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第三条腿
第十一届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告
[作者 謝振榆等]   2017年02月16日 星期四 浏览人次: [14052]


由于看到家中长辈因为双脚不方便行走而必须使用一般的市售助行器,但是在上下楼梯时,会造成使用者的困扰,于是想设计出一款让行动不便的人能上下楼梯的助行器,让使用者既方便又安全。


目前一般市售的助行器大多为固定式或滚轮式,在使用功能上较为单一且不方便,当遇到楼梯或者斜坡时导致有危险性而无法使用,而此作品不同于一般市售的助行器,能透过调整前后脚长度以及侦测是否倾倒让使用者更加安全且便利。


实用性

此作品结合三轴感测器与伸缩杆,能在陡坡或楼梯使用时自动调整水平,让使用者在使用时,随时保持着助行器的水平状态,降低使用者的危险性,提高安全性及便利性。


创新性

此作品结合手机APP,当使用者发生突发状况时,此时利用三轴感测器侦测助行器是否倾倒,若发生倾倒则透过蓝牙发出警报并利用APP寄出讯息通知家属,让使用者的家属能够即时收到通知,提高使用者遇到突发状况的黄金救援时刻。


工作原理

本作品为一自平稳式助行器,在楼梯或斜坡上应用时可以保持水平,并让人易于行走。使用盛群HT66F70A来制作此作品,透过ADC转换三轴感测器的数值与角度的关系搭配前杆与后杆伸长或缩短来达到让助行器水平的动作,当三轴感测器感测出水平则让伸缩杆停止,停止后即可在阶梯或斜坡上使用,而使用者发生状况时(跌倒、紧急情况下推倒),此时利用三轴感测器侦测助行器是否倾倒,若发生倾倒则发出警报并利用APP寄出讯息通知家属。



图1 : 助行器上楼梯(左)及下楼梯(右)示意图
图1 : 助行器上楼梯(左)及下楼梯(右)示意图

MCU主要核心功能

本作品使用HOLTEK MCU为HT66F70A,使用的主要核心功能:输入/输出闸(I/O Ports)、计时模组(Timer Moudle;TM)、中断控制电路(Interrupt Controller)、多通道之类比-数位转换介面(Multi-Channel ADC)、IO模拟UART。


作品功能

此作品有二大功能,一是自动调整水平状态,使用者在使用助行器上下楼梯时,按下按钮,由三轴感测器侦测当时助行器的倾斜角度,传回MCU做判断,由MCU发出讯号调整前后脚,调整至水平状态后,即可上下楼梯,此外LCM会随时显示状态,让使用者明确地知道目前处于何种模式,是否调整完水平状态。二是倾倒警报功能,当使用者遇到突发状况时(跌倒、紧急情况下推倒),利用三轴感测器侦测助行器是否有倾倒,将讯号传回MCU作判断,若发生倾倒,MCU透过蜂鸣器发出警报声,并透过蓝牙传输到手机APP发送简讯,让家属能即时收到讯息,提高使用者遇到突发状况的黄金救援时刻。


作品结构

盛群HT66FXX系列控制器的内部结构以八位元精简指令的微控制器核心为主体,搭配快闪式程式记忆体(Flash Program Memory;ROM)、资料记忆体(包含RAM Data Memory 与E2PROM Data Memory)、特殊功能暂存(SpecialFunction Register;SFR)、输入/输出闸(I/O Ports) 、SPI/I2C串列介面模组(Serial Interface Module;SIM)计时模组(Timer Moudle;TM)、中断控制电路(Interrupt Controller)、多通道之类比-数位转换介面(Multi-Channel ADC)、类比比较器(Comparator)、LCD介面(提供COM3~COM0输出)与看门狗计时器(Watchdog Timerl;WDT)等所组成的。



图2 : 系统结构图
图2 : 系统结构图

图3 : HT66F70A内部结构图
图3 : HT66F70A内部结构图

工作原理

三轴感测器-ADXL335

ADXL335是一种高精度、低功耗及单一的IC芯片加速度传感器,工作原理为当加速度计本体产生移动或转动时,使内部互补式金属氧化物半导体(CMOS)微结构产生位移,造成电容值的变化,再转换为特定的输出电压为讯号。


这里我们利用类比资料转换为数位资料(ADC)来读取三轴感测器的数值以判断助行器的即时状态。


红外线感测元件-HD-DS25CM-3MM

HD-DS25CM-3MM为主动式(遮断式)红外线感测器,由一组红外线发射器与接收器所组成。发射器必须不断发射红外线至接收端,属于一维点对点感应方式。


一维点对点感应方式是从发光元件到受光元件之间,有一空气的间隙,若此间隙中没有物体阻止,则发光元件所射出的光,将直接照射到受光元件。反之,若间隙中有物体阻挡光线,则受光元件将无光线照射而改变输出状态。在这里我们用来协助助行器回到原始的高度。


SR-05系列电动推杆

电动推杆由驱动电机、减速齿轮、螺杆、螺母、导套、推杆、滑座、弹簧、外壳及涡轮、微动控制开关等组成。它的工作原理是电动机经齿轮减速后,带动一对丝杆螺母。把电机的旋转运动变成直线运动,利用电动机正反转完成推杆动作,利用控制伸缩杆达到让助行器能上下楼梯的目的。


LCD Module(LCM) QY1602A

LCM(LCD Module)即LCD显示模组、液晶模块,是指将液晶显示器件,连接件,控制与驱动等外围电路,PCB电路板,背光源,结构件等装配在一起的组件,由外部(如:手机机板、或外部电路等等)提供控制信号及电源给LCM的IC,经由IC处理后,将资料转换为类比式的电压讯号,藉由控制IC输出讯号给LCD,造成液晶的动作以达到显示所要的画面。


蜂鸣器ZEETEK1205

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器,采用直流电压供电,广泛应用于电子产品中作发声器件,蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的,我们利用蜂鸣器达到倾倒时发出警报声的目的。


蓝牙无线传输模组

蓝牙(Bluetooth)是一种短距离无线通讯技术,它是一种很复杂的技术,由许多元件和抽象层组成。蓝牙运行在2.4GHz的非授权ISM 频段,通信距离只有10m 左右,蓝牙技术具有不同的通信方式,如点对点的通信方式、点对多点的通信方式和较复杂的散射网方式。


LM2596 DC-DC方形降压模组

输入:直流4V 至 40V (输入的电压必须比要输出的电压高1.5v以上。)


输出:直流 1.5V 至 35V 电压连续可调,高效率最大输出电流为3A。


执行方式流程图

判断上下楼梯后,进入上楼梯/下楼梯模式。



图4 : 判断上下楼梯
图4 : 判断上下楼梯

图5 : 上楼梯模式流程图
图5 : 上楼梯模式流程图
图6 : 下楼梯模式流程图
图6 : 下楼梯模式流程图

图7 : 上楼梯回复初值流程图
图7 : 上楼梯回复初值流程图
图8 : 下楼梯回复初值流程图
图8 : 下楼梯回复初值流程图

外观结构设计

作品构想用于具有高低落差的地面上,如楼梯、无障碍通道等。


A.简易型控制按钮

浅显易懂的控制方法,没有太复杂的使用程序,只需一颗按钮即可操作本作品,对于使用者来说十分的方便。


B.侧杆结构加强

将两侧的伸缩杆予以侧杆固定,使整体结构更加的稳固。


C.LCM显示

将LCM显示萤幕放置在控制盒上盖,不仅外观优美,且安装的位置在正中间,方便使用者轻松的读取目前助行器的状态。


D.控制盒设计(3D列印)

集控制总电路与LCM显示于一身的控制盒,是本作品的核心所在,底部的凹槽设计使得此控制盒得以安稳的装在助行器的横杆上。


测试方法

如何测试

1.利用HT66F70A的ADC功能,将三轴感测器ADXL335接至ESK-301,搭配控制伸缩杆SR-05达到水平测试。


2.将ADXL335、蜂鸣器ZEETEK1205及LCM接至ESK-301,利用HT66F70A的ADC功能,搭配蜂鸣器做倾倒警报测试。


3.将三轴感测器ADXL335、LCM显示面板接至HT66F70A,测试LCM显示助行器的各种状态。


4.针对虎尾科技大学各个校区的楼梯进行楼梯高度数据采样。


测试条件

测试环境:须使用E-ICE来测试三轴感测器ADXL335、红外线感测器HD-DS25CM、伸缩杆SR-05、LCM显示面板、Bluetooth、蜂鸣器ZEETEK1205。


测试结果

1.伸缩杆缩至ADXL335水平时则停止。



图9 : ADXL335搭配伸缩杆实际测试图
图9 : ADXL335搭配伸缩杆实际测试图

2.由于图片无法传达声音,于是我们使用LCM辅助显示,当ADXL335角度大于设定数值时蜂鸣器发出警报声,此时LCM显示”Warning !”。



图10 : 倾倒警报测试LCM动作图
图10 : 倾倒警报测试LCM动作图

图中上图为倾倒模式,下图为正常模式,LCM所显示的状态。


3.使用7串24V的电池盒供电给伸缩杆,再透过24V降压成3.3V给HT66F70A,将程式烧录进MCU里,ADXL335前倾时前脚伸长,后倾时前脚缩短。


4.建筑物楼梯及平台之宽度、梯级之尺寸,应依下列规定:


数据采样说明:在我们采样的12组共48个数据中,高度15到18公分的楼梯比例占最高,而平均值也落在16公分左右,这些资料可以佐证,20公分的伸缩杆足以使用在绝大部分的楼梯上。


(本文作者谢振榆为国立虎尾科技大学光电工程系教授;林荣杰、唐煜翔、翁晟豪、陈柏霖为国立虎尾科技大学光电工程系学生)


参考文献

[1] 陈源林,“Holtek 微控制器应用简单上手 C语言实例说明”,全华。


[2] 钟启仁,“HT66xx 微控制器应理论与实务宝典”,全华。


[3]“Holtek微控制器应用简单上手” ,全华。


[4]「HT66Fxx Flash MCU 原理与实务-C语言」,全华。


[5] HT66F70A Datasheet-Holtek.


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