智能玩具的设计-聪明宝宝

1引言
智能化已成为玩具行业的新趋势，让语音技术融入到玩具中，不仅可以赋予玩具“听”“说”的交流能力，使其更加生动、智能，还有利于在儿童中普及现代科学技术，推动语音技术产业化的发展。一些领先技术被应用于今天的玩具领域如：无线电、红外通讯、传感器、语音识别等等。
本文介绍的是基于SPCE061A的一种具有语音识别功能的玩具产品，并着重介绍了软硬件设计方法。

2系统结构
硬件结构框图如图 2.1所示：主要由按键输入电路、触摸键输入电路、直流电机驱动电路、光敏器件输入电路、单片机最小系统等部分组成。

图 2.1系统整体框图

整个系统工作于4.5V电压下，由3节5号电池提供4.5V电压，经过SPY0029稳压到3.3V为单片机系统供电。 整个系统在无操作时，处于睡眠状态，当3个按键、2个触摸键被触发时，睡眠被唤醒，进入相应的操作，执行完操作后1分钟内无任何按键触发，则再次进入睡眠。光敏器件在睡眠前不断采集光线强度，如果跟环境光线有较大变化，则会进入语音识别模式，MIC、直流电机、扬声器则是各动作的相应辅助器件。

3硬件电路设计
3.1 微控制器电路
控制器采用凌阳科技公司的SPCE061A，其硬件资源分配见表 3.1。
表3.1硬件资源分配表

3.2 键盘输入电路
键盘输入电路如图 3.1所示，当有键按下时，对应的IO口被拉到高电平，CPU处理后做相应处理。

图 3.1键盘输入电路

3.3 触摸键输入电路
触摸键主要由555集成电路来实现，其原理如图 3.2所示，左边的触摸片为金属铜片，正常情况下，人本身会产生幅度为80~100mv的正弦波电压，当人手触摸到金属片时，产生的感应电压叠加在偏置电压上(偏置电压设置在0.6V)，使得三极管导通，触发555集成电路使之3脚产生单稳态输出，从而系统从睡眠状态被唤醒。

图3.2触摸键输入原理

3.4 光感输入电路
光照感应电路由电阻与光敏电阻器组成。光敏电阻器是一种受光照射导电能力急剧增加的电子元件。常用的型号为MG45，适用于可见光谱范围（0.4～0.76μm），亮电阻≤2～10kΩ，暗电阻≥1～10MΩ。使用时，耗散功率不要超过10mW，例如工作电压在5V时，通过的电流不应超过2mA。另外，应避免强光长时间照射，防止光敏材料老化。 在环境光照强度下，采集一个标准值，然后在主循环中，不断采集比较，当变化比较大的时候，意味着有手挡着，则进入相应的辨识子程序。 接口电路如图 3.3所示。

图3.3光感输入电路

3.5 直流电机驱动电路
直流电机控制电路比较简单。由I/O口输出信号，通过NPN型三极管8050反相驱动电路去控制电机。其控制电路如图 3.4所示。二极管起保护作用，防止电机的反向电流过大击穿器件。

图3.4直流电机控制电路

3.6 MIC输入电路和扬声器输出电路
MIC采用驻极体电容话筒，这种话筒具有灵敏度高、无方向性、重量轻、体积小、频率响应宽、保真度好等特点。SPCE061A内置专门用于语音信号采集的具有自动增益控制放大器（AGC）的麦克风输入通道（MIC_IN）。语音信号经麦克风转换成电信号，由隔直电容隔掉直流成分，然后输入至内部前置放大器，最后通过ADC转换成数字信号。 扬声器采用一般的喇叭，电压不超过5V。凌阳SPCE061A单片机自带双通道DAC音频输出，DAC1、DAC2转换输出的模拟量电流信号分别通过AUD1和AUD2管脚输出，DAC输出为电流型输出，61板自带音频放大电路，所以外接一喇叭即可。

4软件设计
4.1 主程序流程及说明
整个系统的外部输入包括：按键、触摸键、感光控制及语音控制，其中语音控制需等到感光唤醒之后才能进行。当各控制键触发后，系统从睡眠状态唤醒，通过判断标志位，进入相应的处理子程序，之后在主程序中不断检测，1分钟内若无任何操作，则再次进入睡眠状态。 具体程序中，通过判断gKeyDoubleUseSign的值来确认执行何种操作，当为1时，进入键处理子程序；为2时，进入复用键处理程序；为0时，不执行任何操作，认为是出错或出现异常情况。在键处理子程序中，根据标志位gKeyID来判断进入哪一个处理程序，如表 4.1所示。
表4.1