全國高職學生 102 年度專題製作競賽報告書群別 : 動力機械群參賽作品名稱 : 不會碰撞的車子關鍵詞 : 邏輯紅外線智慧控制中華民國年 3 月 2 1 日

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电孟
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1 全國高職學生 102 年度專題製作競賽報告書群別 : 動力機械群參賽作品名稱 : 不會碰撞的車子關鍵詞 : 邏輯紅外線智慧控制中華民國年 3 月 2 1 日

2 摘要本專題研究內容為模擬車輛在行進間如遇突發狀況時, 如何自動避開障礙物, 減少傷亡事故, 電路系統設計利用邏輯閘控制為基礎, 並使用紅外線感測器作障礙物偵測, 於碰撞前先行自動閃避障礙物或停止, 文中探討邏輯閘的控制特性及紅外線感測器相關參數調整對偵測距離與感應效率的影響, 最後設計出一套智慧控制電路, 此可作為未來智慧車輛設計開發的參考, 並配合伺服馬達控制, 應用到實際車輛上, 相信對於降低事故減少傷亡的要求將有幫助關鍵字 : 邏輯紅外線智慧控制

3 目錄第一章緒論 1-1 前言研究動機研究目的 1 第二章理論探討 2-1 智慧之定義基本邏輯閘反閘或閘及閘紅外線感測器簡介 4 第三章專題製作 3-1 研究設備與材料研究方法及步驟邏輯控制實驗紅外線敏感度實驗設計步驟 10 第四章專題成果 12 第五章結論與建議 5-1 結論建議 13 參考文獻 14 I

4 圖目錄圖 2-1 反閘電路符號 2 圖 2-2 反閘真值表 2 圖 2-3 CMOS 圖 2-4 或閘電路符號 3 圖 2-5 或閘真值表 3 圖 2-6 CMOS 圖 2-7 及閘電路符號 3 圖 2-8 及閘真值表 3 圖 2-9 CMOS 圖 2-10 紅外線測距感測器 4 圖 3-1 邏輯控制實驗電路 5 圖 3-2 紅外線感測器特性實驗電路 8 圖 3-3 紅外線發射器阻抗調整對感應距離的變化關係 9 圖 3-4 紅外線發射器輸入電源與感應距離的關係 9 圖 3-5 紅外線感測器作動測試 11 圖 3-6 邏輯輸入及輸出測試 11 圖 3-7 驅動放大電路 11 圖 4-1 智慧控制電路 12 圖 4-2 不會碰撞的車子 12 II

5 表目錄表 3-1 實驗設備材料表 5 表 3-2(VDD)3 伏特時的臨界點 6 表 3-3(VDD)6 伏特時的臨界點 6 表 3-4(VDD)9 伏特時的臨界點 7 表 3-5 (VDD)12 伏特時的臨界點 7 表 3-6 紅外線發射器阻抗調整與感應距離的關係 8 表 3-7 紅外線發射器輸入電源與感應距離的關係 9 表 3-8 紅外線接收器阻抗調整與感應輸出的關係 10 表 3-9 紅外線接收器輸入電源與感應輸出的關係 10 III

6 第一章緒論 1-1 前言工業的進步帶來交通的便利, 同時也增加了生命財產危害的機會, 根據內政部統計處的資料, 每年因道路交通事故造成人員傷亡之數量計 16 萬 1,616 件, 平均每萬輛機動車輛肇事 75.1 件, 所以如何降低事故減少傷亡日益受到重視, 世界各大車廠也紛紛投入人力財力研究期望設計出更安全的智慧車輛, 以能有效解決交通事故減少傷亡 1-2 研究動機近來看到電視上的新聞經常出現因為酒駕肇事造成傷亡及家庭破碎的悲劇, 而想到之前在電子電工課程中有學到一些電子零件及控制特性的知識, 所以想到利用低成本的材料來設計製作一套能自動閃避障礙物的車輛控制系統模擬實車狀況, 並想這一切如果能應用到實際車輛上, 並在道路上發揮作用, 相信對於交通事故的減少會有許多的幫助, 同時也讓人在行的環境上更安全 1-3 研究目的一應用上課所學親自動手設計, 並在製作過程中探索科技的奧妙二了解邏輯閘的控制理論三了解紅外線發射器接收器原理, 並學習使用紅外線感測器, 作為控制電路的元件四將機電整合設計出不會碰撞的車子 1

第二章理論探討 2-1 智慧之定義智慧的定義, 智慧不是一種抽象的概念, 而是物理現象, 在進行定義智慧時, 不能忽略生物體的環境, 甚至生物體自身都需列入考慮一個生物體的智慧在於如何解決環境加諸於問題的能力,

邏輯運算是數位系統中最基本的運算, 負責邏輯運算的基本元件就是邏輯閘基本運算子包括及閘 (AND) 或閘 (OR) 反閘 (NOT) 之外, 還有反及閘 (NAND) 反或閘 (NOR) 或互斥閘

輸出端的狀態永遠與輸入端相反, 電路符號及真值表如圖 2-1 2-2 所示圖 2-1 反閘電路符號圖 2-2 反閘真值表 CMOS 4069 數位積體電路是由六個反閘包裝在一起如圖 2-3 所示圖 2-3

7 第二章理論探討 2-1 智慧之定義智慧的定義, 智慧不是一種抽象的概念, 而是物理現象, 在進行定義智慧時, 不能忽略生物體的環境, 甚至生物體自身都需列入考慮一個生物體的智慧在於如何解決環境加諸於問題的能力, 如一部有著像人類一般思想的電腦, 無須擁有相似的實體環境或軀殼 ; 電腦模擬認為智慧取決於能利用其自然環境多少的訊息而定, 蒐集參考的訊息愈多, 則決解問題的能力也愈佳 2-2 基本邏輯閘邏輯運算是數位系統中最基本的運算, 負責邏輯運算的基本元件就是邏輯閘基本運算子包括及閘 (AND) 或閘 (OR) 反閘 (NOT) 之外, 還有反及閘 (NAND) 反或閘 (NOR) 或互斥閘 (EXCLUSIVE OR) 等邏輯閘, 現今都已製作成數位積體電路, 讓使用者在電路設計上更方便的應用反閘反閘 (NOT GATE) 是專門負責反相運算的邏輯閘, 它有一個輸入端和一個輸出端, 輸出端的狀態永遠與輸入端相反, 電路符號及真值表如圖所示圖 2-1 反閘電路符號圖 2-2 反閘真值表 CMOS 4069 數位積體電路是由六個反閘包裝在一起如圖 2-3 所示圖 2-3 CMOS 或閘或閘 (OR GATE) 是專門負責或運算的邏輯閘, 它有兩個以上的輸入端和一個輸出端, 當任何一個輸入端為邏輯 1 時, 輸出端必為邏輯 1, 只有在輸入端全部為 0 時, 輸出端才會為 0, 電路符號及真值表如圖所示 2

僅在輸入端全部為邏輯 1 時, 輸出端才會為邏輯 1, 電路符號及真值表如圖 2-7 2-8

8 圖 2-4 或閘電路符號圖 2-5 或閘真值表 CMOS 4071 數位積體電路由四個二輸入或閘包裝在一起如圖 2-6 所示圖 2-6 CMOS 及閘及閘 (AND GATE) 是專門負責及運算的邏輯閘, 它有兩個以上的輸入端和一個輸出端, 當任何一個輸入端為邏輯 0 時, 輸出端必為邏輯 0, 僅在輸入端全部為邏輯 1 時, 輸出端才會為邏輯 1, 電路符號及真值表如圖所示圖 2-7 及閘電路符號圖 2-8 及閘真值表 CMOS 4081 數位積體電路由四個二輸入及閘包裝在一起如圖 2-9 所示圖 2-9 CMOS

9 2-3 紅外線感測器簡介感測器是接收信號或受刺激反應的元件, 能將待測物理量或化學量轉換成另一對應輸出的裝置當一個感測器的輸入和輸出完全成線性關係的時候, 這個感測器就是一個理想感測器理想感測器應該符合只受被測因素的影響與不受其他因素的影響及感測器本身不會影響被測因素的原則紅外線感測器的種類繁多, 舉凡溫度感測器火焰感測器光電感測器人體感測器測距感測器等, 皆用到紅外線的特性與原理, 而本研究使用的紅外線感測器主要是, 用來偵測地面上的障礙物, 所以比較偏向測距感測器紅外線測距感測器的構造, 主要有發射端與接收端, 發射端發射特定波長的紅外線, 而接收端就負責接收此紅外線, 如圖 2-10 所示, 實際上發射端與接收端靠的很近因為紅外線具有在氣體中傳播時容易衰減的特性, 所以當接收端接收到特定波長的紅外線的時候, 會根據所接收到紅外線的功率來算出離地面還有多少距離而一般使用上, 發射端可以發出紅外線的波長, 當流經的電流愈大時, 其發出的光也愈強, 傳播的距離也可以愈遠, 當此光線碰到障礙物之後再反射回來光線的能量也愈強, 反之, 當流經的電流愈小, 可以傳播的距離也較近, 碰到障礙物反射回來光的能量也愈小障礙物圖 2-10 紅外線測距感測器 4

第三章專題製作 3-1 研究設備與材料表 3-1 實驗設備材料表品名規格品名規格電源供應器 0~30V/0~3A 麵包板 2*1 紅外線發射器 3MM/ 透明紅外線接收器 3MM/ 不透明電阻板 1/4W 通用發光二極體 3MM 反相器 CMOS 4069 電晶體 C1815 繼電器 RY5W-K 排線 2.54MM/ 單頭 /4P 可變電阻 0~100K 單芯線 0.

10 第三章專題製作 3-1 研究設備與材料表 3-1 實驗設備材料表品名規格品名規格電源供應器 0~30V/0~3A 麵包板 2*1 紅外線發射器 3MM/ 透明紅外線接收器 3MM/ 不透明電阻板 1/4W 通用發光二極體 3MM 反相器 CMOS 4069 電晶體 C1815 繼電器 RY5W-K 排線 2.54MM/ 單頭 /4P 可變電阻 0~100K 單芯線 0.5MM 3-2 研究方法及步驟邏輯控制實驗邏輯控制是最基本的數位控制, 輸出不是 0 就是 1, 本實驗以 CMOS 4069 反相器積體電路作實驗, 探討邏輯輸入與邏輯輸出的關係, 實驗電路如圖 3-1 所示, 因 CMOS 4069 積體電路的工作電壓範圍是 3~15 伏特, 所以先以電源 (VDD) 3 伏特輸入, 並做 3 伏特 6 伏特 9 伏特 12 伏特四種電源變化 (VDD), 邏輯輸入電壓由 0 開始, 邏輯輸出使用 LED 顯示會亮表示 1, 不會亮表示 0, 並找出臨界點如表所示 VDD 電源輸入邏輯輸入 R 邏輯輸出 led 反相器 VSS 圖 3-1 邏輯控制實驗電路 5

11 表 3-2(VDD)3 伏特時的臨界點邏輯 IC 電源 (VDD) 邏輯輸入 A ( 電壓 ) 邏輯輸出 F (0 或 1) 備註 ( 臨界點 ) 表 3-3(VDD)6 伏特時的臨界點邏輯 IC 電源 (VDD) 邏輯輸入 A ( 電壓 ) 邏輯輸出 F (0 或 1) 備註 ( 臨界點 )

12 表 3-4(VDD)9 伏特時的臨界點邏輯 IC 電源 (VDD) 邏輯輸入 A ( 電壓 ) 邏輯輸出 F (0 或 1) 備註 ( 臨界點 ) 表 3-5(VDD)12 伏特時的臨界點邏輯 IC 電源 (VDD) 邏輯輸入 A ( 電壓 ) 邏輯輸出 F (0 或 1) 備註 ( 臨界點 )

13 臨界點表示當電壓高於臨界值時, 邏輯輸出為 0 反之為 1, 也就是說只要控制臨界點的位置就可以控制數位訊號何時觸發, 經由上述實驗整理得知臨界值約為積體電路輸入電源 (VDD) 值除以紅外線敏感度實驗本實驗在於探討紅外線感測器應用時的相關特性, 實驗電路設計如圖 3-2 所示, 實驗分三個部分 : 一是探討紅外線發射器阻抗調整對感應距離的影響, 如表 3-6 及圖 3-3 說明 ; 二是探討調整紅外線發射器輸入電源對感應距離的影響, 如表 3-7 及圖 3-4 說明 ; 三是探討紅外線接收器電源及阻抗調整對感應輸出的影響, 如表說明電源供應器訊號輸出發射器接收器圖 3-2 紅外線感測器特性實驗電路表 3-6 紅外線發射器阻抗調整與感應距離的關係輸入電壓 (V) 發射器電阻 (Ω) 感應距離 (mm) 備註

14 圖 3-3 紅外線發射器阻抗調整對感應距離的變化關係表 3-7 紅外線發射器輸入電源與感應距離的關係輸入電壓 (V) 發射器電阻 (Ω) 感應距離 (mm) 備註圖 3-4 紅外線發射器輸入電源與感應距離的關係 9

15 表 3-8 紅外線接收器阻抗調整與感應輸出的關係輸入電壓 (V) 接收器電阻 (MΩ) 感應輸出 (V) 備註 ( 臨界值 ) 表 3-9 紅外線接收器輸入電源與輸出變化的關係輸入電壓 (V) 接收器電阻 (MΩ) 輸出變化 (V) 備註設計步驟在設計電路之前, 須考量實際應用環境的工作電壓, 以決定邏輯輸入控制的電壓值, 本實驗電路測試使用的車子是洛奇科技的科學魔法車, 設計步驟如下 : 一測試紅外線感測器作動是否正常, 紅外線是肉眼看不到的, 所以發射器是否對上接收器, 是看不出來的, 但可用電錶量測其電壓值的變化得知, 量測發射器兩端電壓降約 1.2V 表示有發射紅外線 ; 量測接收器兩端電阻降低表示有接收到訊號, 若測試符合表示紅外線感測器作動沒有問題, 亦可在接收器輸出端接上 LED 燈觀察變化, 如圖 3-5 所示二調整紅外線發射器之阻抗值決定偵測距離及調整接收器阻抗值, 使的感應輸出訊號電位在反相器邏輯輸入的臨界值上下變動, 感應輸出位置如圖 3-2 說明三確定紅外線感測器輸出訊號符合反相器邏輯輸入值後, 接上反相器積體電路, 並在邏輯輸出端接上 LED 燈測試訊號作動是否正常, 如圖 3-6 所示四障礙偵測電路設計完成後, 使用電晶體將電流放大以驅動繼電器作動, 進而控制馬達作正逆轉, 驅動放大電路如圖 3-7 所示五電路設計測試正常後, 接上測試機體 ( 科學魔法車 ) 實際作障礙物閃避控制 10

16 圖 3-5 紅外線感測器作動測試圖 3-6 邏輯輸入及輸出測試圖 3-7 驅動放大電路 11

第四章專題成果本專題設計之控制電路如圖 4-1 說明, 透過兩組紅外線感測器分別偵測左邊及右邊的障礙物, 偵測訊號輸入邏輯閘積體電路經運算後, 將訊號輸出至驅動放大電路, 進行控制馬達正逆轉而達到自動閃避功能, 其中紅外線發射電路設計使用可變電阻來調整偵測的距離, 因輸入電源固定為了配合邏輯閘輸入控制,

17 第四章專題成果本專題設計之控制電路如圖 4-1 說明, 透過兩組紅外線感測器分別偵測左邊及右邊的障礙物, 偵測訊號輸入邏輯閘積體電路經運算後, 將訊號輸出至驅動放大電路, 進行控制馬達正逆轉而達到自動閃避功能, 其中紅外線發射電路設計使用可變電阻來調整偵測的距離, 因輸入電源固定為了配合邏輯閘輸入控制, 本研究先使用可變電阻測試找出臨界電阻值後, 在紅外線接收器電路設計上改使用固定電阻, 以確保邏輯閘輸入電位正確, 實測機體不會碰撞的車子如圖 4-2 所示 R1 R3 VDD R7 右轉馬達換向繼電器發射器 R2 接收器 R4 右邊偵測器反相器 R5 R8 左轉馬達換向繼電器發射器接收器左邊偵測器反相器 VSS R6 圖 4-1 智慧控制電路圖 4-2 不會碰撞的車子 12

18 第五章結論與建議 5-1 結論本專題研究結論整理如下 : 一邏輯閘積體電路邏輯輸出控制是 0 或 1, 由積體電路輸入的電源 (VDD) 決定二邏輯輸入控制的臨界值約為積體電路輸入的電源 (VDD) 的一半三紅外線發射器供應的電壓增加時, 感測的距離也會增加四紅外線發射器串聯的阻抗越小, 則感測的距離也會越遠五紅外線發射器的阻抗不得為 0, 為 0 時會造成發射器通過電流過大而燒毀六改變紅外線接收器串聯的阻抗值時, 可以控制輸出訊號電壓的高低七紅外線接收器供應的電壓調整時, 對於輸出訊號電壓的變化不明顯八會偵測障礙物自動閃避而不會碰撞的車子開發是可行的 5-2 建議本專題研究是以模型車來測試控制車輛自動閃避障礙物的可行性, 雖然實驗證實是可行的, 但如應用到實際車輛上必須考量加入其他的變素 ( 如車速路況等 ), 在車速增加時可以自動將紅外線發射器上串聯的阻抗自動調降或是自動提升電流來增加偵測距離, 以及早反應進行障礙物閃避的動作 13

19 參考文獻 1. 高敏聰范盛祺, 電子概論與實習, 全華圖書, 臺北, 曾順曾斌凱, 電工概論與實習, 台科大圖書, 臺北, 張榮洲, 數位電路 DIY, 全華圖書, 臺北, 賴柏洲, 基本電學, 全華圖書, 臺北, 科學魔法車, 6. 邏輯閘積體電路, 14

實驗八數位邏輯實驗大綱 : 一邏輯訓練器的介紹簡介二 LED 的電路操作三了解基本邏輯閘的應用邏輯閘的應用 (AND,OR,NOT,NAND,NOR,) 四邏輯閘的組合應用 ( 數個連接起來做應用, 卡諾圖訓練 ) 實驗原理 : 一邏輯訓練器的介紹 OFF ON

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