ГОВОРЯЩАЯ КУКЛА
TALKING DOLL

Изобретение относится к области удовлетворения жизненных потребностей человека, а именно к производству кукол с электронными системами, позволяющими общаться с человеком записанными в памяти синтезатора звука или микроконтроллера словами и фразами.
Например, кукла по патенту США 5795213, МПК А63Н 3/28, 18.08.1998 содержит электронную память, устройство для воспроизведения звука и электромеханический привод конечностей. В руках у куклы находится книга. При нажатии на кнопки управления кукла перелистывает страницы и читает выбранный ребенком литературный текст.
Известны куклы, содержащие микроконтроллер с памятью, в которой записан набор речевых сообщений и динамик, обеспечивающий их произнесение; подобные куклы создают эффект общения с ребенком. Интерактивные куклы содержат микроконтроллеры, приемопередатчики инфракрасного излучения, микрофоны и динамики (патент США 6089942, МПК А63Н 29/10, 18.07.2000) и электромеханические элементы. Они обмениваются заранее записанными диалогами, при этом у них изменяются положения глазных яблок, двигаются губы. В соответствии с патентом США 8506343, МПК А63Н 30/00, 13.08.2013 дополнительно предусмотрена возможность перепрограммирования куклы от внешних устройств управления. Для исключения воздействия звуков динамика игрушки на ее же микрофон, в электронную схему, согласно патенту РФ 2218202, МПК А63Н 3/28, 10.12.2003, введены устройство задержки, управляемое от процессора и ключ, прерывающий цепь от микрофона к процессору. С целью пополнения словарного запаса куклы, ее, согласно патенту РФ 2209651, А63Н 3/28, 10.08.2003, дополняют приемниками телевизионного или радиоканала.
Недостатком всех перечисленных выше решений является отсутствие реакции куклы на окружающую температуру. Наличие подобной реакции повышает занимательность куклы для ребенка.
Наиболее близким по технической сущности к патентуемому решению является кукла, содержащая синтезатор речи (микроконтроллер), динамик и кнопки на различных частях тела (США 5376038, МПК А63Н 3/28, 27.12.1994). При нажатии на соответствующую кнопку кукла произносит название той части тела, на которой она установлена.
Целью изобретения является обеспечение реакции куклы на окружающую температуру.
Поставленная цель достигается тем, что в электронной схеме куклы, содержащей микроконтроллер и связанный с ним излучатель звука, дополнительно введены нагревательный элемент и первый датчик температуры, расположенные вместе с внутренней стороны корпуса куклы, второй датчик температуры, расположенный снаружи корпуса прямо против первого датчика температуры и третий датчик температуры - с наружной стороны корпуса куклы в области, отдаленной от первых двух датчиков температуры, причем все датчики температуры и нагревательный элемент связаны с микроконтроллером.
На фигуре представлены голова и часть корпуса говорящей куклы, достаточные для пояснения патентуемого решения; остальные части тела куклы условно не показаны.
На спине куклы 1 с внутренней стороны расположены первый датчик температуры 2 и вместе с ним нагревательный элемент 3; напротив первого датчика температуры 2 расположен второй датчик температуры 4, а в некотором отдалении (определяемым отсутствием теплового поля нагревателя 3; практически это расстояние в 4-5 мм) установлен третий датчик температуры 5. В голове куклы расположен излучатель звука 6, однако он может быть расположен в любом другом удобном месте. Все перечисленные выше устройства соединены с микроконтроллером 7.
Источник питания, кнопка включения питания, вход для перепрограммирования микроконтроллера и другие вспомогательные элементы на фигуре условно не показаны.
Для упрощения электронной схемы куклы желательно использовать микроконтроллер 7 с малым энергопотреблением и имеющим в своем составе:
- АЦП с коммутатором для последовательного подключения к нему сигналов от трех датчиков температуры;
- таймер для формирования сигналов широтно-импульсной модуляции (ШИМ) регулируемого нагрева нагревателя 3;
- энергонезависимую память для записи фраз, произносимых куклой;
- ЦАП для преобразования цифровой формы записанных фраз в аналоговый сигнал, подаваемый на излучатель звука 6.
Подобные микроконтроллеры выпускаются серийно, например, может быть использован микроконтроллер STM32L052C6T6. В качестве датчиков температуры могут быть применены платиновые термометры сопротивления фирмы Heraeus Sensor Technology типа LN 222 (размерами 2,3×2,1 мм) или в корпусе SMD 0805 артикул 33208569 (размерами 2,0×1,2 мм). Нагревательным элементом 3 может служить резистор для печатного монтажа SMD 0805 (размерами 2,0×1,2 мм).
Электронная схема куклы работает следующим образом. До начала эксплуатации в память микропроцессора заносят значения температур срабатывания программ функционирования датчиков, нагревателя и порядок воспроизведения записанных в память фраз. Для определенности, примем, что в память микроконтроллера занесены пороговые значения температур 13°С и 5°С и соответствующие им фразы (например: «Что-то стало холодно, хорошо бы одеть платье», «Ну и холод, нужно одеть пальто», «Стало тепло, давай снимем пальто», «Стало жарко, давай снимем платье»).
В процессе игры с куклой, т.е. в рабочем режиме электронной схемы, измерительный сигнал с третьего датчика температуры 5 постоянно поступает на вход микроконтроллера 7 и, преобразованный в цифровой код, сравнивается с занесенными в память пороговыми значениями температур. Если температура выше пороговой (в нашем случае это 13°С), то кукла не произносит никаких фраз. При понижении окружающей температуры (и температуры корпуса куклы) ниже 13°С микроконтроллер 7 дает команду на воспроизведение соответствующей фразы через излучатель звука 6. Кукла начинает произносить фразу «Что-то стало холодно, хорошо бы одеть платье».
Одновременно микроконтроллер 7 включает подачу тока ШИМ на нагревательный элемент 3. Местный нагрев в области первого датчика температуры 2 ведет к повышению его температуры и он через микроконтроллер 7 регулирует ШИМ сигнал нагревателя 3 таким образом, чтобы она не превышала температуру третьего датчика 5 на 2°С. Подобным режимом обеспечивается минимальный расход мощности источника питания на нагрев.
На второй датчик температуры 4 действуют два тепловых процесса: за счет теплопередачи через корпус куклы температура датчика растет, а за счет теплообмена с окружающей средой - падает. В итоге второй датчик 4 приобретает температуру выше окружающей, но ниже первого датчика 2. Например, окружающая температура равна 12°С, температура первого датчика 2 установилась 14°С, температура второго датчика 4 (за счет теплопередачи в окружающую среду) равна 12,8°С. Кукла продолжает произносить фразу об одежде. Если на куклу одели платье, то теплоотдача во внешнюю среду уменьшается, температура второго датчика температуры 4 повышается, например, до 13,5°С (пороги задаются индивидуально в зависимости от конкретных параметров куклы), микроконтроллер прекращает подачу звуковой информации.
Если куклу внести в теплое помещение, то третий датчик температуры 5 покажет превышение окружающей температуры выше 13°С, например, 15°С. Микроконтроллер даст команду на нагреватель повысить температуру первого датчика 2 до 17°С (процесс регулирования температуры продолжается), температура второго датчика 4 вырастет до 16,5°С. Включается воспроизведение фразы «Стало жарко, давай снимем платье». Если платье с куклы сняли, температура второго датчика 4 понизится (за счет роста теплообмена с окружающей средой) до 15,5°С, микроконтроллер прерывает звуковой сигнал и выключает нагреватель 3.
Аналогично описанному выше схема будет работать при понижении температуры ниже второго порога в 5°С.
Расположение датчиков температуры и нагревателя являются достаточно произвольными, однако должны выполняться два условия:
- При одевании куклы первый и второй датчики должны оказаться под одеждой; целесообразно, поэтому, размещать датчики на спине или груди куклы.
- Третий датчик температуры должен быть размещен вне зоны теплового потока нагревателя и желательно на тех частях тела куклы, которые не будут закрыты одеждой. Последнее условие уменьшает время установления теплового равновесия датчика с окружающей средой. Поэтому местом размещения третьего датчика могут быть низ туловища, ноги или шея куклы.
Схему куклы можно модифицировать, используя как нагревательный элемент и источник измерительного сигнала первый датчик температуры. В этом случае рационально применить микроконтроллер с двумя каналами ЦАП, например, STM32L072RBT6. Один канал ЦАП будет формировать аналоговые звуковые сигналы, а второй - аналоговый ток питания первого датчика температуры.