由於看到家中長輩因?yàn)殡p腳不方便行走而必須使用一般的市售助行器，但是在上下樓梯時(shí)，會造成使用者的困擾，於是想設(shè)計(jì)出一款讓行動(dòng)不便的人能上下樓梯的助行器，讓使用者既方便又安全。
目前一般市售的助行器大多為固定式或滾輪式，在使用功能上較為單一且不方便，當(dāng)遇到樓梯或者斜坡時(shí)導(dǎo)致有危險(xiǎn)性而無法使用，而此作品不同於一般市售的助行器，能透過調(diào)整前後腳長度以及偵測是否傾倒讓使用者更加安全且便利。
實(shí)用性
此作品結(jié)合三軸感測器與伸縮桿，能在陡坡或樓梯使用時(shí)自動(dòng)調(diào)整水平，讓使用者在使用時(shí)，隨時(shí)保持著助行器的水平狀態(tài)，降低使用者的危險(xiǎn)性，提高安全性及便利性。
創(chuàng)新性
此作品結(jié)合手機(jī)APP，當(dāng)使用者發(fā)生突發(fā)狀況時(shí)，此時(shí)利用三軸感測器偵測助行器是否傾倒，若發(fā)生傾倒則透過藍(lán)牙發(fā)出警報(bào)並利用APP寄出訊息通知家屬，讓使用者的家屬能夠即時(shí)收到通知，提高使用者遇到突發(fā)狀況的黃金救援時(shí)刻。
工作原理
本作品為一自平穩(wěn)式助行器，在樓梯或斜坡上應(yīng)用時(shí)可以保持水平，並讓人易於行走。使用盛群HT66F70A來製作此作品，透過ADC轉(zhuǎn)換三軸感測器的數(shù)值與角度的關(guān)係搭配前桿與後桿伸長或縮短來達(dá)到讓助行器水平的動(dòng)作，當(dāng)三軸感測器感測出水平則讓伸縮桿停止，停止後即可在階梯或斜坡上使用，而使用者發(fā)生狀況時(shí)(跌倒、緊急情況下推倒)，此時(shí)利用三軸感測器偵測助行器是否傾倒，若發(fā)生傾倒則發(fā)出警報(bào)並利用APP寄出訊息通知家屬。
MCU主要核心功能
本作品使用HOLTEK MCU為HT66F70A，使用的主要核心功能:輸入/輸出閘(I/O Ports)、計(jì)時(shí)模組(Timer Moudle;TM)、中斷控制電路(Interrupt Controller)、多通道之類比-數(shù)位轉(zhuǎn)換介面(Multi-Channel ADC)、IO模擬UART。
作品功能
此作品有二大功能，一是自動(dòng)調(diào)整水平狀態(tài)，使用者在使用助行器上下樓梯時(shí)，按下按鈕，由三軸感測器偵測當(dāng)時(shí)助行器的傾斜角度，傳回MCU做判斷，由MCU發(fā)出訊號調(diào)整前後腳，調(diào)整至水平狀態(tài)後，即可上下樓梯，此外LCM會隨時(shí)顯示狀態(tài)，讓使用者明確地知道目前處於何種模式，是否調(diào)整完水平狀態(tài)。二是傾倒警報(bào)功能，當(dāng)使用者遇到突發(fā)狀況時(shí)(跌倒、緊急情況下推倒)，利用三軸感測器偵測助行器 是否有傾倒，將訊號傳回MCU作判斷，若發(fā)生傾倒，MCU透過蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，並透過藍(lán)牙傳輸?shù)绞謾C(jī)APP發(fā)送簡訊，讓家屬能即時(shí)收到訊息，提高使用者遇到突發(fā)狀況的黃金救援時(shí)刻。
作品結(jié)構(gòu)
盛群HT66FXX系列控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以八位元精簡指令的微控制器核心為主體，搭配快閃式程式記憶體(Flash Program Memory;ROM)、資料記憶體(包含RAM Data Memory 與E2PROM Data Memory)、特殊功能暫存(SpecialFunction Register;SFR)、輸入/輸出閘(I/O Ports)、SPI/I2C串列介面模組(Serial Interface Module;SIM)計(jì)時(shí)模組(Timer Moudle;TM)、中斷控制電路(Interrupt Controller)、多通道之類比-數(shù)位轉(zhuǎn)換介面(Multi-Channel ADC)、類比比較器(Comparator)、LCD介面(提供COM3~COM0輸出)與看門狗計(jì)時(shí)器(Watchdog Timerl;WDT)等所組成的。
| 圖2 : 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 |
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| 圖3 : HT66F70A內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 |
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工作原理
三軸感測器-ADXL335
ADXL335是一種高精度、低功耗及單一的IC芯片加速度傳感器，工作原理為當(dāng)加速度計(jì)本體產(chǎn)生移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使內(nèi)部互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移，造成電容值的變化，再轉(zhuǎn)換為特定的輸出電壓為訊號。
這裡我們利用類比資料轉(zhuǎn)換為數(shù)位資料(ADC)來讀取三軸感測器的數(shù)值以判斷助行器的即時(shí)狀態(tài)。
紅外線感測元件-HD-DS25CM-3MM
HD-DS25CM-3MM為主動(dòng)式(遮斷式)紅外線感測器，由一組紅外線發(fā)射器與接收器所組成。發(fā)射器必須不斷發(fā)射紅外線至接收端，屬於一維點(diǎn)對點(diǎn)感應(yīng)方式。
一維點(diǎn)對點(diǎn)感應(yīng)方式是從發(fā)光元件到受光元件之間，有一空氣的間隙，若此間隙中沒有物體阻止，則發(fā)光元件所射出的光，將直接照射到受光元件。反之，若間隙中有物體阻擋光線，則受光元件將無光線照射而改變輸出狀態(tài)。在這裡我們用來協(xié)助助行器回到原始的高度。
SR-05系列電動(dòng)推桿
電動(dòng)推桿由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速齒輪、螺桿、螺母、導(dǎo)套、推桿、滑座、彈簧、外殼及渦輪、微動(dòng)控制開關(guān)等組成。它的工作原理是電動(dòng)機(jī)經(jīng)齒輪減速後，帶動(dòng)一對絲桿螺母。把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，利用電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)完成推桿動(dòng)作，利用控制伸縮桿達(dá)到讓助行器能上下樓梯的目的。
LCD Module(LCM) QY1602A
LCM（LCD Module）即LCD顯示模組、液晶模塊，是指將液晶顯示器件 ,連接件，控制與驅(qū)動(dòng)等外圍電路，PCB電路板，背光源 ,結(jié)構(gòu)件等裝配在一起的組件，由外部(如：手機(jī)機(jī)板、或外部電路等等)提供控制信號及電源給LCM的IC，經(jīng)由IC處理後，將資料轉(zhuǎn)換為類比式的電壓訊號，藉由控制IC輸出訊號給LCD，造成液晶的動(dòng)作以達(dá)到顯示所要的畫面。
蜂鳴器ZEETEK1205
蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，採用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用於電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件，蜂鳴器發(fā)聲原理是電流通過電磁線圈使電磁線圈產(chǎn)生磁場來驅(qū)動(dòng)振動(dòng)膜發(fā)聲的，我們利用蜂鳴器達(dá)到傾倒時(shí)發(fā)出警報(bào)聲的目的。
藍(lán)牙無線傳輸模組
藍(lán)牙(Bluetooth)是一種短距離無線通訊技術(shù)，它是一種很複雜的技術(shù)，由許多元件和抽象層組成。藍(lán)牙運(yùn)行在2.4GHz的非授權(quán)ISM 頻段，通信距離只有10m 左右，藍(lán)牙技術(shù)具有不同的通信方式，如點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式、點(diǎn)對多點(diǎn)的通信方式和較複雜的散射網(wǎng)方式。
LM2596 DC-DC方形降壓模組
輸入：直流4V 至 40V (輸入的電壓必須比要輸出的電壓高1.5v以上。)
輸出：直流 1.5V 至 35V 電壓連續(xù)可調(diào)，高效率最大輸出電流為3A。
執(zhí)行方式流程圖
判斷上下樓梯後，進(jìn)入上樓梯/下樓梯模式。
外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
作品構(gòu)想用於具有高低落差的地面上，如樓梯、無障礙通道等。
A.簡易型控制按鈕
淺顯易懂的控制方法，沒有太複雜的使用程序，只需一顆按鈕即可操作本作品，對於使用者來說十分的方便。
B.側(cè)桿結(jié)構(gòu)加強(qiáng)
將兩側(cè)的伸縮桿予以側(cè)桿固定，使整體結(jié)構(gòu)更加的穩(wěn)固。
C.LCM顯示
將LCM顯示螢?zāi)环胖迷诳刂坪猩仙w，不僅外觀優(yōu)美，且安裝的位置在正中間，方便使用者輕鬆的讀取目前助行器的狀態(tài)。
D.控制盒設(shè)計(jì)(3D列印)
集控制總電路與LCM顯示於一身的控制盒，是本作品的核心所在，底部的凹槽設(shè)計(jì)使得此控制盒得以安穩(wěn)的裝在助行器的橫桿上。
測試方法
如何測試
1.利用HT66F70A的ADC功能，將三軸感測器ADXL335接至ESK-301，搭配控制伸縮桿SR-05達(dá)到水平測試。
2.將ADXL335、蜂鳴器ZEETEK1205及LCM接至ESK-301，利用HT66F70A的ADC功能，搭配蜂鳴器做傾倒警報(bào)測試。
3.將三軸感測器ADXL335、LCM顯示面板接至HT66F70A，測試LCM顯示助行器的各種狀態(tài)。
4.針對虎尾科技大學(xué)各個(gè)校區(qū)的樓梯進(jìn)行樓梯高度數(shù)據(jù)採樣。
測試條件
測試環(huán)境:須使用E-ICE來測試三軸感測器ADXL335、紅外線感測器HD-DS25CM、伸縮桿SR-05、LCM顯示面板、Bluetooth、蜂鳴器ZEETEK1205。
測試結(jié)果
1.伸縮桿縮至ADXL335水平時(shí)則停止。
| 圖9 : ADXL335搭配伸縮桿實(shí)際測試圖 |
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2.由於圖片無法傳達(dá)聲音，於是我們使用LCM輔助顯示，當(dāng)ADXL335角度大於設(shè)定數(shù)值時(shí)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，此時(shí)LCM顯示”Warning !”。
| 圖10 : 傾倒警報(bào)測試LCM動(dòng)作圖 |
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圖中上圖為傾倒模式，下圖為正常模式，LCM所顯示的狀態(tài)。
3.使用7串24V的電池盒供電給伸縮桿，再透過24V降壓成3.3V給HT66F70A，將程式燒錄進(jìn)MCU裡，ADXL335前傾時(shí)前腳伸長，後傾時(shí)前腳縮短。
4.建築物樓梯及平臺之寬度、梯級之尺寸，應(yīng)依下列規(guī)定：
數(shù)據(jù)採樣說明:在我們採樣的12組共48個(gè)數(shù)據(jù)中，高度15到18公分的樓梯比例占最高，而平均值也落在16公分左右，這些資料可以佐證，20公分的伸縮桿足以使用在絕大部分的樓梯上。
(本文作者謝振榆為國立虎尾科技大學(xué)光電工程系教授;林榮傑、唐煜翔、翁晟豪、陳柏霖為國立虎尾科技大學(xué)光電工程系學(xué)生)
參考文獻(xiàn)
[1] 陳源林,“Holtek 微控制器應(yīng)用簡單上手 C語言實(shí)例說明”,全華。
[2] 鍾啟仁,“HT66xx 微控制器應(yīng)理論與實(shí)務(wù)寶典”,全華。
[3]“Holtek微控制器應(yīng)用簡單上手” ,全華。
[4]「HT66Fxx Flash MCU 原理與實(shí)務(wù)-C語言」,全華。
[5] HT66F70A Datasheet-Holtek.
