红外线感应测试车

红外线感应测试车 紅外線感應測試車 組員姓名:尤橋生、蕭仕杰、高永霖、李子銘、陳紀羽 德霖技術學院機械工程系夜二專095A 指導老師:黃澤世老師 摘 要 這次專題報告的內容主要包括紅外線發射、接收器原理、89C51基本工作電路、感測器電路…等各種實際電路製作。我們目的要製作一台使用紅外線遙控的車子,這遙控車功能與特色有:無線電遙控、有電子琴的功能、可聲控啟動即可播放音樂、使用CNY70光感測器偵測路線、有1/O Port擴充排針、可控制外部電路板、使用直流馬達(200rpm)、速度快、力量大、省電。 未來的專題製作將會進行下列三項工作:第一、改善發射端的硬體設備,延長紅外線的發射範圍和感測器的距離。第二、製作外殼使遙控車碰撞時,不至於嚴重損毀壞掉。第三、搭配影像偵測裝置和超音波測距電路等週邊配備,實現一台智慧型感應車。 致 謝 我們能夠完成此作品要感謝所有幫助我們的廠商、老闆、以及網路上一些網友提供的資料、意見和提供書籍供我們參考的圖書館,以及感謝德霖技術學院提供專題研究經費補助,讓我們能夠完成此作品。 音錄放音介面等,這些應用介面一般市面上一、前言 現在的單晶片應用已經相當的普遍了,很少有關這方面的資料,卻可以為所製作出因為利用單晶片來設計跟控制電路,都具有來的專題增色不少。熟悉這些應用介面在以體積小、成本低這些優點。後投入單晶片軟硬體設計職場中,也將受用 無窮。一般的消費性電子產品或是高級的玩 現在的電子市場上有很多關於8051 IC具經常也會應用到相關技術,這是提升競爭的實驗跟作品,而很多東西都要靠著8051的力的捷徑。事實上不只單晶片8051可以用程式設計來動作跟進行。到,其他種類的晶片也可以應用在相關的設 計中。 單晶片8051是目前市面上相當流行的像我們這次所設計的專題內容,就跟單晶片,大專技職院校相關電子,機械系都8051這顆IC有很重要的關聯,可以說是整普遍開這門實習與應用的課程,在學過基本個紅外線自走車的心臟跟大腦,有了8051的的相關軟硬體的實習後,還有在畢業前專題推動,才能使自走車來作動,所以8051扮演製作的過程都以8051為設計中心,再加上自很重要的角色。 己的創意及點子,結合軟體硬體。紅外線就是在可見光光譜之外的不可視 光,就因為紅外線也是光的一種,所以它也 這些特殊的應用介面包括語音辨認,無同樣具有光的特性,它無法穿越不透光的物線電遙控、紅外線遙控、電話控制介面、語體。並非因為我們看不到紅外線,就表示它 364 不存在,在我們生活的四周充滿著紅外線 光,它可能是從電燈發出,也可以從太陽光二、研究目的 近年來,由於科技越來越發達,許多的發出,使用者不需要使用執照即可以用紅外 東西都需要用電腦來控制,漸漸地,人力都線。例如,低速紅外線(Slow IR)應用在電視 被電腦所取代。有鑑於此,我們便針對車子遙控器上已有相當長的一段時間了,其他像 來做研究,雖然我們所研究的車是小小的自是錄影機、音響等遙控器也是;電視遙控器 走車,跟現在在路上所看到的車還相差一大將特定的訊號編碼,然後透過紅外線同訊技 截,但是只要深加研究的話,小車也許會變術編碼送出(通常你可以看到遙控器的訊號 大車,進而取代現在的各種車。而且自走車燈亮一下),而設置在電視上的紅外線接收器 不需要加任何的油料,只需要在沒有電的時收到編碼之後,將其進行解碼而得到訊號。 候再充電即可使用,這樣子也不會產生任何例如,電視端解得的訊號為加大音量,則解 空氣方面的污染。所以希望我們所做的小研碼後即進行加大音量的動作。低速紅外線是 究能對以後的科技有些許的幫忙。理想的無指其傳輸速率在每秒115.2kbits者而言,它是 人自走車是模擬人類的思考方式,使用車輪用於傳送簡短的訊息、文字或是檔案。有低 當機器人的腳來使用,此種機器能工作於人速也有高速紅外線(Fast IR),它是指傳輸速率 們所無法忍受惡劣工作環境或代替人做高危在每一秒4Mbits者而言,其他更高傳輸速率 險性的工作,如高溫鍋爐和運輸系統等環則在發展中。對於網路解決而言,高速 境,具有良好的機動性、完美的控制系統。紅外線可以說是其基礎,包括檔案傳輸、區 域網路連結甚至是多媒體傳輸。如果運用在 網路上,紅外線網路適用於例如教室的環 境,或是小型、封閉的區域。對於無法穿透三、文獻探討 因為現在是科技發達,也正是機器產業牆壁傳輸,位在建築物之外的人將不能直接 的時代,所以機器人的研究一直是在機械業擷取到散佈在建築物內的紅外線訊號。就像 中一項重要的研究報告,而這次我們所做的太陽光一樣,紅外線不能穿透牆壁或是大型 紅外線光感應的自走車,希望可以做到利用物體,所以在資料收發兩端必頇互相對準才 自動控制中不可少的感測器,可以很流暢的能進行通訊,這對行動通訊可能常常移動位 沿著白色貼步來移動,且希望能提高感應的子的情形而言是非常不利的,而且容易受到 敏銳度,將感測器的判斷更精確。在操控的下雨、下雪或是霧氣的干擾。單晶片微電腦 設定上能夠很精密,且在於前進及轉彎時都就是將電腦的結構安置於同一個晶片而成微 能很流暢的移動。本研究主要是製作及控制電腦,換句話說,單晶片微電腦就是把微電 一個具有能憑藉著感測器感應白色光來使程腦的結構製造在同一個IC內形成的微電 式對馬達下達移動指令的自走車。在自走車腦。功能較強的單晶片微電腦,內除了CPU、 的左、右輪分別裝置一個直流馬達,藉以帶記憶體、I/O、…等基本結構外,更將計數器、 動自走車的移動。我們以紅外線感測光源,計時器、串列傳輸介面、A/D轉換、D/A轉 再利用編碼器量測兩輪轉動的速度及位置,換器…等製作在內部,以滿足大部份應用上 來對馬達下達指令動作,此實驗我們希望能的需求。各大IC製造廠為適合不同用途而設 學到一些更好的東西,來幫助我們以後的計出來的單晶片微電腦非常多,但由於微電 路,也可以促進組員中的互動,能更了解分腦是由INTEL公司最早發展成功的,所以市 工合作的關係以及重要性。以下是我們紅外面上也以INTEL公司的MCS系列最為普 線光感應自走車所做的的過程,一些心酸苦及。 365 澀的結晶。環狀線圈受磁場之作用,將順時鐘方向旋 轉,產生之扭矩T可以下式表示 四、研究 4-1、單晶片介紹 T = K?I?B [N?m] 89C51是一個八位元(8-bit)的CMOS單其中K為比例常數,I為流經線圈之電流,B 晶片微處理器,符合MCS-51工業標準。為永久磁鐵所造成之磁場強度。 89C51內含4K-byte的快閃記憶體(Flash Memory),可重複燒錄程式達1000次以上; 128-byte RAM的程式記憶體,作為程式變數 區;並提供32條I/O信號線,2個16-bit的 計時器(Timer)、或計數器(Counter),一個雙 向串列埠(RS-232 Serial Port),和五個中斷向 量功能。89C51單晶片必頇供應電壓,電源圖1馬達的工作原理「弗萊明左手定則」 接腳為VCC(pin40)、GND(pin20),工作電壓 在4V~6.6V之間。 直流馬達的基本工作原理說明可由圖24-2、直流馬達 來說明,圖2(a)是直流馬達的剖面圖包含定 直流馬達是最早發明能將電力轉換為機子磁鐵、轉子線圈、換向器(commutator)與碳械功率的電動機,它可追溯到Michael 刷(carbon brush),圖2(b)是氣隙磁通(air-gap Faraday所發明的碟型馬達。法拉第(Faraday)flux)密度在定子的圓周空間分佈圖,圖2(c)的原始設計其後經過不斷的改良,到了1880則是碳刷間之電壓。經由換向器與滑環,在年代已成為主要的電能機械能轉換裝置,但轉子線圈的電樞電流所形成的磁場能一直與之後由於交流電的使用日趨普及,而發明了定子所形成的磁場保持垂直,因此在定子磁感應馬達與同步馬達,直流馬達的重要性亦場維持固定的情況下,馬達產生的扭矩正比隨之降低。直到約1960年,由於SCR的發於電樞電流,其關係如圖2所示。直流馬達明、磁鐵材料、碳刷、絕緣材料的改良,以之所以易於控制,也就是因為電樞電流與扭及變速控制的需求日益增加,再加上工業自矩間有此一線性關係,而馬達控制的關鍵正動化的發展,直流馬達驅動系統再次得到了在於如何有效率且線性的控制其產生之扭發展的契機,到了1980年直流伺服驅動系統矩。 成為自動化工業與精密加工的關鍵技術。雖 然交流伺服馬達應用於精密的定位控制已是 未來的發展趨勢,但直流馬達有良好的線性 特性,具有簡單易於控制的優點,仍是目前 最常應用於變速控制的馬達,同時瞭解直流 馬達的特性與控制也是進入交流伺服控制的圖2直流馬達的基本工作原理說 必要途徑。直流馬達的工作原理可以「弗萊 明左手定則」來說明,弗萊明左手定則可用4-3、電晶體 來判斷一根載有電流的導線置於磁場中時其 受力的方向。若以左手之食指表示磁場方 向,中指表示電流方向,則大姆指表示此導 線受力的方向,如圖1所示之電流方向,則 366 圖3電晶體 雙極性接面電晶體:bipolar junction transistor:是由兩個P-N接面所形成的三端 元件,中間有一夾層。從圖3可清楚地看出圖5 PNP電晶體的共基極的電流 兩種不同的雙極性電晶體,其中圖(a)為 PNP 型電晶體,圖(b)為 NPN 型電晶體。當電流圖5中,射極接面順向偏壓,而集極在 方向是進入電晶體時,視為正值。圖4可以接面逆向偏壓,如此射極接面的空乏區變看出以下標記號表示的兩端電壓,例如,窄,集極接面的空乏區變寬。此時,電洞從BE 表示基極對射極的壓降。射極進入基極,循兩條路徑流動,一部分流 到基極接線端,由於基極雜質濃度低,所以 電子數較少,流入基極接線的電流(,)就較 B 小,約5 ,或更少的電洞進入基極的電子 中,此電流稱為復合電流:recombination current:。 另一部分則通過基極進入集極,由於基 圖4電晶體電路符號極寬度很薄,當電洞大量注入時,會擴散到 集極接面空乏區處,被電場所吸引,流至集雙極性電晶體具有兩個P-N接面,它們 極接腳,此部分約佔95 ,的電洞流至集極。分別是:射極接面和集極接面,而這兩個接 射極電流為基極電流與集極電流之和。面可外接順向偏壓或逆向偏壓,如此便有四 種不同的排列組合,這也是電晶體的四種工 作模式。一般電晶體很少工作在反向模式。, =, +,ECB 在數位式的電子系統中,也就是在裝置的內除此之外,在此亦定義一參數?共基極短路部是以二進位方式運作的電子電路,電晶體放大因數:α:: α = [ Δ, / Δ, ] ,, = CBCB工作在截止和飽和模式,在此兩種模式下,定值。當負載短路,而且 , 固定時,可CB電晶體可視為開關,不是開:二進位系統的以由α值大小得知, 的變化量與, 變化CE0:便是關:二進位系統的1:。最後,若是量的關係。若基極愈窄,基極雜質濃度愈低,電晶體作放大信號用,則工作在線性模式。則α值愈接近1。實際上許多電晶體的α均 在0.95 至 0.99 之間。 4-4、紅外線 紅外線是波長比可見光長的電磁波,波長在 1毫米到770奈米之間,在光譜上位於紅色 光外側。具有很強熱效應,並易於被物體吸 收,通常被作為熱源。透過雲霧能力比可見 光強。在通訊、探測、醫療、軍事等方面有 367 廣泛的用途。俗稱紅外光。:Hot-object range::由非白熾物體產生的熱 射線,如電熨斗及其它的電熱器等,平均溫4-4-1、紅外線的波長範圍度約在400?左右。3.發熱傳導區:Calorific range:由滾沸的熱水或熱蒸汽管產生的熱射近紅外線(Near Infra-red,NIR):700~ 2,000nm線。平均溫度低於200?,此區域又稱為「非 光化反應區」:Non-actinic:。4.溫體輻射區中紅外線(Middle Infra-red,MIR):3,000~ :Warm range::由人體、動物或地熱等所產 生的熱射線,平均溫度約為40?左右。站在5,000nm 遠紅外線(Far Infra-red, FIR):8,000~14,000nm照相與攝影技術的觀點來看感光特性:光波 的能量與感光材料的敏感度是造成感光最主-4-2、紅外線發現 4要的因素。波長愈長,能量愈弱,即紅外線 西元1666年牛頓發現光譜並測量出的能量要比可見光低,比紫外線更低。但是3,900A,7,600A:400nm,700nm:是可見光高能量波所必頇面對的另一個難題就是:能的波長。1800年4月24日英國倫敦皇家學量愈高穿透力愈強,無法形成反射波使感光院:ROYAL SOCIETY:的Sir WILLIAM 材料擷取影像,例如X光,就必頇在被照物HERSCHEL發表太陽光在可見光譜的紅光體的背後取像。因此,攝影術就必頇往長波之外還有一種不可見的延伸光譜,具有熱效長的方向,,「近紅外線」部份發展。以造應。他所使用的方法很簡單,用一支溫度計影為目標的近紅外線攝影術,隨著化學與電測量經過稜鏡分光後的各色光線溫度,由紫子科技的進展,演化出下列三個方向: 1.近到紅,發現溫度逐漸增加,可是當溫度計放紅外線底片:以波長700nm,900nm的近紅到紅光以外的部份,溫度仍持續上昇,因而外線為主要感應範圍,利用加入特殊染料的斷定有紅外線的存在。在紫外線的部份也做乳劑產生光化學反應,使此一波域的光變化同樣的測試,但溫度並沒有增高的反應。紫轉為化學變化形成影像。 外線是1801年由RITTER用氯化銀:Silver chloride:感光劑所發現的。2.近紅外線電子感光材料:以波長700nm, 2,000nm的近紅外線為主要感應範圍,它是 底片所能感應的近紅外線波長是肉眼所利用以矽為主的化合物晶體產生光電反應,能看見光線波長的兩倍,用底片可以記錄到形成電子影像。3.中、遠紅外線熱像感應材的波長上限是13,500A,如果再加上其它特料:以波長3,000nm,14,000nm的中紅外線殊的設備,則最高可以達到20,000A,再往及遠紅外線為主要感應範圍,利用特殊的感上就必頇用物理儀器偵測了。應器及冷卻技術,形成電子影像。 4-4-3、紅外線輻射源區分4-4-4、紅外線感測器 紅外線感測器簡稱熱感,未感測到人體 紅外線輻射源可區分為四部份:的紅外線或沒有溫度變化時,輸出高電位; 感測到人體的紅外線或有溫度變化時,輸出1.白熾發光區:Actinic range::或稱「光化反低電位,一般應用範圍有感應燈、防盜系統。應區」,由白熾物體產生的射線,自可見光域缺點是當有熱氣流動即動作,例如:汽車排到紅外域。如燈泡:鎢絲燈,TUNGSTEN 氣、抽油煙機,有時小鳥、飛蛾也會。參考:FILAMENT LAMP:,太陽。2.熱體輻射區光感測器是利用光敏元件將光訊號轉換為電 368 訊號的感測器。現在常用光敏元件的感應波 長在可見光波長附近,如紅外線波長和紫外七段顯示 聲控MIC 線波長。光感測器不只是應用於光的測量, 更常用於做為探測元件,組成其它類型的感 LED燈 測器,對非電量:如溫度等:進行檢測,只 要將這些非電量轉換為光訊號的變化。 五、結果與討論 輔輪 現今的科技越來越發達,有時以我們人 類都快追隨不到的速度在發展中,在之前我 們有看過很多來自別的學校的專題作品,有 5-3車體完成品 許多是製作自走車的,也經常在電視上看到 用自走車做出許多的競爭與表演,當然那是 投入許多心血及時間才能設計出那樣完美的 作品來,雖然我們也是做自走車,但是只能 做出比較簡單的作品,並不能跟電視上的一 樣完美。 我們的自走車有許多要改進的:第一、 改善發射端的硬體設備,限制紅外線的發射 範圍,準確地確定週遭物體和感測器的距 電源座DC12V 離。第二、將整體電路製成印刷電路板,裝 電源開關 置於自走車上,提供避撞功能。第三、搭配 影像偵測裝置和超音波測距電路等週邊配 備,這樣才能算是比較完美的自走車。參考文獻 [1] 鍾自立、張正賢編,8051實作與燒錄器5-1遙控器 製作,宏友書局。 [2] 范逸之、陳立元、賴俊朋著,Visual Basic 與RS232串列通訊控制,文魁書局。電源開關 [3] 鄧明發,陳茂璋微電腦專題製作應用電 路,之行文化 、知行出版社,民國90年 [4] 鐘明政,MCS-51原理與實習、長高出版右鍵 左鍵 社,民國86年 切換搖控模式 切換自走模式 5-2印刷電路板 369