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[ESP8266/ESP32] 夜间计算训练器

本帖最后由 zoologist 于 2021-11-16 14:25 编辑

为了更好的响应国家双减政策，培养对于社会有用的人才，以及减轻自己哄睡的负担，我制作了一个“夜间计算训练器”。

训练的方法是随机生成运算式，然后通过语音播报的方式要求用户输入。当然为了节省空间，使用了三组船型开关，通过 8421 码的方式进行输入。8421码每一位二值代码的“1”都代表一个固定数值。将每位“1”所代表的二进制数加起来就可以得到它所代表的十进制数字。因为代码中从左至右看每一位“1”分别代表数字“8”“4”“2”“1”，故得名8421码。例如：输入为1001表示 8+1=9。这样用12个开关能够表示0-999个数字。当然，如果以后上高年级，可以考虑使用10个开关表示 0-1023的数字。

硬件上我们使用 DFRobot出品的ESP32的FireBeetle，配套的萤火虫OLED12864显示屏和Gravity中英文语音合成模块（基于XFS5152芯片），然后还有用于输入的船型开关。

接下来开始硬件设计，整体电路图如下：

左上角是一个用于消耗电力，保证在充电宝供电的情况下仍能正常工作的部分（大部分充电宝在电流小于100ma的情况下过一段时间会自动切断供电，这里可以通过定时器每隔一段时候拉出一个电流避免这种情况）。上方中间是一个USBTypeA公头，用于外部电源输入。就是说这个设计可以使用FireBeetle上的 Micro USB，也可以使用USBTypeA来进行供电。特别注意需要避免两者同时工作，避免电流倒灌的问题。

左下角是一个键盘矩阵的设计在，其中使用二极管来保证不会有误判情况，这样能够实现判断多个按键同时按下的情况。具体实现是采用动态扫描的方式来进行的，比如：首先拉高KEY_ROW1同时保持KEY_ROW2和KEY_ROW3为低。这时，如果 U1-U4出现接通的情况，对应的KEY_COLx就会出现高电平。接下来再类似操作 KEY_ROW2…...这样就能实现全部按键输入的扫描判断。

语音模块支持串口和I2C这里我们选择 I2C，上面预留了拉高到3.3V的电阻。

可以看到板子上还有三个按键，通过这些按键能够实现菜单的选择以及确认提交输入结果、返回主菜单和重新播报题目的功能。核心的ESP32并非全部引脚都能当成 GPIO使用，如果有不当会导致反复重启，这次设计IO非常紧张：

因为船型开关的存在，整体PCB较大，布线轻松就能完成：

3D渲染

拿到手装配完成：

接下来开始软件部分的设计，代码的状态转移图如下：

关键代码部分如下

1. 在状态1中绘制主菜单，绘制函数如下，显示 Current ,Current+1……Current+3 这三个条目。当有按键时，会将 Current进行增减再重新绘制，这样就实现了菜单的选择功能：

// 在 OLED 上绘制菜单

void ShowMainMenu(int Current)

{

  char Buffer[40];

 

  OLED.clear();

  // 第一个条目前添加  "→" 符号

  sprintf(Buffer, "→%s", MainMenu[Current]);

  OLED.disStr(0, 0, Buffer);

  // 其余条目前添加空格和第一个条目对齐

  sprintf(Buffer, "  %s", MainMenu[(Current + 1) % MENUITEMCOUNTER]);

  OLED.disStr(0, 16, Buffer );

  sprintf(Buffer, "  %s", MainMenu[(Current + 2) % MENUITEMCOUNTER]);

  OLED.disStr(0, 32, Buffer);

  sprintf(Buffer, "  %s", MainMenu[(Current + 3) % MENUITEMCOUNTER]);

  OLED.disStr(0, 48, Buffer);

 

  OLED.display();

}
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2. 状态4中实现了生成算式的功能。使用随机数生成参加运算的数字，同时使用枚举类型定义了四则运算，这样random生成了0-3就对应了4个运算符。

// 运算符，分别是加减乘除

enum MATHOPERATION

{

  OPADD = 0, OPSUB, OPMUL, OPDIV

};

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以生成两位数相减为例，首先生成2个数字，然后测试运算结果，只有结果不是负数的情况才是一个合格的算式。之后生成的被减数再 Num[0]中，减数在Num[1]中，运算符存放在Op[0]中，正确的结果在Result。

      case 4://"两位数相减"

        CalcNum = 2; // 2个数字运算

        do

        {

          Num[0] = random(100);

          Num[1] = random(91) + 10;

        }

        while (Num[0] < Num[1]);   //避免结果是负数

        Op[0] = OPSUB;

        Result = Num[0] - Num[1];

        break;
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3. 算式生成后就是对用户播报的过程，具体在状态5中，可以看到分别读出数值和运算符

   // 语音播报表达式

    readValue(Num[0]);

    readOp(Op[0]);

    readValue(Num[1]);

    // 如果是三个数运算，那么多读出一个运算符和运算数

    if (CalcNum == 3)

    {

      readOp(Op[1]);

      readValue(Num[2]);

}
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数字需要特别处理，为此编写一个函数readValue()，能够输出 0-999的读音：

// 语音输出一个数字

void readValue(int Value)

{

  if (NCDEBUG)

  {

    Serial.print("ReadValue:");

    Serial.println(Value);

  }

 

  String DataBuffer[12] = {{"零"}, {"一"}, {"二"}, {"三"}, {"四"}, {"五"}, {"六"}, {"七"}, {"八"}, {"九"}, {"十"}, {"百"}};

 

  // 百位不为零

  if (Value / 100 != 0)

  {

    // 读出百位

    ss.speak(DataBuffer[Value / 100]);

    // 读出"百"

    ss.speak(DataBuffer[11]);

    // 如果十位为 0 ,那么直接读出"零"

    if (Value / 10 % 10 == 0)

    {

      ss.speak(DataBuffer[0]);

    }

  }

  else

  {

    // 十位不为零

    if ((Value / 10 % 10) != 0)

    {

      // 读出十位（不含0的情况）

      if (Value / 10 == 1) { // 13 这种直接读“十三”

        ss.speak(DataBuffer[10]);

      } else {  // 23 这种读出“二十三”

        ss.speak(DataBuffer[Value / 10 % 10]);

        ss.speak(DataBuffer[10]);

      }

    }

  }

 

  // 个位不为零

  if ((Value % 10) != 0)

  {

    ss.speak(DataBuffer[Value % 10]);

  }

 

  // 零特别处理

  if (Value == 0)

  {

    ss.speak(DataBuffer[0]);

  }

}
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4. 接下来在装填6中等待输入，其中GetMatrix（）是矩阵扫描函数。前面提到过，基本操作是KEY_ROW1设置为HIGH,KEY_ROW2和KEY_ROW3设置为低，然后读取KEY_COL1-3的电平。需要特别注意的是这个动作完成后必须有足够的延时，否则再拉高KEY_ROW2，再读取KEY_COL1-3的值是不正确的。例如按键如下：

	ROW1	ROW2
COL1	闭合（U1）	断开（U1）
COL2	断开（U1）	断开（U1）

开始扫描后，首先设置 COL1=HIGH, COL2=LOW，然后读取 ROW1=HIGH，ROW2=LOW；如果没有加入 Delay 那么接下来会设置COL1=LOW,COL2=HIGH,然后读取 ROW1会得到 HIGH的结果，这是因为ESP32速度很快，ROW1上的电荷还来不及释放掉。

// 扫描按钮矩阵，返回当前的输入值

int GetMatrix()

{

  int result = 0;

 

  digitalWrite(KEY_ROW1, HIGH);

  digitalWrite(KEY_ROW2, LOW);

  digitalWrite(KEY_ROW3, LOW);

  delay(10);

 

  // 第一行

  result = (digitalRead(KEY_COL1) << 3) +

           (digitalRead(KEY_COL2) << 2) +

           (digitalRead(KEY_COL3) << 1) +

           digitalRead(KEY_COL4) ;
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