旺 宏 科學獎 創意 說明書 範例

1 第十五屆旺宏科學獎 創意說明書 參賽編號 :SA 作品名稱 : 具觸碰感測裝置之可撓式自動黑板機姓名 : 郭偉晟關鍵詞 : 撓性黑板機構 Arduino 控制器 Inventor2 APP I

2 目錄 壹 研究動機...1 貳 研究目的...1 參 研究方法...2 肆 預期效益和功能 19 伍 參考資料及其他...20 II

3 壹 研究動機 在現今的社會中, 大多已經是投影的資訊設備為主流, 但從在教育方面, 黑板與布幕的書寫教學仍是不可或缺的教室硬體 但是上課期間, 書寫後所造成粉塵灰飛, 無論是老師或是前排同學往往深受其擾, 或是因為上課角度的關係以及書寫顏色造成的反射效果, 導致教學成效不佳或是學生知識吸收不完全 在這些問題產生後, 我與同儕以及指導老師們一起討論與研究, 如何可以提高上課效率並且改善粉塵灰飛導致的後遺症與解決反射現象, 不但使授課老師及前排同學減少其困擾, 也能讓學生的學習狀況可以更好, 達到教育更上一層的目的 貳 研究目的 一 將黑板設計為撓性的書寫裝置, 解決反光與看不見的問題 二 將板擦機構設計在黑板機構的一側或後方, 做成自動化, 自動收集粉筆灰, 解決粉塵灰飛的現象 三 板擦與黑板的接觸面, 增加溝槽, 快速排除粉筆灰 四 增加布幕, 結合投影機, 讓老師上課更加多元化 五 配合現今流行的手機控制, 利用 Inventor2 設計人機介面來控制黑板機的移動 1

4 參 研究方法 一 資料收集及分析 ( 一 ) 電動黑板擦拭機 : 一般的擦黑板機構主要設計一擦拭機構, 能夠替代人力自動擦黑 板, 如圖 1 所示, 具有以下的功能 : 圖 1 電動黑板機擦拭機 1. 具上下移行軌道, 擦拭機構以水平平行移動方式運動 2. 雙馬達由控制器控制擦拭機動作 3. 擦拭機速度可以調整 4. 通常由左向右擦拭黑板 5. 板擦可替換, 附清潔盒 6. 具集塵裝置, 可收集粉筆灰 ( 二 ) 真空式吸塵板擦 : 另外一種解決擦黑板揚塵及粉筆灰收集的方式為採用集塵式板擦, 具有輕巧的特性, 但必須由使用者親自擦拭, 如圖 2 所示, 具有以下的功能 : 圖 2 真空式吸塵板擦 2

5 1. 內建小型泵浦產生真空吸力, 吸除粉筆灰 2. 板擦面吸塵量大, 提昇橫向擦拭效果 3. 具有輥子及皮帶, 板擦面置於皮帶, 藉由移動皮帶清除乾淨板擦面上的粉筆灰 4. 容易分離板擦面及真空吸塵器, 以供更換板擦布 5. 不使用時放置基座上, 具自動充電功能 二 系統架構與功能設計 : 有別於傳統上固定式黑板, 板擦機機構移動擦拭, 本作品設計撓性黑板, 固定式擦拭機構及集塵區, 能減少粉筆灰對上課教師和學生的影響改善教學環境, 考量使用者操作便利, 設計操作者人機介面, 在人手一機智慧型手機普遍的現代世界, 設計 Android 系統 APP, 讓操作使用更加靈活 ( 一 ) 系統架構 : 本系統包含機構與控制, 其系統架構如圖 3, 詳述如下 : 圖 3 系統架構圖 1. 旋轉式撓性黑板機構 : 利用輸送帶原理, 藉由輥子帶動撓性平皮帶, 皮帶面處理黑板漆, 背部以鋁板支撐, 形成書寫區, 擦拭操作時控制平皮帶位移量, 即可完成擦拭功能 2. 振動式黑板擦拭機構 : 直流馬達驅動以曲柄搖桿所組成的四連桿機構, 帶動滑座上下呈簡諧運動 (SHM), 馬達轉速愈高擦拭頻率愈高, 以上下振動的方式提升板擦擦拭黑板效果 3. Arduino 控制器 : 欲良好控制 DC 馬達轉動, 我們選擇 Arduino 控制器具有 Open 3

6 Source 開放原始碼的軟硬體平台, 也容易以中斷方式記錄光編碼器訊號, 對於馬達正反轉的控制都相當便利 4. 光學編碼器絕對定位控制 : 光學編碼器屬於數位感測器, 使用兩相式的訊號輸出, 可以讓我們定出馬達的旋轉狀態 轉速 轉動角度等, 讓旋轉式黑板機構能以絕對定位的方式, 決定黑板擦拭區域和範圍 5. 使用者介面及藍芽 : 規劃測試 Visual Basic 人機操作介面, 其作業系統以 Windows 為主, 一般智慧型手機以 Android 和 ios, 其中 Android 系統屬於 Linux 架構, 由 Google 主導,iOS 為由蘋果公司為移動設備所開發的作業系統所支援的裝置包括 iphone ipod touch ipad 及 Apple TV 等 我們使用 MIT( 美國麻省理工 ) 所開發免費線上軟體 -Inventor2 來開發建立人機操作介面 APP, 一般智慧型手機都內建藍芽裝置可與近程的藍芽裝置通訊, 所以採用藍芽遙控介面來以無線方式讓手機與控制器連線 ( 二 ) 功能設計 : 1. 黑板與投影幕二合一功能, 正面以黑板為主 ; 背面設計投影幕 2. 旋轉式撓性黑板機構, 讓控制器以絕對定位方式驅動馬達旋轉 3. 振動式板擦裝置提升擦拭功能 4. 設計觸控板, 免用手機可輕鬆控制黑板擦拭區域 5. 設計 APP, 操作功能包括 : (1) 投影幕黑板切換 (2) 固定擦拭區域操作 (3) 指定擦拭區域操作 4

7 三 控制元件探討 ( 一 )Arduino UNO 控制器 : 如圖 4 之說明,UNO 板具數位輸出 數位輸入腳位 PWM 輸出腳位 類比輸入腳位和硬體中斷腳位 (Pin2 和 Pin3) 及通信腳位 RX(Pin0) 及 TX(Pin1), 具 USB 連接埠, 程式規劃或功能監視時可直接使用 USB 連線傳輸 圖 4 UNO 控制器 Layout 說明 ( 二 ) 人機介面 : 1. VB 人機介面 : 使用微軟公司開發並免費提供軟體 Visual Basic2010 Express, 源自於 BASIC 程式語言, 包含協助開發環境的事件驅動程式語言,VB 擁有圖形化使用者介面 (GUI) 和快速應用程式開發 (RAD) 系統, 可以輕易的使用 DAO RDO ADO 連線資料庫, 或者輕鬆的建立 ActiveX 控制項 程式設計師可以輕鬆的使用 VB 提供的元件快速建立一個應用程式, 圖 5 為 VB 應用範例表單 (Form) 圖 5 可調時間紅綠燈表單 5

8 2. APP 人機介面 : 使用 MIT App Inventor2, App Inventor 原是 Google 實驗室 (Google Lab) 的一個子計畫, 由一群 Google 工程師與勇於挑戰的 Google 使用者共同參與 Google App Inventor 是一個完全線上開發的 Android 程式環境, 拋棄複雜的程式碼而使用樂高積木式的堆疊法來完成您的 Android 程式 除此之外它也支援樂高 NXT 機器人, 對於 Android 初學者或是機器人開發者來說是一大福音 因為對於想要用手機控制機器人的使用者而言, 他們不大需要太華麗的介面, 只要使用基本元件例如按鈕 文字輸入輸出即可,App Inventor 於 2012 年 1 月 1 日移交給麻省理工學院行動學習中心, 並於 3 月 4 日公佈使用 2013 年 12 月 MIT 行動學習中心發表 App Inventor 2, 省略了需要使用 Java 才能開啟的 Blocks Editor, 將其整合在網頁中即可使用, 可說與 Scratch 愈來愈像 在操作上也將各指令藉由下拉式選單大幅簡化, 使用者應該可以更快找到所需的指令, 使用者物件顯示如下 : (1) User Interface( 使用者介面設計元件 ):Button CheckBox DataPicker Image Label ListPicker ListView Notifier PasswordTextBox Slider Spinner TextBox TimerPick 和 WebViewer (2) Layout( 畫面配置元件 ):HorizontalArrangement TableArrangement 和 VerticalArrangement (3) Media( 多媒體元件 ):Comcorder Camera ImagePicker Player Sound SoundRecorder SpeechRecognizer TextTOSpeech VideoPlayer 和 YandexTranslate (4) Drawing and Animation( 繪圖及動畫設計元件 ):Ball Canvas 和 ImageSprite (5) Sensors( 感測元件 ):AccelermeterSensor BarcodeScanner Clock LocationSensor NearField 和 OrientationSensor 6

9 (6) Social( 社交元件 ):ContectPicker Picker PhoneCall PhonenumberPicker 和 Twitter (7) Storage( 儲存元件 ):File FusiontableControl TinyDB 和 TinyWebDB (8) Connectivity( 連接元件 ):ActivityStarter BluetoothClient BluetoothServer 和 Web (9) LEGO MINSTORM( 控制樂高機器元件 ):NxtcoklorSensor NxtDirectCommands NxtDrive NxtLightSensor NxtSoundSensor NxtTouchSensor 和 NxtUltrasonicSensor 程式編寫架構如圖 6 所示, 圖 7 為使用模擬器 (Emulator), 模擬紅綠燈 APP 應用範例 圖 6 App Inventor2 架構 圖 7 使用模擬器執行情形 7

10 ( 三 )PWM 馬達調速器 : 脈波寬度調變是控制 DC 馬達轉矩和轉速的方法, 電力以固定電壓的方波形式驅動馬達, 改變馬達脈波寬度或工作週期 (duty cycle) 如圖 8 所示 若將供應馬達的電源在一個固定週期做 ON 及 OFF 的控制, 則 ON 的時間越長, 馬達的轉速越快, 反之越慢 PWM 之配線方式及輸出特性調整如圖 9 說明 ; 表 1 為 PWM2460L 基本規格說明 V 1/4 ON 25% 工作週期 1/2 ON 50% 工作週期 3/4 ON 75% 工作週期 全開 100% 工作週期 圖 8 PWM 的波形 DC 電源輸入 DC 馬達 + - A H 轉速表 電源指示燈過電流指示燈特性調整 控制電壓 0V-10V IR DECACC MINMAX CL ON OFF 圖 9 PWM 調速器之配線方式 表 1 PWM2460L 調速器基本規格 輸入電壓 18~36VDC 輸入電流 12A(max) 最大輸出功率 300W 適用電動機 永磁式有碳刷馬達 轉速設定 電位計 (B10KΩ) 最高電壓調整 MAX) 0V~24V 最低電壓調整 (MIN) 0V~12V 加速時間調整 (ACC) 0.5S~8S 減速時間調整 (DEC) 0.5S~8S 轉矩補償調整 (I.R) 150% 過電流保護 (C.L) 15A(max) 8

11 四 機構設計 : 本裝置主要分為撓性黑板機構 板擦機構和集塵機構, 其裝置的架構如 圖 10 所示 自動黑板機 板擦機構撓性黑板集塵機構 控制元件 機架 平皮帶 輥輪組 時規皮帶輪組 四連桿組 滑軌及滑座 板擦組 粉筆灰刮片 邊蓋片 吸塵器 觸碰板 DC 馬達光編碼器控制器 圖 10 自動黑板機架構 智慧型手機 ( 一 ) 撓性黑板機構 1. 平皮帶的選擇 : 一般剛性的黑板, 若使用移動式的黑板機, 當擦黑板時必須停止教學活動, 採用撓性的黑板可以根據需求可將寫字部分隱藏擦拭, 教師可以立即恢復教學 平皮帶的主要成分為表層橡膠與裡層多層織物纖維, 表面塗佈優麗漆, 作為黑板必須塗佈黑板漆, 以增加表面平滑度, 運行速度應小於 2.5m/s 2. 撓性黑板底板 : 底板提供書寫時板面支撐和撓性黑板運行時提供拘束依據 3. 驅動輥輪組 : 右側設計主動輥輪 ; 左側設計從動輥輪, 裝配時考慮安裝, 必須增加惰輪藉以調整撓性黑板皮帶的張力, 輥輪中端設計壓花, 使其有些微凸出, 以便讓撓性黑板皮帶能自動對心, 拘束皮帶於中心位置 4. 時規皮帶輪組 : 藉由時規皮帶輪組以確動方式將馬達驅動力傳遞分散至主動輥輪和從動輥輪, 使兩輥輪都能驅動皮帶, 提升撓性黑板皮帶傳動效能, 讓撓性黑板的傳動永不打滑 5. 觸碰板 : 提供使用者以外部觸碰方式來控制黑板機 6. 設計圖示 : 如圖 11 所為撓性黑板機構之設計圖示 9

12 7. 黑板移動效果圖示 : 黑板移動功能可以解決, 教室內座至窗邊兩側同學, 解決 反光問題, 圖 12 為黑板機的黑板面的移動效果 圖 11 撓性黑板機構設計 白日依山盡黃河入海流欲窮千里目更上一層樓 白日依山盡黃河入海流欲窮千里目更上一層樓 圖 12 撓性黑板移動功能 ( 二 ) 板擦機構 : 1. 包含四連桿機構組 鳩尾滑座及軌道 板擦等, 以馬達轉速控制振動擦拭頻率, 提升擦拭效果, 如圖 13 所為之板擦機構設計圖示 2. 將板擦設計程有溝槽, 引導分筆灰排出, 如圖 14 所為之板擦排屑設計圖示 10

13 偏心凸輪 DC 馬達 板擦蓋片 連桿 鳩尾軌道 板擦蓋片 斜溝集塵板擦 板擦 鳩尾滑座 輥輪 板擦溝槽 時規皮帶 圖 13 板擦機構 圖 14 板擦排屑設計 五 控制系統設計 ( 一 ) 光學編碼器 (Encoder) 1. 光學編碼器之計數訊號 n 讀取 : 採用兩相式光學編碼器, 接線方式為 A 相及 B 相線, 連接至 UNO 的中斷腳位 (PIN 2 PIN3), 正轉時訊號加算 ; 反轉時訊號減算, 圖 15 為光學編碼器圖示及接線方式 圖 15 光學編碼器圖示及接線方式 2. 光學編碼器訊號數轉為位移量 :S 為移動距離的位移量,D 為輥子直徑,t 為皮帶厚度, n 為訊號數,CPR 為光編碼器轉一圈的訊號數, 如公式 (1) (D t) n S (1) CPR 3. 光學編碼器移動速度 :V 為速度,S 為移動距離的位移量,T 為時間,D 為輥子直徑,t 為皮帶厚度,n 為訊號數,CPR 為光編碼器轉一圈的訊號數如公式 (2), 11

14 假設取樣時間為一秒一次, 公式如圖 (1) V S T (D t) n CPR T ( 二 )DC 馬達正反轉及調速 : 撓性黑板驅動使用兩只繼電器每只繼電器需 1 組接點 ( 包含 共點 a 接點和 b 接點 ), 圖 16 之接法使 DC 馬達具有斷電急停的功能 板擦振動機 構的 DC 馬達使用圖 9 之 PWM 調速器, 其裝配方式如圖 16 所示 (2) 24V R1 R2 A B R1 R2 0V 圖 16 DC 馬達正反轉電路 ( 三 )Arduino 控制系統 : 以 UNO 板為控制器, 官方編寫軟體現以更新到 Arduino1.6.9, 搭配 HC06 藍芽模組及繼電器模組, 建立控制系統 1. 藍芽模組硬體說明 : 如圖 17 所示,HC-06 藍芽模組的連線速率為 9600bps, 外接腳位有 4Pin, 說明如表 2 之說明 圖 17 HC-06 藍芽模組 表 2 電源接腳訊號接腳 VCC GND TXD Arduino Uno +5V Pin Arduino Uno GND Pin Arduino Uno digital Pin(Pin10) 12

15 RXD Arduino Uno digital Pin(Pin11) 2. 藍芽模組使用方式 (1) 裝置配對 : 以平板或手機搜尋裝置, 內建配對密碼為 1234, 進行裝置配對後即可連線使用 (2) 引用函式庫 :#include <SoftwareSerial.h> (3) SoftwareSerial.h 的類別函式功能表 3 表 3 SoftwareSerial 函式說明函式說明備註 begin() 設定串列通訊的速率 9600pbs read() print() println() 讀取串列通訊中的字元 輸出資料接腳串行輸出資料 輸出資料完成後, 輸出確認分行符號 3. 繼電器模組說明 : 具 4 只繼電器, 輸入端以光耦合器隔離, 可以降低輸入阻抗, 輸出端接點最高 10A 28VDC, 圖 18 為使用繼電器模組中 2 只繼電器 (IN1 IN2) 裝配成控制 DC 馬達正反轉電路 Arduino 的指令以 digitalwrite(6,high) 即可產生正轉命令 ;digitalwrite(7,high) 即可產生反轉命令, 但需注意馬達軟體互鎖 13

16 24V 0V 0V Pin8 Pin9 5V UNO 板 圖 18 5V 繼電器模組控制馬達正反轉配線方式 ( 四 ) 撓性黑板機構定位控制 1. 觸碰感測 : 使用三層 PVC 薄膜, 上 下兩層貼以導電膠帶, 中間層打洞作為觸動開關感測器, 其設計方式如圖 19 所示, 以四個 10kΩ 的電阻產生分壓, 接至 UNO 板的 Analog A0 腳位產生分壓訊號, 使用者未按壓時 0V, P1 按壓時為 5V( 測試值約 1000); P2 按壓時為 0.4V( 測試值約 400); P3 按壓時為 0.2V( 測試值約 200) 5V P1 導電膠帶 R P2 A0 R P3 A0 5V R=10k R R R 0V R R P1 P2 P3 0V 圖 19 分壓式觸碰感測 Arduino 控制電路 : 綜上所述的元件, 以圖 20 來顯示 Arduino 控制系統電路 14

17 圖 20 Arduino 控制系統配線圖 2. 絕對定位動作流程分析 : 依據操作命令載入不同定位值, 如投影幕在正後, 黑板在正前定位值為黑板移動半圈的訊號 n ; 投影幕在正前, 黑板在正後則定位值為 0, 載入不同定位值, 達到移動的效果, 如圖 21 撓性黑板機定位控制 載入定位值 黑板機反轉復歸 NO 判斷是否原點 ( 黑板在正後 ) YES 黑板機正轉運行 讀入光學編碼器計數訊號 定位值到否 NO 如圖 21 Arduino 絕對定位動作流程分析圖 ( 五 )Arduino 程式 : 引入 <SoftwareSerial.h> 和 <Encoder.h> 函式庫, 及 Arduino 絕對定 位控制流程, 如圖 (22) 15 YES 黑板機正轉停止

18 圖 22 Arduino 程式六 Inventor2 APP 人機介面 : 透過手機內建的藍芽模組, 對 Arduino 進行監控, ( 一 )APP 介面設計 : 如圖 23 所示, 具以下功能 : 1. 藍芽操作 : 藍芽配對 藍芽連線及中斷連線 2. 傳值測試 (b 為黑板定位操作 w 為布幕定位操作 ) 3. 按鈕操作 : 黑板為黑板定位操作 布幕為布幕定位操作 4. 光編碼器現行值監視 圖 23 APP 介面設計 ( 二 )APP 之 Blocks 圖塊程式 : 如圖 24 所示之說明 16

19 圖 24 APP 之 Blocks 程式 17

20 肆 預期效益和功能 一 本作品探究自動黑板機的設計與製作, 包含撓性黑板機 振動式板擦機構, 以編織平皮帶為基材塗以三層黑板漆, 完成黑板面製作 二 結合黑板與投影布幕雙重功能符合教室硬體需求, 驅動黑板和布幕運行以兩相式光學編碼器, 使用絕對定位方式控制黑板機 三 採用四連桿組完成振動式自動板擦機構, 以 PWM 方式適當地調整上下擦拭頻率可以提升擦黑板的效果 四 編寫合適的操作介面, 使用者除了利用外部觸控的方式操作, 按到哪邊就擦到哪邊, 也可以下載 APP, 連接藍芽裝置後進行遙控 五 上課教室可以適當的左右移動書寫的板書內容, 減少兩側學生因黑板而看不見的現象 六 設計了自動擦黑板機構, 讓師生減少對粉筆灰的接觸以及能收集粉塵, 降低影響身體健康與減少環境污染的情形 18

21 伍 參考資料及其他 一 陳海清 ( 民 100) 機械力學 新北市: 全華 二 葉倫祝 ( 民 100) 機件原理 新北市: 全華 三 范盛祺 魏有騰 黃煌嘉 陳春明 ( 民 101) 機械電學實習 新北市: 全華 四 蘇國嵐 羅仁權 蕭智煒 巫信輝 ( 民 99) 機器人原理與實務寶典 台北市: 宏友 五 双象貿易 ( 民 89) 三菱可程式控制器 FX2N 中文使用手冊 台北市 : 文笙 六 陳天青 廖信德 戴任詔 ( 民 92) 機電整合 台北縣: 高立 七 廖文煇 ( 民 98) 圖形監控實務 台北縣: 全華 八 許華清 ( 民 96) Visual Basic 2005 程式設計 台北縣 : 普林斯頓 九 程晨 ( 民 102) Arduino 開發實戰指南 台北市 : 上奇十 梅克工作室 ( 民 103) Arduino 微電腦控制實習 十一 李春雄 ( 民 104)App Inventor 2 手機雲端資料庫專題 十二 App Inventor 2 中文學習網 : 十三 Arduino 官方網站 : 十四 電動黑板擦拭機 : 十五 吸塵板擦 : 十六 PLC 可程式控制器 : 十七 光編碼器模組 : 十八 維基百科 : 19