南台科技大学电机工程穷

南台科技大學電機工程系專題製作報告題目霹靂無敵機器人指導教授洪正瑞班級醫電四甲製作學生王孝宸學號49527047製作學生洪亦佑學號49527039製作學生謝翔安學號49527017中華民國九十八年十一月十一日I摘要這次的專題主要是透過了意法半導體公司(STMicroelectronics，ST)所研發出的LIS302DL加速度計與手把式無線機器人加以改裝，製作出一台能經由LIS302DL加速度計感應，加速度計的傾斜角度變化來控制機器人的動做以及加速。而透過這項研究作品表示出加速度計，不僅能應用於醫療方面的復健儀器，也能應用在像是地震災害的搜救機器上使其更方便控制，在娛樂方面也可以不同於一般的控制器產生出更新奇的操作玩法。現在市面上有很多新款的手機以及MP3隨身聽以晃動機身來切換歌曲及轉換功能，相對的比起按鍵式操控介面，功能更加人性化且具趣味性，依照這種理念，以手部動作來操控機器人，給予玩家另一種操控感，是我們這次專題所研究的目的。一般講到遙控機器人最重要的就是遙控器，而現時市面上的遙控器分成了兩種，一種是傳統型態的有兩根搖桿控制機器人動作的桿控型遙控器。另一種則是按鍵式遙控器，這種遙控器操做起來比較直接，功能性強，可以轉換不同模式及控制較複雜的動作，因此現在市售功能性高且動作較複雜的機器人遙控器大多以這種按鍵式遙控器為主。以現時而言所使用功能較強，動作較複雜的機器人大都是使用按鍵式遙控器，而傳統大賣場在賣的直流馬達驅動的機器人還是以桿控型遙控器較多，可是這兩種遙控器都有一個共同的缺點就是體積太大、太難攜帶跟收藏。加速度計之前有人使用在音樂指揮演奏系統上，他們使用在指揮演奏時，因為音樂節拍的不同指揮者手部揮動速率的不同，而產生的加速度改變，使加速度計感測指揮者的動作。從市面上的各類遙控裝置來說，種類眾多，例如：控制升降梯的遙控器、開關門的遙控器、電視遙控器...等。而這些遙控器，從有線到無線，甚至以紅外線來傳送訊號，都已具備了相當完善的控制技術。然而在這些控制器上，綜合各項功能，我們發現在任何操控上，幾乎都是要透過按鈕或搖桿來操作，較難具有細膩感的操控方式。所以我們將以LIS302DL加速度器的特性來改變遙控器的操作模式，讓遙控器能具備更有細微度地操控。我們使用的是加速度計音傾斜的角度不同會發出不同的訊號來使機器人作前後左右的動作。主要研究的方向是以改良傳統的遙控系統以及加強與人互動功能，使其搖控器能達到更快速、更準確及更富有娛樂性。II誌謝本專題得以能順利完成，首先要感謝實驗室的學長們，特別是洪國智學長，在旁的輔助我們且提供在專題所需的儀器，還有告訴我們在使用零件時所必需注意的細節及零件的知識與特性等，在我們遇到困難時給予適當的幫助，讓我們在專題製作時更得心應手。還要感謝，意法半導體(STMicroelectronics，ST)和MICROCHIP，這兩間半導體公司所提供了電子元件，讓我們的實驗能順利的進行，再此至上謝意。最後，要感謝所有關心我們的人，由於你們的栽培與支持,使我們能夠無後顧之憂的順利完成。要感謝的人太多，願能以我們所學的知識，貢獻微薄的心力於社會，不致辜負所有關心我們的人。III目錄摘要……………………………………………………………………………I誌謝…………………………………………………………………………II目錄…………………………………………………………………………III圖目錄………………………………………………………………………IV第一章簡介…………………………………………………………………11.1背景…………………………………………………………………21.2研究目的與重要性…………………………………………………3第二章理論…………………………………………………………………32.1加速度計示意圖……………………………………………………32.2LIS302DL加速度計…………………………………………………32.3dsPIC晶片…………………………………………………………52.4SPI傳輸介面………………………………………………………72.4.1SPIMaster模式………………………………………………82.4.2SPISlave模式………………………………………………92.5整體架構…………………………………………………………102.6設計分析…………………………………………………………11第三章實驗步驟…………………………………………………………123.1軟體發展…………………………………………………………123.1.1加速器測試…………………………………………………123.1.2SPI傳輸訊號測試…………………………………………173.1.3程式設計與說明……………………………………………173.2硬體製作…………………………………………………………223.2.1單晶片應用…………………………………………………223.2.2電源系統……………………………………………………233.2.3主電路系統…………………………………………………233.2.4外殼製作……………………………………………………23第四章討論………………………………………………………………26第五章結論與建議………………………………………………………29參考資料……………………………………………………………………30操作手冊……………………………………………………………………31附錄一………………………………………………………………………33附錄二………………………………………………………………………39IV圖目錄圖1.1感控型遙控器………………………………………………………1圖1.2按鍵式遙控器……………………………………………………1圖2.1電容式加速度計示意圖……………………………………………3圖2.2LIS302DL電路關係圖……………………………………………4圖2.3線性加速度計MEMS結構示意圖………………………………4圖2.4裝置方塊圖………………………………………………………5圖2.5單一master對三個slave圖…………………………………8圖2.6SPImaster模式時序圖…………………………………………8圖2.7SPISlave模式時序圖(CKE=0)…………………………………9圖2.8SPISlave模式時序圖(CKE=1)…………………………………9圖2.9控制器系統流程圖……………………………………………10圖2.10研究架構與流程………………………………………………11圖3.1數值與角度關係圖………………………………………………12圖3.2Z軸正值輸出曲線圖……………………………………………13圖3.3Z軸負值輸出曲線圖……………………………………………13圖3.4X軸正值輸出曲線圖……………………………………………14圖3.5X軸負值輸出曲線圖……………………………………………14圖3.6Y軸正值輸出曲線圖……………………………………………15圖3.7Y軸負值輸出曲線圖……………………………………………15圖3.8緩慢移動曲線變化圖……………………………………………16圖3.9快速移動曲線變化圖……………………………………………16圖3.10加速度計靜止狀態訊號圖……………………………………17圖3.11程式架構方塊圖………………………………………………20圖3.12程式系統方快圖…………---……………………………………21圖3.13TQFP類型30F4011腳位關係圖………………………………22圖3.14電源系統電路圖………………………………………………24圖3.1530F4011線路圖………………………………………………24圖3.16加速度計與LCD線路圖……………………………………25圖3.17控制器外觀預設圖……………………………………………25圖4.1LIS302DL…………………………………………………………27圖4.2LIS302DL電路完成品……………………………………………27圖4.3初始電路板……---………………………………………………28圖4.4SMD化電路板………………………………………………………28V圖A控制器向前擺(機器人前進)………………………………………31圖B控制器向後擺(機器人後退)………………………………………31圖C控制器向左擺(機器人左轉)………………………………………32圖D控制器向右擺(機器人右轉)………………………………………321第一章簡介1.1背景一般講到遙控機器人最重要的就是遙控器，而現時市面上的遙控器分成了兩種，一種是傳統型態的有兩根搖桿控制機器人動作的桿控型遙控器如圖1.1。圖1.1感控型遙控器另一種則是按鍵式遙控器，這種遙控器操做起來比較直接，功能性強，可以轉換不同模式及控制較複雜的動作，因此現在市售功能性高且動作較複雜的機器人遙控器大多以這種按鍵式遙控器為主，按鍵式遙控器如圖1.2。圖1.2按鍵式遙控器以現時而言所使用功能較強，動作較複雜的機器人大都是使用按鍵式遙控器，而傳統大賣場在賣的直流馬達驅動的機器人還是以桿控型遙控器較多，可是這兩種遙控器都有一個共同的缺點就是體積太大、太難攜帶跟收藏。2加速度計之前有人使用在音樂指揮演奏系統上，他們使用在指揮演奏時，因為音樂節拍的不同指揮者手部揮動速率的不同，而產生的加速度改變，使加速度計感測指揮者的動作。1.2研究目的與重要性從市面上的各類遙控裝置來說，種類眾多，例如：控制升降梯的遙控器、開關門的遙控器、電視遙控器...等。而這些遙控器，從有線到無線，甚至以紅外線來傳送訊號，都已具備了相當完善的控制技術。然而在這些控制器上，綜合各項功能，我們發現在任何操控上，幾乎都是要透過按鈕或搖桿來操作，較難具有細膩感的操控方式。所以我們將以LIS302DL加速度器的特性來改變遙控器的操作模式，讓遙控器能具備更有細微度地操控。我們使用的是加速度計音傾斜的角度不同會發出不同的訊號來使機器人作前後左右的動作。3第二章理論2.1加速度計示意圖加速度計通常可分為壓電式、壓阻式、電容式及穿隧式，本文加速度計採用ST公司電容式加速度計；電容式加速度計以量測可變電容得知加速度變化，圖2.1為電容式加速度計示意圖，可變電容的兩塊電極，一塊為固定電極，另一塊為可動電極，可動電極上附著一個質量塊，當受到外力產生加速度作用時，質量塊因慣性作用而產生位移，因此改變了固定電極與可動電極間的距離；電極板間距改變，電容值也會跟著改變，再經由電容值量測電路與放大電路，得知加速度值。圖2.1電容式加速度計示意圖2.2LIS302DL加速度計由意法半導體(STMicroelectronics，ST)研發出的LIS302DL加速器晶片，是一款新的加速度計，它採用塑料封裝的3軸加速度sensor，晶片厚度達到小於1mm，且保持在1mW的功率消耗，並能夠承受高達10000g的震動與撞擊，設計的十分強固。它可以靠轉動的方向不同，而輸出一變化的電壓，來做為傾斜方向、角度及加速度方向的判定如(圖2.2)所示，不同於舊型的加速度計只能偵測到2D平面上的定位，而LIS302DL能同時輸出XYZ三軸的電壓可達到更準確的定位。LIS302DL是一款電容式加速度計，電容式加速度計是利用矽的機械性質所設計出的可移動結構，能夠感測不同方向的加速度或振動等運動狀況。此一個三軸加速度計元件中包含兩大單元，一是單純的機械性MEMS感測器，它包含測量XY軸的區域及測量Z軸的區域，內部有成群移動的電子；一是標準的ASIC介面晶片，它會將電容變化轉換為電壓訊號輸出。它的機械結構中包括一組隨自由質量（freemass）（即運動體）移動的矽梳齒4（Siliconfingers）和一組固定的矽梳齒，如(圖2.3)所示，前者的功能是可移動的電極，後者則是固定的電極，當可移動的梳齒產生了位移，就會產生電容性的改變，此一改變與位移成比例關係。在此結構下，當其