儿童趣味机电编程教育设计
本次毕业设计课题为“儿童趣味机电编程教育设计”。本设计要求面向儿童设计机电结合的编程玩具和教程，设计应具备的条件是采用 Arduino Mega 2560控制板或Arduino UNO控制板,实现符合儿童使用要求的编程玩具。由于在今天这个科技社会里，人们对编程教育越来越重视，越来越多的父母希望孩子从小就开始学习编程，所以本次设计的是一款儿童下蛋闹钟。本设计是用Arduino UNO控制板为主要核心，用电路继电器的组合，设计出的儿童趣味闹钟编程玩具，同时可以实现走动、模拟母鸡下蛋和播放音乐功能。关键词 编程玩具，Arduino，下蛋闹钟，机电一体化
目 录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 课题背景 1
1.3 选题的目的和意义 2
2 Arduino电子时钟设计 2
2.1 Arduino概念 2
2.1.1 简介 3
2.1.2 特色 3
2.1.3 功能 4
2.1.4 发展历史 5
2.1.3 评价 5
2.2 硬件设计 6
2.2.1 DS3231时钟模块 6
2.2.2 I2CLED1602显示模块 7
2.2.3 各硬件模块总体连接 9
2.3 软件设计 10
2.3.1 设计程序 10
2.3.2 时钟模块校准 13
3 下蛋机构设计 14
3.1 玩具下蛋机构要解决的问题 14
3.2 设计方案 15
3.3 硬件组成与工作过程 17
3.3.1 下蛋机构硬件组成 17
3.3.2 玩具下蛋机构工作过程 22
4 声音电路设计 23
5 继电器模块 25
5.1 简介 25
5.1 继电器接线电路 26
6 实物展示及后续设计改进 27
6.1 实物作品 27
6.2 后续设计改进 27
结 论 29
致 谢 30 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
参考文献 31
附 录A 32
附 录B 40
1、绪论
1.1 引言
模拟母鸡下蛋的儿童趣味闹钟玩具不仅可以完成早晨叫醒儿童的任务，还是一款优秀的儿童编程玩具，陪伴儿童的伙伴和老师，此外还是一款优秀的儿童计算机编程教育平台。儿童趣味闹钟玩具的设计与各种工程息息相关，比方说远程控制、结构设计、电子工程等，是具有代表性的结合了机械与电子技术的产品，由于传统儿童闹钟功能的持续改善，儿童趣味闹钟的应用也不再局限于闹钟这一个功能，逐渐拓展到儿童娱乐及教育，特别是编程教育等很多领域[1]。本设计主要内容是设计一款模拟小鸡下蛋的儿童趣味闹钟玩具，它应该具有以下功能：当闹钟预置的时间到时，安装有万向轮的小鸡闹钟就会自动运动，遇到障碍物会自动躲避，还会播放有趣的“小鸡之歌”的下蛋叫声，同时翅膀里也会发出炫彩的灯光，此外“小鸡”一边行走还会一边下蛋，玩具蛋会顺着预先安装的通道从玩具内部滚落到外面。
本设计采用Arduino UNO控制板作为主要控制中心，配合电路继电器具有的接通或切断电路的功能，设计出的儿童趣味闹钟，同时可以实现走动、模拟母鸡下蛋、发光和播放音乐功能。
1.2 课题背景
在我国刚打开对外开放的大门时，人们经常挂在嘴边的一句话是“学英语从娃娃抓起”，可以看出当时普遍认为学习英语对孩子的个人发展是非常重要的。随着社会日新月异的变迁和时代的进步，我认为现在对儿童将来发展最重要的不再是英语而是编程教育，正所谓“学计算机编程从童年开始”。本课题所设计的编程玩具的重要功能就是帮助11岁到15岁的儿童学会如何编程。实际上，对于儿童来说，简单的编程逻辑并不难理解，因此现在推行编程教育面临的主要问题是：孩子们不知道编程有什么用，编程又与日常生活有什么联系[2]。所以在本次编程玩具的产品设计中，就是要将那些抽象的编程语言转化成让儿童能看懂的具体有趣的机械动作，儿童也会因此惊喜地发现编程如此好玩有趣。
在每个儿童的成长过程中，有一件东西长期伴随左右，那就是闹钟。随着时代日益发展，儿童闹钟的功能也得到不断拓展，不再局限于叫醒儿童起床这一个功能，还被人们赋予各种各样的作用，例如装饰房间、儿童玩具等。目前的儿童闹钟多数造型刻板，娱乐性与教育性也很低。传统闹钟一般只具备响铃，功能单调。与此同时，许多新的电子产品在市场上的出现，改变了过去旧的小型电子产品给人们的固有印象，其中闹钟就是一个典型的代表。在世界范围内，百分之七十二的人没有使用过传统闹钟，而是用智能手机替代传统闹钟的功能。在我国这个比例更是达到了百分之八十二。
此外，通过观察可以发现，存在这样一个问题，那就是无论是简单的闹钟或其它电子产品的闹钟功能，人们使用研究发现，很多孩子都有这样的体会和经历：突然想起的刺耳的闹铃声音，让人感觉浑身不舒服，睡不好，讨厌起床，甚至是一整天都会感觉不舒服。这表明，市场上已有闹钟的设计中人文关怀是不够的，在发挥叫醒人们起床的作用同时，也影响了人们的正常生活。这就给了我们在闹钟的设计过程中以创新的空间。
1.3 选题的目的和意义
本课题的研究目的是将那些复杂的编程语言转化成让儿童能看得懂的具体动作，同时通过对儿童日常生活的观察，可以发现儿童普遍缺乏时间概念，做事拖拉，经常忘记时间并且有不同程度的早晨赖床现象，因此针对这一现象本课题提出设计一款基于Arduino UNO 芯片的儿童趣味闹钟编程玩具。本次设计要实现的功能是当定时时间结束时，母鸡造型的闹钟便会在音乐的伴奏下悠悠哉哉的自动行走起来，翅膀里也会发出炫彩的灯光，同时发出“咯...咯...咯...嘎”叫声,当儿童正好奇地观看这一切时，玩具后面会有一个类似小门的装置向下打开，玩具蛋就会顺着滚落到玩具外面。
本课题的意义在于，很多孩子早晨都有一个睡眠习惯，就是睡懒觉，这不仅导致了上课迟到，还打乱了正常的生活作息规律，影响孩子发育。正因为如此，家长给许多孩子都配备了闹钟，但是当闹铃响起时，孩子们都会有一个无意识的动作，就是关闭闹钟，再睡几分钟，之后的结果往往是睡过了头。为了改变儿童这种不良习惯，本次设计的趣味闹钟在传统闹钟的闹铃功能上，还特意增加了一些趣味功能：当定时时间结束时，母鸡造型的闹钟便会在音乐的伴奏下悠悠哉哉的自动行走起来，翅膀里也会发出炫彩的灯光，同时发出“咯...咯...咯...嘎”的叫声,当儿童正好奇地观看这一切时，玩具后面会有一个类似小门的装置向下打开，玩具蛋就会顺着滚落到玩具外面。而经过这么一番趣味性动作，儿童人也清醒了，闹钟也就达到了它该有的功效，不仅如此，还可以引起儿童对该闹钟的好奇心，有助于编程教育的推广。
目 录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 课题背景 1
1.3 选题的目的和意义 2
2 Arduino电子时钟设计 2
2.1 Arduino概念 2
2.1.1 简介 3
2.1.2 特色 3
2.1.3 功能 4
2.1.4 发展历史 5
2.1.3 评价 5
2.2 硬件设计 6
2.2.1 DS3231时钟模块 6
2.2.2 I2CLED1602显示模块 7
2.2.3 各硬件模块总体连接 9
2.3 软件设计 10
2.3.1 设计程序 10
2.3.2 时钟模块校准 13
3 下蛋机构设计 14
3.1 玩具下蛋机构要解决的问题 14
3.2 设计方案 15
3.3 硬件组成与工作过程 17
3.3.1 下蛋机构硬件组成 17
3.3.2 玩具下蛋机构工作过程 22
4 声音电路设计 23
5 继电器模块 25
5.1 简介 25
5.1 继电器接线电路 26
6 实物展示及后续设计改进 27
6.1 实物作品 27
6.2 后续设计改进 27
结 论 29
致 谢 30 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
参考文献 31
附 录A 32
附 录B 40
1、绪论
1.1 引言
模拟母鸡下蛋的儿童趣味闹钟玩具不仅可以完成早晨叫醒儿童的任务，还是一款优秀的儿童编程玩具，陪伴儿童的伙伴和老师，此外还是一款优秀的儿童计算机编程教育平台。儿童趣味闹钟玩具的设计与各种工程息息相关，比方说远程控制、结构设计、电子工程等，是具有代表性的结合了机械与电子技术的产品，由于传统儿童闹钟功能的持续改善，儿童趣味闹钟的应用也不再局限于闹钟这一个功能，逐渐拓展到儿童娱乐及教育，特别是编程教育等很多领域[1]。本设计主要内容是设计一款模拟小鸡下蛋的儿童趣味闹钟玩具，它应该具有以下功能：当闹钟预置的时间到时，安装有万向轮的小鸡闹钟就会自动运动，遇到障碍物会自动躲避，还会播放有趣的“小鸡之歌”的下蛋叫声，同时翅膀里也会发出炫彩的灯光，此外“小鸡”一边行走还会一边下蛋，玩具蛋会顺着预先安装的通道从玩具内部滚落到外面。
本设计采用Arduino UNO控制板作为主要控制中心，配合电路继电器具有的接通或切断电路的功能，设计出的儿童趣味闹钟，同时可以实现走动、模拟母鸡下蛋、发光和播放音乐功能。
1.2 课题背景
在我国刚打开对外开放的大门时，人们经常挂在嘴边的一句话是“学英语从娃娃抓起”，可以看出当时普遍认为学习英语对孩子的个人发展是非常重要的。随着社会日新月异的变迁和时代的进步，我认为现在对儿童将来发展最重要的不再是英语而是编程教育，正所谓“学计算机编程从童年开始”。本课题所设计的编程玩具的重要功能就是帮助11岁到15岁的儿童学会如何编程。实际上，对于儿童来说，简单的编程逻辑并不难理解，因此现在推行编程教育面临的主要问题是：孩子们不知道编程有什么用，编程又与日常生活有什么联系[2]。所以在本次编程玩具的产品设计中，就是要将那些抽象的编程语言转化成让儿童能看懂的具体有趣的机械动作，儿童也会因此惊喜地发现编程如此好玩有趣。
在每个儿童的成长过程中，有一件东西长期伴随左右，那就是闹钟。随着时代日益发展，儿童闹钟的功能也得到不断拓展，不再局限于叫醒儿童起床这一个功能，还被人们赋予各种各样的作用，例如装饰房间、儿童玩具等。目前的儿童闹钟多数造型刻板，娱乐性与教育性也很低。传统闹钟一般只具备响铃，功能单调。与此同时，许多新的电子产品在市场上的出现，改变了过去旧的小型电子产品给人们的固有印象，其中闹钟就是一个典型的代表。在世界范围内，百分之七十二的人没有使用过传统闹钟，而是用智能手机替代传统闹钟的功能。在我国这个比例更是达到了百分之八十二。
此外，通过观察可以发现，存在这样一个问题，那就是无论是简单的闹钟或其它电子产品的闹钟功能，人们使用研究发现，很多孩子都有这样的体会和经历：突然想起的刺耳的闹铃声音，让人感觉浑身不舒服，睡不好，讨厌起床，甚至是一整天都会感觉不舒服。这表明，市场上已有闹钟的设计中人文关怀是不够的，在发挥叫醒人们起床的作用同时，也影响了人们的正常生活。这就给了我们在闹钟的设计过程中以创新的空间。
1.3 选题的目的和意义
本课题的研究目的是将那些复杂的编程语言转化成让儿童能看得懂的具体动作，同时通过对儿童日常生活的观察，可以发现儿童普遍缺乏时间概念，做事拖拉，经常忘记时间并且有不同程度的早晨赖床现象，因此针对这一现象本课题提出设计一款基于Arduino UNO 芯片的儿童趣味闹钟编程玩具。本次设计要实现的功能是当定时时间结束时，母鸡造型的闹钟便会在音乐的伴奏下悠悠哉哉的自动行走起来，翅膀里也会发出炫彩的灯光，同时发出“咯...咯...咯...嘎”叫声,当儿童正好奇地观看这一切时，玩具后面会有一个类似小门的装置向下打开，玩具蛋就会顺着滚落到玩具外面。
本课题的意义在于，很多孩子早晨都有一个睡眠习惯，就是睡懒觉，这不仅导致了上课迟到，还打乱了正常的生活作息规律，影响孩子发育。正因为如此，家长给许多孩子都配备了闹钟，但是当闹铃响起时，孩子们都会有一个无意识的动作，就是关闭闹钟，再睡几分钟，之后的结果往往是睡过了头。为了改变儿童这种不良习惯，本次设计的趣味闹钟在传统闹钟的闹铃功能上，还特意增加了一些趣味功能：当定时时间结束时，母鸡造型的闹钟便会在音乐的伴奏下悠悠哉哉的自动行走起来，翅膀里也会发出炫彩的灯光，同时发出“咯...咯...咯...嘎”的叫声,当儿童正好奇地观看这一切时，玩具后面会有一个类似小门的装置向下打开，玩具蛋就会顺着滚落到玩具外面。而经过这么一番趣味性动作，儿童人也清醒了，闹钟也就达到了它该有的功效，不仅如此，还可以引起儿童对该闹钟的好奇心，有助于编程教育的推广。
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