输出电路等组成了红外发送电路。STC12LE5608AD的P3.4引脚为低电平时，发射管不发射光信号；P3.4引脚为高电平时，红外发射管则发出38kHz的调制红外线。

图7　信号发射电路硬件连接图

直接用I/O线构成的单个按键电路，即为独立式按键。独立式按键结构虽会占用许多I/O口线，但其结构比较简单且配置灵活，每个I/O口工作状态相互独立，各个按键之间互不影响。独立式按键电路如图8所示，大阻值的上拉电阻可使按键断开时，I/O口为高电平；当按键被按下时，则对应的接口引脚为低电平。

图8　独立式按键电路

在主循环中单片机不停循环检测各个引脚，若发现某一引脚被拉为低电平，则说明与之关联的按键被按下了，应该发射相应的编码。例如，若与P1.0相连的按键被按下，则P1.0引脚被拉低，单片机检测到P1.0引脚被拉低，就通过红外发射二极管发射前导码和32位数据（包括8位用户识别码，8位用户识别码反码，8位数据码和这8位数据的反码）。

3　红外遥控器控制软件设计

遥控器控制软件程序框图如图9所示:在主循环中单片机不停循环检测各个引脚，若发现某一引脚被拉为低电平，则说明与之关联的按键被按下了，应该发射相应的编码，接收端对接收到的编码进行解码，从而控制语音合成芯片发出不同的语音。例如，若与P1.1关联的按键被按下了，则发射相应的编码，控制语音合成芯片朗读唐诗《春晓》。

虽然在按下一个按键后，发射前导码及32位数字信号，但对于每个按键，这32位数字信号是不同的，前十六位是用户识别码及反码，对每一个按键都是相同的；后16位是操作码及其反码，对每一个按键都是不同的。以上是该玩具红外遥控器设计的主要过程。

4　结语

儿童发声玩具的开发与制作并非易事，从选材，设计，调试，制作到投入市场都需要花费很多人力物力。本文所提及的红外遥控器的设计更多是学术研究，没有针对性得考虑商业价值，仅供大家学习参考。

红外遥控器在儿童发声玩具中的应用，大大提高了玩具的趣味性，充分满足了孩子探索世界的欲望，开发孩子的智力，并把玩具的水平提高到一个全新的高度，受到家长孩子的欢迎。

图9　遥控发射器主程序流程图

参考文献：

[1］陆耀，叶秀臣.开发语音处理器的几个问题［J］.河北大学学报(自然科学版)，1995(8):367-369

［2］丁向荣.单片机原理与接口技术［M］.电子工业出版社，2010.

［3］黄根岭.基于STC单片机的ISP下载线设计［J］.2010（9），电子世界.

［4］记红.红外技术基础与应用［M］.北京:科技出版社，1979

［5］谢自美.电子线路设计，实验测试［M］.武汉:华中科技大学出版社，2000.

［6］杨恢先，王子函，杨穗等.一种基于单片机的红外遥控软件解码方法［J］.自动化与仪器仪表，2004，22(2):16～18.

［7］陈阳海.红外遥控工作原理编码方式及常用信号传输协议专题与综述，2007（11）.

作者简介：海燕，安徽能源技术学校讲师，硕士。

中图分类号：TS951

文献标识码：A

文章编号：1009-8534（2016）02-151-03