创意玩具DIY：调皮小黄人——极创48小时大赛作品

future3321

此教程由我的队友：狂刀编辑而成。原帖地址：http://www.guokr.com/blog/489781/

先上图

请自行脑补小黄人那贱贱的笑声~(实物是有声音的)
这个玩具还有个NB名字：BMW（别摸我）

制作背景
周五至周日，本人去参加了芯世界、创客空间、英特尔等机构组织的极创48小时HACKATHON的比赛。
现场提供了英特尔的三项物联网技术API：室内定位、视频监测、空气监测。不过，我们都没有用o(╯□╰)o
现场还提供了3D打印机、激光切割机等一系列高科技加工设备，不过，我们还是没有用……（好吧，我承认这段话无聊了）
最终，在我们一群开发人猿的努力下，这个纯手工制作的小黄人诞生了，并获得了比赛中第二名成绩（year~请脑补小黄人的叫声，谢谢~year~~~~）

重要
比赛尚未结束，希望各位geekers支持我们的作品一下！给我们投一票，投票结果将会让我们的项目启动资金有数量级的差别~
关注“芯世界社会创新中心”的微信公共帐号，回复 “投票+调皮小黄人+10字以上的有效投票理由” 即可完成投票啦～非常感谢哦，详细请见：http://us.upan.pro
之前看过本贴并投票的童鞋也再支持一下吧，之前的投票结果由于有人刷票，已经作废了，并诞生了这么BT的投票方式……

好，下面开始全力奉献！！！

制作材料
电路控制部分：

• Arduino Mega2560*1
• 红外传感器*3
• 舵机*2
• 扬声器*1
• LM386*1
• 导线、面包板、洞洞板*N
  

骨架与装饰材料：

• 可乐瓶*1
• 木板*N
• A4纸*N
  

工具部分：

• 彩笔*N
• 锯条、螺丝刀、螺丝钉等常见工具
  

技术路线
我们在小黄人的眼睛和双手的位置分别装了三个红外传感器（眼睛里的那个是不是毫无违和感呢，哈哈）。当人手靠近传感器时，传感器的信号会发生变化。Arduino接收到这种变化后，会控制对应的舵机转动到响应的角度，保持一段时间后恢复原位。同时，Arduino会播放一个wav音频（小黄人的笑声），经过LM386驱动扬声器发生。

技术要点
不好意思啊，比赛时时间太紧了，没有来及一张张拍照，只能口述要点了。

机械部分
由于我们没有人是学机械或者设计的，不会画CAD图，无法使用高级的切割设备，只能采用手工加工木板。
接下来的机械设计介绍，肯定会是你在果壳中看到的最坑爹的表达方式，大家对着实物图努力辨认一下吧………………
我们用了两个舵机实现了两个自由度。整个设备从下往上依次是：

• 大木板A
• 一个大木板A上竖直的固定了一个小木板B，固定方式用的是一个直角的金属，名字未知……
• 在小木板B上挖了一个槽，将一个舵机卡到了里面，并用螺丝固定。
• 在舵机的驱动转盘上固定一个小木板C，这个木板会随着这个舵机的驱动转盘实现前后旋转。
• 小木板C上用螺丝固定了第二个舵机。
• 第二个舵机的驱动转盘上固定木条D，这个木条D可以在驱动转盘的带动下，实现左右旋转。
• 在木条D上固定大可乐瓶，在可乐瓶的适当位置开洞，固定3个红外传感器。
  

电路控制部分
1、红外传感器——>Arduino
器材限制，我们只买到了红外反射式传感器（发射红外线，并检测红外线是否被反弹回来）

这个传感器有3个引脚，分别是电源、地和信号。经过测量，当传感器前方有遮挡物时，信号线电压变低。
我们将信号线连接到Arduino的模拟信号引脚上，使用Arduino的AnalogRead函数（封装好的函数用起来就是简单）就可以读出这个信号线上的电压。设置一个电压阈值，就可以判断传感器前方是否有手靠近了。

2、Arduino——>舵机
舵机收到一个用PWM波模拟的电压值，就回让驱动转盘旋转到一个固定的角度。
有了第一步的结果，下面的事情就很简单了（简单还是因为Arduino中以及封装好了舵机的控制函数，用起来so easy）
两个舵机分别控制小黄人向前后旋转和左右旋转。
当前方有手时，就命令前后舵机向后转动90度。当左方有手时，就命令左右舵机向右旋转90度；当右方有手时，就命令左右舵机向左旋转90度。
当然，控制逻辑还可以有更多花样。比如，当我使出“双峰贯耳”时，小黄人会前扑进行反击~

3、Arduino——>喇叭
由于器材限制，我们采用了比较简单的音频播放方法。使用单片机的PWM波来近似播放PCM编码的单声道音频。为了简单（不用外接flash或者ram），我们将音频直接固化在程序中了。
之前说了两次Arduino封装函数的方便，这里要来吐槽一下啦~这一段里我将介绍如何产生WAV音频文件、如何将音频文件固化在程序中、如何修改Arduino的PWM波产生函数的基本参数。后两者在普通的单片机，包括Arduino套件所采用的AVR中实现比较简单，但是函数高度封装后的Arduino，处理起来略有麻烦。

a、产生WAV音频文件

• 截取：这步比较简单，我是用KMPlayer从电影中抓取了1.5s的小黄人的笑声音频。
• 转码：之后用GoldWave将其转码成WAV格式，参数选择是PCM unsigh 8-bit mono，并将其采样率降低到8KHz（语音信号的采样率的最低要求是6.8KHz，这里就先不多解释了）。8bit单声道的PCM的编码，就是用一个8bit的值表示当时的声音强弱，一秒钟8000个点，我的音频总共12000个点。因此，只要Arduino能够如实的将这12000个点的值变成电压值，去驱动喇叭，就可以发声了。
• 取值：我用ultraedit打开wav文件，在16进制的模式下能看到值，但是无法复制。最后被迫用了matlab去读取wav文件，将12000个值取了出来。如果谁会更简单的方法告诉我一下吧~
  

b、音频文件固化在程序中
12000个8bit的数的大小约是12KB。Arduino的RAM大小只有8KB，而其程序Flash的大小有128KB。因此最简单的方法就是将它直接写到程序里。
在Arduino中，直接定义数组的方法是：
const byte sound[]={………………………………}；
这样的话，数组中的内容作为变量会被要求加载到RAM，于是RAM就爆了
固化到程序里的方法是：
#include <avr/pgmspace.h>//开头要引用这个文件
const byte sound[] PROGMEM={………………};//定义时候要加上关键字
…………
a=pgm_read_byte(&sound);//程序中的数组的使用方法

c、用PWM波模拟声音
PWM波使用不同占空比的方波，来模拟不同的直流电压，就可以模拟一个模拟信号。（中文有点怪，英文是emulate an analog signal）
Arduino可以很方便的产生一个指定模拟电压的PWM，使用函数AnalogWrite即可。因此我们让Arduino依次将12000个声音点的值，用PWM波模拟出来，理论上就只要再通过滤波和放大就大功告成了。
这里需要的一个前提是，PWM波的频率要远高于声音的采样频率。否则会很难滤波甚至发生错误。
不幸的是，AnalogWrite中无法指定PWM的频率。查阅资料后发现，PWM波的默认频率只有几百赫兹，因此刚开始实验时喇叭里全是噪声。
参考了http://playground.arduino.cc/Main/TimerPWMCheatsheet
http://playground.arduino.cc/Main/TimerPWMCheatsheet
中的资料，将PWM波的频率改成312500Hz。终于能够实现声音的播放了。
此时直接将扬声器接到PWM的输出端口上，已经可以听到声音了（扬声器本身的结构具有低通滤波器的特性，可以滤去高频分量）后续的滤波器以及功放电路就不描述了，时间仓促，设计的也不好。

最后再次恳请各位geekers支持我们的作品一下！给我们投一票，投票结果将会让我们的项目启动资金有数量级的差别~
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代表小黄人感谢你~~~~~

fuwen0202

好凶残，，，吓尿了。

maxims

好凶残，，，吓尿了。

沧海笑1122

亮点之重是arduino播放wav，是成本所限还是希望探讨一种实现方法呢？其实可以考虑语音模块呀。

chaqing

可以写一个自动wav2arduino代码的程序，好像目前没见别人搞过这个case吧，我原先也为发声头疼了

迷你强

arduino可以播放啊，，，就是PWM方式输出音频咯。。。有个库，可以从SD卡读取数据播放，论坛有介绍过

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求源代码