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共 2 筆
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系統識別號 U0006-0908200823411400
論文名稱(中文) 整合Webcam及USB介面之伺服控制器開發及其於可攜式球平台系統之應用。
論文名稱(英文) Development of a Servo Controller Integrating Webcam and USB Interface and Its Application in a Portable Ball-on-Plate System.
校院名稱 國立台北科技大學
系所名稱(中) 機電整合研究所
系所名稱(英) Graduate Institute of Mechatronic Engineering
學年度 96
學期 2
出版年 97
研究生(中文) 葉金生
學號 93408501
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2008-07-30
論文頁數 130頁
口試委員 指導教授-陳雙源
委員-龍仁光
委員-詹朝基
關鍵字(中) Webcam
USB
DirectShow
視覺回授
微控制器
球平台系統
關鍵字(英) Webcam, USB, DirectShow
Vision Feedback
MCU
Ball-on-Plate System
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究運用了USB介面的隨插即用、熱插拔及擴充性等便利,以個人電腦(PC)內建之USB hub作為通訊主軸,整合了Webcam(使用USB 2.0)、自行開發之伺服馬達控制單元、筆記型PC及輕便之球平台機構,建構了一套低成本之可攜式球平台系統。其中,Webcam是做為球位置的視覺回授元件,而伺服馬達控制單元係以相容MCS-51系列之AT89S52單晶片微控器作為核心,並搭配自行發展的週邊電路及韌體,以做一軸或二軸的位置伺服控制。另筆記型PC,除做為USB通訊之主機端外,依據不同的系統功能,它也用來執行系統的主要程式,兼做為人機介面及處理由Webcam所攝取的影像,以求得球在平台上之X、Y軸位置座標。
最後,將上述各單元建構完成及整合後,此球平台系統可處理Webcam每秒所擷取的30張影像,並求出球在球平台的中心座標,同時可控制球平台追隨搖桿的擺動,於0.3秒內完成定位。依據這樣的能力,我們設計了兩個系統功能:一、智慧型人機互動球平台遊戲,包含「人機互動」(如:X軸自動Y軸手動或X軸手動Y軸自動)、「人與人互動」(X、Y軸皆手動)等,而此部份已證實能達到預期之目標;二、球位置的平衡控制,此是要控制球停止於所欲的位置,由於所需的控制法則相當複雜,本研究只進行至可驗證架構的可行性,而控制法則的研究,則待未來的學弟來進行。
英文摘要 Appling the convenience of USB interface ( plug and play, hot attach and detach and extensibility ), this research use a notebook PC and its USB hub as the main communication kernel for integrating a microprocessor, a Webcam and a servo-motor controller to form a low cost, portable ball-on-plate system. In the system, the Webcam is used as a vision feedback component, the servo-motor controller is based on a MCS-51 compatible AT89S52 micro-controller to integrate peripheral circuits and firmware. Except used as a communication kernel, the PC also provides the functions of executing the assigned tasks, man-machine interface and the post image processing in order to obtain the X,Y coordinates of the ball in the plate.
After the integration of above mentioned component, the ball-on-plate system can process 30 digital pictures generated from Webcam and determine the center of the ball in each sampling period. Spontaneously and immediately, the system also can control the swing of the plate following the input of the handle and reach the desired position within 0.3 second. Based on above capabilities, we designed two system tasks to let the I notebook PC to execute. One is the intelligent man-machine ball-on-plate game, witch includes man-machine competing ( X axis by man, Y axis by machine; or vice versa ) and man-man competing. This first task is implemented in the system and proved to be acceptable. The second task is to control the ball to stop at a desired place. This control actually requires very complicate algorithm and beyond the scope of this research. However, such a task is proved to be feasible based on the structure provided.
論文目次 中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vii
圖目錄 viii
第一章 緒論 1
1.1研究動機與目的 1
1.2問題與解決方案 2
1.3論文架構 3
第二章 USB系統簡介 5
2.1前言 5
2.2 USB系統架構 5
2.2.1 USB主機 6
2.2.2 USB裝置 6
2.2.3 USB集線器 7
2.3 USB纜線與接頭 8
2.4 USB裝置之連結與偵測 10
2.5 USB傳輸型式 11
2.5.1控制型傳輸 11
2.5.2中斷型傳輸 12
2.5.3大量型傳輸 12
2.5.4即時型傳輸 13
2.6 USB通訊協定 13
第三章 Direct Show及Webcam簡介 15
3.1 Direct Show基本概念 15
3.1.1 Direct Show之資料流過濾模組Filter 15
3.1.2元件物件模型COM 17
3.1.3 GraphEdit─測試Filter工具 19
3.2 Webcam的概念 23
3.2.1 Webcam的定義 23
3.2.2 COMS及CCD光學感測元件之簡介 24
3.2.2.1 COMS光學感測元件之簡介 24
3.2.2.2 CCD光學感測元件之簡介 26
3.2.2.3 COMS與CCD光學感測元件之比較 27
第四章 硬體系統發展 29
4.1球平台機械系統 29
4.1.1球平台之機械結構簡介 29
4.1.2球平台機械系統之數學模型 31
4.1.3馬達總成簡介 33
4.2硬體電路系統 36
4.2.1 USB轉串列(RS232)介面電路 39
4.2.2 RS-232轉TTL/CMOS訊號電路 42
4.2.3微控制器控制電路 43
4.2.3.1微控制器主模組 44
4.2.3.1.1 Atmel AT89S52簡介 45
4.2.3.1.2 AT89S52微控制器基本架構 47
4.2.3.1.3 AT89S52串列埠介面 48
4.2.3.1.4解碼器74LS154簡介 51
4.2.3.1.5閂鎖暫存器74LS373簡介 52
4.2.3.1.6 PC817與DIO隔離電路 54
4.2.3.2 D/A暨計數器擴充模組 56
4.2.3.2.1 AD7541AKN數位/類比轉換器簡介 56
4.2.3.2.2數位/類比轉換及馬達正、反轉控制訊號電路 60
4.2.3.2.3馬達驅動模組 62
4.2.3.2.4計數器電路 62
4.2.3.3 A/D暨介面整合電路擴充模組 68
4.2.3.3.1 ADC0804類比/數位轉換器簡介 69
4.2.3.3.2 A/D轉換電路 70
4.2.3.3.3 極限開關感測電路 72
第五章 軟韌體系統發展 73
5.1影像處理軟體發展 74
5.1.1讀取球座標之影像處理程式設計 74
5.1.1.1 DirectShow Filter Graph程式的建立及設定 76
5.1.2影像處理程式之演算法 80
5.1.3函式庫的建立 84
5.2人機界面軟體發展 86
5.3微控制器韌體程式發展 92
5.3.1球平台系統之伺服控制方法 92
5.3.2微控制器程式設計 94
5.3.2.1主程式設計 94
5.3.2.2計時中斷副程式設計 105
5.3.2.3串列傳輸中斷副程式設計 111
第六章 系統測試與結果 113
6.1測試實體簡介 113
6.2 Webcam擷取球體中心座標速率測試 114
6.3 Encoder四倍解析度電路測試 115
6.4球平台系統實機測試 118
6.4.1球平台平衡系統模式測試 118
6.4.2 X軸手動Y軸自動的球平台遊戲系統模式測試 119
6.4.3 X軸Y軸皆手動的球平台遊戲系統模式測試 123
第七章 結論與未來展望 126
7.1結論 126
7.2未來展望 127
參考文獻 129
參考文獻 [1] 陳銘山,視覺回授式球平台遊戲系統開發,碩士論文,國立台北科技大學機電整合研究所,台北,2005。
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系統識別號 U0006-1808201021240600
論文名稱(中文) 張力器數位控制與電腦連線
論文名稱(英文) Digital Control and Computer Communication of Tension Meters
校院名稱 國立台北科技大學
系所名稱(中) 機電整合研究所
系所名稱(英) Graduate Institute of Mechatronic Engineering
學年度 98
學期 2
出版年 99
研究生(中文) 呂銘展
學號 97408035
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-07-28
論文頁數 95頁
口試委員 指導教授-陳雙源
委員-黃恆盛
委員-王木俊
委員-劉傳璽
關鍵字(中) 張力器
串列埠通訊(RS-232、RS-485)
微控制器
關鍵字(英) Tension meter
Serial communication(RS-232,RS-485)
Microcontrollers
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
學科別應用科學機械工程
中文摘要 因市面上張力器多數是以類比電路,控制繞線時的張力,這種方式雖可達到控制繞線張力的目的,但由於是應用運算放大器等硬體電路設計成的,每一台張力器於換線圈型號、線材時皆要重新調整,且每一台的調整結果不易相同,造成產品品質不一,更無法以電腦連線來自動調整及監控,且不具備有即時顯示張力值之功能。
有鑒於此,本研究運用串列埠作為通訊的協定,以個人電腦模擬當繞線機主電腦,利用RS-232及RS-485做為通訊介面,整合了張力器、步進馬達、自行開發的控制電路、小型液晶螢幕(LCD),建構一套低成本但多功能的數位式張力器。其中,張力器之控制係以單晶片W78E516B微控制器為主要核心,搭配自行發展的周邊電路及韌體,以做設定及馬達之正轉、反轉及起止等控制。另個人電腦(模擬繞線機主電腦)除做為串列埠主機端外,依據不同系統功能,它也可用來執行系統的主要程式。
最後,將上述各單元建構完成及整合後,建構出一套全新的數位張力器,我們設計了兩個系統,一、單機版數位式張力器,它們不僅有初使化的能力,並且擁有即時顯示張力值的功能,這部份在實際與繞線機結合上機後已證實能達到預期之目標。二、連線版數位式張力器,與一不同處,在於透過個人電腦(繞線機主電腦)對數位式張力器下達控制、存取、初始化等功用,此部分亦已達到預期目標,而將數位式張力器產品化的後續研究,則待未來學弟來進行。
英文摘要 Most of tension meters for coil winding machines are implemented by analog circuit. However, as the diameter or material of the wire or coil type change, the tension of the wire should be changed too. The adjustment for each tension meter is quite troublesome and hard to maintain consistent. Thus, the quality of winded coils are difficult to be uniform. Hence, in this study, the tension meter is implemented by digital circuit which provides several functions such as the initial setup for accurate reading of tension, the tensile value display, monitoring and adjusting from pushbuttoms or from a remoted personal computer (PC). These functions can let up to 16 tension meters be adjusted, monitored and controlled simultaneously through computer network.
The digital tension meter consists of RS-232 or RS-485 to communicate with a PC (simulating main controller of coil winding machine). Also, a stepper motor and a small size liquid crystal display (LCD) are integrated into the designed digital circuit with the micro-processor W78E516B to control the tension meter.
Finally, we have designed two systems for the digital tension meter. One is for off-line system (operating individually), and the other one is for on-line system (controlled and communicated through PC). Both of these two systems contain the functions of initial setup, tensile value display, saving and control. For the on-line system, the digital tension meter can receive the operation code from the PC. Above all, the tension meter with above functions have been proved its versatility with coil winding machine. And the commercialization of the digital tension meter is left for the future work.
論文目次 目錄

摘要 i
Abstract ii
誌謝 iv
目錄 v
表目錄 vii
圖目錄 ix
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 問題與解決方案 2
1.3 論文架構 3
第二章 串列埠通訊協定 5
2.1 前言 5
2.2 串列埠通訊種類簡介 5
2.3 RS-232串列埠介紹 7
2.3.1 RS-232接腳意義 8
2.4 RS-485串列埠介紹 10
2.5 RS-232與RS485的差異性比較 11
2.6 串列傳輸率-鮑率 12
2.6.1 微控制器鮑率設定與計算 12
2.6.2 PC鮑率設定與USB轉串列(RS-232)介面介紹 14
第三章 張力器硬體系統發展 17
3.1 張力器機械控制系統 17
3.1.1 張力器機械結構 17
3.1.2 步進馬達總成介紹 19
3.1.2.1 步進馬達特點 19
3.1.2.2 步進馬達的激磁方式 19
3.1.2.3 步進馬達的種類 21
3.1.3 步進馬達驅動器(CD-2D44MK)介紹 22
3.2 張力器硬體電路系統 27
3.2.1. 微控制器控制電路 27
3.2.1.1.Winbond W78E516B 簡介 27
3.2.1.2 W78E516B 微控制器架構 30
3.2.1.3 W78E516B 串列埠介紹 31
3.2.1.4 W78E516B 在線編程模式(ISP) 33

3.2.2 A/D既介面整合電路擴充模組 35
3.2.2.1 ADC0804 類比/數位轉換器介紹 35
3.2.2.2 A/D轉換電路簡介 37
3.2.3擴充資料記憶體電路總成介紹 38
3.2.3.1 SRAM 62256介紹 39
3.2.3.2 74LS373閂鎖暫存器介紹 40
3.2.3.3 外接資料記憶體電路 43
3.2.4 串列式EEPROM電路總成介紹 44
3.2.4.1 EEPROM 93C66介紹 44
3.2.4.2 串列式EEPROM電路 45
3.2.5 串列埠電路總成介紹 47
3.2.5.1 HIN232介紹 47
3.2.5.2 串列埠電路 48
3.2.6 小型液晶螢幕(LCD) 48
3.2.6.1 LCD總成電路 50
3.2.7 方波產生IC-NE555 51
3.2.7.1 方波產生總成電路 53
第四章 軟、韌體系統發展 56
4.1 人機介面軟體發展 57
4.1.1 Visual Basic 應用 57
4.2 微控制器程式設計 63
4.2.1 主程式設計 63
4.2.2 計時器中斷副程式設計 66
4.2.3 串列傳輸中斷副程式設計 67
4.2.4 數位式PID控制器設計 69
第五章 張力器系統測試與結果 72
5.1 測試實體簡介 72
5.2 數位式張力器單機測試 73
5.2.1 初始化模式 74
5.2.2 工作模式 76
5.2.3 控制模式 77
5.3 數位式張力器連線測試 78
5.3.1 設定張力值(T) 79
5.3.2 暫停指令(S)、啟動指令(P) 81
5.3.3 狀態指令(K) 82
5.3.4 進入控制模式(R)、返回工作模式指令(W) 84
第六章 結論與未來展望 86
6.1 結論 86
6.2 未來展望 86
參考文獻 87
附錄A 89
數位式張力器操作使用說明 89
作者簡介 95

表目錄

表1.1 開發數位式張力器系統之問題及解決方案 3
表2.1 RS-232 9PIN與25PIN接腳意義 8
表2.2 傳輸模式比較 11
表2.3 常用鮑率設定值 13
表3.1 CD-2D44MK解析度設定表 23
表3.2 接線端子說明 24
表3.3 在線編程控制暫存器(CHPCON) 33
表3-5 93C66串列式EEPROM接腳定義 45
表3.6 LCD接腳表 49

圖目錄

圖1.1 電子式張力器機械結構 2
圖2.1 RS-232 9PIN公、母接頭 7
圖2.2 RS-232 25PIN公、母接頭 7
圖2.3 RS-232 9PIN與25PIN接腳示意圖 8
圖2.4 PL-2303晶片內部方塊圖 15
圖2.5 擴充USB轉RS-232電腦顯示資訊 16
圖2.6 USB轉RS-232擴充介面更改鮑率 16
圖3.1 電子式張力器各部機械結構 17
圖3.2 張力彈簧代表張力及線徑 18
圖3.3 張力器線徑-速度特性圖 19
圖3.4 一相激磁方式 20
圖3.5 二相激磁方式 20
圖3.6 一、二相激磁方式 21
圖3.7 四相步進馬達的內部接線圖 22
圖3.8 CD-2D44MK 外觀尺寸圖 23
圖3.9 接線端子圖 25
圖3.10 脈波入力訊號圖 26
圖3.11 脈波出力訊號圖 26
圖3.12 脈波入力時序圖 27
圖3.13 W78E516B單晶片內部方塊圖 28
圖3.14 W78E516B單晶外觀 30
圖3.15單晶片微控制器基本架構 31
圖3.16串列埠模式方塊圖 32
圖3.17進入FO4KBOOT復位程序圖 35
圖3.18 ADC0804內部方塊圖 37
圖3.19 A/D轉換電路 38
圖3.20 62256內部方塊圖 39
圖3.21 62256讀取資料時序圖 39
圖3.22 62256寫入資料時序圖 40
圖3.23 74LS373邏輯符號圖 41
圖3.24 74LS373數位輸出電路圖 42
圖3.25 74LS373數位輸入電路圖 43
圖3.26 外接資料記憶體電路圖 44
圖3.27 93C66內部方塊圖 45
圖3.28 串列式EEPROM電路圖 46
圖3.29 HIN232接腳圖與內部結構圖 47
圖3.30 串列埠總成電路圖 48
圖3.31 LCD實體圖 49
圖3.32 LCD電路總成圖 51
圖3.33 NE555接腳圖 51
圖3.34 NE555內部結構圖 53
圖3.35 NE555方波產生電路 54
圖3.36 方波產生關係圖 54
圖4.1 軟體系統架構圖 56
圖4.2 Visual Basic人機界面 58
圖4.3 張力器機號選擇 59
圖4.4 張力器指令選擇 59
圖4.5 將指定機號與指令送給微控制器端 60
圖4.6 人機介面結束 60
圖4.7 傳回張力初始化設定值 61
圖4.8 傳回目前狀態 61
圖4.9 張力值設定 62
圖4.10 即時回傳輸出張力 62
圖4.11 微控制器主程式流程圖 64
圖4.12 LCD 8位元模式初始設定 65
圖4.13 計時器中斷副程式流程圖 67
圖4.14 串列傳輸中斷副程式流程圖 68
圖4.15 串列接收中斷副程式流程圖 69
圖4.16 比例積分微分控制器架構示意圖 71
圖5.1 數位式張力器系統平台 72
圖5.2 經由Protel 99SE設計完整電路圖 73
圖5.3 初始化模式流程圖 74
圖5.4 張力最小值設定(LCD顯示) 75
圖5.5 張力桿最小位置設定及LCD顯示 75
圖5.6 張力最大值設定(LCD顯示) 75
圖5.7 張力桿最大位置設定及LCD顯示 76
圖5.8 工作模式設定流程圖 76
圖5.9 設定張力值LCD顯示圖 77
圖5.10 控制模式中工作流程圖 77
圖5.11 控制模式中LCD顯示螢幕 78
圖5.12 張力計圖 78
圖5.13 人機介面與數位式張力器溝通程序 79
圖5.14 設定張力內部詳細流程 80
圖5.15 人機介面(T)與微控制器端反應圖 80
圖5.16 暫停指令(S)與啟動指令(P)內部詳細流程圖 81
圖5.17 人機介面(S)與微控制器端反應圖 81
圖5.18 人機介面(P)與微控制器端反應圖 82
圖5.19 狀態指令(K)內部詳細流程圖 83
圖5.20 人機介面(K)圖 83
圖5.21 進入控制模式指令(R)、返回工作模式指令(W)內部詳細流程 84
圖5.22 人機介面(R)與微控制器端反應圖 85
圖5.23 人機介面(W)與微控制器端反應圖 85
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