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第三條腿
第十一屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告

【作者: 謝振榆等】   2017年02月16日 星期四

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由於看到家中長輩因為雙腳不方便行走而必須使用一般的市售助行器,但是在上下樓梯時,會造成使用者的困擾,於是想設計出一款讓行動不便的人能上下樓梯的助行器,讓使用者既方便又安全。


目前一般市售的助行器大多為固定式或滾輪式,在使用功能上較為單一且不方便,當遇到樓梯或者斜坡時導致有危險性而無法使用,而此作品不同於一般市售的助行器,能透過調整前後腳長度以及偵測是否傾倒讓使用者更加安全且便利。


實用性

此作品結合三軸感測器與伸縮桿,能在陡坡或樓梯使用時自動調整水平,讓使用者在使用時,隨時保持著助行器的水平狀態,降低使用者的危險性,提高安全性及便利性。


創新性

此作品結合手機APP,當使用者發生突發狀況時,此時利用三軸感測器偵測助行器是否傾倒,若發生傾倒則透過藍牙發出警報並利用APP寄出訊息通知家屬,讓使用者的家屬能夠即時收到通知,提高使用者遇到突發狀況的黃金救援時刻。


工作原理

本作品為一自平穩式助行器,在樓梯或斜坡上應用時可以保持水平,並讓人易於行走。使用盛群HT66F70A來製作此作品,透過ADC轉換三軸感測器的數值與角度的關係搭配前桿與後桿伸長或縮短來達到讓助行器水平的動作,當三軸感測器感測出水平則讓伸縮桿停止,停止後即可在階梯或斜坡上使用,而使用者發生狀況時(跌倒、緊急情況下推倒),此時利用三軸感測器偵測助行器是否傾倒,若發生傾倒則發出警報並利用APP寄出訊息通知家屬。



圖1 : 助行器上樓梯(左)及下樓梯(右)示意圖
圖1 : 助行器上樓梯(左)及下樓梯(右)示意圖

MCU主要核心功能

本作品使用HOLTEK MCU為HT66F70A,使用的主要核心功能:輸入/輸出閘(I/O Ports)、計時模組(Timer Moudle;TM)、中斷控制電路(Interrupt Controller)、多通道之類比-數位轉換介面(Multi-Channel ADC)、IO模擬UART。


作品功能

此作品有二大功能,一是自動調整水平狀態,使用者在使用助行器上下樓梯時,按下按鈕,由三軸感測器偵測當時助行器的傾斜角度,傳回MCU做判斷,由MCU發出訊號調整前後腳,調整至水平狀態後,即可上下樓梯,此外LCM會隨時顯示狀態,讓使用者明確地知道目前處於何種模式,是否調整完水平狀態。二是傾倒警報功能,當使用者遇到突發狀況時(跌倒、緊急情況下推倒),利用三軸感測器偵測助行器 是否有傾倒,將訊號傳回MCU作判斷,若發生傾倒,MCU透過蜂鳴器發出警報聲,並透過藍牙傳輸到手機APP發送簡訊,讓家屬能即時收到訊息,提高使用者遇到突發狀況的黃金救援時刻。


作品結構

盛群HT66FXX系列控制器的內部結構以八位元精簡指令的微控制器核心為主體,搭配快閃式程式記憶體(Flash Program Memory;ROM)、資料記憶體(包含RAM Data Memory 與E2PROM Data Memory)、特殊功能暫存(SpecialFunction Register;SFR)、輸入/輸出閘(I/O Ports)、SPI/I2C串列介面模組(Serial Interface Module;SIM)計時模組(Timer Moudle;TM)、中斷控制電路(Interrupt Controller)、多通道之類比-數位轉換介面(Multi-Channel ADC)、類比比較器(Comparator)、LCD介面(提供COM3~COM0輸出)與看門狗計時器(Watchdog Timerl;WDT)等所組成的。



圖2 : 系統結構圖
圖2 : 系統結構圖

圖3 : HT66F70A內部結構圖
圖3 : HT66F70A內部結構圖

工作原理

三軸感測器-ADXL335

ADXL335是一種高精度、低功耗及單一的IC芯片加速度傳感器,工作原理為當加速度計本體產生移動或轉動時,使內部互補式金屬氧化物半導體(CMOS)微結構產生位移,造成電容值的變化,再轉換為特定的輸出電壓為訊號。


這裡我們利用類比資料轉換為數位資料(ADC)來讀取三軸感測器的數值以判斷助行器的即時狀態。


紅外線感測元件-HD-DS25CM-3MM

HD-DS25CM-3MM為主動式(遮斷式)紅外線感測器,由一組紅外線發射器與接收器所組成。發射器必須不斷發射紅外線至接收端,屬於一維點對點感應方式。


一維點對點感應方式是從發光元件到受光元件之間,有一空氣的間隙,若此間隙中沒有物體阻止,則發光元件所射出的光,將直接照射到受光元件。反之,若間隙中有物體阻擋光線,則受光元件將無光線照射而改變輸出狀態。在這裡我們用來協助助行器回到原始的高度。


SR-05系列電動推桿

電動推桿由驅動電機、減速齒輪、螺桿、螺母、導套、推桿、滑座、彈簧、外殼及渦輪、微動控制開關等組成。它的工作原理是電動機經齒輪減速後,帶動一對絲桿螺母。把電機的旋轉運動變成直線運動,利用電動機正反轉完成推桿動作,利用控制伸縮桿達到讓助行器能上下樓梯的目的。


LCD Module(LCM) QY1602A

LCM(LCD Module)即LCD顯示模組、液晶模塊,是指將液晶顯示器件 ,連接件,控制與驅動等外圍電路,PCB電路板,背光源 ,結構件等裝配在一起的組件,由外部(如:手機機板、或外部電路等等)提供控制信號及電源給LCM的IC,經由IC處理後,將資料轉換為類比式的電壓訊號,藉由控制IC輸出訊號給LCD,造成液晶的動作以達到顯示所要的畫面。


蜂鳴器ZEETEK1205

蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器,採用直流電壓供電,廣泛應用於電子產品中作發聲器件,蜂鳴器發聲原理是電流通過電磁線圈使電磁線圈產生磁場來驅動振動膜發聲的,我們利用蜂鳴器達到傾倒時發出警報聲的目的。


藍牙無線傳輸模組

藍牙(Bluetooth)是一種短距離無線通訊技術,它是一種很複雜的技術,由許多元件和抽象層組成。藍牙運行在2.4GHz的非授權ISM 頻段,通信距離只有10m 左右,藍牙技術具有不同的通信方式,如點對點的通信方式、點對多點的通信方式和較複雜的散射網方式。


LM2596 DC-DC方形降壓模組

輸入:直流4V 至 40V (輸入的電壓必須比要輸出的電壓高1.5v以上。)


輸出:直流 1.5V 至 35V 電壓連續可調,高效率最大輸出電流為3A。


執行方式流程圖

判斷上下樓梯後,進入上樓梯/下樓梯模式。



圖4 : 判斷上下樓梯
圖4 : 判斷上下樓梯

圖5 : 上樓梯模式流程圖
圖5 : 上樓梯模式流程圖
圖6 : 下樓梯模式流程圖
圖6 : 下樓梯模式流程圖

圖7 : 上樓梯回復初值流程圖
圖7 : 上樓梯回復初值流程圖
圖8 : 下樓梯回復初值流程圖
圖8 : 下樓梯回復初值流程圖

外觀結構設計

作品構想用於具有高低落差的地面上,如樓梯、無障礙通道等。


A.簡易型控制按鈕

淺顯易懂的控制方法,沒有太複雜的使用程序,只需一顆按鈕即可操作本作品,對於使用者來說十分的方便。


B.側桿結構加強

將兩側的伸縮桿予以側桿固定,使整體結構更加的穩固。


C.LCM顯示

將LCM顯示螢幕放置在控制盒上蓋,不僅外觀優美,且安裝的位置在正中間,方便使用者輕鬆的讀取目前助行器的狀態。


D.控制盒設計(3D列印)

集控制總電路與LCM顯示於一身的控制盒,是本作品的核心所在,底部的凹槽設計使得此控制盒得以安穩的裝在助行器的橫桿上。


測試方法

如何測試

1.利用HT66F70A的ADC功能,將三軸感測器ADXL335接至ESK-301,搭配控制伸縮桿SR-05達到水平測試。


2.將ADXL335、蜂鳴器ZEETEK1205及LCM接至ESK-301,利用HT66F70A的ADC功能,搭配蜂鳴器做傾倒警報測試。


3.將三軸感測器ADXL335、LCM顯示面板接至HT66F70A,測試LCM顯示助行器的各種狀態。


4.針對虎尾科技大學各個校區的樓梯進行樓梯高度數據採樣。


測試條件

測試環境:須使用E-ICE來測試三軸感測器ADXL335、紅外線感測器HD-DS25CM、伸縮桿SR-05、LCM顯示面板、Bluetooth、蜂鳴器ZEETEK1205。


測試結果

1.伸縮桿縮至ADXL335水平時則停止。



圖9 : ADXL335搭配伸縮桿實際測試圖
圖9 : ADXL335搭配伸縮桿實際測試圖

2.由於圖片無法傳達聲音,於是我們使用LCM輔助顯示,當ADXL335角度大於設定數值時蜂鳴器發出警報聲,此時LCM顯示”Warning !”。



圖10 : 傾倒警報測試LCM動作圖
圖10 : 傾倒警報測試LCM動作圖

圖中上圖為傾倒模式,下圖為正常模式,LCM所顯示的狀態。


3.使用7串24V的電池盒供電給伸縮桿,再透過24V降壓成3.3V給HT66F70A,將程式燒錄進MCU裡,ADXL335前傾時前腳伸長,後傾時前腳縮短。


4.建築物樓梯及平台之寬度、梯級之尺寸,應依下列規定:


數據採樣說明:在我們採樣的12組共48個數據中,高度15到18公分的樓梯比例占最高,而平均值也落在16公分左右,這些資料可以佐證,20公分的伸縮桿足以使用在絕大部分的樓梯上。


(本文作者謝振榆為國立虎尾科技大學光電工程系教授;林榮傑、唐煜翔、翁晟豪、陳柏霖為國立虎尾科技大學光電工程系學生)


參考文獻

[1] 陳源林,“Holtek 微控制器應用簡單上手 C語言實例說明”,全華。


[2] 鍾啟仁,“HT66xx 微控制器應理論與實務寶典”,全華。


[3]“Holtek微控制器應用簡單上手” ,全華。


[4]「HT66Fxx Flash MCU 原理與實務-C語言」,全華。


[5] HT66F70A Datasheet-Holtek.


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