智慧型電腦鼠 李興宗李俊億張景超林永欽夜二技電機二年 A 班 摘要電腦鼠是一種具有具有智慧的機器人, 要在指定的迷宮賽跑, 決定勝負, 猶如一個人置身於競賽中, 必須要靠其所具有敏捷動作 正確探查周邊環境及判斷力, 以贏得最後的勝利 本專題研究主要在製造智慧型電腦鼠系統, 使其具有下列三件能力 :(1) 穩定 快速的行走能力 (2) 正確的判斷能力 (3) 保持記憶的能力, 並能在實體迷宮下運行而不迷路 為了達成穩定 快速的行走能力, 我們使用二個步進馬達, 另外也運用紅外線感測器 穩壓電路 微動開關 充電 SRAM 記憶電路 串列傳輸電路 遙控電路 ( 發射 接收 ), 再配合 8051 組合語言以達成正確的判斷能力及保持記憶的能力 關鍵字 : 串列傳輸電路 人工智慧, 模糊控制 SRAM 記憶電路 一 前言剛開使在著手專題時, 翻閱許多資料和查尋歷屆學長每年所做的成果, 裡面有許多的成品是值得我們效法 學習, 不管是硬體或軟體都值得去研究, 也因為太多的資料使我們遲遲未能決定, 最後本組經過開會討論決定以電腦鼠作為本組的專題 電腦鼠其本身牽扯的範圍很廣, 不管是硬體或是軟體都要詳加討論 研究, 並可增加軟體 電子 機械 光電各方面的知識與技術, 也藉此機會將兩年所學的專業知識應用於此項製作, 能夠學以致用, 讓自 己的電子領域能夠更專精 更專業 在製做電腦鼠時, 不管是硬體或軟體都曾遭受許多困難 在硬體方面, 最常發生的莫過於電源部份, 常因電流過大使整流 IC 因溫度過高而燒毀, 使電腦鼠沒有電源而無法動作 其次就是感測器部份, 感測器就像電腦鼠的眼睛必須經確的調整才能使電腦鼠動作, 否則會因感測不良使電腦鼠胡亂行走 亂串 而軟體像是電腦鼠的頭腦, 能控制行走的方向, 並感受周遭的環境以判斷下一部的動作, 並時時記憶路線, 才不會重覆走過相同的路徑, 以最快的速度到達終點 而電腦鼠本身的功能, 其實相當的類似於自走車, 不論是在軟體或是在硬體方面, 都有者許多的共通點, 對於沒見過的初學者, 往往就會將其兩者劃上等號 而電腦鼠跟自走車唯一最大的不同點, 就在於它們的 " 腦子 ", 也就是 " 記憶 " 方面, 自走車只能靠著感測器所得到的數值來行走, 而電腦鼠除了上述的功能外, 還擁有 " 路線記憶 " 的功能, 並且能依記憶的路線選擇最佳的路徑, 除此之外, 亦能外加直線加速的功能 ; 如果自走車是一輛普通的車子, 那電腦鼠就好比具有導航系統的車子 二 專題工作原理圖 1 是我們專題的方塊圖, 我們把它細分為核心 穩壓 無線電遙控 功率放大由裡面所撰寫的組合語言來控制週邊的硬體, 如推動步進馬達 接收微動開關跟無線電傳送模組的信號, 做出正確的行走方向 以及速度 在這些電路當中惟有步進
24V 供應電壓,2.3A/h 電 源 穩壓電路 24V 供應電壓,2.3A/h 5V 供應電壓 ( 供 8051 用 ) 第一顆 8051 輔助核心控制步進馬達的行走 ( 以 8051 控制 ) P1.0~P1.3 控制 P1.4~P1.7 控制 P2.0~P2.3 接收資料 功率放大電路隔離電路 功率放大電路 隔離電路 感測器微動開關 推動 推動 左步進馬達 右步進馬達 5V 供應電壓 ( 供 8051 用 ) 64KB Flash ROM 迷宮圖相關資訊 將感測器偵測到的資料儲存下來 提供迷宮資訊幫助決策 第二顆 8051 主核心迷宮演算法決策系統 ( 以 8051 決策 ) 以串列傳輸的方式將決策的結果傳給第兩顆 8051 決定行走的方向 無線電接收電路 無線電發射電路 無線電波 感測器光晶體感測器 P1.0~P1.7 傳送感測器偵測到的資料 使用者遙控的方向 可以讓使用者以遙控的方式來操控電腦鼠 圖 1. 系統方塊圖 馬達是使用 24V 的電源, 其餘的均為使用 5V, 皆由穩壓電路所提供的 而在無線電傳送方面, 我們製作了一個小遙控器可以讓使用者遙控, 讓電腦鼠可以往前後左右行走, 宛如就是一隻遙控車, 而遙控器與電腦鼠上, 都可以設定密碼, 當密碼一樣時, 遙控才有效 接著功率放大的部份, 它的目的是要有效率地放大推動步進馬達, 使得電腦鼠能跑得快不致於產生失步的最佳狀態, 並消除反電動勢以及快速地散熱 至於第二顆 8051 64KB 的 Flash ROM 以及感測器光晶體感測部份 多加第 二顆 CPU 目的是為了讓架構層次更分明, 由原本的 CPU 控制基本的硬體運作, 以及電腦鼠的行進修正, 當遇到不同方向的障礙物時, 應做怎樣的動作才能保持行進順暢 新的 CPU 則負責決策, 在各個相關資訊下做出最有利的行進方向所做的決定, 會透過串列傳輸傳送給第一顆 CPU 來執行, 所以第二顆 CPU 是整個系統的核心 至於 ROM 方面, 是為了記憶電腦鼠所行走的迷宮圖路徑, 而迷宮圖路徑就是由外紅線感測器感測而來的
穩壓電路部份 : 電路的原理很簡單, 因為電腦鼠的動力主電源是由四顆免保養鉛 ( 不需要補充蒸溜水的過氧化鉛加硫酸加海綿狀鉛 ) 串接而成的, 所以四顆串接在一起的電壓為 24V 電流為 2.3A, 但是核心 8051 的 Vcc 是使用 5V 的電源, 所以必須使用穩壓 IC_7805 將電壓穩壓至 5V 左右, 才能提供給 8051 但 24V 對 7805 來講, 實在是太高了, 很容易燒壞, 所以先用 7812 穩壓到 12V 後, 再給 7805 使用, 以便保護 7805 充電電路部份 : 如圖 1, 每顆規格的電容量為,2.3A 馬達推動電路部份 : 電腦鼠的足部驅動電路分為兩部份, 第一部份為隔離電路, 由於步進馬達內含有電感, 所以在推動時, 時常會產生反電動勢, 這個反電動勢對 8051 有著相當大的威脅, 容易造成電路不穩, 所以採隔離的方式是勢在必行的, 在此我們是利用編號 PC817 光藕合器來進行隔離, 至於光藕合器的輸入端都接上一個提昇電阻, 這是因為 8051 的 P0 輸出埠, 為開極集形式, 高電位無法達到 5V, 才須接提昇電阻 第二部份則是推動效大電路, 我們在 PC817 的輸出端再多接一個 NPN 電晶體, 構成一個達靈頓電流效大電路, 且並聯一個二極體, 來抵消反電動勢, 防止電晶體因反電動勢燒壞 所以這一部份用達靈頓來推動步進馬達是綽綽有餘了 SRAM 記憶電路部份 : 以 SRAM6116 來做存取 74373 做 LATCH, 將紅外線感測器所偵測到的迷宮資料儲存, 以為後來電腦鼠在迷宮走向作 決策之用 除了儲存迷宮資料外, 己走過路徑及死巷入口, 也皆須仔細記載, 這樣可以減少走一些重覆的路徑, 或避免走一些不須要走的路 串列傳輸電路部份 : 串列傳輸電路只是簡單地將兩個 8051 中的 TXD 接腳及 RXD 接腳互接, 再配合一些程式碼的撰寫, 兩顆 8051 馬上就可以互相溝通訊息 微動開關電路部份 : 微動開關電路的目的是在於偵測電腦鼠兩邊是否會碰觸到壁面, 以調整電腦鼠在迷宮跑道的位置不要過於偏左或偏右, 因為電腦鼠本身的寬度幾乎是跑道的寬度, 假若太過靠左或靠右當轉彎時, 就會造成相當大的阻力而讓速度慢了下來, 嚴重一點的話可能連轉彎都轉不過去甚至卡死 紅外線感測電路部份 : 共分為 7 組 : 左方三組, 右方三組, 中間一組, 其中中間的感測器是在偵測前方是否有障礙物, 而左右二方的感測器則是偵測跑道的壁面以及校正電腦鼠行走的軌道不要過於偏左或偏右 每組電路都是由一顆紅外線發射器以及紅外線接收器所組成, 動作原理是將 5V 加在紅外線 LED 上, 讓它一直發出紅外線的訊號, 當訊號撞到壁面就會反射回來讓紅外線接收器接收, 而接收器的構造就如同是一個 NPN 電晶體, 當不導通時, 集極恆為 HI, 當導通時, 就會降至 LOW, 就可以通知 8051 電腦鼠是否已接近壁面 遙控電路部份 : 電腦鼠的遙控部份, 我們是採用無線
電發射接收模組並配合兩顆專用 IC, 分別是無線電發射放大器 (TWS-315) 無線電接收放大器 (RWS-371) HT-12E 數位編碼 IC 以及 HT-12D 數位解碼 IC 三 成品簡介電腦鼠是由五種部份所組成分別為機身 電源 微處理器 感測器, 以及步進馬達, 其中電源電路提供電路一個穩定的電壓, 使電腦鼠能穩定的動作 微處理器與感測器以及部進馬達是電路最重要的部份, 感測器是電腦鼠的眼睛, 可感測那一方面有牆, 也藉此將訊號傳送到微處理器, 讓它作判斷 決定行走的路徑再驅動馬達 ; 而在行走時, 感測器會時常偵測是否偏移路線並給予糾正 每當行走過的途徑, 都會存入記憶體內, 使步進馬達不必經過已走過的路, 此時的電腦也會根據步進馬達的動作, 來計算自己究竟身處何處, 在加上存於記憶體的資料使微電腦判斷能以最佳的路徑 速度到達目的地 微處理器得以判斷周遭的環境, 而選擇最適當的路徑全靠程式來輔助 處理 當感測器感測四周時, 將感測的資料轉化為數位的數據, 傳至微處理器讓程式與數據相比較, 能做多種的判斷, 再將行走的訊號傳至步進馬達, 讓馬達遵循程式的指示, 按步就班的行走, 直到終點馬達才停止 在行走的過程中, 為了記錄行走的位置及方向, 就必須靠 SRAM 記憶體來記憶以高電壓 ( 約 4V) 的方式寫入路徑, 才可作為下一次行走時, 控制轉向的重要資料參考 四 實測結果圖 2 為製作完成之智慧型電腦鼠, 經過圖 3 之迷宮圖測試後, 從出發點到終點需時 31 分鐘 圖 2. 電腦鼠起點終點圖 3. 迷宮圖五 結論電腦鼠的每一項規劃都很重要, 因為每一項的規劃都深深地影響日後的成敗, 如一開始就會遇到的問題, 步進馬達的選擇 選太大則體積大又重怕老鼠跑不動, 甚至總體積過大過重, 選太小怕馬達轉矩太小而失步跑不動, 再來就是如何設計老
鼠的形狀, 這一切一切必須經過仔細的評估, 及一連串的小試驗才得以完成, 若冒然隨意規劃, 做到後半期問題就會一一浮現 如當老鼠可以行走的時刻 才發現因左右腳有輕微誤差導致行走方向偏向一邊, 那時要修改就已經來不及了, 所以根據這一年來的經驗, 製作前的系統評估是必備而不可或缺的 針對一切有條理 有秩序的事件, 最基本的觀念是以實體去證明這一個電路是否可行, 因此自本組著手製作電腦鼠開始就有不少東西需請教老師及同學, 遇到大大小小的問題不計其數 ; 而另外在於程式方面, 從修改 測試至組裝成一隻老鼠之間也有不少的問題需要一一去克服, 卻也因此學習到了許多的知識和製作技術, 也了解其基本的特性及應用方法, 雖然這其中甘苦不足與外人道, 有時也會有想放棄的心情, 但最終究還是製造出來, 所獲得的是最充實的成就感 而電腦鼠利用記憶部份以尋找最短最快的路線到達終點, 我們亦可以添加老鼠的語音功能以增加其趣味性 其電腦鼠在未來應用範圍很廣, 像是工業上的無人搬運車, 或者是車子的導航系統... 等 這些都和電腦鼠有所關聯, 若是繼續朝電腦鼠研究就可找到意想不到的成果 8. 精通 C++ Builder 5.0 李勁 鄭浩編著 9.C++ 風格與藝術呂維毅譯 10. 汽車電子學 < 電子技術與應用 > 李添財編著 11.Chin-ShiuhShieh'sHomePage http://bit.kuas.edu.tw/~8051/ 12. 益眾科技 http://www.icci.com.tw/ 參考文獻 1. 電腦鼠實作技巧. 精解篇張希誠譯 2. 電腦鼠製作 : 快速穿越 8051 單晶片吳一農, 林家德編著 3. 電腦鼠實作入門與進階謝澄漢主編 4.8051 單晶片專題製作鄧錦城編著 5. 單晶片 8051 實務 < 增修版 > 吳一農編著 6.8051 單晶片微電腦應用盧正興 陳昭綾編著 7. 微電腦介面應用與實習李智勇著