校园科普教具《语音提示器》

作品说明

摘要：《语音提示器》是校本教材《GT创客空间创意智造（学生作品）》教学案例（案例03），面向六年级以上中小学生，共 6 课时。案例围绕"校园卫生间忘记冲水"这一真实生活问题，引导学生用人体红外传感器感知人员到访、用 ISD1820 录放音模块播出自定义语音提醒、用 LED 同步光指示，并把全部电路装进 80mm×80mm×20mm 的激光切割木壳。核心器件不含电池成本仅 28.43 元，程序用 Mind+ 积木编写，是中小学生完成"感知—判断—执行"完整闭环的理想入门项目。

关键词：创客教育；人体红外传感器；ISD1820 录放音；PAM8403 功放；激光切割；Mind+

一、背景分析与设计要求

1.1 设计情境：从一个真实的生活问题出发

这个想法源于本学期设计项目《我的智慧校园创意设计》。同学们在观察校园时反映：个别同学上卫生间经常忘记冲水，特别是蹲便卫生间，影响环境卫生。经过多次实地观察和小组讨论，大家决定设计一个"冲便提醒器"——当有同学使用蹲位时，装置自动发出语音"请及时冲水""不也冲冲，去也冲冲"或"向前一小步，文明一大步"。更妙的是，装置放在哪里都可以，换个语音内容就可以变成另一种提醒器，创意的复用性极强。

本案例按 6 课时组织教学，建议分配如下（各班可按实际进度微调）：

表 1-0 6 课时建议分配（依据案例"课时长度 6 课时"与实际制作环节整理，标注为教学建议）

创意确定后，小组按班级课题申报流程向老师申报立项，声明创意为本小组独创，其他小组不可雷同。同时完成了成本核算：整机不含锂电池才 28.43 元，小组 4 人筹集 30 元经费就已足够；外壳规格 8cm×8cm×2cm，用料不足 1/4 块板材，可以向创客室申请边角料，把预算进一步压低。

素材说明：原教学案例文档"涉及器材"一栏出现了 MQ-7 一氧化碳传感器、L9110 风扇模块、蜂鸣器等器件，与案例实际的硬件清单、连接图和程序截图均对不上，判为教材模板残留文字。本文所有硬件信息统一以案例中逐项列价的《硬件清单》表、连接图与 Mind+ 程序截图为准。

1.2 主体结构设计

装置按"感知—判断—执行—指示—供电"五个环节搭建，全部器件装进一只巴掌大的木盒：

表 1-1 《语音提示器》主体结构五环节

1.3 设计要求

1.3.1 功能要求

• 人来播报：有人进入红外感应区时，自动播放事先录制的提醒语音（如"请及时冲水"），同时红色 LED 点亮；
• 人走即停：人员离开感应区后，语音停播、LED 熄灭，回到待机；
• 语音可换：录音内容随应用场景自行更换，同一硬件换个录音就是一台新提醒器；
• 随处可放：电池供电、船形开关独立控制，不受插座位置限制。

1.3.2 工程实现要点

• 用"录放"代替"合成"：不使用联网语音合成，选用 8.23 元的 ISD1820 录放音模块，板上咪头直接录音、触发脚直接播放，零联网、零复杂代码，特别适合低年级学生；
• 音量够用：ISD1820 板载功放直推小喇叭音量有限，增加 2.65 元的 PAM8403 功放模块，让提醒声在卫生间里也听得清；
• 外壳一体化：80mm×80mm×20mm 激光切割木壳，前板集成喇叭孔阵、红外透镜孔与 LED 孔，四侧板榫卯插接，免螺丝、可拆装；
• 成本刚性约束：核心五件套（Nano、ISD1820、PAM8403、红外、船形开关）合计 28.43 元，符合学生小组"30 元经费"的预算设定。

二、设计思维导图

下图从问题来源、核心功能、硬件构成、软件逻辑、结构外观、成本控制六个维度梳理本案例的设计思路：

语音提示器校园如厕提醒装置问题来源智慧校园项目调研核心功能人来播报·人走即停硬件构成Nano+红外+录放+功放软件逻辑Mind+ 积木·循环判断结构外观激光切割木壳 80×80×20成本控制核心五件套 28.43 元

三、硬件选用与连接

3.1 硬件清单与成本核算

案例对每一件器材都做了实价核算——这也是本案例作为教学案例的一大特色：让学生在立项阶段就学会算账。

表 3-1 硬件清单（价格与合计均出自原案例清单，未作改动）

图 3-1 Arduino Nano 主控板

图 3-2 人体红外热释电运动传感器

图 3-3 ISD1820 录放音模块（带咪头与小喇叭）

图 3-4 PAM8403 功放模块（2×3W）

图 3-5 船形开关：接电"闭合"导通、"开路"不导通

图 3-6 3.7V 锂电池（854352，1300mAh）

3.2 关键器件工作原理

• 人体红外传感器：热释电元件感应人体发出的红外线，有人体运动进入探测范围时 VOUT 输出高电平，无人或静止时回到低电平。三个引脚 VCC／VOUT／GND，与 Nano 数字口直连即可读出；
• ISD1820 录放音模块：一块"会录音的芯片"。按住板上 REC 键对着咪头说话即录音，播放触发脚得到有效信号即把录音原样播出，录多长播多长。本作品中播放触发脚接 Nano 的 D3，由程序输出高电平触发；
• PAM8403 功放：5V 供电的 D 类功放，把 ISD1820 的音频信号放大后推动喇叭，音量明显大于模块板载功放直推；
• 船形开关：串接在电池供电回路里，红拨杆翘起为通、按下为断，学生一看就懂"闭合/开路"。

图 3-7 人体红外模块引脚定义：VCC／VOUT／GND（原图顶部水印文字已裁除）

3.3 连接关系

按原案例连接图与文字说明，整机连接如下（线色以连接图实绘为准）：

表 3-2 连接关系一览（依据原案例连接图与"红外 D2、ISD1820 D3、LED D4"文字说明整理）

图 3-8 原案例连接图：Nano、人体红外、ISD1820、LED（串电阻）、锂电池与船形开关的完整接线

加注：连接图中红外与录放模块的供电取自 Nano 的 5V 排针，电池经"红对红黑对黑"接入；喇叭线在原图上标注"不分正负"。若手头模块批次引脚丝印不同，以所用模块实际丝印为准，接线前先断电。

四、结构安装与制作过程（含外观设计）

4.1 外观设计与建模

外壳用 LaserMaker 建模，规格 80mm×80mm×20mm，用料不足 1/4 块板材。前面板是整只装置的"脸"：中央一组喇叭孔阵负责出声，顶部居中一个红外透镜圆孔负责"看人"，右上一个 LED 小孔负责发光指示；面板上还用激光雕刻了"语音提醒"四个字。四块侧板与面板、底板采用榫卯插接，沿边留有卡扣位，免胶免螺丝即可拼合成盒，也方便随时打开检修。

图 4-1 LaserMaker 切割排版：前面板（喇叭孔阵+红外孔+LED 孔）、背板与四侧板

图 4-2 装配完成的整机：木壳、喇叭孔阵、红外透镜、红色 LED 与"语音提醒"刻字

4.2 制作过程

制作按"切割—试装—装电路—调试"四步推进：

• 切割：把排版文件送激光切割机，椴木板一次切出面板、底板与四块侧板，雕刻与切割同步完成；
• 试装：先不装电路，把五块板材榫卯插接试装一遍，确认孔位、卡扣都吻合后再拆开；
• 装电路：Nano 插在扩展板上放入盒内，依次接好红外（D2）、ISD1820 触发（D3）、LED（D4 串 210Ω）、功放与喇叭；锂电池贴盒内固定，船形开关从侧板方孔穿出；
• 调试：先按住 ISD1820 板上 REC 键录一句"请及时冲水"，再合上外壳、打开船形开关，在装置前走动验证"人来播报、灯亮；人走即停"。

图 4-3 制作现场：外壳已拼合，侧板红色船形开关外露，盒内电池与扩展板、杜邦线一目了然

4.3 外观设计要点

表 4-1 外观设计要点（依据实物照片与建模图整理）

五、编程流程分析

程序用 Mind+（Nano 主控板模式）积木编写，逻辑非常简洁：上电后循环读取 D2 上的红外传感器——发现有人就触发 D3 播放语音并点亮 D4 的 LED，没人就把 D3 拉低、熄灭 LED。

Nano 主程序开始循环执行红外 D2 = 有人？是D3 输出高电平ISD1820 播放已录语音打开 D4 LED红灯与语音同步点亮否D3 输出低电平停播，回到待机关闭 D4 LED红灯熄灭回到循环执行持续值守，周而复始两分支汇合后回到循环顶部，重新读取红外传感器

图 5-1 Mind+ 积木程序原截图：如果红外（引脚2）有人则引脚3 高电平＋引脚4 LED 开，否则引脚3 低电平＋引脚4 LED 关

对照积木截图逐块拆解：

• Nano 主程序开始 + 循环执行：上电后进入无限循环，装置持续值守；
• 如果〈读取引脚 2·人体红外热释电运动传感器〉：把 D2 的电平作为条件，这正是红外传感器 VOUT 的输出；
• 那么分支：设置数字引脚 3 输出高电平（触发 ISD1820 播放）＋打开引脚 4 的 LED，声音与灯光同时生效；
• 否则分支：设置数字引脚 3 输出低电平（停播）＋关闭引脚 4 的 LED，装置回到待机。

加注一：该程序为电平触发：只要有人留在探测区且红外保持高电平，D3 就维持高电平。红外模块在人员离开后自身有短暂延时才回低，属器件固有特性，程序未额外处理。
加注二：程序没有做"只播一次"的状态锁存——同一人长时间停留时，语音会随触发持续，这恰好符合"反复提醒"的场景定位；若要改成"播一次就安静"，可参考第八节的拓展建议。

六、参考代码

以下代码由 Mind+ 积木截图忠实翻译为等价的 Arduino C 程序（引脚与逻辑一一对应，逐行中文注释），可直接在 Arduino IDE 或 Mind+ 代码模式下使用：

/* 《语音提示器》——Mind+ 积木程序的等价 Arduino 实现
   硬件：人体红外->D2  ISD1820 播放触发->D3  LED(串210欧)->D4 */

const int PIN_PIR  = 2;   // 人体红外热释电传感器 VOUT 接 D2（数字输入）
const int PIN_ISD  = 3;   // ISD1820 播放触发脚接 D3（高电平触发播放）
const int PIN_LED  = 4;   // 红色 LED（串 210 欧限流电阻）接 D4

void setup() {                 // 上电初始化，只执行一次
  pinMode(PIN_PIR, INPUT);     // D2 设为输入：读取红外传感器的电平
  pinMode(PIN_ISD, OUTPUT);    // D3 设为输出：控制录放模块是否播放
  pinMode(PIN_LED, OUTPUT);    // D4 设为输出：控制提醒灯的亮灭
  digitalWrite(PIN_ISD, LOW);  // 上电先拉低 D3，确保录放模块不误播
  digitalWrite(PIN_LED, LOW);  // 上电先熄灭 LED，进入安静待机
}

void loop() {                            // 主循环，周而复始地值守
  if (digitalRead(PIN_PIR) == HIGH) {    // 【如果】红外 D2 检测到有人（高电平）
    digitalWrite(PIN_ISD, HIGH);         // 【那么】D3 输出高电平 -> ISD1820 播放已录语音
    digitalWrite(PIN_LED, HIGH);         //        D4 输出高电平 -> 红色 LED 同步点亮
  } else {                               // 【否则】没有人经过
    digitalWrite(PIN_ISD, LOW);          //        D3 输出低电平 -> 停止播放
    digitalWrite(PIN_LED, LOW);          //        D4 输出低电平 -> 熄灭 LED
  }
}                                        // 循环体结束，回到 loop 顶部继续值守

代码与积木的对应关系再强调三处细节：

• setup 里的两行"先拉低"：上电瞬间 Nano 引脚状态未定，先显式把 D3、D4 置低，避免开机时"哇"地误播一句、误亮一下——这是很多初学者踩过的坑；
• digitalRead 判断而不赋值：D2 保持 INPUT 模式，红外模块自带驱动输出，直接读电平即可，无需在代码里做软件滤波；
• if/else 对称执行："有人"与"没人"两个分支动作完全对称，保证装置状态干净地跟随环境变化，不留"半亮半响"的中间态。

加注：原案例程序以 Mind+ 积木截图形式存档（图 5-1），源 .sb3 文件未随案例归档；上面代码按截图积木逐块等价翻译，引脚分配以连接图与案例文字（红外 D2、ISD1820 D3、LED D4）为准。

七、作品创新点

• 8.23 元解决"语音定制"难题：不联网、不用语音合成服务，用 ISD1820 录放音模块实现"想说什么就录什么"，把智能语音提醒的成本压到个位数，对中小学课堂极度友好；
• 28.43 元的完整闭环：感知、判断、执行、指示四个环节一应俱全，核心器件总价 28.43 元，还把逐项报价写进立项书——工程思维与成本意识同步培养；
• 一台装置 = 一个平台：换一段录音，"冲水提醒器"就能变成图书馆安静提示器、护眼提醒器、安全提示器……硬件零改动，创意无限延伸；
• 外观即功能：前面板把喇叭孔阵、红外孔、LED 孔与"语音提醒"刻字一次激光成型，榫卯木壳免螺丝，既是结构件又是产品脸面。

八、项目应用拓展

本案例最大的价值在于"可复用"：同一套硬件，换录音、换安装位置，就能服务完全不同的场景。

表 8-1 换个录音就是一台新装置——应用场景一览

想在原基础上继续升级，还可以尝试：

• 只播一次：加一个"上次状态"变量做状态锁存：只有当红外从"无人"变"有人"的瞬间才触发播放，避免对同一个人反复播报；
• 夜间静音：加装光敏电阻，天黑后自动降低音量或停止播报，不干扰休息；
• 语音升级：把 ISD1820 换成离线语音合成或联网 TTS 模块，文字即时转语音，不用现场录音；
• 接入物联网：把 Nano 换成 ESP32，提醒事件上报到手机，老师和家长也能收到使用记录。

九、小结

9.1 案例历程

本作品诞生于 2018 届学生的班级设计项目《我的智慧校园创意设计》：小组 4 名同学从"卫生间忘记冲水"这个不起眼的生活细节出发，讨论、立项、算账、采购、建模、切割、接线、编程、录音、调试，最终把一台巴掌大的语音提醒器装进了 80mm×80mm×20mm 的木盒。案例后来被编入校本教材《GT创客空间创意智造（学生作品）》，成为面向六年级以上、共 6 课时的入门教学案例（案例03），由指导教师邬肖英执教。

9.2 教学价值

• 真实问题驱动：项目起点是学生自己观察到的校园问题，选题、申报、立项完整走了一遍"准工程师"流程；
• 低成本可普及：不含电池 28.43 元、外壳蹭边角料，一个班级的经费就能人人动手；
• 软硬均衡：Mind+ 积木程序只有"一个如果、两个动作"，硬件却有感知、执行、功放、结构等完整环节，入门不深、闭环不缺；
• 举一反三："换录音即换装置"的设计思路，引导学生用同一技术方案解决不同问题。

9.3 不足之处

• 电池成本倒挂：46.85 元的锂电池占了整机总成本（75.28 元）的六成以上，比核心器件加起来还贵；改用充电宝或 3 节干电池+降压会更划算；
• 红外对静止人员不敏感：热释电原理决定了对静止人体响应弱，久蹲不动的人可能"逃过"提醒，属器件原理层面的局限；
• 无播放锁存：人停留期间语音随电平持续触发，对部分场景可能略显"聒噪"（改进见第八节）；
• 源文件未归档：案例归档时 .sb3 程序源文件、SU 模型与切割文件未随档保存，本文程序依据 Mind+ 积木截图与连接图还原，已逐块核对。

回头看，这些不足本身就是宝贵的教学素材：预算复盘教会学生"贵的不一定是对的"，器件局限教会学生"先查原理再定方案"，归档缺位则提醒每一届学生——工程做完不算完，资料归档才算完。

9.4 分工与参考

案例由 2018 届学生小组 4 人协作完成，小组成员自筹 30 元经费完成采购；原始分工记录未随案例归档，此处不再虚列。指导教师：邬肖英（宁德市第五中学）。

参考资料：校本教材《GT创客空间创意智造（学生作品）》教学案例·案例03《语音提示器》设计教程（含硬件清单、连接图、LaserMaker 建模图与 Mind+ 程序截图）；ISD1820、PAM8403、人体红外模块为市售通用模块，工作原理描述以通用器件手册为据。