工程师在拿到一个新的设计项目，第一步要做的是什么？
不是电路原理图的设计，也不是软件程序的代码开发，而是项目的功能需求说明。项目的功能需求说明，就好比是一个人出去旅行的目的地。
没有确定目的地，你如何去规划旅游路线；没有旅途的目标，你如何去选择适合的交通工具；没有项目的功能需求说明，你如何去设计具体的电路原理图？你如何去开发相应的软件程序代码？
这就是确定项目的功能需求意义所在。

01 智能早教学习机功能
芯片哥最近看到一个产品，是一款儿童智能早教学习机。当时觉得这个产品很好玩，很适合小孩子学习，尤其是在学习的时候父母经常不在身边。

小孩子拿到这个智能早教学习机，遇到学习问题，只要轻轻地一按，就会发出它的正确读音。
当然，这个智能早教学习机，主要针对的是学习汉语拼音；如果需要加入简单的数学算术功能，在芯片哥看来，也是没有什么多大的问题，至少从项目设计开发的角度来说是没有技术问题的。
那么这个智能早教学习机，芯片哥能设计开发出来吗？
答案是肯定的。
回到刚刚开始讨论的问题，对于研发工程师而言，拿到一个新的设计项目，第一步要做的就是确定产品的设计需求。
智能早教学习机的功能需求是什么呢？
其实它主要的功能包含3点

1，含有55个拼音字母的按键，每按上一个按键，智能早教学习机就会发出它对应的读音。比如拼音字母 a 、o、e、b、p、m、f等等。
2，有一个电源按键，作为智能早教学习机的总开关。
3，在产品的顶部有11个功能控制按键，分别控制不同的功能。比如声调的控制，音量的控制等等

02 智能早教学习机电路方案
OK，了解完智能早教学习机的功能开发需求，接下来就是考虑如何设计具体的电路方案，来实现它。

在这个原理方案中
按键电路，就是对应到智能早教学习机的按键功能；
语音电路，就是对应到智能早教学习机发出读音的功能；
电源电路，就是整个电路系统的工作电源，是电池供电；
单片机电路，就是整个电路系统的逻辑控制中心，负责信号的处理；

03 智能早教学习机原理图
第一步已经做完了智能早教学习机的功能分析，第二步也已经初步完成了智能早教学习机的整体设计方案，第三步就是将设计方案转化成具体的详细电路原理图。
按键电路

在这个按键电路原理图中，芯片哥采用的是矩阵按键，主要的原因就是相比较独立按键，矩阵按键电路可以节约单片机的IO引脚资源。
如果是采用独立的按键电路，至少需要55个开关电路，也就是说至少需要55个独立的单片机IO引脚数量。
换做矩阵按键电路，只需要7行8列，也就是7+8=15个单片机IO引脚数量即可。很明显，15是要远远小于55的。
这就是为什么在很多电路项目中，工程师喜欢使用矩阵按键电路设计的原因。

语音电路
由于智能早教学习机，针对的是小孩子学习，因此它的喇叭驱动功率不需要设计的很大，只需要2W左右即可。

在这个语音电路图中，MXH040芯片是电路的核心。通过一个外围的NPN三极管，就可以直接驱动喇叭，播放智能早教学习机的拼音读音。
MXH040芯片的Pin1引脚REST，主要功能就是复位，单片机的IO口可以通过这个REST引脚控制MXH040芯片的语音复位功能；
MXH040芯片的Pin2引脚DATA，主要功能就是数据信号传输引脚，单片机的IO口可以通过这个DATA引脚，实现智能早教学习机的拼音播放功能。
MXH040芯片的Pin3引脚BUSY，主要功能就是反馈语音芯片的工作状态；当正在播放语音时，BUSY引脚为高电平，代表芯片正在工作，处于忙的状态；相反，当语音播放完成，BUSY引脚输出低电平，代表芯片已经完成工作；

电源电路
智能早教学习机，它的电源是由3节干电池供电的。每节干电池，它的额定电压为1.5V，3节干电池串联的电压为4.5V。

干电池，在供电的时候，它有一个特点，就是随着使用时间的增加，它的电压是会慢慢地降低的，并不是一成不变的。
工程师，在开发类似电池供电的项目，都会遇到这样的问题。如何确保电池电压在下降的时候，电路系统也能正常地工作，不受影响。
由于语音芯片MXH040的工作电压已经被确定为5V，因此智能早教学习机的电源电路就应该是
将3节干电池的电压4.5V，转换成5V输出。
分析到这，就比较容易地知道，其实开发这样的电源电路，本质上就是开发设计一个DC-DC升压电路，使其能在4.5V及其以下的电压范围内，能稳定地输出5V。
据此，芯片哥选用了SX1308电源芯片作为了电源电路的核心。

VIN直接连接3节干电池，VCC是电源电路输出的5V。其中VIN输入的范围最小可以支持2V，也就是3节干电池的电压从额定的4.5V，一直可以降到2V，SX1308电源芯片也能正常输出恒定的5V。
而且，SX1308芯片的电源电路，它的静态功耗低至只有100uA。
这样，电源电路就开发设计完成了。

单片机电路
单片机电路，主要的任务就是选型，依据外围电路的特性，选择与之匹配的单片机资源。芯片哥就作为项目开发工程师，一起来研究下如何确定单片机的电路。
首先，单片机的外围电路包含按键电路与语音电路。
其次，按键电路需要15个普通的IO引脚；语音电路需要3个普通的IO引脚；合计需要18个普通的IO引脚。
也就是说，只需要选择一个带有18个IO口引脚的单片机就可以胜任智能早教学习机的产品项目。至于说其他的参数，比如时钟、定时器、存储空间之类的参数，这些都是作为常规性的参数，无需特定的关注。
另外一点，为了尽可能地降低成本，芯片哥还是建议优先选用OTP类型的单片机，毕竟智能早教学习机是适合小孩子，产品的售价还得亲民才可以。
至于具体的型号，可以有很多的选择，芯片哥列举一些，比如上海的东软载波、台湾地区的合泰等等。

04末尾
至此，芯片哥基本已经完成了智能早教学习机的产品项目方案开发，包括它的整个开发设计过程，和它的详细电路原理图
最后需要指明一点，电源的开关按键，芯片哥之所以没有给出具体的电路设计，是因为它同其他的按键开关不一样，电源开关是作为单片机的唤醒按键，是将单片机从睡眠模式切换到正常的工作模式
另外还有就是整个的完整电路原理图，只需要将芯片哥给出的这些电路设计方案，综合整理一下，就能较为轻松地做出来。
相信，这样的工作，对于研发工程师的你而言，应该是不成问题的。


来源：芯片哥