1

實實務務專專題題報報告告書書

劍劍 道道 練練 習習 機機

指 導 老 師：蔣忠誠

專題製作學生：四技電四甲 盧俊宇 BD97004

四技電四甲 張庭源 BD97012

中華民國 100 年 12 月 7 日

修 平 技 術 學 院 電 機 工 程 系

DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING

HSIU-PING INSTITUTE OF TECHNOLOGY

2

目錄

第一章 前言

1-1 摘要 ……………………………………………4

1-2 研究動機 ……………………………………………5

1-3 研究目的 ……………………………………………5

第二章 文獻探討

2-1 A/D轉換IC HX711簡介 …………………………7

2-2 特點 ……………………………………………7

2-3 腳位說明 …………………………………………9

2-4 力道計算 …………………………………………11

第三章 專題實作

3-1 電路實作部分 ………………………………………12

3-2 LCD 的接腳規格 ……………………………………13

3-3 LCD內部的旗號與暫存器 …………………………14

3

3-4 LCD 模組控制命令 …………………………………16

第四章 8051程式設計

4-1 電路圖 ………………………………………………17

第五章 成品過程圖

5-1成品過程圖……………………………………………22

第六章 結論

6-1 結論 ………………………………………………26

4

第一章 前言

1.1摘要

隨著科技的快速發展，時間的流逝,至從觀太陽、擺鐘到現在的高

科技，人類不斷研究，不斷創新紀錄。我們將整合電子、電機、機械

等方面的知識，製作一組完整的劍道練習機系統，包含了重量感測電

路、LCD顯示電路、按鍵電路、CPU 電路等各大電路部分，配合電源、

等硬體以及作為可自動感應之邏輯判斷的程式流程軟體，因此本專題

的製作可說是涉及了多方面的知識領域。

其中的核心-CPU，我們選擇了較為熟悉的 8051 單晶片，不僅僅是因

為在系上大三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。

1.2 研究動機

以台灣來說目前劍道雖然還不是很流行，但是還是有許多人對劍

道很熱衷，而現在的劍道練習場都還是以很傳統的訓練來教學，所以

希望我們的劍道練習機可以改變傳統的訓練方式。

現在的人壓力很大往往找不到地方發洩，會藉著一些發洩方法

5

來紓壓，如籃球機、拳擊機、棒球機，而希望也能從劍道機來紓壓。

1.3 研究目的

(1) 瞭解類比對數位轉換器之工作原理。

(2) 8051程式設計及編寫。

(3) LCD顯示實作

(4) 顯示及量測重量

(5) 電路實作及測試

電路設計方塊圖

方塊圖說明：

1.重量感測電路則由 HX711 IC提供 A/D轉換電路，提高便利性及準

度。

AT89S51

主電路 HX711

A/D 轉換

重量感測器

LCD

蜂鳴器、LED 指示燈

按鍵感測

6

2.按鍵感測 4點位置，頭、兩肩及胸部是否被擊中，擊中時蜂鳴器發

出提示音。

3.LCD顯示練習成績

4.使用旋轉按鍵設定每一次練習的時間，時間結束時8051程式計算成

績

7

第二章 重量感測電路

2.1 A/D轉換IC HX711簡介

HX711 是一款專為高精度稱重感測器而設計的 24位元 A/D 轉換

器晶片。與同類型其他晶片相比，該晶片集成了包括穩壓電源、片內

時鐘振盪器等其他同類型晶片所需要的週邊電路，具有集成度高、回

應速度快、抗干擾性強等優點。降低了電子秤的整機成本，提高了整

機的性能和可靠性。該晶片與後端 MCU 晶片的介面和編程非常簡單，

所有控制信號由腳位驅動，無需對晶片內部的暫存器編程。輸入選擇

開關可任意選取通道 A 或通道 B，與其內部的低雜訊可編程放大器相

連。通道 A 的可編程增益為 128 或 64，對應的滿額度差分輸入信號

幅值分別為±20mV 或±40mV 。通道 B 則為固定的 64 增益，用於系統

參數檢測。晶片內提供的穩壓電源可以直接向外部感測器和晶片內的

A/D 轉換器提供電源，系統板上無需另外的類比電源。晶片內的時鐘

振盪器不需要任何外接器件。上電自動復位功能簡化了開機的初始化

過程

2.2 特點

8

1. 兩通道可選擇差分輸入

2. 片內低雜訊可編程放大器，可選增益為 64 和 128

3. 片內穩壓電路可直接向外部感測器和晶片內 A/D 轉換器提供電源

4. 片內時鐘振盪器無需任何外接器件，必要時也可使用外接晶振或

時鐘

5. 上電自動 RESET電路

6. 簡單的數位控制和串口通訊：所有控制由腳位輸入，晶片內寄存

器無需編程

7. 可選擇 10Hz 或 80Hz 的輸出資料速率

8. 同步抑制 50Hz 和 60Hz 的電源干擾

9. 耗電量（含穩壓電源電路）：典型工作電流：< 1.7mA, 斷電電流：

< 1μA

10. 工作電壓範圍：2.6 ~ 5.5V

11. 工作溫度範圍：-20 ~ +85℃

9

2.3 腳位說明

腳位號 名稱 性能 描述

1 VSUP 電源 穩壓電路供電電源: 2.6 ~ 5.5V （不用穩壓

電路時應接 AVDD）

2 BASE 模擬輸出 穩壓電路控制輸出（不用穩壓電路時為無連

10

接）

3 AVDD 電源 模擬電源: 2.6 ~ 5.5V

4 VFB 模擬輸入 穩壓電路控制輸入（不用穩壓電路時應接地）

5 AGND 地 模擬地

6 VBG 模擬輸出 參考電源輸出

7 INA 模擬輸入 通道 A 負輸入端

8 INA+ 模擬輸入 通道 A 正輸入端

9 INB 模擬輸入 通道 B 負輸入端

10 INB+ 模擬輸入 通道 B 正輸入端

11 PD_SCK 數位輸入 斷電控制（高電位有效）和串口時鐘輸入

12 DOUT 數位輸出 串口資料輸出

13 XO 數位輸入輸

出

晶振輸入（不用晶振時為無連接）

14 XI 數位輸入 外部時鐘或晶振輸入，0: 使用片內振盪器

15 RATE 數位輸入 輸出資料速率控制，0: 10Hz; 1: 80Hz

16 DVDD 電源 數字電源: 2.6 ~ 5.5V

模擬輸入

通道 A 模擬差分輸入可直接與橋式感測器的差分輸出相接。由於橋

式感測器輸出的信號較小，為了充分利用 A/D 轉換器的輸入動態範

圍，該通道的可編程增益較大，為 128 或 64。這些增益所對應的滿

量程差分輸入電壓分別±20mV 或±40mV 。通道 B 為固定的 64 增益，

所對應的滿量程差分輸入電壓為±40mV 。通道 B 應用於包括電池在

內的系統參數檢測。

供電電源

數位電源(DVDD) 應使用與 MCU 晶片相同的的數位供電電源。HX711

晶片內的穩壓電路可同時向 A/D 轉換器和外部感測器提供模擬電

源。穩壓電源的供電電壓(VSUP) 可與數位電源(DVDD) 相同。穩壓電

11

源的輸出電壓值（VAVDD）由外部分壓電阻 R1、R2 和晶片的輸出參

考電壓 VBG 決定（圖 1），VAVDD=VBG(R1+R2)/R2。應選擇該輸出電壓

比穩壓電源的輸入電壓(VSUP)低至少 100mV 。如果不使用晶片內的

穩壓電路，腳位 VSUP 和腳位 AVDD 應相連，並接到電壓為 2.6～

5.5V 的低雜訊模擬電源。腳位 VBG 上不需要外接電容，腳位 VFB 應

接地，腳位 BASE 為無連接。

2.4 力道計算

練習開始時，開始感測劍上的重量感測器，並把重量值透過HX711

轉成數位值存放在8051暫存器裡，當各部位被擊中時，感測器受力使

得重量增加，此時的重量值和8051暫存器裡的重量值相減，就得到實

際的受力值。

由於是先感測各部位的按鍵再感測受力，因此便可以計算各部位

的擊中次數以及受力總和，當練習時間結束時，LCD再顯示各部位的

擊中次數及平均受力值，以達到計算成績的功能。

12

第三章 作品內容

3.1 電路實作部分

LCD 簡介

液晶顯示器,因為工作所需的電流非常低,因此被廣泛使用於高級電

器產品及儀表的顯示裝置上.目前市面上的 LCD,大都已經包裝成模

組以方便控制,可分文字型及繪圖形 2 種.文字型 LCD有

16X1,16X2,20X1,20X2,40X1,40X2 數種.

LCD 模組的結構

圖 2.5 LCD 模組結構

LCD 模組是由控制器,驅動器,顯示器三部份所組成

DDRAM 位址與可供顯示位置的對應圖

13

0 1 2 3 12 13 14 15

第一行 80 81 82 83 ………. 8C 8D 8E 8F

第二行 C0 C1 C2 C3 CC CD CE CF

16 字 X 2 行 32 字

3.2 LCD 的接腳規格 雖然 LCD 的接腳因製造廠商的不同而排列方式有所不同,不過都是

編號由 1 至 14,的 14 根接腳.

P0

.4

LCM 16x2

1278910

11

12

13

14

3456

VC

CG

ND

D0

D1

D2

D3

D4

D5

D6

D7

VC

RS

R/-

WE

P0

.2

P3

.7

P0

.5

P0

.1

+5V

P3

.5

P0

.3

P3

.6

P0

.7P

0.6

P0

.0

NO Symbol Function

1 VCC 主電源 5V

2 V0 顯示明暗對比控制腳 CONTRAST ADJ

3 GND 接地

14

4 RS 暫存器選擇信號(Register)

RS=0 為資料,RS=1 為指令暫存器

5 R/W R/W=1 表示從 LCD 模組讀取資料

R/W=0 表示將資料寫入 LCD 模組

6 E LCD 模組的致能端

7 DB 0 Data Bit 0

8 DB 1 Data Bit 1

9 DB 2 Data Bit 2

10 DB 3 Data Bit 3

11 DB 4 Data Bit 4

12 DB 5 Data Bit 5

13 DB 6 Data Bit 6

14 DB 7 Data Bit 7 但是也拿來傳送 BF

3.3 LCD內部的旗號與暫存器 1. 忙碌旗號 Busy Flag(BF)

BF 旗號是 LCD 用來告訴 CPU 他內部是否再忙碌的一個旗號,若

BF=1,表示 LCD 正在處理內部的工作,因此此時不可以寫資料給 LCD.

當BF=0,表示 CPU 可以寫資料給 LCD.當接腳 RS=0 且 R/W=1 時,忙

碌旗標的接腳會由 DB7 輸出.

2. 暫存器

LCD 模組內只有 2 個 8 位元暫存器,稱為指令暫存器(Instruction

Register IR),和資料暫存器(Data Register,DR),他們都是 8 位元

暫存器,由 RS 腳來選用.

指令暫存器 IR 用來接收單晶片送來的命令,例如清除顯示,或功能設定等等…資料暫存器 DR 則用來接收單晶片要寫到 DDRAM(共 80Byte)或 CGRAM(共 64Byte)的資料緩衝區.當單晶片寫到 DR 暫存器之後.LCD 內部的控制電路會將資料自動寫到 DD RAM 或 CG RAM 中,而位址是由 LCD 內部的位址計數器(Address Counter AC)所指定.而單晶片要讀取資料時,需先將欲讀取的位址放入 IR 暫存器中,

15

LCD 就會將其內容放入 DR 中,然後單晶片就可以去讀取 DR 的資料.

3. 位址計數器 AC

位址計數器是用來指定欲存取的 DD RAM和 CG RAM 的位址.位址設定

指令將位址寫入 IR 暫存器之後,LCD 內部控制電路會將 IR 暫存器

的內容送至 AC.當資料存取之後,AC 便會自動加一(I/D=1)或減一

(I/D=0).

字元產生器 Character Generat ROM (CG ROM)

LCD 內部有一個存放字型的 ROM,它裡面存著 192 個 5x7 點矩陣的

字型.這些字型,由存放在 DD RAM 中的 ASCII 碼叫出來顯示.例

如:’A’的字型碼為 01000001(即 41H)

5.自創字型產生器

LCD 模組除了提供標準的字型 CG ROM 供人使用之外,另外還提供一

塊 64 位元組的 CG RAM 空間供人從放 user 自己設計的字,一個字

要 8個位元組(5x7 點矩陣),因此 64/8=8,做多可放 8 個新字元.要

顯示自己的字元時,需先將 5X 點矩陣圖形放入 CG RAM 中.而要叫

出自元時,其字型碼為 00H~07H.

16

17

3.4 LCD 初始化副程式

LCD 模組在送電後,使用之前,單晶片必須要先去規劃 LCD 的各項功

能,或工作模式,LCD 才能正常工作.這個動作稱為 LCD 的初始化.

例:功能設定命令

圖LCD 初始化步驟

18

第四章 8051程式設計

程式流程圖

4.1 劍道練習機結構圖

開始

主程式迴圈

是

否

初始化 LCD

有部位被擊

中？

讀取重量 A/D 值並存到

暫存器

按下開始鍵？

讀取重量 A/D 值並和

原本重量值相減

再依照被擊中的位置

存放受力總和、次數

練習時間到？

LCD 顯示成績 是

否

是

否

19

A

C

D

LCD

BB

打擊ABCD四個點，

分別會顯示力道及

次數。

20

4.2 8051主電路圖

P1.5

P2.6

R510K

P0.4P0.5

+5V

+C810uF/25V

P3.6

+5V

C3104

P3.4P2.3

P1.2

P0.6

P1.3

C5

30PF

P0.2

P2.7

P2.2

P3.1

P0.0

P1.6

P2.0

P1.4

U4

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

P3.3

P0.3

C4

30PF

P2.4

P3.7

P3.0

P3.5

Y1

12MHZP0.1

P1.1P1.0

P2.1

P0.7

P2.5

P1.7

P3.2

LCD電路

P0.

4

LCM 16x2

127891011121314 3456

VC

CG

ND

D0

D1

D2

D3

D4

D5

D6

D7

VC

RS

R/-

WE

P0.

2

P3.

7

P0.

5

P0.

1

+5V

P3.

5

P0.

3

P3.

6

P0.

7P

0.6

P0.

0

按鍵電路

P2.6

SW6

開始鍵

21

各部位感測電路

D4

1N4148

D5

1N4148

P3.0

D2

1N4148

D3

1N4148

P3.4

P3.2

SW4

C按鍵

12

SW3

B按鍵

12

P3.3P3.1

SW2

A按鍵

12

SW5

D按鍵

12

電源穩壓電路

+C1

220uF/16V

C2104

U1

78M051

2

3VOUT

GN

D

VIN

SW1

電源開關

1 2

+5V

J1

9V

LED、蜂鳴器電路

D1

LED

R2 300P2.5

+5V

Q1A1015

P2.7R1 300

+5V

BZ1

BUZZER

22

時間設定電路

P1.3

P1.1P1.0

P1.2

01 9

8

7

654

3

2

J3

可調開關

1 2 3 45

1 2 3 45

重量感測類比轉數位電路

P2.0

R3

20K

R7 100

+5V

R4

8.2K

R6 100

+C7

1uF

+5V+5V

C9

104

U3

HX711

1234567

1615141312111098

VSUPBASEAVDDVFBAGNDVBGINA

DVDDRATE

XIXO

DOUTPD_SCK

INB+INBINA+

+C6

1uF

P2.1

Q2

S8550J2

重量感測器

1

4

23

E+

OUT-

E-OUT+

附錄二 參考文獻

[1] 吳朗，感測與轉換原理元件與應用，全欣資訊圖書

[2] 蔡朝洋，單晶片微電腦8051原理與應用，全華

[3] 陳明熒，單晶片8051實作入門，文魁

23

第五章 成品過程圖

24

電路板零件組合圖

25

26

27

第六章 結論

希望以此專題來改變目前劍道的訓練方法，以便於多元化幫助來

訓練選手以及想學劍道的人學習，並且讓劍道能像其他運動受到大家

的重視以及興趣，帶動劍道運動的流行，以及讓現代人有多一樣的疏

壓管道。