硬件编程 · 儿童拼图机器人语音复读 · 2026-07-24

系统工作流程：

1. 上电初始化 I2S 输入输出、SD 卡、按键、灯环。
2. 主循环扫描拼图检测引脚，当某个拼图块被放入且录音按钮被按下时，开始录音 3 秒，灯环变红呼吸，录音数据通过 INMP441 采集并 DMA 缓冲写入 SD 卡。
3. 释放按钮后立即停止录音，灯环变绿，自动回放录音，喇叭出声。
4. 若未放拼图块直接按录音键，播放预置的欢迎语“来和我说话吧”。
5. 长按录音键 5 秒进入 Wi-Fi 配置模式（SmartConfig），LED 灯环蓝色闪烁。
6. 所有操作日志追加写入 log.txt，包含时间、事件、文件路径。

物料清单

*注：总价 92.4 元略超 85 元预算，可将 SD 卡替换为 8GB（10 元），喇叭选更低成本（3 元），或微动开关使用普通轻触开关+PCB（成本再降 3 元），最终可控制在 84.4 元以内。*

接线与结构

ESP32 引脚分配（以实际代码为准，此处为推荐连接）：

理由：I2S 两设备共用 BCLK 和 LRC，必须严格同步。本配置将 INMP441 的 SCK/WS 连接到与 MAX98357A 不同的 GPIO 32/33，但代码中需配置为相同信号。实际上，一个 I2S 外设只有一组 BCLK/LRC，因此需将两模块的时钟线并联。ESP32 的 I2S0 支持全双工，但默认 BCLK 和 LRC 只能从同一组引脚输出。正确做法：MAX98357A 的 BCLK、LRC 分别接 GPIO26、25；INMP441 的 SCK、WS 也必须短接至 GPIO26、25，实现时钟同步。本接线表保留原给的 32/33 用于麦克风时钟的建议，但在调试步骤中会说明需飞线短接至 26/25，以确保双工 I2S 稳定工作。如果开发者希望使用独立 I2S 接口，则需改用 ESP32-S3 或外接 I2S 分支芯片，受成本限制不做采用。

结构：外壳为圆饼形机器人脸，中心嵌灯环，下方透气网罩内置喇叭，侧面插入加密 SD 卡槽，顶部蘑菇头按键适合小手拍打。背部磁吸拼图底板，内嵌 8 个微动开关，当对应形状木块嵌入时压下开关。所有电路封装在腹部，USB 供电线从底座引出。

核心代码

以下使用 Arduino IDE 框架，需安装 ESP32-AudioI2S、SD、Adafruit NeoPixel 库。代码实现双工 I2S 录音与播放、按键扫描、SD 存储、灯控逻辑。骨架可编译，细节函数留空做伪代码示意。

#include <Arduino.h>
#include <WiFi.h>
#include <SD.h>
#include <SPI.h>
#include <Adafruit_NeoPixel.h>
#include <driver/i2s.h>

// I2S 引脚定义（共用 BCK/LCK）
#define I2S_BCK     26
#define I2S_LCK     25
#define I2S_DOUT    22   // MAX98357A DIN
#define I2S_DIN     35   // INMP441 SD（与 35 编号一致）

// SD 卡
#define SD_CS       5
#define SD_SCK      18
#define SD_MISO     19
#define SD_MOSI     23

// 按键与 LED
#define BTN_REC     34
#define NUMPIXELS   12
#define NEOPIXEL_PIN 13
Adafruit_NeoPixel pixels(NUMPIXELS, NEOPIXEL_PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);

// 拼图检测引脚
const int puzzlePins[8] = {27,14,12,4,15,16,17,21};

// 录音参数
#define SAMPLE_RATE 16000
#define RECORD_TIME 3  // 秒

File audioFile;
bool isRecording = false;

void setupI2S() {
  i2s_config_t i2s_config = {
    .mode = (i2s_mode_t)(I2S_MODE_MASTER | I2S_MODE_TX | I2S_MODE_RX),
    .sample_rate = SAMPLE_RATE,
    .bits_per_sample = I2S_BITS_PER_SAMPLE_16BIT,
    .channel_format = I2S_CHANNEL_FMT_ONLY_LEFT,
    .communication_format = I2S_COMM_FORMAT_STAND_I2S,
    .intr_alloc_flags = ESP_INTR_FLAG_LEVEL1,
    .dma_buf_count = 8,
    .dma_buf_len = 1024
  };
  i2s_pin_config_t pin_config = {
    .bck_io_num = I2S_BCK,
    .ws_io_num = I2S_LCK,
    .data_out_num = I2S_DOUT,
    .data_in_num = I2S_DIN
  };
  i2s_driver_install(I2S_NUM_0, &i2s;_config, 0, NULL);
  i2s_set_pin(I2S_NUM_0, &pin;_config);
}

void setupSD() {
  if (!SD.begin(SD_CS)) {
    // 红灯常亮表示错误
  }
}

void recordToSD(const char* filename) {
  audioFile = SD.open(filename, FILE_WRITE);
  // 写 WAV 头预留
  size_t bytesRecorded = 0;
  int16_t sampleBuffer[512];
  unsigned long start = millis();
  while (millis() - start < RECORD_TIME * 1000) {
    size_t bytesRead;
    i2s_read(I2S_NUM_0, sampleBuffer, sizeof(sampleBuffer), &bytesRead;, portMAX_DELAY);
    audioFile.write((uint8_t*)sampleBuffer, bytesRead);
    bytesRecorded += bytesRead;
  }
  audioFile.seek(0);
  // 补充 WAV 头
  audioFile.close();
}

void playFromSD(const char* filename) {
  audioFile = SD.open(filename);
  // 跳过 WAV 头，循环读数据送 I2S 输出
  audioFile.seek(44);
  while (audioFile.available()) {
    int16_t buffer[512];
    size_t bytesRead = audioFile.read((uint8_t*)buffer, sizeof(buffer));
    size_t bytesWritten;
    i2s_write(I2S_NUM_0, buffer, bytesRead, &bytesWritten;, portMAX_DELAY);
  }
  audioFile.close();
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pixels.begin();
  pixels.clear();
  for (int i = 0; i < 8; i++) pinMode(puzzlePins[i], INPUT_PULLUP);
  setupI2S();
  setupSD();
}

void loop() {
  // 扫描拼图
  int activePuzzle = -1;
  for (int i = 0; i < 8; i++) {
    if (digitalRead(puzzlePins[i]) == LOW) {
      activePuzzle = i;
      break;
    }
  }
  // 录音按键按下且拼图存在则录音
  if (digitalRead(BTN_REC) == LOW && activePuzzle >= 0) {
    char fname[32];
    sprintf(fname, "/puzzle%d_%lu.wav", activePuzzle, millis());
    pixels.fill(pixels.Color(255,0,0)); // 红色呼吸
    pixels.show();
    recordToSD(fname);
    delay(100);
    // 回放
    pixels.show();
    playFromSD(fname);
    pixels.clear();
  }
  // 无拼图按下录音键，播放预置音效
  else if (digitalRead(BTN_REC) == LOW && activePuzzle < 0) {
    playFromSD("/system/hello.wav");
    delay(500);
  }
  delay(50);
}