百元數控平台實作小型馬達控制示範

一、前言：

馬達控制是很基本又非常重要的機電整合議題，許多技專校院皆有小型馬達控制技術教學平台，然而該平台不是體積過大就是價錢不斐，著實無法讓學生人手一台實機操作，甚至過於老舊缺乏數位化控制機制，是有點跟不上數位時代的發展腳步。林林種種，這些再再顯示這方面還有許多改進空間。

開創初步特選控制小型馬達做為科學知識學習目標，本人依照「百元數控平台 + 回收周邊元件」的實驗配備模式，以實際行動投入開發完成『百元數控平台實作小型馬達控制示範』乙案，藉此證明這項創新技術確實可行，且小巧便宜又好用，容易落實一人一機實習環境，況且此一開放性平台裡裡外外都是寶，確實提供學生一個學習整合機會，將其所學理論與製作實務相結合，今特將此示範內容整理如下分項說明。

二、百元數位控制平台基礎硬體架構：
以全球八位元單晶片市場排行第一名的 Microchip 公司所研發生產編號 PIC12F675 用DIP 封裝之八腳單晶片為核心，因為其價格低廉，功能及周邊線路簡單，容易設計生產的特性，被廣泛應用在我們的生活中。

右圖為 PIC12F675 單晶片實體圖，如果執行速度或程式記憶空間不足時，可改用速度及程式記憶加倍的另一款PIC 12F683編號之八腳單晶片。這裡不做單晶片特性介紹，相關細節請連結該公司網站，上網查閱有關該單晶片的技術文件。


下圖所示為百元數位控制平台實作成品，首先介紹建構百元數位控制平台基礎硬體架構所需的功能方塊示意圖，概要功能如左下圖所示：

   
 百元數位控制平台功能方塊示意圖                                         百元數位控制平台實體圖

接著就左上方百元數控平台功能方塊示意圖，圖中各個功能方塊分別概要介紹如下說明：
  1. 電源模組：由電源供應器與穩壓器（實例如右圖所示）所組成，由回收周邊元件製作完成，花工不花錢。
  2. 自動控制：可作信號控制，連結各種工業設備或元件。
  3. 輸出介面：透過RS232介面連結終端機或串列式液晶顯示模組，也可以是串列式微型熱感式印表機。
  4. 輸入介面：一般按鈕，電位計，或是輸入周邊配件。
  5. 八腳微處理單晶片：就是指PIC12F675單晶片，一顆單價50元台幣還有找，量大還會更便宜。百元數控平台不是浪得虛名，確實百元搞定。
       
      穩壓器開啟外蓋實體圖                 簡易燒錄器組件實體圖

光有單晶片是不會動的，要把韌體燒錄到單晶片內部程式空間裡面才會有生命力。要賦予單晶片生命力，讓它能夠做事情，則必須要先用記事本撰寫單晶片組合語言，

完成原始程式碼撰寫後，再使用Microchip公司所研發的MPLAB整合性單晶片編譯開發軟體，將組合語言編譯成機械碼，然後用WinPic這個軟體，將機械碼這個韌體燒錄到單晶片內部程式空間裡。

這些開發相關軟體都能免費合法使用，只要上網查詢並下載相關軟體並經安裝後就能運作，然而要將燒錄到單晶片裡時，就需要一台單晶片燒錄器，如右上圖所示為本人由回收電子零件所製作完成一套簡易又省錢的小型簡易PIC燒錄器。

三、小型馬達數位控制平台硬體架構：

馬達轉速控制系統是工業上常見的應用系統，目前藉由「百元數控平台 + 回收周邊元件」創新技術已經開發出一套小巧價廉的『小型馬達數位控制平台』，此處先來介紹其硬體架構。右下圖所示是以百元數控平台為控制核心，並另外加上回收周邊元件，所實作而成的小型馬達數位控制平台成品，首先介紹建構小型馬達數位控制平台基礎硬體架構所需的功能方塊示意圖，概要功能如左下圖所示：

   
 
接著就右上方小型馬達數位控制平台功能方塊示意圖，圖中各個功能方塊分別概要介紹如下說明：
  1. 文字LCD顯示模組：從字幕式電話機或數據機等回收再經拆解而來的周邊元件『文字型液晶顯示模組』。
  2. 八腳微處理單晶片：此處就是指百元數控平台裡頭的PIC12F675單晶片。
  3. 輸入單元：是由一般按鈕與電位計所構成的輸入周邊配件。
  4. 電源模組：由電源供應器與穩壓器所組成（實例如左下圖所示），是從淘汰手機裡回收充電器製作完成，花工不花錢。
  5. 馬達控制：用作信號控制，連結各種不同型式的馬達。
又由於馬達種類繁多，光要介紹就需要一本專書才行，此處為了教學示範目的，又由於小型化緣故，所挑選的馬達，就屬直流馬達、步進馬達、伺服馬達這三種。

   
    電源供應器與穩壓器實體圖           步進直流伺服等受控馬達圖 
  • 右上圖所示為步進直流伺服等受控馬達，馬達控制從左到右一字排開擺放，用作小型馬達數位控制平台信號控制，所要連結示範的各種不同型式馬達。
  • 右上圖最左邊位置的是六線式步進馬達。
  • 右上圖中間位置的是從電動玩具車回收的5伏特直流馬達。
  • 右上圖最右邊位置的是遙控飛機回收的微型伺服馬達，是從朋友處回收經拆解玩具得來的，花工不花錢。
接下來我們要仔細瞧清楚前述輸入單元裡所介紹的電位計，其實它是一個5K歐姆的可變電阻，並把它接上從電腦光碟機回收的音源線，是三線式的款式，然後將它們一起裝在孩童掛牙刷用的橢圓形小收納盒，看起來美美的，用起來也順手，所完成的外接式可變電阻器所組成的電位計有如左下圖所示，另在右下圖所示的是開啟外蓋內部實體圖。

   
    外接式可變電阻器圖         外接式可變電阻器內部圖 

再來要仔細看清楚前述介紹作為輸出裝置的文字LCD顯示模組，其實它是一個從字幕式數據機回收再經拆解而來的周邊元件，然後將它裝在十元塑膠鉛筆盒，開啟外蓋後就能看到如左下圖所示的LCD顯示器內部圖，另在右下圖所示的是開啟整個書包外蓋的內部收納盒整理籃圖，裡頭容納整套小型馬達數位控制平台所有配備。

  
                LCD顯示器內部圖                           整包收納盒整理籃圖   

四、小型馬達數位控制平台操作示範：

本次要進行示範的小型馬達數位控制平台，其功能特色為，可控制六線式步進馬轉速，可用軟體產生PWM 方式控制直流馬達轉速，可控制伺服馬達轉向，可用軟體產生PWM 方式控制LCD顯示器背光亮度，當然還可以延伸其他實驗，例如使用功率金屬氧化半導體場效應電晶體(power MOSFET)與其他不同電晶體，對PWM 方式控制的輸出效率之比較，或外接喇叭，用聽覺方式感受輸出PWM控制下的不同音頻變化。接下來，我們將對操作小型馬達數位控制平台不同功能進行示範。

4-1. 功能選項操作示範：

由於小型馬達數位控制平台對控制馬達方面提供了多種不同功能，然而數控平台本身在輸入單元部分，卻只提供單一個按鈕。因此，在LCD顯示器畫面中，一秒顯示一個功能項目，共有四個功能項目可供選取，功能選項代號從A到D依次顯示，每段間隔約一秒，到底後再從頭接著循環，等待使用者按下按鈕，系統會進入該選項功能。下列將以圖示說明這四個功能項目的選項畫面：

  
            五伏電位計模擬A選項畫面                      伺服馬達控制B選項畫面      

  
             直流馬達控制C選項畫面                        步進馬達控制D選項畫面  

4-2. 五伏電位計模擬選項操作示範：

當使用者在LCD顯示器畫面顯示A功能項目時馬上按下按鈕，系統會進入該選項功能。當然相關電子元件與接線要先完成，只要旋轉電位計，就能模擬五伏電位計的操作過程。下列將以圖示方式說明這項功能項目的選項操作相關畫面：

  
        電位計減少電壓操作示範畫面               電位計增大電壓操作示範畫面  

4-3. 伺服馬達控制選項操作示範：

當使用者在LCD顯示器畫面顯示B功能項目時馬上按下按鈕，系統會進入伺服馬達控制選項功能。當然相關電子元件與接線要先完成，只要旋轉電位計，就能夠控制伺服馬達轉向。下列將以圖示方式說明這項功能項目的選項操作相關畫面：

   
        伺服馬達控制實際接線圖               伺服馬達逆向旋轉操作示範           伺服馬達正向旋轉操作示範  

4-4. 直流馬達控制選項操作示範：

當使用者在LCD顯示器畫面顯示C功能項目時馬上按下按鈕，系統會進入直流馬達控制選項功能。當然相關電子元件與接線要先完成，只要旋轉電位計，就能控制直流馬達轉速。下列將以圖示方式說明這項功能項目的選項操作相關畫面：

  
       進入直流馬達控制選項畫面          直流馬達變速控制操作示範畫面 

4-5. 步進馬達控制選項操作示範：

當使用者在LCD顯示器畫面顯示D功能項目時馬上按下按鈕，系統會進入步進馬達控制選項功能，因為我們現在要用另一塊步進馬達驅動器來驅動步進馬達，當然相關電子元件、接線與步進馬達驅動器要先完成。下列將以圖示方式說明這項功能項目的選項操作相關畫面：

  
                 步進馬達控制實際接線畫面                                      步進馬達控制正反轉速操作畫面 


   
           步進馬達驅動器之一畫面                     步進馬達驅動器之二畫面  

4-6.LCD顯示器背光亮度控制操作示範：

當使用者在LCD顯示器畫面顯示C功能項目時馬上按下按鈕，系統會進入直流馬達控制選項功能，其實是需要產生PWM信號來控制LCD顯示器背光亮度。當然相關電子元件與接線要先完成，只要旋轉電位計，就能用軟體產生PWM 方式控制LCD顯示器背光調亮或變暗的亮度控制。下列將以圖示方式說明這項功能項目的選項操作相關畫面：

  
        LCD顯示器背光調亮控制畫面                LCD顯示器背光變暗控制畫面  

五、結語：

持續不斷透過「百元數控平台 + 回收周邊元件」創新技術，開創小巧物美價廉之實驗配備，容易落實一人一機實習環境，同時啟動師生們開創知識價值的內在學習動機；再責成其所製作的實驗配備，需供應服務及照顧中基層教育師生，為自己成品負責，如此進一步啟動師生們開創知識價值之外在學習動機。

該課程設計與實驗教案能提供學生一個機會平台，將其學習橫跨機電整合科學教育之外在動機與內在動機結合在一起，增進其學習科學教育之意願，並激發創意，進一步促進學生在電動馬達應用、電動車或機器人研發上，培育更多種子人才。