投稿類別 : 工程技術類 篇名 : 作者 : 葉朕維 臺北市立松山高級工農職業學校 資三智蘇奕 臺北市立松山高級工農職業學校 資三智 指導老師 : 余耀銘老師蔡文亮老師
壹 前言 一 研究動機 日前日本 311 地震造成核洩漏事故, 因輻射對人身的影響非常大, 若能以無線遙控的機器人來完成搶求或維修, 將可以避免許多的危險及人員的損失 因此興起以所學的專業知識製作簡易型遙控載具 希望未來能使用在生活當中較危險 複雜的工作環境中, 像是地震後的救災 地底下遺蹟的探究等議題上 二 研究目的 為了能以自己所學的專業知識為基礎, 經過與老師的討論後決定以單晶片製作自走車, 再配合無線模組達到遙控的目的 為了節省研究開發的時間並降低複雜度, RF 無線模組 步進馬達等機構部分盡量以現有的器材組裝, 製作部分主要在於單晶片控制車行的部分, 另外也將著力於電源低壓檢測, 以確保自走車能順利的正常工作 貳 正文 一 系統架構 此次之研究主要以單晶片控制週邊元件器材達到無線遙控行走的目的, 主要系統包含主控制電路 直流電源偵測 步進馬達控制及 RF 無線模組, 其主控端的系統架構如 圖一, 遙控端的系統架構如 圖二 圖一 主控端系統架構圖 圖二 遙控端系統架構圖 二 硬體部分 ( 一 ) 電路圖 1
1 主控電路主控電路如 圖三, 使用 8051 為控制元件 另外配置週邊的顯示及聲響電路, 如 圖四 圖五, 以輔助自走車運作的情形回應 圖三 AT89S51 主控板 圖四 七節顯示與聲音產生電路 圖五 頻率設定電路 2 低電壓檢測電路低電壓檢測電路如 圖六, 使用 HT7039 電壓檢測 IC, 能於電壓過低時發出警告, 避免不知自走車耗電狀況, 使自走車無法遙控的情形 圖六 低電壓檢測電路 2
3 馬達控制電路馬達控制的前端利用光電轉換的光耦合電路, 使得輸入和馬達驅動輸出能夠隔絕, 以分隔兩者不同電流需求的電路 光耦合電路如 圖七 馬達控制電路如 圖八 圖七 光耦合 PC817 電路 圖八 步進馬達驅動電路 4 遙控電路 RF 遙控電路採現有的模組元件, 如 圖九 ( 二 ) 主要元件 圖九 RF 無線遙控電路板電路 1 AT89S51 AT89S51 由 Atmel 公司研發生產, 而 AT89S51 的程式記憶體則採取 Flash ROM 的形態設計, 使用者可以藉由串列傳輸的方式直接在電路板上針對晶片進行燒錄 清除等作業 (ISP:In System Programmable), 不需要把晶片從電路板上拔起放在燒錄器上就可以進行燒錄 對於製作出能夠靈活操控之電路, 可以說是相當的方便, 我們可以利用反覆燒錄的功能, 直接燒到晶片當中, 測試操控電路 3
工作之準確度和靈敏度, 進而達成電路的細部調整 2 RF 無線通訊模組 RF 無線通訊模組是利用接收端以及發送端的頻率相同達到訊息傳送的目的, 使同一個發送端可以搭配許多不同頻率的接收端, 因此可以當作多功能的遙控器去操控各個相對應的電路使之動作 它可以說是整個遙控自走車的核心, 原因來自於當我們使用遙控電路控制時, 和馬達控制電路之間傳遞信號的正是 RF 無線通訊模組, 所以說這個模組是相當重要的一環 3 光耦合電路 PC817 光電耦合器 PC817 是由於利用光電的轉換, 使得輸入和輸出能夠隔絕, 又因為光耦合電路的輸入屬於電流型工作的低阻元件 ( 維基百科 - 光電耦合元件,2012), 在長線傳輸時, 可以大幅度提高信噪比, 所以有電絕緣能力以及良好的抗干擾能力, 在數位通訊和本研究使用無線遙控時所需的抗雜訊能力, 可說是一大利器 4 低電壓檢測 HT7039 HT7039 電壓檢測器能檢測特定 3.9V 的固定電壓, 當電壓低於 3.9V 就會驅動蜂鳴器達到一發聲頻率, 達到低電壓警告的功能, 代表處於低電壓狀況必須更換電池 我們將這個 IC 放進電路裡, 以達成低電壓檢測的功能 5 馬達驅動電路 SLA4061 SLA4061 是把電流放大, 使步進馬達能夠驅動, 它是一顆 NPN 結構的驅動 IC, 另外, 因為通過 SLA4061 的電流不小, 所以在使用上最好外加裝散熱片 步進馬達是一種常用的電能轉換動能裝置, 而這種馬達的驅動方式有異於一般馬達, 步進馬達採脈波式驅動, 非常適合數位式控制, 可說是一種 數位式馬達 三 軟體部分 ( 一 ) 流程圖程式流程主要是接收無線模組的信號用以判斷前後左右方向, 另外也負責隨時偵測低電檢測的信號, 若電壓過低時以聲響提醒, 如 圖十 4
圖十 程式流程圖 ( 二 ) 燒錄程式將撰寫完成的程式透過軟體組繹轉成燒錄檔 (HEX), 利用燒錄軟體 燒錄器燒錄到 89S51 晶片中, 可重覆使用, 達到所需的功用 四 成果展示經功能測試已達到預期目標, 可利用遙控板遙控自走車前進 後退 左轉及右轉, 各電路及機構組裝圖如 圖十一 遙控電路板 圖十二 主控電路板 圖十三 組裝完成之成品 圖十一 遙控電路板正反面 5
圖十二 主控電路板正反面 圖十三 組裝完成成品正反面 參 結論 一 研究發現與心得感想 本組所製作的無線遙控自走車, 當中的無線遙控模組, 是利用現成的成品, 而我們是利用 89S51 作為主控電路, 利用光耦合電路來驅動步進馬達電路, 在製作過程當中, 我們必須先去理解它的工作原理, 才有辦法去使用它, 在這個過程當中, 我們觀察各個元件的反應狀況, 來判斷是否有接收到訊息 首先必須了解整個題目的架構, 將電子電路和機構組裝起來理解每個電路的原理以及機電整合的架構, 也正因為如此, 我們才能夠了解各種電路的應用, 不單單只是學習理論, 而是在實習當中驗證 ; 我們也學習到如何使用程式來操作 AT89S51, 以達成控制主控電路, 理解 RF 無線通訊模組之間所需要的頻率, 該如何利用 PC817 電路來做兩種電路的信號耦合工作, 還有使用低電壓檢測 HT7039IC 來作低電壓檢測的功能, 以及步進馬達 SLA4061 的操控 製作過程中, 訓練學習能力還有面對問題時的處理能力, 在過程中, 一定不可能相當順利, 這時候處理問題的能力就相當重要了, 這是牽扯到整個專題製作時的進度, 所以遇到問題時要立即面對迅速處理, 例如比較簡單的問題, 就自己參閱資料找出解決的方法, 遇到比較困難的時候, 在去請教指導老師, 千萬不能夠耽誤到 6
專題製作的速度 ; 此外組員的分工合作, 關係著整個進度的製作, 每個人環環相扣, 也讓我們從中學習到團隊合作精神, 以達到研究專題之成效 二 未來研究方向 未來我們希望可以在自走車上加裝其它的輔助裝置, 例如 G-sensor GPS GSM; 例如利用 G-sensor 計算出自走車傾斜的角度, 讓它能夠做出更精確的移動位置,GPS 全球定位系統能夠精準的定位出自走車本體的位置, 以達成更準確的遙控,GSM 全球行動通訊系統能夠使自走車的遙控範圍變的更大, 如果能夠再加上這些功能, 就可以利用此裝置探索環境更加險惡的地區, 可以讓我們避免工作於危險的環境當中, 並將工作效率提升到更高 肆 引註資料 註一 維基百科 - 光電耦合元件 2012 年 10 月 25 日, 取自網址 : http://zh.wikipedia.org/wiki/%e5%85%89%e9%9b%bb%e8%80%a6%e5%90%8 8%E5%85%83%E4%BB%B6 註二 RFID 系統入門教材 ( 第 4 章 ) 2012 年 11 月 2 日, 取自網址 : http://tw.search.yahoo.com/r/_ylt=a8tuwzuyr5pqjh4anp5r1gt.;_ylu=x3odmte 1amFxcW5wBHNlYwNzcgRwb3MDMQRjb2xvA3R3MQR2dGlkA1ZJUFRXMjlf NzM-/SIG=13lg59cl3/EXP=1352316824/**http%3a//www.et.thit.edu.tw/new/downl oad.php%3ffilename=465_32040276.ppt%26dir=archive%26title=file 註三 光耦 PC817 解析 2012 年 11 月 9 日, 取自網址 : http://wenku.baidu.com/view/3a244decf8c75fbfc77db23f.html 註四 台灣嵌入式暨單晶片系統發展協會 取自網址 : http://www.eti168.com.tw/shop/shop_main.php?av9wcm9kdwn0c19pzd0xn DMmaV9yMD05JmlfcDA9MiZpX3Byb2R1Y3RzX2luaGVyaXQ9NDkmaV9j YXRlZ29yeV9pbmhlcml0PTM0 註五 合泰有限公司, 電壓檢測復位電路 取自網址 : http://www.szlyic.com/shopstyle/productinfo/7291102.html 註六 張義和 (2011) 快學 8051- 使用 u Vision( 組合語言版 ) 新北市 : 新文京註七 張志源 (2009) 單晶片原理暨丙級能力認證學術科通關解析 台北市 : 家侖 7