崑 山 科 技 大 學 電 子 工 程 系

學 生 專 題 製 作 報 告

半自動智慧型風扇於肢體障礙者的設計

A Design of Semi-Automatic Intelligent Fan for Persons with Physical Disabilities

指導教授： 林俊宏 博士

專題組員：劉凱維 學號：4960K094

中華民國 100 年 05 月

I

半自動智慧型風扇於肢體障礙者的設計

劉凱維

崑山科技大學電子工程系

摘 要

根據統計台灣身心障礙患者每年都在增加，而身心障礙患者按障礙類別分為

肢體障礙者、重要器官失去功能者、聽覺障礙者…等等，其中以肢體障礙者人數

最高，肢體障礙患者行動時身旁總有些輔具，如拐杖、輪椅…等等，較嚴重者身

旁總會有看護隨時照料生活起居，但並不是每位患者都有能力能夠請看護，因應

現代科技日新月異，研發出許多能夠協助患者的輔具，如自動機器人吸塵器、輔

助持握話筒勾、穿套式寫字輔具…等等，雖然已經前人研發出許多輔具產品，但

還是有許多不便之處，以市售上所販售的電風扇為例，每當想要調整風扇時，都

必須到風扇周圍設定，此時對肢體障礙患者感到非常不便。 因此本專題針對傳統風扇做規劃，設計一套低成本與所有使用者都可以輕易

上手的風扇系統，此系統具備溫度監控、語音聲控、自動風向轉移、遠端遙控及

遠端遙控語音，是以肢障患者的方向與居家生活為主要趨勢，讓肢障患者能夠靠

自己就可獨自操作此系統。 關鍵詞：家電、電風扇、聲控、語音辨識

II

致 謝

本專題得以完成必須感謝許多人的指導與鼓勵，不過首先要感謝

的是我的指導教授林俊宏博士，沒有老師當初的允許讓我進入實驗室

學習，至今的我還是不學無術。跟隨老師的兩年期間，從旁學到許多

生活態度上的細節，並在學生遇到困難時能夠點出問題點而順利的解

決，得以順利完成本專題。

第二個要感謝的人則是我的父母，沒有他們多年來的大力支持、

體諒、包容、鼓勵與教導，我的求學過程不會如此順利，並讓我在生

活上毫無負擔，因此我必須要感謝我的父母提供我這麼好的生活環境，

並且感謝你們多年來的關懷與照顧。

第三個要感謝的是在大學求學期間的實驗室學長、同窗、學弟以

及大學四年同班的同窗，感謝你們時常對我的包容、忍耐以及對我的

建議，由於你們於生活上的照顧及建議使我獲益良多。

最後，謹以此論文獻給我的師長、父母、家人以及所有關心與愛

護我的學長及朋友。願所有關心我的人都能平安健康。謝謝大家！

III

目 錄

頁數 中文摘要 -------------------------------------------------------------------- Ⅰ 致謝 -------------------------------------------------------------------- Ⅱ 目錄 -------------------------------------------------------------------- Ⅲ 表目錄 -------------------------------------------------------------------- Ⅴ 圖目錄 -------------------------------------------------------------------- Ⅵ 一、 緒論------------------------------------------------------------- 1

1.1 前言------------------------------------------------------------- 1 1.2 研究動機------------------------------------------------------- 1 1.3 研究目的------------------------------------------------------- 2

二、 原理概述------------------------------------------------------- 3 2.1 溫度感測原理------------------------------------------------- 3

2.1.1 溫度系統------------------------------------------------------- 3 2.1.2 溫度感測器種類---------------------------------------------- 4

2.2 調變技術與解調技術之理論------------------------------- 6 2.21 振幅調變技術------------------------------------------------- 8 2.2.2 頻率調變技術------------------------------------------------- 8 2.2.3 相位調變技術------------------------------------------------- 9 2.2.4 正交振幅調變技術------------------------------------------- 9

2.3 步進馬達------------------------------------------------------- 10 2.3.1 步進馬達的種類---------------------------------------------- 10 2.3.2 步進馬達的特性---------------------------------------------- 12

三、 系統架構------------------------------------------------------- 14 3.1 硬體設計------------------------------------------------------- 16

3.1.1 SPCE061A 微控制器原理簡介----------------------------- 16 3.1.1.1 SPCE061A 單晶片性能-------------------------------------- 17 3.1.1.2 SPCE061A ADC 與 DAC 結構介紹--------------------- 17 3.1.1.3 SPCE061A 音頻處理----------------------------------------- 18

3.1.2 溫度感測器---------------------------------------------------- 21 3.1.3 簡介 RF 模組--------------------------------------------------- 26

3.2 韌體設計------------------------------------------------------- 29 四、 實驗結果------------------------------------------------------- 32 五、 討論與結論---------------------------------------------------- 35

IV

5.1 結論------------------------------------------------------------- 35 5.2 討論------------------------------------------------------------- 36

參考文獻 -------------------------------------------------------------------- 37

V

表 目 錄

頁數 表 2.1 溫度系統---------------------------------------------------------- 4 表 2.2 接觸式與非接觸式的比較------------------------------------- 5 表 2.3 溫度感測器的種類---------------------------------------------- 5 表 3.1 ADC 在各系統時脈頻率下的轉換速率--------------------- 18 表 3.2 編碼技術標準---------------------------------------------------- 18 表 3.3 SACM.lib 程式庫函數及其演算法類型--------------------- 19 表 3.4 SPCE061A 板優劣比較 21 表 3.5 溫度、電流、電壓的對應關係------------------------------- 24

VI

圖 目 錄

頁數 圖 2.1 溫標對應圖------------------------------------------------------------------- 4 圖 2.2 基頻訊號的傳送與接收---------------------------------------- 6 圖 2.3 透過載波的特性變化來承載資料---------------------------- 6 圖 2.4 ASK 振幅偏移鍵制---------------------------------------------- 8 圖 2.5 FSK 頻率偏移鍵制---------------------------------------------- 9 圖 2.6 PSK 相位偏移鍵制---------------------------------------------- 9 圖 2.7 Permanent Magnet Type---------------------------------------- 11 圖 2.8 Variable Reluctance Type--------------------------------------- 11 圖 2.9 Hybrid Type------------------------------------------------------- 12 圖 3.1 主系統架構圖---------------------------------------------------- 15 圖 3.2 遠端遙控系統架構圖------------------------------------------- 15 圖 3.3 SPCE061A 的結構圖-------------------------------------------- 16 圖 3.4 語音處理過程---------------------------------------------------- 19 圖 3.5 SPCE061A 精簡開發實體版----------------------------------- 20 圖 3.6 具 USB與 Print Port的 SPCE061A精簡開發實體版------ 20 圖 3.7 AD590 介紹------------------------------------------------------- 21 圖 3.8 輸出電壓轉換率------------------------------------------------- 23 圖 3.9 穩定輸出電壓轉化率------------------------------------------- 23 圖 3.10 分壓電路---------------------------------------------------------- 25 圖 3.11 溫度偵測電路---------------------------------------------------- 25 圖 3.12 RF 無線傳輸模組 315MHz------------------------------------ 26 圖 3.13 編碼 IC(HT-12E)------------------------------------------------- 26 圖 3.14 解碼 IC(HT-12D)------------------------------------------------- 27 圖 3.15 發射模組電路---------------------------------------------------- 27 圖 3.16 接收模組電路---------------------------------------------------- 28 圖 3.17 功能模式---------------------------------------------------------- 29 圖 3.18 韌體主程式流程圖---------------------------------------------- 29 圖 3.19 主機系統流程圖------------------------------------------------- 30 圖 3.20 遙控系統流程圖------------------------------------------------- 30 圖 3.21 語音系統流程圖------------------------------------------------- 31 圖 4.1 實際溫度與偵測溫度的對照圖------------------------------- 32 圖 4.2 LCD 顯示溫度設定--------------------------------------------- 33 圖 4.3 LCD 顯示時間設定--------------------------------------------- 33

VII

圖 4.4 LCD 顯示風向設定(固定風向於中間；停止轉動)--------- 34 圖 4.5 LCD 顯示風向設定(關閉固定；開始轉動)------------------ 34

1

第一章、緒論 1.1 前言

隨著時代的進步，許多產品的研發方向都朝向人性化，因此要

如何將電腦融入生活中是未來研發的重點。以往肢障朋友身旁總有些

輔助器具，如拐杖、輪椅…等等，較嚴重者身旁總會有看護隨時照料

生活起居，因而無法完整保有隱私空間，逐漸地感受不到被尊重，畢

竟不管是誰曾經、現在或是未來都有可能是弱勢團體的一員，所以我

們必須要考量到他們的感受，研發出許多他們能夠輕易上手的工具，

目前已經有許多類似發明，例如：電子拐杖、人工義肢…等等，都可

以不必依靠外在人力就可以輕易使用。

1.2 研究動機

目前市面上所販售的電風扇，許多都必須先依靠使用者的判斷再

調整電風扇的設定，前提是必須走到電風扇周圍來設定。當晚上睡覺

時室內溫度過高，則會先開啟風扇將風速調整至中或大，但是當室內

溫度下降時，又必須將風速調整至小或弱甚至關閉風扇，調整風向時

還必須猜測要轉哪個角度才會吹到，如此反覆的調整讓人有時感到非

常的不便甚至麻煩，甚至會讓許多肢體障礙患者感到不便。

2

1.3 研究目的

為了解決傳統風扇於控制上必須到風扇旁設定，以及增加風扇的

人性化與便利性，針對傳統風扇做規劃，並設計一套具備溫度監控、

語音聲控、自動風向轉移、遠端遙控以及遠端遙控語音的系統。溫度

監控系統能夠讓使用者本身設定不能接受的溫度值，當感測溫度超過

溫度值則會啟動風扇散熱。語音聲控系統能夠讓使用者不需移動直接

用語音控制風扇，當使用者距離風扇過於遙遠無法用語音聲控時，只

需要隨身攜帶遙控器就可在遠端控制風扇。

3

第二章、原理概述

2.1 溫度感測原理

熱(Heat)是一種與人類生活有相當密切的關係，且可傳輸的一種能

量。欲使熱能在兩系統之間傳輸，則兩系統之間必須存在著溫差

(Temperature Difference)。兩系統之間熱能傳輸可以由以下三種方式來

達成。

1. 傳導(Conduction)

2. 對流(Convection)

3. 輻射(Radiation)

某一系統溫度(Temperature)是該系統能夠與其他系統交換熱能的

一種能力表現，它也是物體受熱後內部分子動能的一種測量標尺。

2.1.1 溫度系統

溫度是表徵物體冷熱程度的物理量，微觀上來講是物體分子熱運

動的劇烈程度。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量，

而用來量度物體溫度數值的標尺叫溫標。它規定了溫度的讀數起點（零

點）和測量溫度的基本單位。溫度沒有高極點，只有理論低極點「絕

對零度」。「絕對零度」是無法通過有限步驟達到的。如表 2.1 所示，為

目前國際上用得較多的四種溫標以及其相關介紹。

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%89%A9%E7%90%86%E9%87%8F�http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%88%86%E5%AD%90%E7%83%AD%E8%BF%90%E5%8A%A8�http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%88%86%E5%AD%90%E7%83%AD%E8%BF%90%E5%8A%A8�http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B8%A9%E6%A0%87�http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%B5%95%E5%B0%8D%E9%9B%B6%E5%BA%A6�http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%B5%95%E5%B0%8D%E9%9B%B6%E5%BA%A6�http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%B5%95%E5%B0%8D%E9%9B%B6%E5%BA%A6�

4

表 2.1、溫度系統 溫標名稱 介紹 冰點/沸點 符號 轉換公式 華氏

(Fahrenheit) ◎ 常 用 於 水 銀 柱 溫 度 計

(thermometer)的溫度標尺。 32 oF/212 oF oF ℉ =

95

× ℃ + 32

蘭氏 (Rankine)

◎為一種絕對溫度 (absolute temperature)尺標。

◎絕對零度為 0 oR。 491.7 oR/671.7 oR oR °R = ℉ + 459.67

攝氏 (Celsius)

◎ 常 用 於 水 銀 柱 溫 度 計

(thermometer)的溫度標尺。 ◎目前此一標尺的使用率最

大，並且為公制系統的溫度

單位。

0 oC/100 oC oC ℃ = (℉− 32) ×59

凱氏 (Kelvin)

◎ 國 際 單 位 系 統

(International System of

Units，簡稱 SI)。 ◎各標尺用的”度”並不適用於

凱氏標尺。凱氏標尺是一種

熱力學的溫度單位。 ◎絕對零度為 0 K。

273.15 K/373.15 K K K = ℃ + 273.15

如圖 2.1 所示，為華氏、攝氏與凱氏三種溫標的對應圖，可配合表

2.1 的轉換公式來轉換，並且與圖 2.1 來對照。

圖 2.1、溫標對應圖

2.1.2 溫度感測器種類

目前溫度感測器的製作技術可分為感測器與被測物相接觸的接觸

式，以及不與被測物接觸而利用輻射熱的方式來推算其溫度的非接觸

式，如表 2.2 所示，為此兩種感測方式的比較表。

5

表 2.2、接觸式與非接觸式的比較 接觸式 非接觸式

必要條件 ◎測定對象與感測元件要密接。 ◎測定對象與感測元件接觸時，前

者的溫度在實際用上不可變化。

◎要能檢出由被測物來的輻射。 ◎被測物的輻射率要明確，且有再

現性。

特 徵

◎熱容量小的被測物的溫度易因

感測器元件的接觸而改變。

◎運動中的被測物不易測量。

◎測定處可任意指定。

◎因不必接觸，所以不影響被測物

的溫度。 ◎運動中物體也可量測。 ◎一般測量表面溫度。

溫度範圍 1,600 oC 以下 適用於高溫 精 度 全刻度的 1% 10 oC 延 遲 大 小

如表 2.3 所示，為各種溫度感測器所利用不同的物理量來感測溫度

的變化，因此使用者可以根據本身的需求來挑選感測器，則本專題是

利用半導體特性的溫度感測器。

表 2.3、溫度感測器的種類 溫度感測所利用的物理量 溫度感測器的種類

利用熱膨脹

◎氣體溫度計 ◎玻璃製棒狀溫度計 ◎雙金屬片溫度感測器 ◎液體壓力感測器 ◎氣體壓力感測器

利用電阻變化 ◎白金測溫電阻 ◎感溫半導體或熱阻體(PTC，NTC，CTR)

利用熱電動勢 ◎陶鐵磁體 利用磁特性 ◎陶鐵磁體 利用電容 ◎(Ba，Sr)TiO3 陶瓷 利用半導體特性 ◎電晶體，二極體，感溫 IC

利用物質彈性 ◎晶體振盪器 ◎超音波溫度計

利用物質的熱及變形 ◎示溫塗料 ◎液晶

利用熱雜音 ◎電阻 利用熱或光輻射 ◎熱電偶，熱電堆，輻射熱計，焦電檢測器

6

2.2 調變技術與解調技術之理論

訊號的傳輸方式分為兩大類：基頻 (Baseband) 傳輸與寬頻

(Broadband) 傳輸。基頻傳輸是直接控制訊號狀態的傳遞方式(可能會

利用不同的資料編碼技巧處理)，以銅質纜線上的電流訊號為例，便是

直接改變電位狀態來傳輸資料，如圖2.2所示。

圖2.2、基頻訊號的傳送與接收[5][6]

寬頻傳輸則是控制載波 (Carrier) 訊號狀態，已連續不間斷的電磁

波形式傳送的傳輸技術，如圖2.3所示。

圖2.3、透過載波的特性變化來承載資料[5][6]

7

所謂的載波 (Carrier Wave) 是指可以用來載送資料的訊號。因為資

料並不是直接轉換為訊號送出去，而是要透過改變載波訊號的特性來

承載資料，訊號到達目的地之後，才由接收端將資料從載波訊號上分

離出來。將資料放上載波的動作稱為調變 (Modulation)，執行調變動作

的裝置或程式稱為調變器 (Modulator) 。將資料與載波分離的動作稱

為解調 (Demodulation)，執行解調變動作的裝置或程式稱為解調器

(Demodulator)。

調變的技術來說可分為兩大類：

1. 類比訊號調變技術

(1) 振幅調變技術(Amplitude Modulation, AM)

(2) 頻率調變技術(Frequency Modulation, FM)

(3) 相位調變技術(Phase Modulation, PM)

(4) 正交振幅調變技術(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)

2. 數位訊號調變技術

(1) 振幅偏移鍵制(Amplitude Shift Keying, ASK)

(2) 頻率偏移鍵制(Frequency Shift Keying, FSK)

(3) 相位偏移鍵制(Phase Shift Keying, PSK)

8

2.2.1 振幅調變技術

控制載波振幅的調變技術為振幅調變 (Amplitude Modulation, AM)

技術，數位振幅調變技術稱為振幅偏移鍵制 (Amplitude Shift Keying,

ASK) 調變技術。它以振幅較弱的訊號狀態代表0，以振幅較強的訊號

狀態代表1，如圖2.4所示。

圖2.4、ASK振幅偏移鍵制[5][6]

2.2.2 頻率調變技術

控制載波頻率的調變技術為頻率調變 (Frequency Modulation, FM)

技術，數位頻率調變技術稱為頻率偏移鍵制 (Frequency Shift Keying,

FSK) 調變技術。它以頻率較低的訊號狀態代表0，以頻率較高的訊號

狀態代表 1，如圖 2.5 所示。

9

圖2.5、FSK頻率偏移鍵制[5][6]

2.2.3 相位調變技術

控制載波相位的調變技術為相位調變(Phase Modulation, PM) 技

術 ，數位相位調變技術則稱為相位偏移鍵制 (Phase Shift Keying, PSK)

調變技術。它以訊號相位 狀態的改變代表1，以訊號相位狀態不變代表

0，如圖 2.6 所示。

圖2.6、PSK相位偏移鍵制[5][6]

2.2.4 正交振幅調變技術

除了上述三種調變方式外，人們也著手研發新的載波調變技術，

新的正交振幅調變(Quadrature Amplitude Modulation, QAM) 技術就在

10

工程師們的努力之下問世了。QAM 是一種結合 ASK 與 PSK 的綜合

型調變技術，同時控制載波的振幅強度與相位偏移量，讓同一個載波

訊號得以呈現出更多的邏輯狀態。

2.3 步進馬達

步進馬達是脈衝馬達的一種，為具有如齒輪狀突起相契合的定子

與轉子，可藉由切換流向定子線圈中的電流，以一定的角度逐步轉動

馬達。步進馬達的特徵是採用開迴路(Open Loop)控制方式處理，不需

要運轉量檢知器(Sensor)或編碼器(Encoder)，且因切換電流觸發器的是

脈波信號，不需要位置檢出速度檢出的回授裝置，所以步進馬達可正

確的依照比例追隨脈波信號而轉動，因此就能達成精確的位置和速度

控制且穩定性佳。

2.3.1 步進馬達的種類

步進馬達的種類依照結構來分可以分成三種：

1. 永久磁鐵PM式(Permanent Magnet Type)：

結構如圖2.7所示，PM式步進馬達的轉子是以永久磁鐵製成，其特

性為線圈無激磁時，由於轉子本身具磁性故仍能保持轉矩。PM式步進

馬達的步進角依照轉子材質不同而有所改變，例如鋁鎳鈷系(Alnico)磁

11

鐵轉子之步進角較大，為45°或90°；陶鐵系(Ferrite)磁鐵因可多極磁化

故步進角較小，為7.5°及15°。

圖2.7、Permanent Magnet Type[9]

2. 可變磁阻VR式(Variable Reluctance Type)：

結構如圖2.8所示，VR式步進馬達的轉子是以高導磁材料加工製

成 ，由於利用定子線圈產生吸引力使轉子轉動，因此當線圈未激磁時

無法保持轉矩，此外，由於轉子可以經由設計提高效 率，故VR式步進

馬達可以提供較大之轉矩，通常運用於需要較大轉矩與精確定位之工

具機上，VR式的步進角一般均為15°。

圖2.8、Variable Reluctance Type[9]

12

3. 複合式(Hybrid Type)：

如圖2.9所示，複合式步進馬達在結構上，於轉子外圍設置許多齒

輪狀之突出電極，同時在其軸向亦裝置永久磁鐵，可視為PM式與VR

式之合體，故稱之為複合式步進馬達，複合式步進馬達具備 了PM式與

VR式兩者的優點，因此具備高精確度與高轉矩的特性，複合式步進馬

達的步進角較小，一般介於1.8°~3.6°之間，最常運用於OA器材如影印

機、印表機或攝影器材上。

圖2.9、Hybrid Type[9]

2.3.2 步進馬達的特性

● 步進馬達必須加驅動電路才能轉動，驅動電路的信號輸出端，必須

輸入脈波信號，若無脈波輸入時，則轉子保持一定的位置，維持靜

止狀態；反之，若加入適當的脈波信號時，則轉子是以一定的角度

（稱為步角）轉動。故若加入連續脈波時，則轉子旋轉的角度與脈

13

波頻率成正比。

● 步進馬達的一步角一般為 1.8 度，及一周為 360 度，需要 200 步進

才完成 1 轉。

● 步進馬達具有瞬間啟動與急速停止之優越特性。

● 改變線圈激磁的順序，可以較輕易的改變馬達的轉動方向。

14

第三章、系統架構

本專題具有溫度監控、語音聲控、自動風向轉移、遠端遙控以及

遠端遙控語音五大系統。溫度監控能夠讓使用者設定溫度理想值，當

室內溫度超過理想值時，將會開起風扇並達到散熱的效果，反之低於

理想值時則關閉風扇。當使用者不在風扇周圍時，可利用語音聲控、

遠端遙控以及遠端遙控語音來控制風扇，不必特地到風扇旁調整。自

動風向轉移能夠搭配語音聲控、遠端遙控與遠端遙控語音使用，當使

用者舒服的坐於沙發上時，風扇的風向吹向與使用者反方向時，則可

命令風扇轉於使用者的方向。

如圖 3.1 所示，為本系統的主要架構，架構內部包含七個部分。

I. 系統核心：SUNPLUS SPCE061A

II. 溫度感測器：Analog Device AD590

III. RF(Radio Frequency)：315MHz 的接收模組

IV. 按鈕(SW)：調整數值、更改模式、確認以及取消

V. LCD：顯示溫度、時間以及風向

VI. 麥克風(MIC)：指向性麥克風

VII. 步進馬達(Stepping Motor)

15

圖 3.1、主系統架構圖

如圖 3.2 所示，為本系統的遠端控制系統，架構內部包含四個部

分。

I. 系統核心：SUNPLUS SPCE061A

II. 麥克風(MIC)：使用指向性麥克風

III. 按鈕(SW)：調整數值、更改模式、確認以及取消

IV. RF(Radio Frequency)：315MHz 的發射模組

圖 3.2、遠端遙控系統架構圖

16

3.1 硬體設計

3.1.1 SPCE061A 微控制器原理簡介

凌陽科技股份有限公司(Sunplus Technology)因應單晶片發展由傳

統控制，擴展到控制處理、資料處理以及數位訊號處理等領域，因此

研發出 16 位元微處理器晶片(簡稱 μ’nSP™)。本系統採用以 μ’nSP™核

心的 SPCE061A，因 SPCE061A 內建 32K Words 的 FLASH，且擁有高

處理速度，因此適用於數位語音辨識應用領域，例如家電控制、語音

辨識玩具…等等，適用範圍與領域相當廣泛，主要特點為：

體積小、整合性高以及擴充容易

具有較強的中斷能力

高性能價格低

功能強、效率高的指令系統

低消耗功率、低電壓

圖 3.3、SPCE061A 的結構圖[2]

17

3.1.1.1 SPCE061A 單晶片性能：

SPCE061A 是以 16 位元 μ’nSP™為核心的微處理器。

CPU工作電壓VDD：2.6~3.4V，I/O工作電壓VDDH：2.6~5.3V。

CPU 時脈為 0.32MHz~49MHz。

內建 2K Words 的 SRAM 與 32K Words 的 FLASH。

2 個 16 bit 可程式計時器/計數器。

2 個 10 bit DAC 輸出通道。

使用凌陽 SACM_S240(2.4K bit/sec)，容納 210 秒語音資料。

7 通道 10 bit ADC 與 1 個單通道的聲音 ADC。

ADC 輸入通道，內建麥克風放大器與自動增益控制電路。

3.1.1.2 SPCE061A ADC 與 DAC 結構介紹：

SPCE061A 內建 8 個 10 bit ADC 通道與 2 個 DAC 雙通道(DAC1

與 DAC2) 做為音頻輸出。其中 7 個通道(Line_In)與 IOA[6:0]共用，用

於類比信號轉換為數位訊號，剩餘一個通道(MIC_In)只限用於語音輸

入，經由自動增易控制器與放大器後進行 A/D 轉換。

ADC 採用自動方式工作，意即每次讀取資料後會自動開始下一次

的轉換。硬體 ADC 的最高轉換時脈限定為(Fosc/32)Hz，資料轉換速率

(Fosc/32/16) Samples/Sec。

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表 3.1、ADC 在各系統時脈頻率下的轉換速率[2] Fosc(MHz) 20.48MHz 24.576 MHz 32.768 MHz 40.96 MHz 49.152 MHz

最高轉換時脈 640KHz 768 KHz 1024 KHz 1280 KHz 1536 KHz 資料轉換速率 (samples/sec) 40 KHz 48 KHz 64 KHz 80 KHz 96 KHz

3.1.1.3 SPCE061A 音頻處理：

凌陽音頻壓縮演算法處理的語音信號的範圍是 200Hz ~ 3.4KHz 的

電話語音，如表 3.2 所示。

表 3.2、編碼技術標準[2] 信號類型 頻率範圍(Hz) 採樣率(KHz) 量化精度(bit)

電話話音 200~3400 8 8

寬帶音頻 (AM 質量) 50~7K 16 16

調頻廣播 (FM 質量) 20~15K 37.8 16

高質量音頻 (CD 質量) 20~20K 44.1 16

凌陽音頻壓縮演算法根據不同的壓縮比分為以下幾種:

SACM-A2000 : 壓縮比為 8:1、8:1.25、8:1.5。

SACM-S480 : 壓縮比為 80:3、80:4.5。

SACM-S240 : 壓縮比為 80:1.5。

依照音質排序: A2000>S480>S240 。

常用的音頻型式和壓縮演算法：

波形編碼：次頻帶(Sub-band)編碼技術，即 SACM-A2000，特

19

點為：高品質、高碼率，適用於低失真音樂或語音。

參數編碼：聲碼器(Vocoder)模型表達，抽取參數與激勵信號進

行編碼，其特點：壓縮比大，計算量大，但因質不高，如

SACM-S240。

混合編碼：碼激線性預測(CELP)，其特點：綜合參數和波形編

碼之優點，常見於目前語音通訊網路的標準，如 SACM-S480。

表 3.3、SACM.lib 程式庫函數及其演算法類型[2] Model-Index 語音壓縮編碼率 資料採樣率

SACM_A2000 16K bit/s，20K bit/s，24K bit/s 16KHz

SACM_S480/S720 4.8K bit/s，7.2K bit/s 16KHz

SACM_S240 2.4K bit/s 24KHz

SACM_MS01 音樂合成 (16K bit/s，20K bit/s，24K bit/s) 16KHz

SACM_DVR(A2000) 16K bit/s 資料率，8KHz 取樣率，用於 ADC 通道錄音功能 8KHz

語音處理大致可分為 A/D、編碼處理、儲存、解碼處理以及 D/A 等步驟，如

圖 3.4 所示。

圖 3.4、語音處理過程[2]

如圖 3.5 所示，為凌陽科技股份有限公司自行研發的 SPCE061A

精簡開發實體板。由於科技發展的相當快速，許多科技產品必須順應

20

潮流而淘汰，近年發現桌上型電腦與筆記型電腦已經沒有 Print Port 插

槽，反而都已經被 USB 所取代，但凌陽所開發的 61 板必須透過用 Print

Port 來燒錄程式碼，如此一來對許多新配置電腦的 61 板使用者會感到

相當不便，因此參考凌陽科技大學所提供的資料，藉由 61 板本身的

UART 功能，透過 USB 轉 UART 轉接線連接電腦將程式碼燒入晶片

內。

圖 3.5、SPCE061A 精簡開發實體板

圖 3.6、本實驗室開發具 USB 與 Print Port 的 SPCE061A 實體板

21

如圖 3.6 所示，為本實驗室自行研發與生產的 SPCE061A 實體板，

本 61 板與凌陽 61 板的優劣比較可由表 3.4 所示。

表 3.4、SPCE061A 板優劣比較

凌陽科技股份有限公司 SPCE061A 精簡開發板

生醫訊號處理研究室 SPCE061A 精簡開發板

USB 插槽 無 須購買 USB 轉 RS232 轉接線 有 只需要一條 USB 線

Print Port 插槽 無 原廠附贈 Print Port 的下載線 過度插拔時容易斷裂 有

只需要一條母對母的 Print Port 的線即可

電源線 要 需要額外電源 無 不需要額外電源

3.1.2 溫度感測器

AD590 為 Analog Devices 公司所生產的一種雙端溫度轉換電流元

的單晶 IC，會隨著凱氏溫度的高低而改變其本身的電流大小。當輸入

電壓於 VCC = 4 Volt ~ 30Volt 之間時，其電流將隨凱氏溫度的大小而線

性地變化。由於輸入電壓的變動亦會影響 AD590 電流的輸出，但隨著

輸入電壓的變大，其電壓變動所造成的影響將變小，因此一般建議採

用 7 Volt 以上的高電壓，如圖 3.7 所示，為 AD590 的外觀與符號圖。

AD590 外觀圖 AD590 底視圖 AD590 符號 圖 3.7、AD590 介紹

AD590 主要特性如下：

線性電源流輸出：凱氏溫度與電流的轉換率為 1μA/K。

22

測溫範圍寬廣：-55oC ~ 150oC。

體積小：僅有兩端子，配線容易，電壓輸入/電流輸出。

準確度極高。

使用電壓範圍彈性大(+4V ~ +30V)，輸出特性不會改變。

AD590 特性為凱氏溫度與輸出電流的轉換率為 1μA/K，代表凱氏

溫度每上升 1K 就會增加 1μA 的電流，但是量測電流比量測電壓上較

為麻煩，以及 SPCE061A 晶片與 AD590 的溝通過程是透過電壓訊號。

因此利用電壓(V)=電流(I)‧電阻(R)公式，將電流輸出轉換電壓輸出，

於 AD590 負載處串聯電阻，當輸出電流流經負載電阻即產生電壓差

(VOUT)，但並不是每種阻值都適當，由於電壓與電阻成正比，當串聯電

阻值過大則電壓會跟著變大，恐會導致主控制晶片燒毀，而當電阻值

過小則電壓變小，卻有可能量測不到電壓值。因此以凱氏溫標每上升

1K 就增加 0.01V 來設計電阻值，經過計算後必須串聯精準的 10KΩ電

阻，即可讓輸出電壓轉換率得到 10mV/K，但不可能會有剛好 10KΩ的

電阻，因此使用 9.1KΩ固定電阻搭配 2KΩ精密可變電阻串聯成精準的

10KΩ，如圖 3.8 所示。

23

圖 3.8、輸出電壓轉換率

如圖 3.9 所示，為了確保 AD590 的輸出電壓能精準的維持在

10mV/K，則輸出電流必須完全流經 R1 與 R2 所串聯的 10KΩ，則設計

電壓隨耦器接於 AD590 負載處，利用電壓隨耦器的三種特性輸入等於

輸出、輸入阻抗無限大、輸出電抗等於零，讓 AD590 的輸出電流完全

流經 R1 與 R2，並且純粹取出負載端的電壓值以做分析。

圖 3.9、穩定輸出電壓轉化率

24

如表 3.5 所示，為 AD590 於攝氏溫度 0℃ 至 100℃的輸出電流值

與負載電壓值。AD590 是以凱氏溫標為單位而對應輸出電流，由於亞

洲地區比較常使用攝氏溫標為單位，因此利用凱氏溫標與攝氏溫標的

關係K = 273.15 + ℃，將攝氏溫度 0℃ 至 100℃分別以 10 為單位代入

公式內，就會產生 AD590 的輸出電流值，再將輸出電流值乘上負載處

的 10KΩ電阻，也可得到負載處的電壓值。

表 3.5、溫度、電流、電壓的對應關係 攝氏溫度(℃) AD590 輸出電流 10KΩ上的電壓

0℃ 273.2µA 2.732 V 10℃ 283.2µA 2.832 V 20℃ 293.2µA 2.932 V 30℃ 303.2µA 3.032 V 40℃ 313.2µA 3.132 V 50℃ 323.2µA 3.232 V 100℃ 373.2µA 3.732 V

從表 3.5 的數據可以得知，所有的輸出電流值與負載電壓值都是以

凱氏溫標為基準所量測到的數據，由於亞洲地區常使用的溫標為攝氏，

因此如果要從數據得知攝氏溫度，則必須使用凱氏溫標與攝氏溫標的

關係K = 273.15 + ℃，將數據代入 K 中，進而得至數據所代表的攝氏

溫度值，但是每次轉換都將量測的數據減去 2.732 是有點麻煩，因此設

計一個分壓電路，調整可變電阻 R4 將輸出電壓值調整至 2.732 伏特，

再於負載處接上電壓隨耦器穩定輸出電壓值，如圖 3.10 所示。

25

圖 3.10、分壓電路

如圖 3.11 所示，為了要讓 AD590 以凱氏溫標為基準所量測到的數

據轉換成攝氏數據，利用差動放大器的原理Vout = R2R1

(V2 − V1)，將

AD590 量測到的數據減去 2.732V，所得到的電壓值再乘以 10 就是

AD590 所偵測到的攝氏溫度值。

圖 3.11、溫度偵測電路

+7V

10KR3

2KR4

3KR5

GND

5

672

411

U1B

GND

VCC

26

3.1.3 簡介 RF 模組

本實驗所使用的RF無線傳輸模組頻率為 315MHz，如圖 3.12所示，

圖中上方的為無線發射模組，而圖中下方的為無線接收模組。無線發

射模組發射訊號時須搭配編碼 IC(HT-12E)，如圖 3.13 所示，為 HT-12E

的外觀圖與腳位圖。而無線接收模組接收訊號時須搭配解碼 IC(HT-12D)

如圖 3.14 所示，為 HT-12D 的外觀圖與腳位圖。

圖 3.12、RF 無線傳輸模組 315MHz[9]

圖 3.13、編碼 IC(HT-12E)

1A02A13A24A35A46A57A68A79Vss 10 D8

11 D912 D1013 D1114 L/M15 X216 X117 Dout18 VDD

HT-12E

27

圖 3.14、解碼 IC(HT-12D)

如圖 3.15 所示，本研究使用 315MHz 頻率的發射模組，搭配編碼

IC 為 HT-12E，編碼 IC 的 Pin1~Pin8(A0~A7)共 8 位元可設定 256 組傳

輸代碼，因此外接指撥開關用於設定傳輸代碼，當與接收模組的傳輸

代碼相同時才能進行傳輸資料；編碼 IC 的 Pin10~Pin13 外接 4 個按鈕

作為輸入傳輸資料。

圖 3.15、發射模組電路

如圖3.16所示，使用315MHz頻率的接收模組，解碼 IC為HT-12D，

解碼 IC 的 Pin1~Pin8(A0~A7)共 8 位元可設定 256 組傳輸代碼，因此外

接指撥開關用於設定接收代碼，當發射模組的傳輸代碼相同時才能進

1A02A13A24A35A46A57A68A79Vss 10 D8

11 D912 D1013 D1114 DIN15 OSC216 OSC117 VT18 VDD

HT-12D

1A02A13A24A35A46A57A68A79Vss 10 D8

11 D912 D1013 D1114 L/M15 X216 X117 Dout18 VDD

U1

HT-12E

12345678

161514131211109

S1

SW-DIP8GND

GND

1234

RF

R1

GND

+01234567-

SPCE061A

Header 10

GND

VDDIOA0IOA1IOA2IOA3IOA4IOA5IOA6IOA7

IOA0IOA1

IOA3IOA4

IOA2

S2

SW-SPST

VDD

28

行接收資料；HT-12D解碼 IC的 Pin10~Pin13是將顯示所接收到的資料，

隨著發射端的訊號產生不同的動作，如高、低電位。

圖 3.16、接收模組電路

12345678

161514131211109

S1

SW-DIP8GND

GND

R1

VDD

+01234567-

SPCE061A

Header 10

GND

VDDIOA0IOA1IOA2IOA3IOA4IOA5IOA6IOA7

IOA0IOA1

IOA3IOA2

1A02A13A24A35A46A57A68A79Vss 10 D8

11 D912 D1013 D1114 DIN15 OSC216 OSC117 VT18 VDD

U1

HT-12D

IOA4 12345

RF

Header 5GND

29

3.2 韌體設計

本專題的功能模式有三種，溫度監控、自動風向轉移以及時間設

定，使用者須自行調整功能來滿足自己的生活習性，以圖 3.17 所示。

圖 3.17、功能模式

如圖 3.18 所示，為主系統的流程圖，當電源啟動就會照著原始設

定值(溫度設定 26 度、風向固定於正中央)來進行動作，當使用者想變

更設定時，可利用主機上的按鈕、主機上的麥克風、遙控器的按鈕以

及遙控器的麥克風四種方式來進行設定。

圖 3.18、韌體主程式流程圖

30

如圖 3.19 所示，為主機上的兩種操控方式，當使用者於風扇 100

公分內都可以利用主機上的按鈕，或是語音聲控來調整風扇，當使用

者設定任何模式時，都會顯示於 LCD 上，設定完 1.5 秒後，就會執行

使用者所設定的動作。

圖 3.19、主機系統流程圖

如圖 3.20 所示，當使用者距離風扇過於遙遠，而聲波無法傳達至

主機上的麥克風時，可以利用遙控上的兩種操控方式來調整風扇。

圖 3.20、遙控系統流程圖

31

語音系統可以讓正在使用風扇的人不必因溫度的升高或降低，或

是風向調整錯誤，而必須到電風扇面前來調整，現在只需利用語音就

可以調整至使用者想要的角度或是開關電風扇。語音系統隨著電風扇

開啟就一併啟動，語音系統會不斷的偵測是否有語音輸入，當語音系

統接受到使用者語音中的關鍵字：上、下、左、右、左右、上下、開、

關時，就會立即用 RF 傳輸代碼至電風扇中的主系統，而主體系統就會

開始分析代碼，分析完成後就調整電風扇。例如：甲先生對風扇說往

上，此時風向就會朝上。

圖 3.21、語音系統流程圖

32

第四章、實驗結果

以 AD590 為核心製作一套溫度感測系統，將感測數據傳送至

SPCE061A 晶片處理後將結果顯示於 LCD 上。為了確定此溫度感測系

統所偵測的數據無誤，於溫度感測系統旁放置市面上所販售的溫度計

比較兩者數據是否相同，如圖 4.1 所示。

圖 4.1、實際溫度與偵測溫度的對照圖

如圖 4.2 所示，為本專題溫度監控系統的設定畫面，使用者可藉由

此功能來設定自己本身可適應的溫度值，當室內溫度超過設定值時，

就啟動風扇已達散熱效果，而系統提供調整的溫度範圍為 18℃ 至

50℃，而系統預設的溫度值為 26℃。

33

圖 4.2、LCD 顯示溫度設定

如圖 4.3 所示，為本專題的時間設定系統畫面，使用者可藉由此功

能來設定風扇的使用時間，當時間到達設定時間則會關閉風扇，以達

到省電的效果，而系統提供調整的時間範圍為 1 至 24 小時。

圖 4.3、LCD 顯示時間設定

如圖 4.4 所示，為本專題自動風向轉移系統中的固定模式，使用者

可利用語音聲控來搭配此系統，讓使用者不需要移動就可以將風向移

34

至想要的方位，而系統固定模式可選擇上、下、左、右以及中間。

圖 4.4、LCD 顯示風向設定(固定風向於中間；停止轉動)

如圖 4.5 所示，為本專題自動風向轉移系統中的轉動模式，當使用

環境人數兩人以上時，則可利用此功能讓每個人都可以享受到風扇的

涼爽，而系統轉動模式可選擇上下轉動與左右轉動。

圖 4.5、LCD 顯示風向設定(關閉固定；開始轉動)

35

第五章、討論與結論

5.1 討論

本專題軟體流程大致上都以撰寫完成，並且能夠正確的執行並運

轉，但是硬體與傳統電風扇的結合部分，會產生以下問題：

本專題五大系統中的自動風向轉移是將傳統電風扇的上下移動與

左右擺動設計用步進馬達所代替其功能，但是傳統電風扇左右轉動是

利用風扇葉片轉動，帶動一減速機構，此機構帶動一連桿，連桿拉動

電風扇擺頭做一定角度擺動，如要將傳統風扇左右擺動功能改用步進

馬達來代替，則必須連電風扇馬達一起做更改。以及要利用步進馬達

代替傳統風扇上下移動時，卻發現步進馬達無法支撐電風扇上半部份

的重量，導致必須找是否有其他種類的步進馬達能夠支撐電風扇上半

部份的重量。

36

5.2 結論

做此研究是為了研發一套能夠讓大部分肢障患者都能夠輕易使用

的風扇系統，此風扇系統是以減少肢障患者於調整風扇上所帶來的不

便以及增加風扇的操控範圍為主要功能，藉此風扇系統，使用者不需

為了調整風扇而離開本身的位置，只需透過語音或遙控器就可以控制

風扇的風向、風速與時間設定，以避免設定風扇時須要到風扇前設定。

未來，希望可以於軟體上增添更多輔助性的功能，讓整個系統可以更

加的理想。

37

參考 文 獻

[1] 林俊宏，韓威如，莊智元，LabVIEW 硬體介面-DAQ 感測器篇(含生理感測)，高立圖書有限公司，2006 初版。

[2] 林俊宏，林明權，杜勇進，郭晉魁，微算機原理以 SPCE061A 為例，僑高科技有限公司(CHIRKAL TECHNOLOGY Co., Ltd.)，2006 初版。

[3] 李翊齊，杜文寧，“多功能溫控風扇”，專題論文，電子工程系，崑山科技大學，2009。

[4] 林彧男，楊濬，“溫度感測器 AD590 之分析與應用”，國立羅東高工。

[5] 楊明憲，王志文，徐佳偉，“具 RF 傳輸之可攜式紫外線偵測器”，專題論文，自動控制工程學系，逢甲大學，2007。

[6] 吳立祥、楊鎧瑋、馮趙祥，“可攜式具 RF 傳輸直接讀取氣體偵測器之研製”，學士論文，自動控制工程學系，逢甲大學，2006。

[7] 張義和，Altium Designer 完全電路板設計，碁峰資訊股份有限公司，2006。

[8] 廖紹傑、林俊宏、湯士滄、鄭詠聰、彭國瑋、林琦閔，“以人體紅外線與指向性麥克風建構全方位智慧型風扇”，2009 年電子工程技術研討會，中華民國，2009 年 6 月 19 日。

[9] 許溢適，步進馬達原理與應用 ，全華科技圖書公司，1993。 [10] 禾樺科技網路商店 http://www.ho-hua.com.tw/index.php?cPath=317_318。

http://www.ho-hua.com.tw/index.php?cPath=317_318�

崑山科技大學指導教授： 林俊宏　博士專題組員：劉凱維 學號：4960K0941.1　前言隨著時代的進步，許多產品的研發方向都朝向人性化，因此要如何將電腦融入生活中是未來研發的重點。以往肢障朋友身旁總有些輔助器具，如拐杖、輪椅…等等，較嚴重者身旁總會有看護隨時照料生活起居，因而無法完整保有隱私空間，逐漸地感受不到被尊重，畢竟不管是誰曾經、現在或是未來都有可能是弱勢團體的一員，所以我們必須要考量到他們的感受，研發出許多他們能夠輕易上手的工具，目前已經有許多類似發明，例如：電子拐杖、人工義肢…等等，都可以不必依靠外在人力就可以輕易使用。1.2　研究動機目前市面上所販售的電風扇，許多都必須先依靠使用者的判斷再調整電風扇的設定，前提是必須走到電風扇周圍來設定。當晚上睡覺時室內溫度過高，則會先開啟風扇將風速調整至中或大，但是當室內溫度下降時，又必須將風速調整至小或弱甚至關閉風扇，調整風向時還必須猜測要轉哪個角度才會吹到，如此反覆的調整讓人有時感到非常的不便甚至麻煩，甚至會讓許多肢體障礙患者感到不便。1.3　研究目的為了解決傳統風扇於控制上必須到風扇旁設定，以及增加風扇的人性化與便利性，針對傳統風扇做規劃，並設計一套具備溫度監控、語音聲控、自動風向轉移、遠端遙控以及遠端遙控語音的系統。溫度監控系統能夠讓使用者本身設定不能接受的溫度值，當感測溫度超過溫度值則會啟動風扇散熱。語音聲控系統能夠讓使用者不需移動直接用語音控制風扇，當使用者距離風扇過於遙遠無法用語音聲控時，只需要隨身攜帶遙控器就可在遠端控制風扇。凌陽音頻壓縮演算法根據不同的壓縮比分為以下幾種: SACM-A2000 : 壓縮比為8:1、8:1.25、8:1.5。 SACM-S480 : 壓縮比為80:3、80:4.5。 SACM-S240 : 壓縮比為80:1.5。依照音質排序: A2000>S480>S240 。常用的音頻型式和壓縮演算法： 波形編碼：次頻帶(Sub-band)編碼技術，即SACM-A2000，特點為：高品質、高碼率，適用於低失真音樂或語音。 參數編碼：聲碼器(Vocoder)模型表達，抽取參數與激勵信號進行編碼，其特點：壓縮比大，計算量大，但因質不高，如SACM-S240。 混合編碼：碼激線性預測(CELP)，其特點：綜合參數和波形編碼之優點，常見於目前語音通訊網路的標準，如SACM-S480。