逢大學自動控制工程學系專題製作專題論文 - …...逢大學...

逢甲大學

自動控制工程學系專題製作

專題論文

拳擊機

Boxing Machine

指導教授：鄒慶福教授

學生：莊凱傑

李岱穎

莊理夫

中華民國九十八年十月

ii

感謝

首先感謝鄒慶福老師帶領我們進入廣大微機電的領域，學習微機電的相關基

礎，讓我們加入微系統科技實驗室學習製作專題。在實驗室的豐富資源下與老師

的細心教導與督促，指引我們明確的專題研究方向，讓我們的專題研究能夠更順

暢的進行。

進行專題研究實作當中，設計專題的整體架構流程遇到的困難，老師與實驗

室的學長無私的在百忙之中都會給予我們協助與教導，一起討論來解決遇到的瓶

頸和改善各種問題，也提供我們其他相關資訊來幫助我們更順利的進行專題研

究。每個星期的 Meeting，以口頭方式報告目前的進度，增加簡報與自身的表達

能力。老師與每位學長都會提出進度中的各種問題，給予指導與解決的方法還有

提出很多創新的想法，在每次的 Meeting 所得的寶貴經驗傳承，一點一滴的累積

漸漸進入狀況，順利完成專題研究。

在此內心非常感謝專題老師鄒慶福老師無私的諄諄教誨，很有耐心的指導與

關心我們，也非常感激實驗室的賴騰憲學長、黃正翰學長、張君銘學長和吳嘉銘

學長，在任何時間都不厭其煩的給予我們協助，還有也謝謝自動控制工程學系各

個實驗室相關單位實驗儀器設備與各種材料的提供。

在這一年當中，學習了如何製作一個完整專題，運用了這三年所學的專業課

程，將理論的專業知識實體化，與組員相互的努力，完成了專題研究，非常感謝

協助過我們的人。

iii

中文摘要

本專題目的為設計與製作可攜式拳擊機，透過感測加速度的變化轉換為受力

磅數值的輸出。實體架構實現上，主要是將加速規電路放入於受力物中，並以

LCD、LED 與喇叭的搭配作為受力顯示與聲光效果的輸出。電路設計上，主要

使用之核心感測元件是微機電技術所製作成的微加速度感測器，由於感測器本身

具輕薄短小的特性，因此適用在許多可攜式產品內。以此感測器作為整體架構的

設計核心，並以 8051 單晶片作為控制器，搭配 A/D 轉換電路與程式設計，即可

成功的將加速度值轉變為力量的輸出並顯示於 LCD 上，且獲得預期設計的聲光

效果。對於市面上的大型拳擊機台過於體積龐大，本專題可有效將體積大幅縮

小，且將應用層面變的更加廣泛，卻可同樣維持大型機台具有的娛樂效果。因此

可突破過去拳擊機的使用上刻板的地域限制；另一方面，利用微加速規的感測方

式，可進一步提升量測的準確性，並可應用於加速度的量測。

iv

Abstract

To Design and manufacture a portable boxing machine, by sensing the variable

of acceleration. In the entity construction, we put the circuit of accelerometer into a body

which is forced, match with LCD, LEDs and speakers to show the Acousto-optic effect

what we want. In the circuit design, the sensor is manufactured by MEMS (Micro Electro

Mechanical System). Because the sensor has the excellence of thin and small, it suits with

many portable products. In market condition the size is too huge,our design can not only

effectively reduce the size and use extensively but also keep the entertainment effect what

the huge also has. In the other hand, it can promote the measuring accuracy to apply in the

measuring of acceleration.

v

目錄

感謝................................................................................................................................ ii

中文摘要...................................................................................................................... iii

Abstract ......................................................................................................................... iv

目錄................................................................................................................................ v

圖目錄.......................................................................................................................... vii

表目錄........................................................................................................................... ix

Chapter 1 概論 ............................................................................................................... 1

1.1 前言.................................................................................................................. 1

1.2 研究動機 ......................................................................................................... 2

1.3 研究方法 ........................................................................................................ 2

1.4 電路架構 ........................................................................................................ 4

1.5 動作流程 ........................................................................................................ 4

Chapter 2 元件原理與應用 ........................................................................................... 5

2.1 MCS-51 單晶片 ............................................................................................... 5

2.2 LCM 模組 ........................................................................................................ 8

2.3 數位/類比轉換原理 ...................................................................................... 11

2.4 音樂 IC………………………………………………………..…………….15

2.5 加速度感測器……….………………………………………………..…….16

2.5.1 加速規基本原理................................................................................. 16

2.5.2 加速規設計理論................................................................................ 17

2.5.3 加速規種類........................................................................................ 18

2.5.4 加速規之選用.................................................................................... 21

Chpater 3 軟體操作 ..................................................................................................... 23

3.1 Keil μVision2整合環境介紹 .................................................................... 23

vi

3.2 PGMSx 燒錄軟體 .......................................................................................... 25

3.3 Multisim10.1 電路輔助設計 ......................................................................... 26

Chapter 4 電路實體整合與結果 ................................................................................. 26

4.1 麵包板電路模擬............................................................................................ 26

4.2 軟體佈線(Layout)模擬.................................................................................. 27

4.3 PCB 板製作 ................................................................................................... 28

4.4 實體電路........................................................................................................ 29

Chapter 5 結論 ............................................................................................................. 32

5.1 實驗結果........................................................................................................ 32

5.1.1 運算公式............................................................................................. 32

5.1.2 LED 動作形式 .................................................................................... 33

5.1.3 LCD 磅數對應顯示............................................................................ 34

5.1.4 受力物................................................................................................. 34

5.2 問題與解決方法............................................................................................ 35

5.2.1 電壓源對加速規靈敏度的影響......................................................... 35

5.2.2 微單晶片控制 Melody IC .................................................................. 36

5.3 討論與未來展望............................................................................................ 36

參考文獻...................................................................................................................... 38

附錄單晶片程式設計(C 語言) ................................................................................. 39

vii

圖目錄

圖 1.1 專題製作流程圖................................................................................................. 3

圖 1.2 動作流程圖......................................................................................................... 5

圖 2.1 8051 功能方塊圖................................................................................................ 6

圖 2.2 Pin(PDIP) ............................................................................................................ 7

圖 2.3 Pad(PLCC) .......................................................................................................... 7

圖 2.4 LCD 記憶體位址................................................................................................ 9

圖 2.5 Dimensions / Display Content ............................................................................ 9

圖 2.6 數位類比轉換原理與方塊圖........................................................................... 11

圖 2.7 ADC0804 接腳圖與基本電路 ......................................................................... 14

圖 2.8 UM66T32L 腳位圖 .......................................................................................... 15

圖 2.9 Application Circuit ............................................................................................ 16

圖 2.10.......................................................................................................................... 16

圖 2.11 .......................................................................................................................... 17

圖 2.13.......................................................................................................................... 17

圖 2.14.......................................................................................................................... 19

圖 2.15.......................................................................................................................... 19

圖 2.16.......................................................................................................................... 20

圖 2.17 ADXL321 ........................................................................................................ 21

圖 2.18 Function Block Diagram ................................................................................. 22

圖 2.19 Pin Configuration ............................................................................................ 22

圖 3.1 Keil μ Vision2 操作介面 ................................................................................. 24

圖 3.2............................................................................................................................ 25

圖 3.4 Multisim 10.1 操作介面 ................................................................................... 26

圖 4.1 麵包板測試電路.............................................................................................. 26

viii

圖 4.2 Multisim 電路 .................................................................................................. 27

圖 4.3 Multisim PCB 佈線 ......................................................................................... 27

圖 4.4 Multisim 3D 模擬 ............................................................................................ 28

圖 4.5 電路板製作過程.............................................................................................. 28

圖 4.6 實體電路.......................................................................................................... 29

圖 4.7 壓克力封裝...................................................................................................... 29

圖 4.8 拳擊手套.......................................................................................................... 30

圖 4.9 實體完成圖(1)................................................................................................ 30

圖 4.10 實體完成圖(2) ............................................................................................... 31

圖 5.1............................................................................................................................ 32

圖 5.2 LED 倒數八秒 ................................................................................................. 33

圖 5.3 LED 閃爍(1) .................................................................................................... 33

圖 5.4 LED 閃爍(2) .................................................................................................... 33

圖 5.5 LED 閃爍(3) .................................................................................................... 33

圖 5.6 LCD 對應磅數值............................................................................................. 34

圖 5.7 加速規輸入對輸出.......................................................................................... 35

圖 5.8 加速規輸出電壓對加速度.............................................................................. 35

圖 5.9 Melody IC 控制 ............................................................................................... 36

ix

表目錄

表 2.1 單晶片接腳功能 ............................................................................................. 7

表 2.2 8051 的 P3 阜多工輸出阜 .............................................................................. 8

表 2.3 LCD接腳功能說明 .......................................................................................... 9

表 2.4 暫存器之選擇與控制介面信號 ................................................................... 10

表 2.5 LCD寫入控制指令組 .................................................................................... 10

表 2.6 ADC0804 接腳功能說明 .............................................................................. 13

表 2.7 Pin Function Description ............................................................................... 22

表 2.8 ADXL321 Features ........................................................................................ 23

1

Chapter 1 概論

1.1 前言

近年來隨著各種電子商品與機械元件的微小化，微機電系統 (Micro Elector

Mechanical System, MEMS) 已經成為熱門研究的課題。我們所熟知的微感測器

(Microsensor) 是在微機電系統中最早被商品化的產品，也是發展最快速的技術

之一。微感測器除了比傳統的感測器具有更小的體積外，更可以精確的測量與控

制，此外，由於製程技術與製作積體電路製程的相容性極高，因此可以大量的製

造以及降低成本。

一般微感測器中，感測元件是利用微細加工 (Micromachining)技術在矽晶圓

(Silicon wafer)上製作出三維的結構，例如懸臂樑(Cantilever beam)、橋(Bridge)、

隔膜 (Diaphragm)、齒輪 (Gear)和微馬達 (Micromotor)等結構，然而若將這些微

結構及具有換能功能的材料(例：壓電薄膜) 與微電子電路整合在同一晶片上，

則可製作成微感測器。

感測元件微小化後，不僅能保有原先的感測特性，更具有穩定性高、工作頻

帶寬優點。此外積體化的設計不僅降低了微感測元件的成本，更提高了元件的實

用性。以汽車工業為例，壓力感測器可應用於引擎燃燒控制，提高燃燒效率；加

速度感測器可用於安全氣囊、主動懸吊系統的控制；而陀螺儀則可用於導航系統

中估算車輛方位。另外，在其他方面如醫療器材、航太工業…等，也具有相當大

的潛在市場。

2

1.2 研究動機

一般市面上所有的拳擊機都是屬於較大型的機台，要從事此項娛樂必頇到遊

戲場體驗，而一般家庭中不太可能擺放如此大型的娛樂器。一般拳擊機所用來量

測力的方式大概有四種，牛頓第二運動定律、利用瞬間動量、利用壓力的定義、

利用經過的時間從靶的定點到碰到感應器的時間下去算出數值，上述方法中最常

使用的是利用經過的時間從靶的定點到碰到感應器的時間下去算出數值，以時間

來計算此種方法很容易有誤差的產生，而經常看到娛樂者為了縮短時間以助跑的

方式打擊，而造成一些傷害。

本專題拳擊機把目前市面上的大型機台微小化，縮小了大型機台所佔用的體

積空間，並將靶改成沙包代替，因沙包普遍度較高也容易取得，配上本專題拳擊

機，立即可測量所施的力，而所使用的感測器微加速規來準確量測娛樂者所打擊

的力量，利用所感測到的加速度配合牛頓第二運動定律來計算，再加上 LED 與

音樂的搭配使得此拳擊機更具有娛樂性。

1.3 研究方法

專題研究方法，主要為加速規特性、電路設計、程式設計和受力物四方面，

製作流程圖如圖 1.1，首先去尋找相關的文獻期刊，了解各元件與軟體的特性與

應用，再來透過各種資料的分析，選用適合的感測器加速規，測試輸出訊號是否

正確，正確後結合於所設計的電路先在麵包板上做測試，電路無誤後，接著開始

進行程式設計，主要是利用微單晶片 89S51 控制整體的動作顯示，反覆的測試改

進達到基本所要求的結果，再來從基本的增加一些變化度，使娛樂性更高，不只

是單單的顯示出數值來，電路與程式確定後，利用軟體 Multisim 進行佈線，實

體化電路於 PCB 板上，接著將 PCB 板包裝化，最後將整體電路整合在所選用普

遍度較高的受力物沙包上，實際操作符合所期望的確定後，最後進行論文的撰寫。

3

圖 1.1 專題製作流程圖

4

1.4 電路架構

本專題電路架構主要為以下六項組合而成:

1.加速度感測器 ADXL321:主要為感測加速度的大小，將類比輸出數值傳送到 ADC

轉換成數位形式。

2.類比轉數位 ADC0804:將所接收到的類比數值經運算後轉換成數位數值傳送

到微單晶片。

3.微單晶片 8051:微單晶片接收到數位的電壓值後，經由換算把電壓值

經過一連串的公式運算轉換成磅數顯示。

4.LCD顯示器與發光 LED:微單晶片運算後顯示在 LCD，配合程式的判斷 LED作變

化。

5.74LS244:微單晶片出來的電流很小，所以使用 74LS244 來放大電

流讓 LED足夠發亮，主要因為此顆 IC為八對八，一顆

就可以對應八顆 LED，對於基本的 BJT放大電流省下許

多的空間與元件。

6.喇叭與音樂 IC:由微單晶片控制，控制在某時間啟動。

1.5 動作流程

本專題的動作流程如圖 1.2，電源啟動後，八顆 LED 全亮開始倒數八秒，一

秒暗一個 LED，喇叭也隨著 LED 依序的暗下來同步動作，八秒後開始打擊受力

物在一秒時間內，加速度規受感測到加速度，經由微單晶片運算後在 LCD 顯示

數值，同時 LED 隨著數值的大小作變化，喇叭同步動作，上述動作完成後，接

下來 LED 再隨著數值大小作不同的變化，結束後此時喇叭音樂動作與 LED 閃爍

變化同時動作，接著結束，一段時間後重新開始。

5

圖 1.2 動作流程圖

Chapter 2 元件原理與應用

2.1 MCS-51 單晶片

基本功能特性(圖 2.1)

‧8 位元中央處理器(CPU)。

‧內建有 4K 位元組的程式記憶體(ROM)，最大可擴充到 64K 位元組。

‧內建有 128 位元組的資料記憶體(RAM)，可外接擴充到 64K 位元組。

‧具有 32 條(4 組 8 位元)雙向輸入/輸出(I/O)線，且每條輸入/輸出線可單獨定址

的輸出入阜 P0、P1、P2、P3。

‧具有 2 個 16 位元的計時/計數器，T0、T1。

‧具有全雙工(即可同時雙向傳送資料)的串列通訊輸入/輸出阜，又稱 UART(萬

6

用非同步接受傳送器)。

‧具 5 個中斷來源。INT0、INT1、T0、T1、RXD、TXD。

‧內部有時脈振盪電路(一般使用頻率在 12MHz)。

圖 2.1 8051 功能方塊圖

硬體接腳與基本電路

8051 單晶片為 40 支接腳，包裝形式有兩種，DIP 與 PLCC 封裝 IC。晶片接腳如

圖 2.2 所示。接腳功能摘要如表 2.1。40 支接腳功能簡單歸類為下列幾項：

‧輸出入阜接腳：P0、P1、P2、P3 阜，4 個 8 位元雙向 I/O 接腳，共估計有 32

支接腳。

‧電源/接地/重置接腳：/CC SSV V ，RESET，計有 3 支接腳。

‧時脈電路用接腳：XTAL1/2，計有 2 支接腳。

‧外部記憶體控制有關接腳：/ PPEA V 、PSEN 、ALE，計有 3 支接腳。

7

圖 2.2 Pin(PDIP) 圖 2.3 Pad(PLCC)

表 2.1 單晶片接腳功能

接腳功能

/CC SSV V (20、40 腳) 電源(5V)/接地

XTAL1/2(18、19 腳) 時脈反向放大器輸出/入端，接上石英振盪器

RESET(9 腳) 高電位動作，系統重置，指令指標回到 0000H

/ PPEA V (31 腳) 若系統讀取外部程式，接低電位

PSEN (29 腳) 晶片外部程式記憶體致能信號輸出端

/ALE PROG (30 腳) 位址閂鎖致能信號，配合位址/資料匯流排使用

P0.0~P0.7(32~39 腳) 8 位元雙向 I/O 阜，擴充外接記憶體可做位址/資料匯流

排使用

P1.0~P1.7(1~8 腳) 8 位元雙向 I/O 阜

P2.0~P2.7(21~28 腳) 8 位元雙向 I/O 阜

RXD/TXD(10、11 腳) 串列傳輸的輸出入端接地(又稱 P3.0、P3.1)

0 / 1INT INT (12、13腳) 外部中斷輸入接腳(又稱 P3.2、P3.3)

8

T0/T1(14、15 腳) 計時計數器的輸入接腳(又稱 P3.4、P3.5)

/RD WR (17、16 腳) 外部資料的讀取/寫入(又稱 P3.6、P3.7)

表 2.2 8051 的 P3 阜多工輸出阜

接腳名稱特殊功能

P3.0 RXD(串列阜的輸入腳)

P3.1 TXD(串列阜的輸出腳)

P3.2 0INT (外部中段 0 的輸入腳)

P3.3 1INT (外部中段 1 的輸入腳)

P3.4 T0(計數器 0 的輸入腳)

P3.5 T1(計數器 1 的輸入腳)

P3.6 WR (當 CPU 欲將資料送至外部 RAM 或外部 I/O 裝置時，此腳會產

生負脈波。稱為寫入脈波輸出腳。)

P3.7 RD (當 CPU 欲從外部 RAM 或外部 I/O 取資料時，此腳會產生負脈

波。稱為讀取脈波輸出腳。)

2.2 LCM 模組

液晶顯示器 LCD

液晶顯示器(Liguid Crystal Display)是用途極為廣泛的顯示裝置，它具有省電

低功率耗損、輸出入介面簡單容易使用、顯示的花樣繁多，可靠性高，特別適用

在可攜帶型的電子產品，例如筆記型電腦、PDA、手機、家電玩具產品與量測儀

表的顯示面板…等。因此 LCD已成為微電腦應用領域，不可或缺的顯示裝置。

LCD的種類與功能

LCD依其顯示的方式可分為：文字型 LCD與繪圖形 LCD兩種。一般文字行 LCD，

主要用來顯示 ASCII字元符號。通常以 LCD畫面上每行能顯示的字數與行數做為

分類的依據，常見的有 16字 x2列、20字 x2列與 40字 x2列幾種。

9

本實驗採用的為 16字 x2列，其對應為址與功能如圖 2.4 所示。

圖 2.4 LCD記憶體位址

圖 2.5 Dimensions / Display Content

LCD接腳功能

表 2.3 LCD接腳功能說明

接腳編號信號名稱名稱及功能

1 aaV 電源接地：0V

2 ddV 電源正端：+5V

3 oV LCD亮度調整電壓輸入

4 RS 暫存器選擇(Register Select)信號

RS=0：選擇指令暫存器

RS=1：選擇資料暫存器

5 /R W 讀寫信號線

/R W =0：資料寫入(Write)LCD

10

/R W =1：讀取(Read)LCD資料

6 E LCD致能(Enable)信號，高電位時，

讀取或寫入之資料方為有效

7~14 DB0~DB7 資料匯流排(Data Bus)，

當使用 8位元資料匯流排時，DB0~DB7階有效；

而使用 4位元資料匯流排時，僅 DB4~DB7有效

表 2.4 暫存器之選擇與控制介面信號

E RS /R W 作用

1 0 0 寫入指令暫存器(IR)

1 0 1 讀取忙碌旗標(BF)與位址計數器

(AC)

1 1 0 寫入資料暫存器(DR)

1 1 1 讀取資料暫存器(DR)

LCD控制指令

控制 LCD 的顯示方式，配合 RS=0與 /R W =0兩個控制接腳，將控制指令碼寫入

IR暫存器。LCD 的指令由 8位元資料構成，指令碼與對應的功能如表 2.5 所示。

由表 2.5 可以歸納指令碼範圍與其功能關係。

表 2.5 LCD寫入控制指令組(RS=0； /R W =0)

項目指令功能字組 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

1 清除螢幕 01H 0 0 0 0 0 0 0 1

2 游標回到原點 02H~03H 0 0 0 0 0 0 1 *

3

進入模態設定

04H~07H

0 0 0 0 0 1 I/

D

S

I/D=1使用位址遞增；I/D=0使用位址遞

減；S=1螢幕 ON；S=0螢幕 OFF

4

螢幕/游標顯示

開關

08H~0FH

0 0 0 0 1 D C B

D=1表示螢幕 ON；D=0表示螢幕 OFF；

C=1表示游標 ON；D=0表示游標 OFF；

B=1表示閃爍 ON；D=0表示閃爍 OFF；

5

螢幕/游標顯示

開關

10H~1CH

0 0 0 1 S/

C

R/

L

* *

S/C=1表示螢幕移位；S/C=0表示螢幕移

位；

11

R/L=1表示游標右移；R/L=0表示游標左

移；

6

功能設定

20H~3CH

0 0 1 DL N F * *

DL=1表示規劃為 8 位元(DB0~DB7)1)；

DL=0表示規劃為 4 位元(DB4~DB7)

F=1表 5x10點矩陣；F=0表 5x7點矩陣

N=1表 2行顯示；N=0表 1行顯示

7 指定顯示位置 80H~FFH 1 * * * * * * *

2.3 數位/類比轉換原理

單晶片微電腦控制主要以處理數位訊號(0 與 1)為主，但真實世界裡的訊息與資

料，大多是以類比的信號存在，例如溫度、溼度、壓力、電壓值、電流值…等。

為了讓單晶片微電腦能擷取得這些訊息資料，加以分析、處理與顯示，通常必頇

藉由一些感測裝置，例如溫度計、溼度計、壓力計、電子磅秤…等，讀取類比訊

號，並轉換成數位訊號，才能進入單晶片微控制器。

圖 2.6 數位類比轉換原理與方塊圖

ADC 轉換器原理

ADC 轉換器是將類比訊號轉換成數位資料。ADC 轉換的轉換方式很多，有積分

法、連續漸進法、並聯比較法、計數器法…等。由於連續漸進法 ADC 轉換器轉

換速度快、解析度高且價錢便宜，因此廣泛應用在一般類比/數位訊號轉換的應

用上。

12

ADC 轉換器特性

‧解析度(Revolution)：在 ADC 轉換器中，主要是對欲轉換的類比訊號進行取樣

(Sampling)。取樣率(Sampling rate)越高，則類比訊號用不容易失真，意即解析

度越高。例如在 V=0~5V 的電壓量測範圍內，使用 8 位元的 ADC 轉換器(n=8)，

可分割 2^8=256 個解析度，量測電壓的最小刻度即為 5V/2^8=0.01953V。最常

用的 ADC0804 的解析度為 8 位元。高解析度的 AD571 位元的 ADC 轉換器。

‧穩態時間(Settling Time)：當數位訊號轉換為一穩定數位訊號，所需的時間。

一般而言，穩態時間越短越好。一般規格的穩態時間約在 100µs。ADC 的穩態

時間比 DAC 要長的時間做轉換。

‧類比訊號輸入：即 ADC 轉換器可以讀取並做轉換的電壓範圍。例如最常用的

ADC0804 的電壓輸入範圍在 0~5V。

8 位元類比/數位轉換-ADC0804

ADC0804 系列是一顆 8 位元漸進式(CMOS)的類比數位轉換器(A/D Converter)。

能將外部類比電壓訊號輸入，轉換成數位訊號輸出，提供 8051 單晶片讀取類比

訊號。相關的還包括 ADC0801、ADC0802、ADC0803、ADC0804、ADC0805

ADC0804 最具代表性，主要的特性包括下列：

‧8 位元解析度。

‧差動是類比電壓輸入。

‧滿刻度誤差在 ±1 LSB。

‧工作溫度範圍內，非線性誤差：±0.1% (滿刻度)。

‧穩態時間(轉換時間)為 100µs。

‧與 TTL 和 CMOS 可直接匹配。

ADC0804 接腳與電路

ADC0804 為 20 接腳的 IC，接腳如圖 2.7 所示。接腳功能如表 2.6。接腳與應用

13

電路的說明如下：

表 2.6 ADC0804 接腳功能說明

腳號接腳功能

1 CS 晶片選擇，低電位動作。

2 RD 讀取控制線，低電位動作，當 CS=0 且 RD=0 時，從

DB7~DB0 讀取轉換後的資料，中斷請求訊號設定為 1

3

WR

寫入控制線，低電位動作，當 CS=0 且 WR=0 時，ADC

內部重置，中斷請求訊號設定為 1,WR 信號在正緣時，

啟動 AD 轉換

4 CLK 時脈輸入端，晶片轉換脈波由此輸入，可搭配 CLKR 接

為振盪電路，亦可加入 100KHz 時脈輸入

5

INTR

中斷請求訊號，低電位動作，表示完成轉換，可讀取

DB0~DB7 的資料，平時則在高電位狀態，單晶片 CPU

可檢查本接腳決定是否讀取

6,7

INV

，

INV

類比訊號入端，輸入範圍在 0~ CCV

之間，類比訊號輸入

方式有兩種，差動輸入： INV 和 IN

V 兩接腳都接類比訊

號源；單端輸入方式： INV 接地

8 AGND 類比訊號接地端，在做精密量測時必頇單獨接到整流電

路的地端，避免干擾

9

2

refV

參考電壓輸入端，決定量測電壓得範圍，若改變本接腳

輸入，可有效調整量測範圍

10 DGND 數位電路的接地端，避免與 AGND 連接，以避免干擾

11~18 DB0~DB7 數位訊號輸出端：DB7 是 MSB；DB0 是 LSB

19 CLKR CLK 輸出腳，當時脈由外界提供時，波形與 CLK 反相

14

20 VCC 電源接腳

圖 2.7 ADC080 接腳圖與基本電路

15

2.4 音樂 IC

UM66T32L (Melody IC)

圖 2.8 UM66T32L 腳位圖

Features

‧64-Note Rom memory

‧1.5V~4.5V power supply and low power consumption

‧Dynamic speaker can be driven with external NPN transistor

‧OSC resistor hold mode

‧Power on reset melody begins from the first note

‧Built in level hold mode

16

圖 2.9 Application Circuit

2.5 加速度感測器

2.5.1加速規基本原理

加速規是指量測移動固體的加速度或減速度的儀器，微加速規可以量測機械

系統運動中的動態力量，這種感測器又常被歸類為慣性感測器，大部分的微加速

規是利用機械振動原理，加速規主要原件為質量與彈簧，質量通常會連接至阻尼

器以提供必要的阻尼作用。彈簧與阻尼器再與加速規外殼連接如圖 2.10。

圖 2.10

在微加速規中由於空間有限，因此必頇採用完全不同的構造，如圖 2.11，

一個微小矽懸臂樑及振質量構成質量-彈簧系統，而環繞樑的空氣提供阻尼作

用。在矽微樑上表面佈植壓阻，用以量測微樑的應變，此應變與振質量的位移有

關，由此可得到振質量的振幅及其加速度。

17

圖 2.11

2.5.2加速規設計理論

典型加速規如圖 2.12，由振動質量、彈簧和阻尼器構成。

圖 2.12

圖 2.13

加速規的外殼黏附在震動器的機器上，設其振動位移為 x(t)，且為簡諧運動，

18

如圖 2.13。x(t)=Xsinωt其中 X為加速規底座的最大振幅，t為時間，ω為角

頻率。令 y(t)為質量由平衡位置振動之位移，則質量 m 相對於底座之位移可表

示成:

( ) ( ) ( )z t y t x t

由此可得: ( ) ( ) ( )z t y t x t 和 ( ) ( ) ( )z t y t x t

其中 ( )

( )dz t

z tdt

和 2

2

( )( )

d z tz t

dt

由牛頓第二運動定律可以導出振動質量的運動方程式:

( ) ( ) ( ) 0kz t cz t my t

將 ( ) ( ) ( )z t y t x t 的關係式代入上式得:

( ) ( ) ( ) ( )mz t cz t kz t mx t

由於加速規貼附的機器振幅 x(t)=Xsinωt代入上式則變成:

.. .2( ) ( ) ( ) sinmZ t c Z t kZ t mX t

經過一連串的方程式求解後可得到下列關係式:

2

n

aZ

其中 a 是加速規貼附的機器之最大加速度。

2.5.3加速規種類

1.壓阻式加速規

以此原理有效地量測加速度，壓阻加在懸臂會發生最大變形的點上。隨著所

加的壓阻元件數目之增加，感測器的穩定性及精確性增加。如一質量由於加速度

而移動，它會改變它們的電阻。加速度由電阻改變而可被決定。藉由增加可移動

的質量，感測器的靈敏度可以增加。質量的重心愈靠近懸臂尾端愈好。壓阻型加

速器通常由矽科技所製。

19

圖 2.14

2.壓電式加速規

一般討論材料力學問題之本購律或組成律（Constitution Law）時，線性之

虎克定律已能規律大部份彈性體之受力變形 klijklIJ SCT 但對具壓電性之彈性體

而言，電力場 E亦會使壓電體產生應力 T

EeSCT kijklijklij

同理，對壓電體之電位移場 D而言，其組成律也不再限於電力場 E之影響

kikklikli EeD

由於應力（變）與電場（荷）可分別測定、調變，故可一方面量測壓電材料之感

應電荷以推定其所應力大小，此為一般壓電加速度計或力敏感測之感測器原理。

圖 2.15

3.電容式加速規

電容型加速度計通常可簡化為平行板電容，上端的電極為固定不動，下端的

電極是依附在一塊振動質量 m上，這塊質量由數根不計質量但勁度為 k的彈性樑

所支撐，當加速度計受到一個垂直的慣性力 F作用時，質量 m會上下振動，而電

容值會隨著兩電極間的間隙改變之變化。

20

若工作頻率遠小於加速度計的第一個垂直的自然振動頻率時，加速度所產生

的振動可視為靜平衡，此外，彈性樑上之反力可由虎克定律來探討，故此，加速

度可表示為F kx

am m

已知平行板電容的電容值為o

AC

d X

其中ε為介電

值常數，A為電極的面積，而 d0為質量不動時的間隙。由上兩式推導出電容值

隨加速度變化的函數 ( )

o

AC C a

mad

k

。

圖 2.16

目前加速規所應用的領域非常的廣泛，主要是應用於汽車安全氣囊在撞擊感

測方面的開發需要，現在也有手機加入加速規來使得手機的功能更多元化，而目

前非常賣座的遊戲機Wii也是運用了加速規的原理來設計的，而他們也開發了很

多遊戲軟體來支援遊戲機，而加速規感應方式有三種加速度、震動及傾斜角，而

現在也有許許多多的產品運用了加速規的不同的感應特性來設計產品。

加速度減速度：氣囊的撞擊感測、汽車懸吊系統的電子控制、安全帶自動束緊感

測、車輛及牽引力控制系統、慣性量測。

震動：引擎管理系統、引擎及機械設備的智慧型維修系統、安全防備設施、撞擊

急衝擊的監控

傾斜：監控地震的活動、傾斜器及傾斜偵測、車輛穩定性及搖晃、電腦周邊(例

如搖桿、頭頂顯示器)、傾斜角測量、橋梁、坡道及結構物

21

2.5.4加速規之選用

本專題研究所使用的加速規為ADXL321，是屬於電容式的加速規，此加速

規提供雙軸加速度感測，是利用MEMS 製程技術製作出的，因此具有輕薄短小

的優點，此外也具有低功率感測訊號輸出電壓、靈敏性和準確性的優良的特點，

也具有穩定性佳的優點。使用電壓範圍是從2.4V到6V，而溫度的承受範圍為-20oC

到+70oC,而在60Hz 時有最佳的辨識率，測量範圍在±18g，能測量動態及靜止的

加速度。

Accelerometer ADXL321

Features

Small and this

4mm×4mm×1.45mm LFCSP package

3mgresolution at 50Hz

Wide supply voltage range : 2.4V to 6V

Low power:350μA at Vs=2.4V(typ)

Good zero g bias stability

Good sensitivity accuracy 圖 2.17ADXL321

X-axis and Y-axis aligned to within 0.1°(typ)

BW adjustment with a single capacitor

Single-supply operation

10,000 g shock survival

Compatible with Sn/Pb and Pb-free solder processes

22

圖 2.18 Function Block Diagram

圖 2 .19 Pin Configuration

表 2.7 Pin Function Description

Pin NO. Mnemonic Description

1,4,8,9,11,13,16 NC Do Not Connect

2 ST Self-Test

3,5,6,7 COM Common

10 OUTY Y Channel Output

12 OUTX X Channel Output

14,15 SV 2.4V to 6V

23

表 2.8 ADXL321 Features

＃of Axes 2 Typical Bandwidth

(KHz)

2.5

Range ±18g Voltage Supply (V) 2.4~6

Sensitivity 57mV/g Supply Current 0.49mA

Sensitivity Accuracy (%) ±10 Temp Range (℃) -20~70℃

Output Type Analog Package 4mm×

4mmLFCSP

Chapter 3 軟體操作

3.1 Keil μVision2整合環境介紹

Keil μVision2 是一套在 Windows 環境下，8051 單晶片整合性開發介面(Integrated

Development Environment)軟體，它具備完善的專業管理系統，提供編輯器以編

寫程式及說明文件，可以協助我們編寫、翻譯(包含 C 的編譯器 C51 Complier 以

及 A51 組譯器)、除錯和測試嵌入式系統程式(Embedded Programs)。

‧μVision2 IDE：整合編輯作業環境，擁有編譯、組譯、連結等建構專案的功能。

‧C51 提供 ANSI C 程式語言編譯器(ANSI C Compiler)；A51 提供 8051 組合語言

程式組譯器(Macro Assembler)。

‧在程式的連結時，提供 ANSI 標準程式庫、LIB51 程式庫管理員，與 RTX51

即時作業系統。

‧μVision2 Debugger：有強大的除錯工具和平行模擬系統。

24

圖 3.1 Keil μVision2 操作介面

PgmsB IC writer

圖 3.2

Product Specification

採用可變長度自動燒錄，有效減短燒錄的時間

25

表 3.1 燒錄器規格表

機器型號簡易 B 型 PGMSB

燒錄廠牌燒錄 IC 型號

ATMEL AT89C51/52/55/1051/2051/4051 , AT89S51/52/8252/53

ATMEL 90S1200/2313/4414/8515/4434/8535 , MEGA16/32/8515/8535

ATMEL EEPROM-93C46/56/66/86 , 24C01/02/04/08/16/32/64/128/256/512

MICROCHIP 16C/F84/A , 16C71/710/711 , 16HV540 , 16C52/54/56/58 , 16F54/57

MICROCHIP 16C621/622/CE625 , 16F627/628

MICROCHIP EEPROM-93C46/56/66/76/86 ,

24C01/02/04/08/16/32/64/128/256/512

INTEL D87C51/52 , P87C51/52

DALLAS DS87C520

PHILIPS P87C51U/52U/54U/58U , P87C51/52/54/58 ,

P87C51X2/52X2/54X2/58X2

SST 89C54/58 , 89E/V554RC/564RD/5xRDx

3.2 PGMSx 燒錄軟體

圖 3.3 PGMSx 操作介面

26

3.3 Multisim 10.1 電路輔助設計

Multisim 10 與 Ultiboard 透過直覺與彈性的配置工具，整合功能強大的

SPICE 模擬與分析，以快速並專業地完成多種工業與電子教育的 PCB 設計。NI

Electronics Workbench Group 具有新增與提升過的功能，可逐步發展簡單易用的

設計流程；從擷取、模擬，到最後的原型製作。

圖 3.4 Multisim 10.1 操作介面

Chapter 4 電路實體整合與結果

4.1麵包板電路模擬

圖 4.1 麵包板測試電路

27

4.2軟體佈線(Layout)模擬

實體電路確定後，利用軟體 Multisim 實現電路，進行電路的 Layout，並利

用軟體中的 3D 實體 PCB模擬，可以觀看最後的雛形進行改進。

圖 4.2 Multisim電路

圖 4.3 Multisim PCB 佈線

28

圖 4.4 Multisim 3D模擬

4.3 PCB板製作

圖 4.5 電路板製作過程

29

4.4 實體電路

圖 4.6實體電路

30

圖 4.7 壓克力封裝

圖 4.8拳擊手套

圖 4.9 實體完成圖(1)

31



32

Chapter 5 結論

5.1實驗結果

5.1.1 運算公式

本專題研究中較重要的部分為數值運算、轉換與校正，首先由感測器加速規

感測到加速度而輸出電壓，將類比電壓值傳送到 ADC進行轉換成為數位電壓值，

再經由微單晶片進行數位電壓換算為所需要的磅數如圖 5.1說明。

圖 5.1

33

5.1.2 LED動作形式

圖 5.2 LED 倒數八秒圖 5.3 LED 閃爍(1)

圖 5.4 LED 閃爍(2) 圖 5.5 LED 閃爍(3)

34

5.1.3 LCＤ磅數對應顯示

圖 5.6 LCD 對應磅數值

5.1.4 受力物

原使用之受力物沙包在實際多次打擊測量後，所感測到的值很不穩定，每次

打擊時有明顯的誤差。在討論後，發現造成此不穩定因素為沙包太容易吸收力，

一打擊沙子就會因打擊的力使得沙子往後位移或沙包因此凹陷，使感測到的值很

不穩定。故改成沙球，將籃球內放入沙子，將沙包之不穩定因素降低，在實際打

擊後，所感測到的數值比起沙包更穩定，依相同的力道打擊，每次所打擊的數值

不會誤差太大。所以選用之受力物剛性要較佳，不會因打擊而產生形變，吸收過

多的力量。

35

5.2實驗問題與解決方法

5.2.1電壓源對加速規靈敏度的影響

此研究所使用的 ADXL321所給的規格電壓源輸入 3V，而相對應常溫下的靈

敏度為 57mV/g，而我們所使用的電壓源為 6V，實際動作下與理論值不相同，利

用 57mV/g 所得的結果造成的誤差過大，所以我們我進行了電壓源對於靈敏度的

測量驗證如圖 5.7，而靈敏度會影響電壓輸出的結果。

圖 5.7加速規輸入對輸出

由測量得知，輸入電壓源的一半會等於輸出電壓源，而用 6V電壓源靈敏度

相對應會變成兩倍，從 57mV/g變成 114mV/g。利用上述的推論靈敏度會變成兩

倍的結果，實際測量輸出電壓與加速度的關係如圖 5.8，而此關係驗證了上述的

結果，沒有造成過大的誤差。

36

圖 5.8加速規輸出電壓對加速度

5.2.2 微單晶片控制 Melody IC

微單晶片一被驅動，PORT輸出端就會有很小的電壓輸出，而 Melody IC 接

收到馬上就驅動而無法控制，所以利用 BJT可以當開關的特性加在 Melody IC

電壓源前，因此即可控制 Melody IC 在任何時間都可以用微單晶片控制。

圖 5.9 Melody IC 控制

5.3 討論與未來展望

目前市面上的拳擊機都以大型機台為主，而本專題是將其整體縮小，微小化

但不失去其娛樂，配合了 LED 與音樂的變化增加視覺與聽覺的享受，並且增加

了準確性，而成本相對於大型機台也較低，可適用於任何打擊物上或任何的動

37

作，只要經過簡單的程式改變都可量測所要的磅數與加速度，例如量測拳速等等。

本專題的實體電路是使用最基本的 PCB板來實現，而電路的包裝是以較常見

的壓克力材料進行切割組裝，較於普遍，後續的研究可以將包裝進行改進與美

化，依照本實體來量身設計其外觀，並且將 Layout佈線圖盡量縮小，把各個元

件間的空間也盡量降低，使得整體電路更小，更利於使用與配置。

因本拳擊機目前加速度感測器與電路是以傳輸線來連接，就是所謂的有線傳

輸，後續也可將有線的傳輸改為無線的傳輸，即可將實體電路與感測器分開，就

不需要把實體電路也配置在打擊物上，只需要把感測器置於打擊物中即可使用，

更為方便實用，讓此專題使用性提高，更為完善。

38

參考文獻

1. 林振漢，8051 單晶片實作-使用 C語言 (C and the 8051:Building Efficient

Applications)，博碩文化股份有限公司，2004年 10 月(初版九刷)

2. 徐泰然，朱銘祥翻譯，微機電系統與微系統設計與製造 (MEMS &

MICROSYSTEMS Design and Manufacture)，美商麥格羅‧希爾國際股份有限

公司台灣分公司，2007年 3月(三版二刷)

3. 蔡朝洋，電子學實驗修訂版，全華科技圖書股份有限公司，2007年 2月(二

版十一刷)

4. www.atmel.com

5. www.intersil.com

6. www.analog.com

7. www.alldatasheet.com

8. www.DatasheetCatalog.com

附錄單晶片程式設計(C語言)

http://www.atmel.com/http://www.intersil.com/http://www.analog.com/http://www.alldatasheet.com/http://www.datasheetcatalog.com/

39

//LCD 模組函式適用於文字型 LCD

//lcd.h

#ifndef _lcd_h_

#define _lcd_h_

#include

/* ======= 硬體接腳的定義 ============= */

#define DBPORT P0 // 定義 P0 埠為資料輸出埠

sbit RS=P2^0 ; // LCD 致能控制線接腳

sbit RW=P2^1 ; // LCD 讀寫控制接腳

sbit E=P2^2 ; // LCD 資料與指令選擇線接腳

/* ======= LCD 基本顯示驅動 ============= */

void Init_LCD(); // LCD 初始化模組

void LCD_CMD(char cmd); // 寫入指令暫存器函式原型宣告

void LCD_DATA(char data1); // 寫入資料暫存器函式原型宣告

/* ======= LCD 顯示 ============= */

void DISP_Chr(char col,char chrx); //顯示字元

void DISP_Str(char col,char *str); //顯示字串

//字串左旋顯示函式原型宣告

void RL_Str (char addr1,char *str,char offset);

//字串右移顯示函式原型宣告

void RR_Str (char addr1,char *str,char offset);

// LCD 顯示數字函式原型宣告

void DISP_Int(char addr1,int v1);

// 延遲副程式函式原型宣告

void delay1ms(int count);

/* ========================== */

void Init_LCD() // LCD 初始化函式

{

delay1ms(5) ; // 等待 LCD 電源開啟完成

40

LCD_CMD(0x3f) ; // 採 8 位元資料存取/雙列字/5×10 字型

LCD_CMD(0xe) ; // 顯示器 ON/游標被顯示在位址計數器

LCD_CMD(0x1) ; // 清除全螢幕

delay1ms(2) ; // 延遲時間

LCD_CMD(0x80); // 設定 DD RAM 位址第一行第一列

}

// 寫入指令暫存器函式

void LCD_CMD(char cmd)

{

int i;

DBPORT=cmd ; //寫入指令暫存器

RS=0;RW=0;E=1; //控制線 P1=0x40;

for(i=0 ; i < 40 ;i++) ; // 一個短時間的延遲時序

RS=0;RW=0;E=0; //控制線 P1=0x00;

}

// 寫入資料暫存器函式

void LCD_DATA(char data1)

{

int i;

DBPORT=data1;

RS=1;RW=0;E=1; //控制線 P1=0x50;

for(i=0 ; i < 40 ;i++) ; // 一個短時間的延遲時序

RS=1;RW=0;E=0; //控制線 P1=0x10;

}

// 延遲副程式 1ms 為單位

void delay1ms(int count)

{

int i,j;

for(i=0;i

41

// 在 LCD 指定位置顯示字元函式

void DISP_Chr(char col,char chrx)

{

LCD_CMD(col); // 設定 DD RAM 位址第一行第一列

LCD_DATA(chrx); // 呼叫顯示字串函式

}

// 在 LCD 指定位置顯示字串函式

void DISP_Str(char addr1,char *str)

{

LCD_CMD(addr1); // 設定 DD RAM 位址第一行第一列

while(*str !=0)

LCD_DATA(*str++); // 呼叫顯示字串函式

}

void RL_Str(char addr1,char *str,char offset)

{

char i;

char *start=str;

str+=offset;

LCD_CMD(addr1) ; // 設定 DD RAM 位址

while(*str !=0)


for (i=0;i

42

while(*str !=0)


for (i=0;i

43

char code title[]={"FCU Auto Control"};

char code DxC1[]={">>>>> lb"};

char code eyB1[]={"**** Stupid ****"}; //60

char code eyB2[]={"* Sorry Sorry! *"}; //120

char code eyB3[]={"** Keep going **"}; //180

char code eyB4[]={"*** Superman ***"}; //240

char code eyB5[]={"*** Amazing! ***"}; //300

void delay150us();

sbit ADCRD=P2^3 ; // 設定 RD 控制線接腳為 P2.3

sbit ADCWR=P2^4 ; // 設定 WR 控制線接腳為 P2.4

#define ADCPORT P1 // 定義 P1 埠為資料輸出埠

sbit LED1=P3^0; // 設定 LED(Red)接腳

sbit LED2=P3^1; // 設定 LED(Blue)接腳

sbit LED3=P3^3;

sbit LED4=P3^4;

sbit LED5=P3^5;

sbit LED6=P3^6;

sbit LED7=P3^7;

44

sbit LED8=P2^5;

sbit LP=P2^6; // 設定喇叭接腳

sbit speaker=P2^7; // 設定蜂鳴器接腳

void delay10ms(int count) // 延遲 10ms 函式

{

int i,j;

for(i=0;i

45

LED2=0; delay1ms(500); bz();







}

void LEDb(void) // LED 閃爍模式(1)

{

int p;

for(p=0;p

46

for(q=0;q

47

}

void LEDe(void) // LED 隨磅數值變化模式(2)

{

int s;

for(s=0;s

48

LED2=1; LED7=1; delay1ms(300);






}

}

void LEDg(void) // LED 隨磅數值變化模式(4)

{

int u;

for(u=0;u

49

void LEDh(void) // LED 隨磅數值變化模式(5)

{

int v;

for(v=0;v

50

int k,zz;

int temp=0,tempmax=0;

LP=1; // 喇叭初始化

speaker=1; // 蜂鳴器初始化

Init_LCD(); // 呼叫 LCD 初始化函式

LCD_CMD(1); // 清除畫面

delay1ms(10); // 延遲時間

//DISP_Str(0x80,title); // 指定在第一行顯示字串

DISP_Str(0x80,DxC4);

DISP_Str(0xC0,DxC1); // 指定在第 2 行顯示單位字串

LCD_CMD(0X0C); // 清除游標

LED1=1 ; LED2=1 ; LED3=1 ; // LED 初始化(亮)

LED4=1 ; LED5=1 ; LED6=1 ;

LED7=1 ; LED8=1 ;

LEDa(); // LED 倒數

for(k=0;k

51

{

tempmax=temp;

for(zz=0;zz

52

{

LED1=1; LED2=1; LED3=1; LED4=1;

LED5=1; LED6=1;

}

else if(tempmax320)

{

LED1=1; LED2=1; LED3=1; LED4=1;

LED5=1; LED6=1; LED7=1; LED8=1;

}

}

DISP_Int(0xC4,tempmax); // 顯示數字 i

ADCRD=1 ; // RD=1

delay1ms(1);

}

delay1ms(100);

LEDinitlal();

/*DISP_Int(0xC4," ");

DISP_Str(0xC0,DxC2); DISP_Str(0x80,DxC2);

DISP_Str(0xC0,DxC3); DISP_Str(0x80,DxC4);*/

if(tempmax

53

DISP_Int(0xC4," ");


DISP_Str(0x80,eyB1); DISP_Str(0xC0,DxC5);

DISP_Int(0xC4,tempmax);

LEDd();

}

else if(tempmax

54



LEDg();

}

else

{

DISP_Int(0xC4," ");




LEDh();

}

LP=0;

LEDb();

LEDc();

delay1ms(3000);

}

void delay150us() // 延遲 150us 副程式

{

int i=0 ;

for(i=0 ; i < 18 ; i++) ;

}

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