壹前言自從 Arduino 於 2005 年冬天問世以來, 它顛覆了世人對於微電腦的概念幾乎任何人, 即使不懂電腦編程, 也能以 Arduino 做出很酷的東西, 比如對感測器作出回應, 閃爍燈光, 還能控制馬達等等而我們經由學校老師的引導後接觸了 Arduino, 也深深地為它那簡單而又強

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歙钮
6 years ago
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1 投稿類別 : 工程技術類篇名 : 倒車雷達警示器作者 : 莊育叡國立台中高工三資訊乙班李帛修國立台中高工三資訊乙班指導老師 : 林欣玥老師

2 壹前言自從 Arduino 於 2005 年冬天問世以來, 它顛覆了世人對於微電腦的概念幾乎任何人, 即使不懂電腦編程, 也能以 Arduino 做出很酷的東西, 比如對感測器作出回應, 閃爍燈光, 還能控制馬達等等而我們經由學校老師的引導後接觸了 Arduino, 也深深地為它那簡單而又強大的性能所吸引於是, 我們基於 Arduino MEGA 2560, 進行了本次的研究本次的研究目的不僅是為了深入了解 Arduino, 更是為了將 Arduino 應用到生活上, 於是實驗的主題便以日常中隨處可見的倒車安全裝置為核心, 打造一個低成本的自製倒車雷達警示器 ( 以下簡稱為本裝置 ) 貳正文一裝置系統如下圖 ( 一 ) 所示, 本裝置採用了超音波感測器以測量倒車的距離, 而距離的數據則會使 Arduino 送出不同程度的警訊給 LCD RGB 三色 LED 及蜂鳴器根據距離的不同, 警報裝置會產生不同程度的回應圖 ( 一 ) 本裝置之運作過程二使用器材表 ( 一 ) 使用器材設備及器材數量單位規格 / 型號備註 Arduino 1 只 MEGA 2560 超音波感測器 1 只 HC-SR04 液晶顯示器 1 台 LCD 1602A 蜂鳴器 1 顆 KPE-240 RGB LED 1 顆共陽極 20mA 麵包板 1 塊 EIC-104 1

三前導知識 ( 一 ) 微處理器本裝置之微處理器使用 Arduino MEGA 2560, 其控制器採用 ATmega2560, 所以相較於早期 Arduino 的產品, 它的資源多出了不少, 並且擴充出了更多的接腳, 足以應付更為複雜較多接腳的應用下表 ( 二 ) 為 MEGA 2560 與其他 Arduino 其他產品之比較下圖 ( 二 ) 則為 Arduino MEGA 2560

3 三前導知識 ( 一 ) 微處理器本裝置之微處理器使用 Arduino MEGA 2560, 其控制器採用 ATmega2560, 所以相較於早期 Arduino 的產品, 它的資源多出了不少, 並且擴充出了更多的接腳, 足以應付更為複雜較多接腳的應用下表 ( 二 ) 為 MEGA 2560 與其他 Arduino 其他產品之比較下圖 ( 二 ) 則為 Arduino MEGA 2560 的圖片表 ( 二 )Arduino 系列產品比較 UNO NANO mini 2560 Leonardo MCU ATmega328 ATmega328 ATmega328 ATmega2560 ATmega32u4 工作電壓 5V 5V 5V 5V 5V 輸入電壓 7~12V 7~12V 7~9V 7~12V 7~12V 數位 IO 類比 IO D(6)/S(8) PWM 時脈 16M 16M 16M 16M 16M Flash 32K( 使用 2KBootloader) 32K( 使用 2KBootloader) 32K( 使用 2KBootloader) 256K( 使用 8KBootloader) 32K( 使用 4KBootloader) SRAM 2K 2K 2K 8K 2.5K EEPROM 1K 1K 1K 4K 1K USB 晶片 ATmega16u2 FT232 無 ATmega16u2 ATmega32u4 特色目前使用最多, 穩定性最佳功能與 UNO 相同, 而體積更小最小的控制板, 燒錄程式需外接 USB 轉 TTL 目前最好, 最快的 8 位元 MCU 使用 USB 的控制器圖 ( 二 )Arduino MEGA 2560 ( 二 ) 超音波感測器 1 超音波感測器腳位使用 2

本裝置採用的測距之感測器如圖 ( 三 ) 所示為 HC-SR04 操作時須將 Vcc 接 +5V,GND 接地,trig 接 MEGA Pin14,echo 接 Pin15, 並且無須加裝限流電阻 2 感測器工作原理 HC-SR04 超音波感測器模組, 係藉由超音波之發射以及接收, 透過模組內電路計時發射以及接收超音波的時間差, 並回傳時間值之感測器模組與 Arduino 進行連接後,

4 本裝置採用的測距之感測器如圖 ( 三 ) 所示為 HC-SR04 操作時須將 Vcc 接 +5V,GND 接地,trig 接 MEGA Pin14,echo 接 Pin15, 並且無須加裝限流電阻 2 感測器工作原理 HC-SR04 超音波感測器模組, 係藉由超音波之發射以及接收, 透過模組內電路計時發射以及接收超音波的時間差, 並回傳時間值之感測器模組與 Arduino 進行連接後, 可透過數位輸出腳輸出一個脈波寬度不小於 10uS(10-5 秒 ) 之高準位觸發訊號給 HC-SR04 的 trig pin 一但 trig pin 接收到訊號, 便立即發射 8 個 40KHz 的聲波出去, 同時啟動計時器, 並且偵測訊號是否回來若是接收到回傳之超音波信號, echo pin 便會送出自超音波發射至接收為止所歷經的時間為了將時間換算成距離, 於是便在此套用一個簡單的換算式 : 距離 (cm) = 時間 (us) / 2( 來回 ) /29.1 (m/s 轉換 cm/us) 其中值得注意的是, 量測物體最好大於 0.5 平方公尺與量測物體最好間隔 2cm, 以免 trig 與 echo 相互干擾圖 ( 三 ) HC-SR04 超音波感測器模組 ( 三 ) 電磁式蜂鳴器 1 電磁式蜂鳴器腳位使用本裝置採用的警報器之一如圖 ( 四 ) 為蜂鳴器 KPE-240 安裝時, 需準備一顆 1K 歐姆限流電阻於長腳然後接 +5V, 短腳直接接地 2 發聲原理電磁式蜂鳴器由振盪器電磁線圈磁鐵振動膜片及外殼等組成, 接通電源後, 振盪器產生的音訊信號電流通過電磁線圈, 使電磁線圈產生磁場, 振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下, 週期性地振動發聲其發聲原理類似於繼電器的開關投擲現象 3

圖 ( 四 ) 電磁式蜂鳴器 ( 四 ) 液晶顯示器本次實驗所採用的顯示器如圖 ( 五 ) 為 NexusCyber

5 圖 ( 四 ) 電磁式蜂鳴器 ( 四 ) 液晶顯示器本次實驗所採用的顯示器如圖 ( 五 ) 為 NexusCyber LCD 1602A 液晶顯示器模組, 並且搭配 <LiquidCrystal.h> 函式庫使用特別注意的是 LCD 的 Pin 3 要接一個可變電阻, 來調背光強度, 不然程式 Loading 進去之後, 有可能看不到顯示的字另外將 LCD 的 RS, Enable, D4, D5, D6, D7 依序接到 12, 11, 5, 4, 3, 2 等腳位上, 這是 <LiquidCrystal.h> 函式庫寫好的腳位, 要改就要連 <LiquidCrystal.h> 一起改, 所以不能動下圖 ( 六 ) 為詳細接線圖圖 ( 五 )NexusCyber LCD 1602A 液晶顯示器模組圖 ( 六 )LCD 接腳圖 4

6 ( 五 )RGB 三色 LED 本次實驗的另一警示裝置即為 RGB 三色 LED 其外觀如下圖 ( 七 ) 共有 4 之接腳, 自左而右為 B( 藍 ) G( 綠 ) Vcc( 共陽端 ) R( 紅 ) 使用時務必接上限流電阻, 否則 LED 極易燒毀圖 ( 七 )RGB LED 四硬體接線線路圖如下圖 ( 八 ) 所示, 成品如下圖 ( 九 ) 所示圖 ( 八 ) 線路圖 5

7 圖 ( 九 ) 成品照五軟體控制以及運作流程本系統的運作流程大抵可分為啟動測距判斷警示等四大階段其詳細的運作流程如下圖 ( 十 ) ( 一 ) 啟動階段圖 ( 十 ) 流程圖接上電源後,Arduino 便自動從記憶體中讀取燒錄的程式碼如圖 ( 十一 ) 所示 6

回傳高準位, 以 pulsein( 可量測輸入脈波 pulse 的長度, 不管是 HIGH 或 LOW 的 pulse 都可以 ) 函數測量 echo pin 訊號的長度, 並存入 duration 變數中 ( 此處所存取的為時間, 單位

8 從這裡也不難看出我們之所以選擇以 MEGA 2560 的原因接腳數目若是使用傳統的 UNO, 便會產生接腳的衝突, 尤其是對於 LCD 函式庫 <LiquidCrystal.h> 而言, 他的接腳的不可更動性增添了不少我們接線的困擾圖 ( 十一 ) 啟動階段主要程式碼 ( 二 ) 測距階段如下圖 ( 十二 ) 所示, 令 trig pin 送出一 1000uS 的高準位訊號接著等待 echo pin 回傳高準位, 以 pulsein( 可量測輸入脈波 pulse 的長度, 不管是 HIGH 或 LOW 的 pulse 都可以 ) 函數測量 echo pin 訊號的長度, 並存入 duration 變數中 ( 此處所存取的為時間, 單位 : us) 最後使 LCD 寫出距離, 單位 cm 圖 ( 十二 ) 測距階段主要程式碼 ( 三 ) 區間判斷如下圖 ( 十三 ) 所示, 假如 distance( 距離 ) 小於 dis_max( 啟動警示器的臨界距離 ), 啟動警示器, 接著套入我們所推導出的區間判斷式, 即可獲得該距離所在的區間 7

9 區間 4: 與障礙物之距離介於 100~80cm, 此時 LED 顯示綠色, 蜂鳴器頻率為 4HZ( 每秒 4 次 ) 區間 3: 與障礙物之距離介於 79~60cm, 此時 LED 顯示檸檬綠色, 蜂鳴器頻率為 5HZ( 每秒 5 次 ) 區間 2: 與障礙物之距離介於 59~40cm, 此時 LED 顯示黃色, 蜂鳴器頻率為 6.67HZ( 每秒 6.67 次 ) 區間 1: 與障礙物之距離介於 39~20cm, 此時 LED 顯示橙色, 蜂鳴器頻率為 10HZ( 每秒 10 次 ) 區間 0: 與障礙物之距離在 19cm 以下, 此時 LED 顯示紅色, 蜂鳴器頻率為 20HZ( 每秒 20 次 ) 圖 ( 十三 ) 區間判斷式 ( 四 ) 警示階段如下圖 ( 十四 ~ 十八 ) 所示, 為不同程度的警示設置假如區間值 inter 為 4, 則載入 4 級警報 ; 假如區間值 inter 為 3, 則載入 3 級警報, 以此類推其中 analogwrite 為 RGB LED 之類比輸出源 ;setcursor 為設置 LCD 的游標 ;print 使 LCD 顯示警告標語 ;digitalwriteru; 將高電位寫入蜂鳴器使之鳴叫, 低電位使之停止 ;delay 為延遲, 亦即為蜂鳴器發聲時長圖 ( 十九 ~ 二十三 ) 為實際測試圖圖 ( 十四 ) 區間 4 警示設定圖 ( 十五 ) 區間 3 警示設定 8

10 圖 ( 十六 ) 區間 2 警示設定圖 ( 十七 ) 區間 1 警示設定圖 ( 十八 ) 區間 0 警示設定圖 ( 十九 )100~80cm 時圖 ( 二十 ) 79~60cm 時圖 ( 二十一 ) 59~40cm 時圖 ( 二十二 ) 39~20cm 時 9

圖 ( 二十三 ) 19cm 以下時参結論一心得設計完本系統之後, 使我們對於整合這一概念有了更進一步的想法我們其實不必真正深入地去瞭解那些模組化電路究竟是如何運作的, 我們也能輕鬆的上手, 就好比我們滑手機一樣, 我們不一定懂得內部線路的構造及原理, 然而我們卻使用的如此上手而 Arduino 以及其周邊相關模組, 正如同是那手機一般, 只需要使用間單的程式技巧,

11 圖 ( 二十三 ) 19cm 以下時参結論一心得設計完本系統之後, 使我們對於整合這一概念有了更進一步的想法我們其實不必真正深入地去瞭解那些模組化電路究竟是如何運作的, 我們也能輕鬆的上手, 就好比我們滑手機一樣, 我們不一定懂得內部線路的構造及原理, 然而我們卻使用的如此上手而 Arduino 以及其周邊相關模組, 正如同是那手機一般, 只需要使用間單的程式技巧, 就可以輕輕鬆鬆地完成你所想要的東西! 二未來展望在未來, 我們已經逐漸構思出更強大, 更安全的警示器為了因應各種不同的人的需求, 我們可加入藍芽模組, 讓使用者以手機輸入啟動警示器的最小距離蜂鳴器的鳴叫頻率區間的數量等等 ; 我們也可以為了提共更高的安全指數, 安裝紅外線體溫感測裝置, 只要有人經過, 立即發出警報諸如此類的想法, 在我們完成了這個實驗之後, 逐漸地浮上了腦袋, 日後, 我們也將會將這些新的概念整合, 創造出一個前所未有的新裝置, 成為名副其實的 Maker! 肆引註資料註一柯博文 ( 民 103) Arduino 互動設計專題與實戰台北市 : 碁峯出版社註二陳錦輝 ( 民 100) C 語言初學指引 ( 第四版 ) 新北市: 博碩出版社註三電磁式蜂鳴器 %B8%A3%E5%99%A8 註四超音波註五 HC-SR04 註六 LCD 1602A 10

中華民國第49屆中小學科學展覽會

中華民國第49屆中小學科學展覽會中華民國第 49 屆中小學科學展覽會作品說明書高職組機械科佳作 090905 無死角顯示器學校名稱 : 高雄市立中正高級工業職業學校作者 : 指導老師 : 職二潘彥廷職二葉詠碩陳志鵬黃進添職二陳中河職二陳貞嚮關鍵詞 : 後照鏡無死角預警器 - 1 - ( ) 1-1 98 1-7 (A1) 414 32.14 394 30.59 159 12.34 154 11.96 :