修平科技大學機械工程系 實務專題論文...
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修平科技大學機械工程系
實務專題論文
四足機器人
指導教授：楊政穎 班級：機械五乙 組長：林耿立 BA99070 組員：蔡昆桓 BA99066 組員：謝孝弘 BA99075
中華民國一○三年十二月三十日 1
摘要
自走機器人是一項整合電子、電機、機械等方面知識的機電整合機器人，
一台完整的自走機器人包含電源電路、感測電路、馬達電路、CPU 電路、等
四大電路部分，配合電池、機身、機器人輪等硬體以及作為邏輯判斷的程式
流程軟體，因此自走機器人的製作可說是涉及了多方面的知識領域。
其中自走的核心-CPU，我們選擇了較為熟悉的 89S51 單晶片，不僅僅是
因為在系上的課堂中曾學習其理論及實驗應用，更因為它的硬體架構及周邊
設備完整、指令集功能強大、程式可複寫功能等種種優勢，正符合我們的需
求，而利用程式的模組化，副程式的應用，使程式如堆積木般的組合起來，
更容易閱讀及進行修改。
2
致謝
這次的專題主要是利用單晶片 89S51 馬達等元件及紅外線遙控，從一開始的
什麼都不了解到現在已經略懂，一開始我們也沒有做專題的方向，謝謝一路
上一直指導我們的楊政穎老師，老師提供了我們一個用遙控的方式做為我們
此專題的方向去探討跟研究，也提供我們做遙控機器人這一區塊來做發揮，
過程中我們不斷的到電子街、詢問電子電機相關方面的人員，也要感謝家人
不斷的從旁邊協助我們有關電路的指導，也感謝學校提供資源，讓我們在製
作的成本與時間上，節省了許多，透過老師的幫忙跟學校與外面業界的幫忙，
使得讓我們的專題製作上能順利很多，也提供很多相關的寶貴經驗，也感謝
組員林耿立、蔡坤桓、謝孝弘，一路上也互相幫忙，幫忙找材料、一起提供
意見跟一起製作，一起培養團隊的精神。在一次的感謝，我們的指導老師、
學校，以及相關協助我們完成的人。
3
目錄
修平科技大學實務專題論文全文電子檔著作權授權書…….......................……1
摘要 .......................................................................................................................... 2
致謝 .......................................................................................................................... 3
目錄 .......................................................................................................................... 4
圖目錄 ...................................................................................................................... 6
第 1 章緒論 .............................................................................................................. 8
1.1 前言 ............................................................................................................... 8
1.2 研究動機 ....................................................................................................... 8
1.3 研究方向 ....................................................................................................... 8
1.4 研究目的 ....................................................................................................... 9
1.5 研究架構流程 ............................................................................................... 9
1.6 時間進度管制 ............................................................................................. 10
1.7 工作分配 ..................................................................................................... 11
第 2 章圖、表 ........................................................................................................ 12
2.1 前言 .......................................................................................................... 12
2.2 零件表 ...................................................................................................... 15
2.3 機器人致動原理與介紹 .......................................................................... 17
第 3 章研究方法 .................................................................................................... 20
3.1.前言 .............................................................................................................. 20
3.2.伺服馬達的介紹 .......................................................................................... 20
3.3. MCS-51 簡介 ................................................................................................ 23
3.4.紅外線遙控原理 .......................................................................................... 27
4
第 4 章成品製作 .................................................................................................... 30
4.1 前言 .............................................................................................................. 30
4.2 成品簡易設計圖 .......................................................................................... 30
4.3 成品設計 ...................................................................................................... 31
4.4 加工程序 ...................................................................................................... 31
4.5 89S51 程式碼 ............................................................................................... 36
第 5 章未來發展 .................................................................................................... 44
第 6 章結論與建議 ................................................................................................ 45
6.1 結論 .............................................................................................................. 45
6.2 建議 .............................................................................................................. 45
第 7 章參考文獻 .................................................................................................... 46
5
圖目錄
圖 1.6.1 計畫進度管制圖...................................................................................10
圖 1.7.1 工作分配圖...........................................................................................11
圖 2.1 89S51 單晶片...........................................................................................12
圖 2.2 升壓模組..................................................................................................12
圖 2.3 觸控按鈕..................................................................................................13
圖 2.4 壓克力塑膠板..........................................................................................13
圖 2.5 伺服馬達..................................................................................................14
圖 2.6 紅外線編碼器..........................................................................................14
圖 2.2 零件表.................................................................................................15-16
圖 2.4.1 主板電路馬達驅動電路.......................................................................18
圖 2.4.2 電源電路...............................................................................................19
圖 2.4.3 紅外線接收電路 PT2249.....................................................................19
圖 2.4.4 紅外線發射電路 PT2248.....................................................................19
圖 3.2.1 微型伺服馬達內部結構........................................................................21
圖 3.2.2 微型伺服馬達的工作原理....................................................................21
圖 3.2.3 典型 20ms 週期性脈衝的正脈衝寬度與微型伺服馬達位置關係….22
圖 3.2.4 伺服馬達電源線....................................................................................23
圖 3.3.1MCS-51 的 40Pin DIP 包裝的接腳圖...................................................24
圖 3.4.1 紅外線發射器........................................................................................28
圖 3.4.2 紅外線編碼及解碼................................................................................29
圖 4.2.1 成品簡易設計圖....................................................................................30
圖 4.4.1 89S51 腳座安裝..................................................................................31
圖 4.4.2 升壓電容、電阻、電解電容、觸控開關安裝....................................32
圖 4.4.3 接線至電池座........................................................................................32
圖 4.4.4 機器人腳座的部分................................................................................33
圖 4.4.5 伺服馬達與腳座安裝............................................................................33 6
圖 4.4.6 遙控器紅外線編碼安裝與觸控開關按鈕設置.....................................34
圖 4.4.7 成品上視圖.............................................................................................35
圖 4.4.8 成品側視圖.............................................................................................35
7
第 1 章緒論
1.1 前言
經過大學四年所讀的機械工程課程後，我們學習了如何使用微處理晶片
來控制和數學運算的機制，在這次的計畫裡，我們準備運用 89S51 這個功能
強大的晶片來執行控制伺服馬達來設計機器人的行走。整個專題中用到感測
原理和微處理器原理及一些相關的機械與電機的原理，讓我們將課堂理論用
來實做的機會。
1.2 研究動機
發展機器人產業不但能提昇就業機會，也是高值化製造業能續留臺灣發
展的關鍵要素。臺灣機器人產業未來發展欲有所突破，應持續培育並廣納多
元化人才，朝向機器人系統創新與不同產業應用特性，專注發展各式整體解
決方案。現今國外已發展出高生產力、低成本與容易使用的新型工業機器人，
未來將能夠自主彈性作業、與現場人員合作進行精密複雜作業，同時也更加
安全無虞。
1.3 研究方向
在現今社會，機器人的研究與應用受到廣泛的關注，我們這次以探討紅
外線四足機器人為中心的動機，是想利用我們所學的機械設計與原理來製作
出能夠具有活動性的四足機器人，運用微處理晶片來控制伺服馬達使得機器
人能夠動作有著深不可測的潛在能力，更要使得此四足機器人能夠具有穩定
性與平衡性也是需要研究並深入去探討。要本專題研究將自走機器人的組成
分為電子元件及電路部分、相關配件及裝配部分及程式流程部分進行研究討
論，每一部分對於自走機器人的運作都是相當重要的，缺一不可。
8
1.4 研究目的
研究方法以學過的機械原理與電子電機相關的專業來結合的實體，由構
想中產生基本的概念並且在設計與研究的過程中探討每個步驟來進行修正，
以滿足設計與研究的功能需求，最後再以設計成品表達出設計結果
1.5 研究架構流程
利用單晶片 89S51 馬達等元件製作並組裝一台具行走的四足機器人，需
要先了解機電如何整合才可進一步研究並且進行設計與製作。我們這次設計
製作的四足機器人，其動作是藉由紅外線接收訊號使得程式進行，以對馬達
電路下指令，機器人方能做出前進、轉彎等動作。
9
1.6 時間進度管制
本專題研究內容共分為資料收集及研究、材料準備、模型設計構圖、
工件準備、成品製作、成品安裝與測試、總整理、分析、撰寫報告與心
得，各工作項目時程進度如下圖所示。
月次
工作項目
第 1 月
第 2 月
第 3 月
第 4 月
第 5 月
第 6 月
第 7 月
第
月
第
月
第
月
第
月
第
月
備
註
1.資料收集及其研究
2.模型設計構圖
3.材料準備
4.工件準備
5.成品製作
6.成品安裝與測試
7.總整理、分析
8.撰寫報告與心得
預定進度累計百分比 10% 15% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 85% 95% 100%
預定進度實際進度
圖 1.6.1 計畫進度管制圖
10
1.7 工作分配
資料收集及
研究 模 型 製 作
成品 總整理、分
析 報 告 製 作
與心得 材 料 工 具
選擇購買
林耿立 ● ● ● ● ●
蔡昆桓 ● ● ● ● ●
謝孝弘 ● ● ● ● ●
圖 1.7.1 工作分配圖
11
第 2 章圖、表
2.1 前言
以下這是我們專題製作的最主要的材料。
圖 2.1 89S51 單晶片
圖 2.2 升壓模組
12
圖 2.3 觸控按鈕
圖 2.4 壓克力塑膠板 13
圖 2.5 伺服馬達
圖 2.6 紅外線編碼器
14
2.2 零件表
項
目 數
量 編號 規格 註解
1 1 BT1 3V 電池
2 1 BT2 3.7V 電池
3 2 C1,C2 120PF 陶瓷電容
4 2 C3,C11 104 陶瓷電容
5 2 C4,C6 100UF 電解電容
6 1 C5 102 陶瓷電容
7 2 C8,C7 30PF 陶瓷電容
8 1 C9 10uF/25V 電解電容
9 1 C10 220uF 電解電容
10 1 D1 1N4148 二極體
11 1 D2 IR LED 紅外線
12 2 Q3,Q1 1015 電晶體 pnp
13 1 Q2 1815 電晶體 npn
14 2 R4,R1 39K 電阻
15 2 R5,R2 10K 電阻
16 1 R3 47 電阻
17 1 SW1 前
15
18 1 SW2 左
19 1 SW3 右
20 1 SW4 電源開關
21 1 U1 IR RECEIVER 紅外線接收模組
22 1 U2 PT2248 紅外線編碼 ic
23 1 U3 PT2249 紅外線解碼 ic
24 3 U4,U6,U8 伺服馬達
25 1 U5 89S51 單晶片
26 1 U7 5V 升壓模組
27 1 Y1 455K 振盪器
28 1 Y2 12MHZ 振盪器
16
2.3 機器人致動原理與介紹
機器人可依據位置座標、速度、末端效應器之抓取姿勢等命令，透過記
憶裝置，執行固定或非固定之程序控制。機器人機構中，最基本者為各致動
器，透過連桿與齒輪組可執行控制次系統(控制器)所下達之各種命令。致動器
可為油、氣壓，或是電動馬達等。目前產業界機器人仍以 DC 或 AC 電動馬達
為主要之致動器。電動馬達可為步進或伺服馬達，操作者可透過教導盒或是
主電腦下達機器人相對於世界座標(World Coordinate)之控制指令，以完成所需
之各種基本控制，或智慧型規劃動作等。機器人亦可具觸覺或視覺感應器，
透過感應器界面以執行精確之控制程序或所需之安全防護機能。
機器人是一種多功能全自動或半自動的機械裝置，可透過程式控制執行
各項生產活動，或結合人工智慧與感測技術的應用，提供人類生活、健康、
安全、娛樂等多方面的服務。智慧型機器人產業是結合機械、自動化、電機、
光學、電子、資訊軟體、通訊、創意內容等相關技術，為一個高度技術整合、
高關聯性且具有高附加價值的火紅產業，可算是機電整合的最佳實現範例。
微控制器（或微處理機）可謂是機器人的控制核心，普遍地被應用於各個生
活領域。伴隨著產品的功能愈來愈豐富，微控制器內建的週邊裝置也愈來愈
多樣，要透徹瞭解、應用一顆微控制器已不像以往那麼容易上手。
17
2.4 電路圖
本自走機器人所使用的電路包含了 89S51 主電路板，5V 穩壓電源電路，
紅外線遙控電路，伺服馬達控制電路，如圖 2.4.1~4 所示。
圖 2.4.1 主板電路馬達驅動電路
P2.3+C9
10uF/25V
R510K
P0.6
C7
30PF
P2.4
P1.6
P1.3
P0.2
P3.1
P3.4
P1.4
P2.1
P1.7
P3.7
C8
30PF
P1.0
P1.2
Y2
12MHZ
P0.5
P2.6
P2.0+5V
P0.7
P2.2
P0.3
P3.0
P0.1
P0.4
P1.5
P3.6
U5
89S51
31
19
18
9
12131415
12345678
3938373635343332
2122232425262728
171629301110
20
40
EA/VPP
XTAL1
XTAL2
RESET
P3.2_INT0P3.3_INT1P3.4_T0P3.5_T1
P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7
P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7
P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7
P3.7_RDP3.6_WR
PSENALE/PROG
P3.1_TXDP3.0_RXD
GND
VCC
P0.0
+5V
P3.2
P3.5
P2.7
P3.3
P1.1
P2.5
P1.0
U6
伺服馬達
1
32 VDD
GNDVIN
P1.1
U8
伺服馬達
1
32 VDD
GNDVIN
+3.7V
P1.2
U4
伺服馬達
1
32 VDD
GNDVIN
18
圖 2.4.2 電源電路
圖 2.4.3 紅外線接收電路 PT2249
圖 2.4.4 紅外線發射電路 PT2248
BT23.7V
+5V
+C10
220uF
+3.7VSW4
電源開關
1 2U7
5V 升壓模組
1
2
4
3IN+
IN-
OUT+
OUT- C11104
U1
IR RECEIVER
123
VC
CG
ND
OU
T
U3
PT2249
12345678 9
10111213141516
VSSRXINHP1HP2HP3HP4HP5SP5 SP4
SP3SP2SP1
CODE3CODE2
OSCVCC
C5
102C6
100UFR4
39K
P2.1
C3
104
+5V
R2
10K
P2.0
R3
47
R1
39K
C4
100UFQ3
1015P2.2
Q1
1015
D1
1N4148
C2
120PF
D2
IR LED
Q21815
BT1
3V
Y1
455KC1
120PF
U2
PT2248
12345678 9
10111213141516
VSSXT/XTK1K2K3K4K5 K6
K1K2K3
CODETEST
/TXOUTVCC
SW3
右
SW2
左
SW1
前
19
第 3 章研究方法
3.1.前言
1. 閱讀 89S51 的書，了解 89S51 的基礎知識及使用方法
2. 了解伺服馬達的運作方法
3. 大略了解如何用組合語言模擬程式執行
4. 紅外線遙控原理及應用
3.2.伺服馬達的介紹
伺服馬達基本上是可定位的馬達。當伺服馬達接受到一個位置指令，它
就會運動到指定的位置。因此，機器人模型中也常用到它作為可控的運動關
節。
微型伺服馬達有著如下的優點：大扭力，控制簡單，裝配靈活，相對經濟，
但它亦有著先天的不足：首先它是一個精細的機械部件，超出它承受範圍的
外力會導致其損壞，其次它內藏電子控制線路，不正確的電子連接也會對它
造成損毀，因此，很有必要在使用前先了解伺服馬達的工作原理，以免造成
不必要的損失。
微型伺服馬達內部結構：
一個微型伺服馬達內部包括了一個小型直流馬達;一組變速齒輪組;一個反
饋可調電阻;及一塊電子控制板。其中，高速轉動的直流馬達提供了原始動力，
帶動變速（減速）齒輪組，使之產生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，
伺服馬達的輸出扭力也愈大，也就是說越能承受更大的重量，但轉動的速度
也愈低。
20
圖 3.2.1 微型伺服馬達內部結構
微型伺服馬達的工作原理：
一個微型伺服馬達是一個典型閉環反饋系統，其原理可由下圖表示：
圖 3.2.2 微型伺服馬達的工作原理
減速齒輪組由馬達驅動，其終端（輸出端）帶動一個線性的比例電阻作
位置檢測，該電阻把轉角坐標轉換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線
路板將其與輸入的控制脈衝信號比較，產生糾正脈衝，並驅動馬達正向或反
向地轉動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈衝趨於為 0 ，從而
達到使伺服馬達精確定位的目的。
伺服馬達的控制：
標準的微型伺服馬達有三條控制線，分別為：電源，地及控制。電源線與
21
地線用於提供內部的直流馬達及控制線路所需的能源，電壓通常介於 4V 至
6V 之間，該電源應盡可能與處理系統的電源隔離（因為伺服馬達會產生雜訊）。
甚至小伺服馬達在重負載時也會拉低放大器的電壓，所以整個系統的電源供
應的比例必須合理。
入一個週期性的正向脈衝信號，這個週期性脈衝信號的高電平時間通常在 1ms
-毫秒之間，而低電平時間應在 5 毫秒到 20ms 之間，並不很嚴格，下表表示
出一個典型的 20ms 週期性脈衝的正脈衝寬度與微型伺服馬達位置的關係：
圖 3.2.3 典型的 20ms 週期性脈衝的正脈衝寬度與微型伺服馬達位置關係
22
圖 3.2.4 伺服馬達電源線
電源引線有三條，如圖中所示。伺服馬達三條線中紅色的線是控制線，
接到控制晶片上。中間的是伺服工作電源線，一般工作電源是 5V 的。第三條
是地線。
伺服馬達的運動速度：
伺服馬達的瞬時運動速度是由其內部的直流馬達和變速齒輪組的配合決定
的，在恆定的電壓驅動下，其數值唯一。但其平均運動速度可通過分段停頓
的控制方式來改變，例如，我們可把動作幅度為 90 度的轉動細分為 128 個停
頓點，通過控制每個停頓點的時間長短來實現 0 - 90 度變化的平均速度。對於
多數伺服馬達來說，速度的單位由“度數/秒“來決定。
3.3. mcs-51 簡介
MCS-51是Intel公司所設計的8051系列單晶片的總稱，較具知名度的編號
有8051、8751和8031，這些不同的單晶片都使用相同的核心CPU與指令集，只
是能在靠製造IC時給予不同的周邊設計，分別賦予這些IC一個特別編號。
23
以下將MCS-51系列單晶片的主要功能列舉如下：
1. 專為控制應用所設計的8位元CPU
2. 有完整的單位元邏輯運算指令
3. 有32條(4個Port)雙向且每條都可以被單獨定址的I/O
4. 內部有128byte可供讀/寫的RAM
5. 內部有兩個16位元Timer/Counter
6. 有一個通信用的全雙工UART(串列I/O)
7. 可接受5個中斷源，且有2層優先權的中斷結構
8. 內部有時脈振盪器(最高頻率可到12MHz)
9. 內部有4K的程式記憶體
10. 可在外部擴充到64K程式記憶體(EPROM)
11. 可在外部擴充64K資料記憶體(RAM)
圖3.3.1 MCS-51的40Pin DIP包裝的接腳圖
24
1~8腳 (P1.0~P1.7)：
這8支角是8051的I/O port，稱為PI。第一腳(P1.0)是LSB，第8支腳(P1.7)
是MSB。如果是8052(8032或8752)時，P1.0又可當作Timer2的外部脈波輸入腳，
P1.1又當作T2EX，可當作另外一個外部中斷觸發輸入腳。P1上的每支腳都可
推動4個LS TTL。
9腳(RESET)：
8051的重置(RESET)輸入腳，當這支腳由外部輸入High(+5V)的信號時，
8051就被重置，8051被重置後就從位址0000H開始執行程式。且特殊功能暫存
器(SFR)裡的所有暫存器都會被設成已知狀態。
10~17腳 (P3.0~P3.7)：
這8支腳是8051的I/O port，稱為P3。第10支腳(P3.0)為LSB，第17支腳(P3.7)
為MSB。P3裡的每支I/O腳除了可以當作單純的輸入/輸出使用外，也當作8051
內部的某些週邊與外界溝通個I/O腳。例如P3.0和P3.1接腳的另外一個名稱為
RxD和TxD，當8051內部的UART被軟體啟動後，UART會將串列資料從TxD
腳輸出，而UART也接收由外部送進來的串列信號。INT0和INT1是8051的兩
個外部中斷輸入部。T0是Timer0的外部脈波輸入腳。T1是Timer1的外部脈波
輸入腳。WR，RD，當您再8051的外部擴充資料記憶體(RAM)時，這兩條線是
控制寫與讀的信號。P3上的每一隻I/O腳都可以做兩種用途。那8051怎麼知道
P3上的某支腳是當I/O或當另一種用途，例如您要使用UART時您將第10腳看
成RxD，第11腳看成TxD加以使用就可以了。但是有一點必須特別注意，那就
是當作其他功能(不當I/O使用)使用的那支腳的內部栓鎖器的內容必須設為1，
其他的功能(如TxD，RxD，RD，ER，⋯等)才會有作用。P3上的每支I/O腳都
可推動4個LS TTL。
18~19腳(XTAL2，XTAL1)：
這兩支腳是8051內部時脈振盪器的輸入端，您可以在這兩支腳上跨街一
個12MHz的工作頻率，供內部使用。8051會根據這個速度工作。若未特別註
明，這個振盪器的工作頻率是在1MHz~12MHz之間的任何一個。如果線路板
上已有振盪器，那這個振盪器所產生的脈波(Clock)也可以直接輸入給8051使
25
用。這個外部送給8051使用的脈波是從第18腳(XTAL2)輸入，而19腳(XTAL1)
必須接地，以上的接法是CMOS的8051(如8051AH)。
如果您是使用CMOS的8051(80C51，80C31等)，外部的脈波必須從19腳
(XTAL1)輸入而18腳空接，這個差別必須特別注意。
40，20腳(Vcc，Vss)：這是8051的電源輸入端，40腳接電源的正端的20
腳接地。電源規格是5V +/- 10﹪。
21~28腳(P2.0~P2.7)：
這8支腳是8052的I/O port，稱為P2，P2.0為LSB，P2.7為MSB。P2除了當
作I/O使用之外。如果您在8051的外面擴充程式記憶體或資料記憶體時，P2就
變成8051的位址匯流排的高位元組(即A8~A15)，此時P2就不能當作I/O使用。
P2上的每支I/O腳可推動4個LS TTL。
29腳(PSEN)：
這支腳是8051用來讀取放在外部程式記憶體的指令時所用的讀去信號，
通常這支腳是接到EPROM的OE腳。8051分別致能放在外部的EPROM(程式記
憶體)與RAM資料記憶體是兩塊獨立的記憶體，且這兩塊記憶體都可以接到
64K，因此我們說8051的定址能力可達128K。
30腳(ALE)：
這支腳的名稱為”位址拴住致能” (Address Latch Enable，簡稱ALE)，8051
可以使用這支腳觸發外部的8位元栓鎖器，將P0上的位址匯流排信號(A0~A7)
鎖入栓鎖器中。
31腳(EA)：
這是一支輸入腳，當EA=0時，8051一律執行外部程式記憶體裡的程式，
因此8051內部的4K程式記憶體就沒有用了。因此如果您要使用內部的程式記
憶體時，一定要將EA接+5V。因為8031(或8032)內部沒有程式記憶體，它的EA
必須接地。
26
39~32腳(P0.0~P0.7)：
這8支腳也是8051的I/O port，稱為P0其中P0.0為LSB，P0.7為MSB。如果
將P0當作I/O使用時必須特別注意P0的輸出型態是Open Drain，其他三個I/O
port(P1，P2，P3)內部有pull high電路。P0除了當作I/O使用外，如果您在8051
的外面擴充程式記憶體或資料記憶體時，P0就當作位址匯流排(A0~A7)和資料
匯流排(D0~D7)多工使用。您必須再外部加一個8位元栓鎖器將位
址匯流排從PC上分離出來，這個A0~A7與P2所提供的A8~A15合成一個16
位元的位址匯流排，因此8051可以在外部定址到64K的記憶體。
3.4.紅外線遙控原理
紅外線概述
紅外線是 太陽光線 中眾多不可見光線中的一種，由 英國 科學家 霍胥爾
於 1800 年發現，又稱為紅外熱輻射,他將太陽光用三棱鏡分解開，在各種
不同顏色的色帶位置上放置了溫度計，試圖測量各種顏色的光的加熱效
應。結果發現，位於紅光外側的那支溫度計升溫最快。因此得到結論：
太陽光譜中，紅光的外側必定存在看不見的光線，這就是紅外線。也可
以當作傳輸之媒介。
太陽光譜 上紅外線的波長大於可見光線，波長 為 0.75～1000μm。紅外線
可分為三部分，即近紅外線，波長為 0.75～1.50μm 之間；中紅外線，波
長為 1.50～6.0μm 之間；遠紅外線，波長為 6.0～l000μm 之間。
紅外線是目前最常見的一種無線通訊，普遍使用在家電以及玩具產品，
如電視、音響、錄放影機、冷氣機、DVD、MP3 Player、遙控車等。紅外
線遙控之所以被大量採使用，主要是因為紅外線裝置體積小、成本低、
耗電少及硬體設計容易。
27
紅外線遙控技術簡介
紅外線遙控是利用近紅外光傳送遙控指令的，波長為 760nm~1500nm。用
近紅外線作為遙控光源，是因為目前紅外線發射器件(紅外線發光管)與紅
外接收器件(光敏二極體、三極管及光電池)的發光與受光峰值波長一般為
0.8um～0.94um，在近紅外光波段內，二者的光譜正好重合，能夠很好地
匹配，可以獲得較高的傳輸效率及較高的可靠性。
一般紅外線遙控器的載波頻率約為 30kHz~60 kHz，大部分家電的載波頻
率約為 38kHz 頻率的載波傳送訊號，而接收端必須有相對應頻率的帶通
濾波器，才能濾出光雜訊與光信號，否則不是很容易干擾，就是完全遙
控不到。目前紅外線通信協定(IR Protocol)有相當多種，如 NEC、Phlips、
RC5、RC6、RC-MM、Toshiba、Sharp、JVC、Sony SIRC 等。
下圖是紅外線發射器 (Transmitter 或稱 IR LED) 和接收器 (Receiver)
常見外觀，一般來說，紅外線遙控系統由發射器和接收器這兩部份組成。
圖 3.4.1 紅外線發射器
28
紅外線通信原理
紅外線遙控有發送和接收兩個組成部分。發送端將待發送的二進位信號
編碼調製為一系列的脈衝串信號，通過紅外發射管發射紅外信號。紅外
線接收完成對紅外信號的接收、放大、檢波、整形，並解調出遙控編碼
脈衝。通信流程如下圖所示：
圖 3.4.2 紅外線編碼及解碼
編碼是通過載波輸出的，即所有的脈衝信號均調製在載波上，載波頻率
通常為 38kHz。載波是電信號去驅動紅外發光二極管，將電信號變成光信
號發射出去，這就是紅外光，波長範圍在 840nm 到 960nm 之間。
把編碼後的二進位信號調製成頻率為 38kHz 的間斷脈衝串，相當於用二
進位信號的編碼乘以頻率為 38kHz 的脈衝信號得到的間斷脈衝串，即是
調製後用於紅外發射二極體發送的信號，通常為了使信號能更好的被傳
輸，發送端將二進位信號調製為脈衝串信號,通過紅外發射管發射。常用
的有通過脈衝寬度來實現信號調製的脈衝調製(PWM)和通過脈衝串之間
的時間間隔來實現信號調製的脈時調製(PPM)兩種方法。在接收端，需要
反過來通過光電二極管將紅外線光信號轉成電信號，經放大、整形、解
調等步驟，最後還原成原來的脈衝編碼信號，完成遙控指令的傳遞。
29
第 4 章成品製作
4.1 前言
1. 先利用麵包板、電源供應器、電表，測試馬達電路是否能運作
2. 熟悉 89C51 使用方法、組合語言使用方法，熟悉燒錄方法，寫程式
3. 將程式燒入 89C51，測試是否能依據我們的設計正常運作
5. 將電路移植到一般的電路板上，並測試是否正確
6. 連接馬達與電路板，並修改原本遙控機器人的電池裝置
7. 做最後的校正及外部包裝
4.2 成品簡易設計圖
圖 4.2.1 成品簡易設計圖
30
4.3 成品設計
在按下驅動按鍵後，經由PT2248發射訊號至振盪器，振盪器所振盪出
的電波來指示IR LED發光發射紅外線波，在RPM6938紅外線模組接收到訊
號後，將指示的光波指令交由PT2249A將指令使9014電晶体導通，C極為
低態，89S51依狀況執行運轉馬達轉向。運用按鍵式按鈕，藉由按鍵的方
式將此訊號傳給PT2248，好讓PT2248將此訊號轉成脈波，經由震盪再藉由
IR LED紅外線發射器發射此訊號。
4.4 加工程序
圖 4.4.1 89S51 腳座安裝
31
圖 4.4.2 升壓電容、電阻、電解電容、觸控開關安裝
圖 4.4.3 接線至電池座
32
圖 4.4.4 機器人腳座的部分
圖 4.4.5 伺服馬達與腳座安裝
33
圖 4.4.6 遙控器紅外線編碼安裝與觸控開關按鈕設置
34
圖 4.4.7 成品上視圖
圖 4.4.8 成品側視圖
35
4.5 89S51 程式碼
ORG 00H ;設定程式開頭位置
AJMP START
START:
MOV P1,#00000000B
CALL DELAY
CALL CENTER
MOV 30H,#1
LOOP:
JNB P2.0,LO2 ;是否接收到前鍵之紅外線訊號
JB P2.0,$
MOV 30H,#1 ;是則令 30H=1
LO2:
JNB P2.1,LO3 ;是否接收到右鍵之紅外線訊號
JB P2.1,$
MOV 30H,#2 ;是則令 30H=2
LO3:
JNB P2.2,LO4 ;是否接收到左鍵之紅外線訊號
JB P2.2,$
MOV 30H,#3 ;是則令 30H=3
LO4:
MOV A,30H ;30=1？
CJNE A,#1,LO4_0 ;是則呼叫前進副程式
CALL MOVE
LO4_0: MOV A,30H ;30=2？
CJNE A,#2,LO4_1 ;是則呼叫右轉副程式
CALL MOVER
LO4_1: MOV A,30H ;30=3？
CJNE A,#3,LO4_2 ;是則呼叫左轉副程式
CALL MOVEL
LO4_2:
36
JMP LOOP
;========================
;=====右轉副程式=========
;========================
MOVER:
CALL CENTERR
CALL RIGHT
CALL CENTER2
CALL CENTERL
CALL LEFT
CALL CENTER2
RET
;========================
;=====左轉副程式=========
;========================
MOVEL:
CALL CENTERL
CALL RIGHT2
CALL CENTER2
CALL CENTERR
CALL LEFT2
CALL CENTER2
RET
;========================
;=====前進副程式=========
;========================
MOVE:
CALL CENTERR ;中腳逆時針轉右腳轉至 0 度左腳轉至 0 度
CALL TURNR ;中腳逆時針轉右腳往後左腳往前
CALL CENTER2 ;中腳轉至 0 度
CALL CENTERL ;中腳順時鐘轉右腳轉至 0 度左腳轉至 0 度
CALL TURNL ;中腳順時針轉右腳往前左腳往後
CALL CENTER2 ;中腳轉至 0 度
RET
RIGHT: MOV R3,#10
37
R1: MOV P1,#00000000B
CALL DEL
SETB P1.0 ;右腳往後
SETB P1.2 ;中腳逆時針轉
CALL DEL
CALL DEL
SETB P1.1 ;左腳往後
CALL DEL
CALL DEL
MOV P1,#00000000B
CALL UNITW
DJNZ R3,R1
RET
LEFT: MOV R3,#10
L1: MOV P1,#00000000B
CALL DEL
SETB P1.1 ;左腳往前
CALL DEL
CALL DEL
SETB P1.0 ;右腳往前
SETB P1.2 ;中腳順時針轉
CALL DEL
CALL DEL
MOV P1,#00000000B
CALL UNITW
DJNZ R3,L1
RET
RIGHT2: MOV R3,#10
R2: MOV P1,#00000000B
CALL DEL
SETB P1.0 ;右腳往後
CALL DEL
CALL DEL
SETB P1.1 ;左腳往後
SETB P1.2 ;中腳順時針轉
38
CALL DEL
CALL DEL
MOV P1,#00000000B
CALL UNITW
DJNZ R3,R2
RET
LEFT2: MOV R3,#10
L2: MOV P1,#00000000B
CALL DEL
SETB P1.1 ;左腳往前
SETB P1.2 ;中腳逆時針轉
CALL DEL
CALL DEL
SETB P1.0 ;右腳往前
CALL DEL
CALL DEL
MOV P1,#00000000B
CALL UNITW
DJNZ R3,L2
RET
TURNR: MOV R3,#10
TUR: MOV P1,#00000000B
CALL DEL
SETB P1.0 ;右腳往後
SETB P1.1 ;左腳往前
CALL DEL
CALL DEL
CALL DEL
CALL DEL
MOV P1,#00000000B
CALL UNITW
39
DJNZ R3,TUR
RET
TURNL: MOV R3,#10
TUL: MOV P1,#00000000B
CALL DEL
CALL DEL
CALL DEL
SETB P1.0 ;右腳往前
SETB P1.1 ;左腳往後
CALL DEL
CALL DEL
MOV P1,#00000000B
CALL UNITW
DJNZ R3,TUL
RET
CENTER:MOV R3,#10
C1: MOV P1,#00000000B
CALL DEL
CALL DEL
SETB P1.0 ;中腳轉至 0 度
SETB P1.1 ;右腳轉至 0 度
SETB P1.2 ;左腳轉至 0 度
CALL DEL
CALL DEL
CALL DEL
MOV P1,#00000000B 40
CALL UNITW
DJNZ R3,C1
RET
CENTERR:MOV R3,#10
CR1: MOV P1,#00000000B
CALL DEL
SETB P1.2 ;中腳逆時針轉
CALL DEL
SETB P1.0 ;右腳轉至 0 度
SETB P1.1 ;左腳轉至 0 度
CALL DEL
CALL DEL
CALL DEL
MOV P1,#00000000B
CALL UNITW
DJNZ R3,CR1
RET
CENTERL:MOV R3,#10
CL1: MOV P1,#00000000B
CALL DEL
CALL DEL
SETB P1.0 ;左腳轉至 0 度
SETB P1.1 ;右腳轉至 0 度
CALL DEL
SETB P1.2 ;中腳順時鐘轉
CALL DEL
CALL DEL
MOV P1,#00000000B
CALL UNITW
DJNZ R3,CL1
41
RET
CENTER2:MOV R3,#10
C2: MOV P1,#00000000B
CALL DEL
CALL DEL
SETB P1.2 ;中腳轉至 0 度
CALL DEL
CALL DEL
CALL DEL
MOV P1,#00000000B
CALL UNITW
DJNZ R3,C2
RET
;==============================
;==========延時 0.5ms===========
;==============================
DEL: MOV R6,#5
F1: MOV R7,#50
F2: DJNZ R7,F2
DJNZ R6,F1
RET
UNITW:
MOV R4,#33
UN1: CALL DEL
DJNZ R4,UN1
RET
DELAY: MOV R5,#1
DL0: MOV R6,#100
DL1: MOV R7,#100
DL2: DJNZ R7,DL2
DJNZ R6,DL1
DJNZ R5,DL0
RET
END
42
43
第 5 章未來發展
近幾年來，智慧型機器人的研發逐漸受到普遍的重視，尤其是醫學及服務性
機器人已有成功商品化的實例以人為中心之機器人系統將逐漸走入社會，如
醫院、機場、博物館、及家庭。另一方面，人口的高齡化已是未來社會的
趨勢，幫助老年人的機器人將有其實用性。
因此四足機器人在未來的發展可如:動物園瀕臨絕種的動物加以模擬，讓未來
的下一代知道有這個生物存在；還有也可以運用在日常中一些有線的玩具，
並用無線的紅外線取代且讓小孩及遊戲者操控便利。
44
第 6 章結論與建議
6.1 結論
時間過得真快，這次的專題讓我學習到非常多，有關於電子、機械的從
一塊電路板到結合紅外線一直到最後成品的完成，一開始我們對電子相關的
材料一竅不通根本沒有聽過還有要加上遙控的方式，之後我們詢問電子街店
家、老師尋找相關的資訊，才開始了解這些東西運用在哪些地方並加以購入
開始執行這個專題，雖然專題製作的過程相當辛苦，投入得相當的精神與時
間，但也因為知道了專題製作的困難，才更能有想要做出完美的決心，雖然
做後作品好像還覺得有些欠缺，不過最重要的還是這份難得可貴的經驗。
在製作的過程中我們所遇到的難題，組員們在分工上的部分，偶爾會有衝突、
爭執，且因組員中有人的課餘時間比較難配合其他組員的時間，則我們已經
落後人家一個學期了，所以我們只剩最後這個學期的時間做專題只有一次機
會，因為上次的完整度不足又再一次的重修也是原因之一，還有由於我們不
是電子、電機科系的學生對於在電路板的錫焊的加工有點不懂，後來請教老
師教導則多次嘗試失敗後慢慢的把電路板、LED、排線及開關跟伺服馬達及單
晶片慢慢的做結合，但最大的難題是在寫程式的部分。
6.2 建議
由實驗結果，發現紅外線接收端的接收仍有死點，當行進方向與發射端
成 180 度時，發射出的紅外線容易因距離而無法接收，理論上，可以裝設多
個不同角度的接收端。由於時間較短，此專題為了簡化電路，只設計前進而
無法後退。
45
第 7 章參考文獻
1.黃宏彥、余文俊、楊國輝編著，感測器原理與應用電路實習，高立圖 書有限公司，1999。
2.蔡朝陽，電工實習（四），全華科技圖書股份有限公司，中華民國八
十三年五月。
3.鄧錦城編著，89S51單晶片實作寶典，益眾資訊有限公司，2000。
4.http://www.richiego.tw/cloud/10011/cvtc01/remoter/?p=231
5.http://www.me.ntust.edu.tw/DGteaching/%E9%AB%98%E7%B6%AD%E
6%96%87/%E5%BE%AE%E8%99%95%E7%90%86%E6%A9%9F/Home
page%E7%B6%B2%E9%A0%81/project/tue/team07/team07.htm
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