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怨斛歧
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1 逢甲大學自動控制工程學系專題製作專題論文光感測自走車 Auto Walking Vehicle with Photo Sensor 指導教授 : 蘇文彬學生 : 王信和詹智勝中華民國九十七年四月

3 感謝首先必須感謝我們的指導老師蘇文彬老師, 對我們認真的教導, 在我們有相關問題時, 提供我們各種建議及思考方向在我們遇上製作上的問題時, 老師更是熱心從旁協助鼓勵, 提供詳細資料與方法, 使得我們的專題能順利完成, 在此再次的感謝蘇老師同時也感謝系上老師的教導, 以及同學的幫忙, 使我們得以順利完成這次的專題, 在此一併致上最深的感激 i

4 中文摘要我們的自走車就是利用 8051 單晶片的程式設計, 來控制直流馬達和光感測器, 做整體的規劃感測器和單晶片的知識, 是本專題最重要的基本元素而單晶片就是一種擁有完整的硬體架構和週邊設備, 配合指令的輸入, 可以達到我們要求動作的控制器而光感測器是利用光線感測的原理, 來做為單晶片指令的變換和符合動作要求的重要元件 ii

5 Abstract Our auto car is designed by 8051 microchip. And 8051 microchip is used to control motor and light sensor.the knowledge of the sensor and microchip is the basic elements of this project. And the microchip is the controller who has completed framework and structure.with entering injunctions, we can finish our order. However light sensor is basic organizer used for changing microchip injunctions and fitting the order moment by the theory which is the body accepting the light or not. iii

6 目錄感謝 i 中文摘要 ii 英文摘要 iii 目錄 iv 圖目錄 vi 表目錄 vii 第一章前言研究動機研究目的預期目標第二章 8051 簡介概述 MCS-51 系列單晶片的主要功能簡介單晶片之接腳及功能的記憶體結構輸入 / 輸出埠中斷結構內部計時器第三章直流電動機電動機的種類與原理無刷馬達的構造與原理直流馬達之特性曲線與選用方式直流馬達控制原理第四章光感測器 iv

7 4.1 光感測器介紹 CNY CNY70 內部結構 CNY70 動作原理光感測器電路光感測器程式第五章自走車電路及說明主電路板電路 & 自走車總電路圖電路電路說明紅外線光感測器電路紅外線光感測器電路感測器電路說明直流馬達 (DC MOTOR) 直流馬達電路圖直流馬達電路說明哨音啟動電路哨音啟動電路圖哨音啟動電路說明電源電路第六章結論參考資料附錄 v

8 圖目錄圖 1-1 自走車的組成架構圖圖的接腳圖圖 2-2 MCS-51 記憶體結構圖 2-3 資料記憶體結構圖 3-1 馬達之基本構造圖 3-2 電動機基本原理示意圖 3-3 無刷直流伺服馬達圖 3-4 直流馬達特性曲線圖圖 3-5 直流馬達的啟動 / 停止電路圖 3-6 直流馬達的 (a) 正 / 反轉電路 (b) 正轉示意圖 (c) 反轉示意圖圖 3-7 右左輪馬達控制電路圖 4-1 光感測器 CNY70 內部結構圖 4-2 光反射圖 4-3 光吸收圖 4-4 光感測器放置位置圖 (a) 距離太寬 (b) 太窄 (c) 剛好圖 5-1 自走車總電路圖電路圖圖 5-3 紅外線光感測器電路圖 5-4 DC Motor 電路圖圖5-5 哨音啟動電路圖圖 5-6 電源電路 vi

9 表目錄表 2.1 RS0.RS1 記憶體空間配置表表 2-2 中斷向量表表 2-3 中斷優先結構表表 3-1 各種馬達比較表 3-2 左右輪的控制埠分配表表 4-1 光感測器狀態程式 vii

10 第一章前言 1.1 研究動機小時候, 我就對怪手推土機等工程車有著莫名的興趣總覺得它們靠著人為的控制就能在各種的工程上大展拳腳, 真是太神奇了! 讓我對它們充滿了想像長大後, 我更發現其實它們並不是只以重機具拿來作建築上使用, 許多更以不同的型式在於民生工業通訊... 等等領域上發揮作用更有些用來在許多人們無法到達的地方, 作為探勘地形或是救援工作等狹小空間, 僅只能讓小型機械到達的地方此時, 因為藉由對 8051 微算機系統的學習, 讓我們想運用所學的知識來設計一台運用 8051 及光感測器等等來做控制的小型機械, 也就是我們所熟知的自走車 1.2 研究目的我們利用直流馬達的驅動電路, 及感測器的感測電路, 及藉由 8051 程式撰寫, 來模擬自走車整個系統的動作 1.3 預期目標自走車是一種利用聲光電磁引線等自動導引設備的無人駕駛搬運車, 其特性通常以導引方式區分, 但不論是採取何種導引方式, 其搬運車本身必有一套車輛控制系統及安全控制系統, 以防止意外事故發生而在我們這次的專題是所謂無人搬運車的雛形, 是由直流減速馬達當動力用感測器 CNY-70 當它的眼睛來感測黑膠帶路線, 程式是用 8051 的程式語言來撰寫, 在啟動部分我們加入聲控電路來啟動也可以用一般按鍵啟動本無人控制車體使用了 8051 來控制, 並用了 2803 達靈頓 IC 來控制馬達驅動, 它使用了反射型的光感測器來偵測路徑這無人控制車它具有下列功能 : 1

11 A. 使用 8051 來作控制 B. 使車身可轉彎 C. 使用 CNY70 光感測器偵測路線 D. 只須要以黑色膠帶在地面上就可走動圖 1-1 所示為實用自走車的組成架構圖 1-1 自走車的組成架構圖 2

12 第二章 8051 簡介概述 MCS-51 是 Intel 公司所設計的 8051 系列單晶片的總名稱在 MCS-51 這個大家族裡較具知名度的編號有 8051,8751 和 8031, 實際上這些不同編號的單晶片都使用相同的核心 CPU, 與指令集是在靠造 IC 時給予不同的周邊設計, 分別賦予這些 IC 一個特別編號, 例如編號為 8051AH 的 IC, 其IC 內部有 4Kbyte 的ROM( 放程式碼的地方 ),128byte 的 RAM,2 個 16 位元的 Timer,1 個全雙工 UART 和四個 8 位元的 I/O 阜編號為 8751AH 的 IC, 與 8051AH 的差別只是在放程式碼的記憶體是可以清洗的 EPROM, 其他的周邊則完全一樣而 8031AH 與 8051AH 差別是 8031AH 內部沒有放程式的記憶體, 原文稱為 Romless type( 沒有ROM 的型態 ) MCS-51 系列單晶片的主要功能 1. 專為控制應用所設計的 8 位元 CPU 2. 有完整的單位元邏輯運算指令 3. 有 32 條 (4 個 Port) 雙向且每條都可以被單獨定址的 I/O 4. 內部有 128byte 可供讀寫的 RAM 5. 內部有 2 個 16 位元的 Timer/Counter 6. 有一個通信用的全雙工 UART 7. 可接受 5 個中斷源, 且有兩層優先權的中斷結構 8. 內部有時脈震盪器 ( 最高頻率可達 12MHz) 9. 內部有 4K 的程式記憶體 10. 可在外部擴充到 64K 程式記憶體 (EPROM) 11. 可在外部擴充到 64K 資料記憶體 (RAM) 3

13 簡介我們都知道, 電腦的最基本組成單位是中央處理單元 (CPU) 記憶體以及 I/O, 各有其專司職責及用途例如,CPU 負責將程式解碼及執行記憶體負責儲存程式及資料, 而 I/O 則負責提供電腦系統與外界週邊設備的溝通管道在微電腦術語中, 通常我們所稱的微電腦指的是通用型 (General Purpose) 微處理機晶片, 例如 Z 晶片等, 也就是說這些晶片只具有 CPU 的功能, 若想要構成一部完整的電腦系統 ( 如 PC/AT 個人電腦等 ), 則必須要搭配其他的記憶體晶片 I/O 介面晶片以及相關的支援晶片, 這些 CPU 晶片才能動作單晶片微電腦 (Single Chip Microcomputer) 則是將 CPU 記憶體 I/O 這些單元組合在同一晶片之內, 這些晶片只需要少量的支援電路即可獨立工作, 如此就可以大量地減少電路板面積及降低成本, 因此頗為適闔家電汽車工業控制等產品及用途上, 所以單晶片微電腦又稱之為微控制器 (Microcontroller) 除記憶體及 I/O 之外, 單晶片微電腦晶片還含有一些特殊的功能及內建電路, 包括硬體中斷計時器 (Timer) 看門狗計時器(WatchdogTimer) 串列通信介面類比 / 數位轉換器 (A/D Converter) 數位 / 類比轉換器 (D/A Converter) PWM 信號輸出等等, 這些電路無非是要滿足一些特殊的設計需求因此, 選擇適當的單晶片微電腦晶片來滿足設計所需也是一門學問單晶片之接腳及功能接腳圖 2-1 為 8051/8751/8031 晶片的 40 支接腳 DIP 包裝的接腳圖一如 INTEL 公司其他的 CPU 晶片一樣,8051 晶片也有許多接腳是多用途的在此將說明每一支接腳的信號名稱及其功能用途信號名稱後面括號中的數字代表其接腳號碼 4

14 圖的接腳圖 5

15 1. 腳位 40 VCC (電源正端): 無論正常( Normal ) 閒置( Idle )及電力下降( Power Down )運作期間, 皆由此腳供應電壓( +5V ) 2. 腳位 20 VSS: 電源接地端 3. 腳位 P0.0-P0.7: 此 8 支腳為 MCS-51 第 0 個輸入 / 輸出埠, 簡稱 P0 除了單純做為 I /O 使用外, 如果再 8051 的外面擴充程式記憶體或資料記憶體時,P0 就當作位址匯流排( A0-A7 )和資料匯流排( D0-D7 )多工使用 4. 腳位 1-8 P1.0-P1.7: 此 8 支腳為 MCS-51 第一個輸入 / 輸出埠, 簡稱為 P1 ( 1 ) PORT1 之輸出緩衝能夠吸收或供應 4 個 LS TTL 負載 ( 2 )如果是 8052 時,P1.0 又可當作 Timer2 的外部脈波輸入腳,P1.1 又當作 T2EX, 可當作另一個外部中斷觸發輸入腳 5. 腳位 P2.0-P2.7 此 8 支腳為 MCS-51 第二個輸入 / 輸出埠, 簡稱為 P2 ( 1 )如果 8051 的外部擴充程式記憶體或資料記憶體時,P2 變成 8051 的位址匯流排的高位元組即 A8-A15 ( 2 )如作為輸人埠, 必須先將 1 寫到 P2, 才可以正常作為輸入埠作為輸出埠, 將 1 輸出, 則接腳為高電位, 輸出 0 到 P2, 則接腳為低電位每個接腳可以驅動 4 個 LS TTL 負載 6. 腳位 P3.0-P3.7 此 8 支腳為 MCS-51 第三個輸入 / 輸出埠, 簡稱為 P3 ( 1 ) P3 裡的每支接腳除了可以作為單純的輸出和輸入使用外, 也當作 8051 內 6

16 部與某些週邊與外界溝通的接腳 ( 2 )例如 : P3.0/RXD(10) 串列通訊的信號接收腳 P3.1/TXD(11) 串列通訊的信號傳送腳 P3.2/INTO(12) 第 0 個外部中斷信號輸入腳 P3.3/INT1(13) 第 1 個外部中斷信號輸入腳 P3.4/T0(14) 第 0 個計時 / 計數器, 外部計數信號輸入腳 P3.5/T1(15) 第 1 個計時 / 計數器, 外部計數信號輸入腳 P3.6/WR(16) 對外部資料記憶體的寫入控制信號 P3.7/RD(17) 對外部資料記憶體的讀取控制信號 7. 腳位的重置( Reset )輸入腳, 當這隻腳由外部輸入 High ( +5v )的信號時, 8051 就被重置, 而位址從 0000H 開始執行程式 8. 腳位兩支腳上跨接一個 12 MHz 的石英晶體, 內部的震盪器就會產生 12 MHz 的工作頻率, 供內部使用 9. 腳位 29 PSEN 是 Program Store Enable, 程式儲存致能信號它是 8051 用來讀取外部程式記憶體的指令時所用的讀取信號, 通常這支腳是接到 EPROM 的 OE 腳利用 PSEN 和 RD 這兩個腳位分別致能放在外部的 EPROM 與 RAM 10. 腳位 30 這支腳的名稱稱為位址鎖住致能( Address Latch Enable ), 因 MCS-51 的 P0 具有位址和資料匯流的雙工作用, 在讀取外部記憶體的資料或程式碼, 為分辨 P0 上為位址信號線或是資料信號線, 由 ALE 接腳輸出一負緣信號作為辨別 P0 上的位址信號, 此信號一般都接到一閂鎖電路致能腳 7

17 11. 腳位 31 這支腳的名稱為外部存取致能( Extrnal Acess Enable )當 EA=0 時 8051 一律執行外部程式記憶體的程式當 EA=+5 時 8051 則是自內部 ROM 或 EPROM 讀取程式執行的記憶體結構 8051 的記憶體可以分成 3 塊獨立的記憶體 : 1. 內部加上外部的程式記憶體 (ROM) 共 64K byte 2. 可在外部擴充 64K byte 的資料記憶體 (RAM) 3. 內部資料記憶體空間 256 byte a. 程式記憶體 MCS-51 的程式記憶體有內部及外部兩種使用時, 由 EA 接腳控制當 EA 接為高電位, 則自內部 0000H 開始讀取程式碼 ; 當超過 0FFFH(4K byte) 時, 就跳至外部程式記憶體, 讀取程式碼而當 EA 為 Low 電位, 就一定自外部記憶體 0000H, 開始讀取程式記憶體其程式記憶體的位址圖如圖所示圖 2-2 MCS-51 記憶體結構 8

18 在設計電路時, 如程式容量不超過 4Kbyte, 當然可以選用含有內部程式記憶體的 8051 或使用 8031 直接採用外部記憶體 ; 但如果程式大小超過 4K byte, 建議直接使用外部記憶體選用 8031 晶片對 MCS-51 而言, 其能容量程式的最大值為 64K 個位元組 b. 資料記憶體 MCS-51 內部資料記憶體結構如圖所示圖 2-3 資料記憶體結構自 0000H ~007FH 共 128 位元組, 此區域如當作一般資料記憶體, 可以用直接定址或間接定址方式讀寫資料但在此區域另有一些用途說明如下 : 自 0000H ~ 001FH 共 32 個位元組空間, 每個位元組各分為一暫存器庫, 當作一般暫存器使用, 分別以 R0 ~ R7 稱呼, 這四個暫存器庫, 可以用 PSW 暫存器中的 RS0 RS1 兩個位元選擇表 2.1 RS0.RS1 記憶體空間配置表 RS0 RS1 記憶空間 H~07H 暫存器庫 0(R0,R1 R7) H~0FH 暫存器庫 1(R0,R1 R7) H~17H 暫存器庫 2(R0,R1 R7) H~1FH 暫存器庫 3(R0,R1 R7) 9

19 20H ~2FH 稱為可位元定址區, 此區載的 128 個位元可以單獨以位元來使用, 並且有位元位址來定址 MSC-51 有提供位元指令來處理各別位元而內部資料記憶體自 080H ~ 0FFH, 只有 8051/8052 才有, 此區域只能用間接定址方式來作讀寫動作 2.4 輸入 / 輸出埠 8051 的 I/O 埠共有 32 位元, 分成 P0 P1 P2 P3 四個 8 位元的 I/O 埠, 每一個 I/O 不埠都含有栓鎖與輸出驅動器, 除了 P1 純粹做為輸入與輸出的功能外,P0 還具有擴充外接記憶體或其他週邊資料匯流排和低位元址的功能,P2 有擴充外接記憶體之高位元址的功能,P3 具有中斷要求輸入計數輸入串列埠輸入 / 輸出, 讀寫控制訊號等功能 2.5 中斷結構 8051 提供了 5 種中斷來源, 計時器 0(TF0) 計時器 1(TF1) 串列埠中斷(RI 或 TI) 屬內部中斷,INT0 和 INT1 屬外部中斷,8051 的中斷可藉由特殊功能暫存器中的計時 / 計數控制暫存器 (TCON) 中斷致能暫存器(IE) 中斷優先次年控制暫存器 (IP) 等暫存器來規劃其動作模式 10

20 表 2-2 中斷向量表表 2-3 中斷優先結構表 11

21 內部計時器 8051 內部有兩個 16 位元計時器 (Timer) 稱為 Timer0 和 Timer1, Timer0 和 Timer1 的使用方法幾乎一樣, 它們都有以下四種工作模式 : (1)Mode0 : 13 位元元計時器模式 (2)Mode1 :16 位元元計時器模式 (3)Mode2 : 附有自動重新載入功能的 8 位元計時器 (4)Mode3 : 在 Mode3 時 Timer0 與 Timer1 不同 Timer0 被拆成兩個獨立的 8 位元計時器 TL0 和 TH0 Timer1 在 Mode3 時就停止計時 8052 內部比 8051 多出一個計時器 Timr2,Timer2 除了能計時外還有三種工作模式 : (1) 自動重載模式 (Auto Reload Mode): 附有自動重新載入功能的 16 位元計時器 (2) 抓取模式 (Capture Mode): 可由外部觸發鎖住計時值的 16 位元計時器 (2) 鮑率產生器模式 (Baud Rate Generator): 當作 UART 的位元率 ( 或稱鮑率 ) 產生器, 以控制 UART 的傳送速率 12

22 第三章直流電動機 3.1 電動機的種類與原理電動機即為工業界俗稱的馬達, 種類依照使用電源可分成直流馬達 (DC Motor) 與交流馬達 (AC Motor) 兩大類, 若再以控制方式啟動方式與繞組方式分類則可分成步進馬達 (Stepping Motor) 伺服馬達(Servo Motor) 無刷馬達( 霍爾馬達 ) 單相交流馬達三相感應馬達串激式直流馬達分激式直流馬達與複激式直流馬達等其中無刷馬達又稱作直流伺服馬達 (DC Servo Motor), 直流伺服馬達之特性與直流馬達相似, 兩者的差異在於直流伺服馬達利用角度編碼器 (Encoder) 與轉速發電機 (TG) 將馬達的轉速扭矩等物理量檢出, 再利用控制器將回授訊號作運算, 達到控制直流伺服馬達的輸出特性, 同時利用霍爾元件取代電刷, 因此在結構上直流伺服馬達除了感測器部份以外, 其餘均與一般的電動機相仿以下分別討論直流馬達與無刷馬達的構造與原理, 以及各類馬達性能之比較圖 3-1 為馬達之基本構造示意圖, 一般的電動機在構造上可以分成五個部份圖 3-1 馬達之基本構造 13

23 1. 電樞 (Armature) 或轉子 (Rotor) 為馬達旋轉的部份, 材質為永久磁鐵線圈 ( 外接電源 ) 導線( 無外接電源 ) 或特殊形狀之導磁材料 2. 場繞組 (Field) 或定子 (Stator) 材質為永久磁鐵或是線圈 ( 外接電源 ) 3. 滑環 (Slip Ring) 或換向器 (Commutator, 如直流馬達之碳刷 ) 連接轉子繞線至外部換向器用於改變電樞繞線之電流方向, 使用永久磁鐵為轉子材質的馬達則無需滑環或換向器 4. 軸承 (Bearing) 可使用滾珠滾針滾柱含油自潤軸承, 主要提供轉子穩固的支撐 5. 馬達控制器 (Motor Controller) 包含控制馬達的輸出扭矩速度或轉角, 以及大型馬達起動停止之順序控制控制器種類也相當多, 如單相交流馬達使用的電容分相啟動器, 直流馬達使用的功率控制器變頻器或是伺服馬達控制器等, 都是屬於馬達控制器雖然電動機的種類相當多, 不過各種電動機的基本操作原理都相同, 都是利用電流流過定子產生磁場, 當轉子也通上電流時由於切割定子所產生的磁力線而生成旋轉扭矩造成電動機轉子的轉動如圖 2-3 所示, 假設轉子之繞組只有一組線圈時, 當轉子線圈通上電流時由於切割定子所產生的磁力線而生成旋轉扭矩, 致使轉子轉動, 以圖 2-3 而言, 定子的磁力線由左至右, 而轉子的電流方向為由右方流入左方流出, 因此生成的旋轉扭矩使得轉子順時針旋轉 14

24 圖 3-2 電動機基本原理示意直流馬達之基本構造均與圖 3-2 類似, 其他種類電動機的基本構造則只是在定子部份有所差異, 例如交流感應電動機由於交流電源有相角差之緣故, 因此定子的磁場由固定磁場變成旋轉磁場, 此外場繞組 ( 定子 ) 的接線方法也有所謂 Y 接法 Δ 接法或是 Y-Δ 接法 3.2 無刷馬達的構造與原理電動機構造中滑環由於是採用接觸式通電的方式, 所以也稱作電刷在直流電機中常以石墨作為電刷的材質, 電刷長期與電動機的轉子摩擦會造成相當程度的噪音, 同時也會因磨耗而需要考慮維修的問題在交流電動機中電刷則採用金屬材料製作, 在長期磨耗下會造成間隙 (Gap), 容易在運轉時發出火花, 諸如此類的問題都 15

25 對電動機的可靠度與安全性有相當程度的影響無刷馬達就是在這樣的需求下產生, 無刷馬達在構造上是利用永久磁鐵作為轉子, 並且利用霍爾效應感應電動機轉子的位置, 當轉子之相位為時令定子激磁, 如此可以達到最高的運轉效率, 利用這樣的原理也可以使用在四行程機車引擎點火正時上霍爾效應滿足以下關係式由上式可以瞭解霍爾電壓與磁通密度 ( 磁場強度 ) 及霍爾電流成正比, 因此當轉子之磁軸與霍爾元件不同軸時, 磁通較小, 為了維持固定的霍爾電壓必須增大霍爾電流, 如此便能精確的算出定子的激磁順序與時間霍爾元件與直流馬達所構成的無刷馬達如圖 3-3 所示圖 3-3 無刷直流伺服馬達如圖 2-4 所示, 當轉子磁軸與霍爾元件同軸時, 霍爾元件與 S 極距離最短, 因此 16

26 磁通密度最高, 此時造成霍爾元件 A 端子電壓較大, 使得電晶體 Q1 導通, 則線圈 L1 內有 i1 電流流通, 因此線圈 L1 呈激磁狀態, 依據右手定則得知線圈 L1 右側為 S 極, 故轉子反轉當轉子 S 極遠離霍爾元件時造成磁通密度下降, 因此 A B 端不再產生霍爾電壓電晶體 Q1 Q2 呈 OFF 狀態, 轉子因受慣性作用繼續反向旋轉當轉子 N 極轉至霍爾元件時, 造成霍爾元件 B 端子電壓較大, 使得電晶體 Q2 導通, 則線圈 L2 內有 i2 電流流通, 因此線圈 L2 呈激磁狀態, 轉子再度受磁力作用反轉, 依照如此程式轉子持續轉動圖 2-4 因為有兩組場繞組線圈因此稱作二相無刷直流伺服馬達, 當控制精度要求更高時, 可以增加場繞組線圈數目與霍爾元件數目, 因此工業上常使用的四相五相無刷馬達, 即是指此類運用霍爾元件製成的無刷直流伺服馬達無刷直流伺服馬達由於利用霍爾元件感應激磁順序與時間, 因此又稱作電子換相馬達, 利用霍爾元件感應激磁順序與時間可以減少不必要的電能浪費, 同時也可以適時的提供轉子轉動所需的電磁力, 因此大幅提升馬達輸出扭矩與效率 3.3 直流馬達之特性曲線與選用方式圖 3-5 所示為 12 伏特直流馬達特性曲線圖, 橫軸為輸出轉矩, 縱軸則分別為轉速電流以及效率與輸出功率 17

27 圖 3-4 直流馬達特性曲線圖直流馬達與其他馬達最大的差異在於其轉速 - 轉矩 " 與電流 - 轉矩 " 特性均為線性關係, 因此在一般需要做到轉速轉矩控制的場合中, 若控制精度不需很高的情況下, 同常以直流馬達作為致動器是較為經濟的選擇選用動力電動機時必須考量的因素包含輸出負荷大小馬達輸出扭力與轉速曲線特性, 同時也要考慮電源形式與運轉模式在選用直流馬達時, 必須注意它的工作電壓, 直流馬達電源常見規格為 DC12V 與 DC24V, 交流馬達則為 AC110V 與 AC220V; 另外還要知道輸出扭矩大小 (g-cm kg-cm), 以及轉速 (rpm), 當然最好能有馬達特性曲線, 如電流轉矩圖與電流轉速圖等, 以方便作為選用馬達時的參考計算扭力需求時, 先計算欲旋轉的物體轉動慣量, 再參考旋轉速度決定減速比, 然後決定馬達工作扭力值, 即可依照馬達特性選擇適用型式以下便以表格的方式列出電動機之分類與驅動控制方法, 可比較在不同的使用條件下各種電動機的優劣 18

表 3-1 各種馬達比較 3.4 直流馬達控制原理一般直流馬達有兩個線端, 一為正端, 一為負端, 只要在兩線端輸入額定的直流電壓, 便可使馬達轉動, 若輸入電壓極性反接, 則可使馬達逆轉 1. 啟動 / 停止控制電路要控制直流馬達的啟動以及停止, 可使用圖 13-1.

28 表 3-1 各種馬達比較 3.4 直流馬達控制原理一般直流馬達有兩個線端, 一為正端, 一為負端, 只要在兩線端輸入額定的直流電壓, 便可使馬達轉動, 若輸入電壓極性反接, 則可使馬達逆轉 1. 啟動 / 停止控制電路要控制直流馬達的啟動以及停止, 可使用圖所示的共射極達靈頓電路來完成, 當輸入端 ML_ONOFF=1 時, 電晶體 Q3 Q8 飽和導通,C 點約為飽和電壓 0.3V, 因此馬達 M2 啟動, 顯示燈 L1 亮 ; 反之, 當輸入端 ML_ONOFF=0 時, 電晶體 Q3 Q8 截止不通, C 點浮接, 因此馬達停止,L1 不亮 2. 飛輪二極體的加入 19

29 當輸入端 ML_ONOFF=1 馬達轉動時, 電源 V DD 向馬達線圈充電, 在線圈上儲存了能量, 根據楞次定理, 當 ML_ONOFF=0,C 點浮接時, 在線圈二端將出現一逆向電動勢 V R di VR=- N dt 其中 N 為馬達的線圈匝數此負電壓加上 VDD, 將在 C 點形成極高的電壓, 非常容易對電晶體 Q3 Q8 造成破壞打穿, 因此, 為了保護電晶體免受馬達線圈逆向電動勢的破壞, 可在 M2 兩端接二極體 D10, 當電晶體截止, 逆向電動勢出現時可予以吸收掉, 而達到保護作用此二極體 D10 稱為飛輪二極體 VCC=5V VDD=12V ML_ONOFF VCC R21 10K R15 Green Light R L1 Q C + A - M2 D10 1N4001 0:off 1:on 1K Q8 TIP41C 3. 正 / 反轉電路圖 3-5 直流馬達的啟動 / 停止電路圖 3-5 的電路祗能控制馬達的啟動與停止, 無法控制其正 / 反轉, 為了方便控制正 / 反轉起見, 我們可採用雙刀雙擲的繼電器 (Relay) 來完成, 如圖 3-6 所示, 其中 SW2 即為雙刀雙擲的繼電器,D7 是吸收繼電器線圈反相電動勢的飛輪二極體, 用以保護電晶體 Q4 20

30 VDD SW2 + M2 A VCC RELAY - R D7 ML_FB VCC R20 10K R16 1K 0:forward 1:reverse Red Light L2 D Q N4001 (a) 正 / 反轉電路 21

31 VDD SW2 + M2 A - (b) coil VDD SW2 + M2 A - coil (c) 圖 3-6 直流馬達的 (a) 正 / 反轉電路 (b) 正轉示意圖 (c) 反轉示意圖當圖 (a) 的輸入端 ML_FB=0 時, 電晶體 Q4 截止,D 點浮接, 繼電器的線圈未激磁, 接點維持在常閉開關 (NC;Normal Close) 位置上, 馬達正轉, 如圖 (b) 所示 ; 反之, 當輸入端 ML_FB=1 時, 電晶體 Q4 飽和導通,D 點約 0.3V, 繼電器線圈激磁, 顯示燈 L2 亮, 開關接點切至常開 (NO;Normal Open) 位置上, 馬達逆轉, 如圖 (c) 所示 4. 實用電路綜合以上圖 3-5 的啟動 / 停止以及圖 3-6 的正 / 反轉控制, 我們可畫出圖 3-7 的實用電路, 其中輸入端 ML_ONOFF 控制啟動 / 停止,ML_FB 控制正轉 / 反轉 22

VCC + SW2 MLonoff 0:off 1:on MLrev VCC R21 10K 左邊馬達 R15 1K 0:Forward 1:Reverse VCC R20 10K R16 1K R31

32 VDD VCC + SW1 MRonoff 0:off 1:on MRrev VCC R19 10K 右邊馬達 R11 1K 0:Forward 1:Reverse VCC R18 10K R14 1K R L3 Q TIP41C Green VCC Q7 Q R D6 1N4001 L4 Red M1 - A RIGHT MOTOR RELAY VDD VCC + SW2 MLonoff 0:off 1:on MLrev VCC R21 10K 左邊馬達 R15 1K 0:Forward 1:Reverse VCC R20 10K R16 1K R L1 Q TIP41C Green VCC Q8 Q R D7 1N4001 L2 Red RELAY M2 - A LEFT MOTOR 圖 3-7 右左輪馬達控制電路 23

33 茲將實驗板左右輪的控制埠情況條列如下 : 表 3-2 左右輪的控制埠分配表右馬達左馬達 P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 說明 MR_ONOFF MR_FB ML_ONOFF ML_FB 說明 0 0 停止 0 0 停止 0 1 停止 0 1 停止 1 0 前進 1 0 前進 1 1 後退 1 1 後退 24

34 第四章光感測器 4.1 光感測器介紹光感測器為利用光線以檢知受體的一種感測器使用上分為二類 : (1) 反射型 : 光源與感光元件並排放置, 光線是否自壁面反射來判斷壁面的方式 (2) 遮光型 : 光源與感光元件設置相向的位置, 當從光源射往感光元件的光線被遮斷時, 即判斷其間有壁面存在的方式光感測器使用的光大致上有分為可見光及紅外線兩種, 分別稱為可見光感測器及紅外線光感測器可見光的壞處是易受環境的影響, 例如可見光會被黑色吸收使用紅外線的好處是, 其不會受到室內照明的影響, 但由於紅外線無法看見, 很難確認其動作 4.2 CNY CNY70 內部結構 CNY70 的內部結構如圖 3.1 所示, 其中包含紅外線發光二極體, 光電晶體, 以及光濾波器, 其功能分別是 : 圖 4-1 光感測器 CNY70 內部結構 25

35 1. 紅外線發光二極體 : 類似發光二極體 (LED) 的功能, 當 PN 兩端加上順向偏壓時可發出波長為 800nm 的紅外線不可見光 2. 光電晶體 : 為一個對紅外線波長具敏感反應的光偵測元件, 當光電晶體受紅外線光照射時為低阻抗, 而未受光時呈現高阻抗 3. 光濾波器 : 唯一僅讓波長為紅外線附近光譜通過的濾光透境, 可用來加強光電晶體的雜抗訊能力 ( 紅外線以外不可見與可見光的幹擾 ) CNY70 動作原理 CNY70 光感測器, 其光源和感測元件是做在一起, 其動作是光遇到普通地面, 就會反射到感測元件, 如圖 4-2 光遇到黑色膠帶會被吸收, 如圖 4-3 圖 4-2 光反射 26

36 圖 4-3 光吸收我們這次自走車使用了三顆光感測器, 其目的在於偵測黑色膠帶的路徑, 提供狀況給 8051 微處理機做判斷其動作原理由 5V 經 220Ω 限流電阻連接 CNY70 的光源 LED 的 A 腳, K 接地當 CNY70 在普通地面上時, 光電晶體接收到反射光,E 腳輸出高電位 ; 在黑色膠帶上時, 沒有接收到光時, 則為低電位 4.3 光感測器電路由於 CNY70 的 E 接腳在有反射物時為高電位 5V, 而無反射物時則為低電位 0V, 我們便可利用這特性使 CNY70 去感測出信號輸出給 8051 作為輸入但是 CNY70 的 E 接腳的電位也會因為接受到反射光的多寡而有所變化, 無法一直準確的維持 0V 和 5V 的輸出, 所以我們便在後面加了個 74LS14 IC 來使訊號於予反向整型 74LS14 這個 IC 在此電路所扮演的功能是一個反向器, 當 CNY70 E 接腳輸出為 0V 時, 經由 74LS14 便會反向輸出 5V 的穩定電壓, 而若是 E 接腳輸出的電壓大於 0V 時, 74LS14 相對的會全部反向輸出 0V 的低電位, 如此 8051 便可以精確地判斷光感測器出來的結果, 進而驅動馬達去作調整而為了調整電路地靈敏度, 我們同時在 E 接腳接了個 SVR50KΩ 的可變電阻, 目的是在調整電路的靈敏度, 當 SVR50KΩ 調小時, 流過光電晶體的射極電流 IE 較大, 因 27

37 此光電晶體較容易飽和, 靈敏度變大 ; 相反地, 當 SVR50KΩ 調大時, 靈敏度變小, 在實際的應用中, 為求最佳的靈敏度控制, 應在不同的環境下隨時調整 SVR50KΩ 的大小 4.4 光感測器程式根據三個光感測器 L C R 在導引線上所偵測到的不同狀況, 以及相對應之左右輪馬達應有的反應, 我們可以將其寫出如表 4-1 所示的控制模式, 其在設計上只有七種狀態在程式的撰寫上有幾個重點 : 1. 判斷中間的光感測器的狀態 2. 判斷左右的光感測器的狀態 3. 三顆光感測器全在普通地板上 4. 三顆光感測器全在黑色膠帶上 5.PWM 馬達控制表 4-1 光感測器狀態程式表感測器狀況 (LCR) 自走車狀況對策處理情況左輪右輪祗有 C 感測到線, 代表車子剛好前進前進前進在適當位置上 C R 感測到線, 代表車身稍偏繼續前進導引線的左邊前進前進祗有 R 感測到線, 代表車身太偏向右修正導引線的左邊前進停止 L C 感測到線, 代表車身稍偏繼續前進前進前進導引線的右邊祗有 L 感測到線, 代表車身太偏向左修正導引線的右邊停止前進 L C R 皆無感測到線, 代表車後退修正反轉後反轉後子跑出導引線外 L C R 皆感測到線, 代表車子停止退停止退停止到達停止區 101 此情況不可能發生 X X X 28

38 光感測器的放置位置與導引線間的關係是非常重要的, 若三個光感測器 L C R 的位置排列如圖 14.11(a) 所示, 則因兩個兩個間相距太大, 使得自走車行進間偏離導引線很大時才修正, 造成車子蛇行 ; 若排列如圖 (b), 則因兩個兩個間相距太小, 使得自走車時時修正, 造成車子抖行, 這也是不理想的 ; 適當的排列是有助於自走車順利行進的 (a) (b) (c) 圖 4-4 光感測器放置位置圖 (a) 距離太寬 (b) 太窄 (c) 剛好 29

39 第五章自走車電路及說明自走車基本結構 : 由以上的設計構想, 自走車電路可分為以下四大部分 : 1. 電源電路 2. 單晶片 (8051) 電路 3. 感測器電路 4. DC Motor 電路主電路板電路圖 5-1 自走車總電路圖 30

5.1.1 8051 電路 5.1.2 8051 電路說明圖 5-2 8051 電路圖自走車的感測器有 3 個, 馬達 2 個因此需要 3 組訊號輸入我們選用 P0 輸入,P1 輸出

40 電路電路說明圖電路圖自走車的感測器有 3 個, 馬達 2 個因此需要 3 組訊號輸入我們選用 P0 輸入,P1 輸出另外在程式的撰寫部分, 沒有超過 8051 內部程式記憶體的容量, 因此在 31 跟接腳接 +5V, 表示選用 8051 的內部記憶體來存放程式 P2 為輸出控制左右馬達, 另外還有外加石英震盪器 Reset 電路 31

41 5.2 紅外線光感測器電路紅外線光感測器電路圖 5-3 紅外線光感測器電路 32

42 5.2.2 感測器電路說明當自走車放在白板上時, 圖 5-3 的紅外線感測電路, 因 CNY70 之發光二極體所發射的紅外線經白板反射至光電晶體, 光電晶體飽合, 射極電壓為高態, 因此經樞密特 IC 7404 取反相後, 輸出低態, 指示燈 (LED) 不亮 ; 而當 CNY70 在電工膠帶所貼的導引道路上時, 因電工膠帶為黑色會吸光, 因此 CNY70 發光二極體所發射的紅外線無法反射至光電晶體, 光電晶體幾近截止, 射極電壓為低態, 而電壓經 7404 取反相後, 輸出為高態,LED 亮我們使用 CNY70 光感測器, 他必須有 +5V 的輸入, 並且有 220Ω 限流電阻防止電流過大損壞紅外線發射器 CNY70 感應出來的訊號為類比式的, 不能直接輸入給 8051 單晶片, 因此需透過 74LS04 來進行類比 - 數位轉換 74LS04 為一反向器, 當輸入大於 1.5V 時, 他便會輸出 0V; 輸入小於 1.3V 時, 輸出為 5V 但由以上感測器的輸出結果, 無法給 74LS04 坐判斷, 因此在感測器與 74LS04 間, 加入一個 7404 放大器, 將感測器的訊號放大 10 倍後, 電壓值便會大於 74LS04 輸入需求, 而產生反向的動作 33

43 5.3 直流馬達 (DC MOTOR) 直流馬達電路圖圖 5-6 直流馬達電路圖直流馬達電路說明請注意電路中使用的繼電器 (relay), 此為繼電器本身的內部動作, 動作原理 : 當 89C51 送出低電位時, 經 7404 做反相動作 ( 即低電位轉成高電位 ), 會使得電晶體導通, 以推動馬達運轉輸出信號經 IC 7404 取反向後, 輸出高態 2. 當 Q1 動作時, 繼電器 2, 3 點線圈動作, 繼電器 1, 4 接點導通, 馬達轉動 34

44 5.4 哨音啟動電路哨音啟動電路圖 VCC X1 R22 10K C4 0.1uF R38 3.3M R23 10K Q MIC MIC R37 5.6K 哨音啟動電路說明圖 5-7 哨音啟動電路圖圖 5-7 為自走車能聽哨音動作的的啟動電路, 其中 X1 為電容式麥克風,VB 為一 R22 R37 的分壓的單純直流, 因此 VB=VCC R37 5.6K = 5 =1.8V R + R 10K + 5.6K 當沒有聲音發出時, 直流電壓 VB=1.8V 經耦合電容 C4 Q5 的 VBE 充電, 很快耦合電容 C4 充飽形同斷路, 此時基極電阻 R38 很大, 無足夠的 IB 電流使電晶體 Q5 導通, 因此 Q5 截止,Vo 5V 而當哨音吹響, 或有較大聲響發出時,X1 內部的薄膜因跟著聲波振動, 使得 X1 兩端出現聲波, 如圖 5-7 所示, 此交流訊號的直流準位經 R22 R37 提升至 VB, 經電容耦合後, 聲波之大小足以推動電晶體 Q5, 使 Q5 導通, 因此輸出電壓 Vo 0V 35

45 5.5 電源電路圖 5-8 電源電路提供 CPU 主板得電源電路, 它的主要目的是提供一個穩定的 5V 電壓,LM7805 為穩壓 IC, 各有三隻腳, 分別是輸入端共同 ( 接地 ) 端及輸出端, 它的功用是穩定電壓, 另外要注意的是, 由於通過它的電流相當大, 所以一定要加裝散熱片 36

46 第六章結論此次專題中, 要整合 8051 主電路電源電路左右直流馬達電路感測器 CNY70 電路哨音啟動電路, 這些電路及原理, 大部分都曾經出現於系上的課程內容之中, 個別來說對我們並無問題, 但在如何將其整合於一體, 才是我們所遇到較大的問題所幸在老師的指導下我們能有正確的認知, 加上坊間自走車可參考之資料亦是豐富, 當電路問題解決後, 製作過程上的車體結構, 也令我們頭痛, 最後參考了他人的車體構造, 才使我們的車體能順利的轉彎也讓我們知道一個專題的製作, 不能只是單靠理論的知識, 多去觀摩參考別人成功的例子, 配合良好的物理構造, 才能在實際的製作與運用上得到最好的成效 37

47 參考資料 [1] 陳文耀編著, 電動機控制, 復文書局,2005 [2] 吳鸿璋編著, 微處理應用 (8051/8052 基本原理與應用 ), 滄海書局,2007 [3] 楊旺枝編著, 機器人 DIY, 全華科技圖書股份有限公司,2005 [4] 鍾自立張正賢著,8051 實作與燒錄器製作, 宏友書局,2000 [5] 鄧錦城編著,8051 單晶片實作寶典, 益眾資訊有限公司,1999 [6] 王作福,MCS-51 單晶片微電腦原理, 儒林圖書公司,1993 [7] 鍾富昭編著,8051/8052 與週邊 IC 元件控制原理分析及產品實務設計, 富茂資訊研習中心 1990 [8] 劉銘忠林琮烈編著, 單晶片原理與 I/O 應用, 儒林圖書公司,1997 [9] 羅煥茂編著, 感測器, 電子技術出版社,1995 [10] 遊金湖編著, 感測器應用電路 101, 建興出版社,1992 [11] 徐照夫編著, 感測器應用電路, 文笙書局,

48 自走車控制程式 : 附錄 Right_Motor:.REG P2.0 ; 右馬達 on/off 的位元宣告 Left_Motor:.REG P2.2 ; 左馬達 on/off 的位元宣告 MIC:.REG P3.5 ; 哨音電路檢測器的位元宣告 ORG 0H ; 宣告以下程式由位址 0000H 儲存 JMP MAIN ORG 50H ; 宣告程式由位址 0050H 儲存 MAIN: MOV P2,# B ; 初始化, 令左右馬達正轉, 停止 MOV P3,#0FFH MOV R5,#50 ; 呼叫延遲副程式, 延遲 1 秒 ACALL DELAY JB MIC,$ ; 等待哨音啟動 ; START: MOV A,P0 ; 取出光感測器信號 MOV P1,A ; 顯示在 LED 上 ANL A,#7 ; 取出 P0 的最低三位元 L C R CJNE A,#2,MOTOR1 ; 與 010 比較, 若不相同則往下一控制模式比較 SETB Right_Motor SETB Left_Motor ; 執行 < 前進 > 對策, 即左前進, 右前進 JMP START MOTOR1: CJNE A,#3,MOTOR2 ; 與 011 比較, 檢查機身是否稍偏左 SETB Right_Motor SETB Left_Motor ; 執行 < 繼續前進 > 對策, 即左前進, 右前進 JMP START MOTOR2: CJNE A,#1,MOTOR3 ; 與 001 比較, 檢查機身是否偏左 CLR Right_Motor SETB Left_Motor ; 執行 < 向右修正 > 對策, 即左前進, 右停止 JMP START MOTOR3: CJNE A,#6,MOTOR4 ; 與 110 比較, 檢查機身是否稍偏右 SETB Right_Motor SETB Left_Motor ; 執行 < 繼續前進 > 對策, 即左前進, 右前進 JMP START MOTOR4: CJNE A,#4,MOTOR5 ; 與 100 比較, 檢查機身是否偏右 SETB Right_Motor CLR Left_Motor ; 執行 < 向左修正 > 對策, 即左停止, 右前進 JMP START MOTOR5: CJNE A,#7,START ; 與 111 比較, 若不相同則代表所有控制模式已比較完成, 跳回至 START CLR Right_Motor CLR Left_Motor ; 執行 < 停止 > 對策, 即左停止, 右停止 JMP START 39

49 ;====================================== ; 延遲副程式 : R5*20ms ;====================================== DELAY: MOV R6,#40 $1: MOV R7,#249 DJNZ R7,$ ;R7 減 1 不為 0 跳至本列 DJNZ R6,$1 ;R6 減 1 不為 0 跳至 $1 列 DJNZ R5,DELAY RET END 40

1.1 ML_ONOFF = 1 Q 3 Q 8 C 0.3V M 2 L 1 ML_ONOFF = 0 Q 3 Q 8 C 1. + R31 VCC R21 10K ML_ONOFF R15 0:off 1:on 1K Green Light VCC=5V L1 Q VDD=12V C

1.1 ML_ONOFF = 1 Q 3 Q 8 C 0.3V M 2 L 1 ML_ONOFF = 0 Q 3 Q 8 C 1. + R31 VCC R21 10K ML_ONOFF R15 0:off 1:on 1K Green Light VCC=5V L1 Q VDD=12V C AUTOMATIC TROLLEY H K Hwang K K Chen J-S Lin S-C Wang M-L Li C-C Lin W-B Lin Dept. Of Electrical Engineering Far East College ABSTRACT This paper proposes an automatic trolley which can move automatically