前言

長久以來，市售的家電遙控器都有很多不同功能的按鍵，一般人在使用上卻很少用到這麼多功能，普便來說只用到上一個頻道、下一個頻道、音量增大、音量減小及開啟和關閟較多，相形之下其他這麼多的按鍵在遙控器上沒用到時就顯的有點累贅，尤其是上了年紀的老人家，因為年紀大了而行動不便或者是有老花眼看不清楚，這都會使他們不方便操作遙控器，還有一些特殊人士的使用上甚為不方便，對此，我們希望能夠發展一種新的操控方式，一種簡單易操控，、容易上手的操控方式來取代現今一般傳統的遙控器，讓一般人不在會為了如何操控而煩惱。

基於以上的需求，本專題透過自然法則，設計利用手勢來操控家電，既自然又簡單，十分人性化；就像平常我們也常見到一般人們使用簡單的手勢做為彼此間訊息的傳遞；若能靠著手勢指揮便能使家電動作，如電視音響，作出開，關，聲音，選台等各種動作，便能比傳統遙控器更人性化又有趣，因此，我們便以此為研究改進的方向。本專題以彎曲感測器加上三維加速器，並應用單晶片作為核心代替傳統的遙控器，配合使用無線傳輸技術，並借助手勢自動辨識的研究來建立起遙控器與一般家電的溝通橋樑，將簡單的手套化身為遙控家電的遙控器，使人們可以輕鬆、自然的操控家電，達到簡易及人性化的需求。

《圖一 系統流程圖》

觀察以下手勢，由於手勢簡單，所以變化就不大，單晶片無法直接判斷這些動作的不同，所以我們需要裝置一些感測器，利用感測器因手勢不同而產生數值的變化，將各個手勢加以區分，如在手背上裝了傾斜儀，便可知道掌心是朝向哪個方向，配合彎曲感測器感測手部的關節有無揮動來判斷是，這樣我們才能利用手勢去控制音響家電。

以往死板的遙控器繁雜的按鍵.使人眼花撩亂.往往遙控器旁就是說明書.此作品就是為了改善這方面的不方便.使高齡人口都可以輕鬆的控制所要的家電.將手勢代替遙控更為方便.在未來的可能朝高齡市場發展.若在外型上做修飾.不排除搶攻年輕市場.將會是時尚的潮流

《圖二 圖中各種手勢的意義》

系統功能

手套部分

本系統採用在PC上，以MB95F108AMS來開發其應用程式，當手套電路模組化後，即可將程式燒入MB95F108AMS晶片中，此時就可以不需要PC的協助了。本專體可直接以手揮動來控制音響家電，手套部分主要的功能是因手套上有彎曲感測器和三維加速器(ADXL330K)，利用三維來判斷左右或上下方向，之後我們用一個33KΩ的電阻串聯一個彎曲感測器，再用A/D轉換當電阻值改變時所改變的電壓值，由數值的改變來判斷是手的哪個關節在活動，藉此設定音響家電的音量及選台，選擇不同的家電，再把訊號由紅外線輸出。

系統架構

硬體說明

《圖三 系統方塊圖》

圖四為本作品的系統架構圖，首先將彎曲感測器放置在資料手套中指指背關節點上，在利用分壓定理透過訊號擷取單晶片做AD轉換，並利用三維加速器內的浮動電壓變化量，將其變化量也傳入單晶片內，單晶片經由A/D轉換去分析以上裝置的訊號來決定命令的資料，在透過自製的紅外線傳輸電路將命令傳送至音響家電上的紅外線感測方位電路做方位判定以及紅外線模組所收到的訊號送至MCU做分析解碼之後，利用PPG脈波寬度調變，送出紅外線訊號給各項家電，進而驅動音響家電，達到我們所要的功能動作。

《圖四 系統架構圖—手套部份》

首先將彎曲感測器縫置在資料手套中指指背關節點上，以及手肘關節內側，在利用分壓定理透過單晶片做AD轉換。

三維加速器

三維加速器是一種藉由三軸角度不同來改變輸出電壓的一種感測器。因此是極微小角度變化，它都會準確的感應並且給予一定物理量的電壓變化。然而三維感測器各軸由0度－90度－180度時其電壓、G值變化皆不一樣。

《圖五 三維三軸標示》

《圖六 Z軸標示》

《圖七 X、Y軸標示》

軟體說明

手套部份

首先，當手部產生動作時，MCU會去擷取彎曲感測電路的A/D值以及傾斜儀電路的PWM變化量大小來產生紅外線碼，而紅外線的編碼方式因時間的關係我們採用最簡單的編碼方式，就是利用Timer之Counter並且配合MCU中的PPG模組來產生紅外線碼。

以下介紹我們的手勢動作，以及在軟體中是如何判別的：

從以上動作不難發現，只要掌心朝下或上，聲音即變大變小聲，其實是因為掌心方向不同時，傾斜儀的脈波寬度將有所變化，其程式便是利用脈波寬度去判斷掌心的方向，手指彎動時，指背上的彎曲感測器因彎曲而產生電阻變化，經由分壓電路及AD轉換，我們所擷取的AD值也會改變，手指彎曲時的AD值較大，伸直時的就較小，當每次AD值由小->大->小，我們便知道手指彎曲了一次。

紅外線編碼與解碼

為了節省成本的原故，本作品中紅外線的編碼與解碼大部份都是藉由MCU本身的功能來完成，最後在和在用紅外線接收器和發射器做為媒介即可。

紅外線的編碼方式，我們是使用MCU中的Timer來產生Delay的功能，再透過MCU中具有PPG MODE功能設定由P20/PPG00接腳輸出頻率為38KHZ。

製作原理

MB95F108AMS晶片

MB95100AM系列為單晶片之通用微控制器，在本作品裡我們是採用MB95F108AMS，除了精簡的指令集外，微控制器亦含有多樣的周邊功能。

特色:

F2MC-8FX CPU核心

時脈

計時器

LIN-UART

UART/SIO

外部中斷

8/10位元A/D轉換器

低耗電（待機）模式

I/O連接埠：

連接埠配置

連接埠輸入電壓可程式化

快閃記憶體安全功能

紅外線

IR紅外線

紅外線已成為日常生活的必備品，許多家電用品如電視、CD、音響、錄放影機、冷氣等，都使用了紅外線遙控，因此本系統結合了紅外線遙控，可以了解並加以控制家電。

紅外線遙控是利用專屬IC製造出寬範圍的遙控機件。像電視的一般化產品都有遙控裝置，其實它只是利用一個IC做成遙控的機件。光遙控器的基本組成，大體上是由手操做部分的發射機、接收裝置內的受光器和解碼器構成。發射機乃是由鍵盤所設定的功能而發射出對應信號的產生電路、信號電流放大，以及驅動近紅外線的發光二集體等組成。受光器是將散布在空間的紅外線信號，利用二極體作為光電轉換，然後將此信號放大。放大後的信號交給依目的取出碼排列的監波電路、波形整形電路，最後用解碼作碼列的判斷，以執行各種控制。

在遙控發射機內，每一個功能都有其對應的碼排列，它主要以KHz的調變波加到近紅外線二極體上，以38KHz的調變，再利用受光器後面的放大。空間內的發射信號，以940mm近紅外線光的中心波長，然後經前面的碼排列及38KHz調變傳送。在受光器內，首先由光二極體作光電轉換，這個過程的光二極體輸出信號，常混入很多雜訊。為此後半段的放大器便應用帶通濾波器(Band-Pass Filter)，使只有38KHz的遙控信號輸出。檢波電路上就將剛才所收的信號提取一些，利用波形整形電路及後半段解碼讀取波形整形輸出的碼排列。使用在5m的距離。

《圖八 紅外線傳輸協定》

紅外線遙控器有許多不同的傳輸格式，表4.2列出比常見紅外線傳輸格式的時序圖，其中例如NEC協定為，首先傳送引導碼(Leader)信號，引導碼信號需要一段較長的信號時間，借此段時間內，來設定受光電路的信號準位(受光電路是依輸入信號的強度而得到不同的電路增益，這樣動作較能穩定)，或接收上的微電腦有雜訊，都很容易對遙控的信號做進一步的判斷。接著傳送習慣碼，習慣碼是依所使用的製造廠商而定，但不能重複。之後為資料碼，資料碼是由傳送功能選定。習慣碼和資料碼分別由8位元組成，但為預防接收碼的判斷錯誤，都分別反相再一起傳送出去。又這種傳送法的方式稱為PPM(Pulse Position Modulation)，亦即脈衝大小一定，而利用脈衝之間的大小來傳送碼信號。

其他常見的紅外線傳輸格式還有Philips RC6, RCMM and B&O等等。由於紅外線遙控器的傳輸格式種類相當多，本系統對於各種已知廠牌之電視，錄影機、有線電視選台器、碟影機、冷氣、CD等以編碼的方式記錄，另外對於未知廠牌的紅外線碼還提供了智慧型學習功能。

紅外線模組

紅外線接收模組主要功能在將遙控器所發射的紅外線轉換MCU所能接受的數位信號，他包含了紅外線光二極體、高增益的放大電路及37.9KHz 的檢波電路集合成一個紅外線接收模組。一般來說紅外線接收模組通常為三根腳（VCC、GND、SIGNAL），只要在供給5V的電源及可使紅外線接收器正常工作

三維加速器

在本專題作品系統，我們選擇的傾斜儀是ADXL330K，ADXL330K是專門設計用來和數位輸出配合使用的, 但它也有提供類比輸出服務。ADXL330K的在此應用方式為傾斜儀測量方式，藉由三軸角度不同來改變輸出電壓的一種感測器。因此是極微小角度變化，它都會準確的感應並且給予一定物理量的電壓變化。將重力當作是無線電輸入誘導來決定某一物體在空間中的定位。由下面各圖即可得知其動作原理及操作方式。

《圖九 感測器內部方塊圖》

在此列出三維感測器電壓及G值的公式，以便計算其輸出G值。

《圖十 三維感測器電壓及G值的公式》

《圖十一 A/D腳位工作Timeing》

《圖十二 Low Voltage Reset》

彎曲感測器

彎曲感測器是一種藉由彎曲程度的多寡來改變電阻值的一種感測器。 因此是極微小變化阻力變化，它都會準確的感應並且給予一定物理量的電阻變化。然而彎曲感測器成凸形狀、凹形狀分別代表電阻最大值和電阻最小值。對於感測器平常無彎曲時為10K，當感測器彎曲至90度時，電阻值約為30K至40K左右。但對一般電路介面本身為一個『可變電阻器』，以下為各位介紹彎曲感測器在電路上的原理：

《圖十三 彎曲感測器示意圖》

電路動作原理

使用在電路上的感測器所扮演的角色是–電壓分發器。故我們以基本的電路圖來表示彎曲感測器的作用。在圖十四中，以正電壓 5 伏特提供 12K 歐姆和彎曲感測器作分壓。藉由彎曲感測器彎曲的程度的多寡和 12 伏特進行分壓，所得的電壓因對應到的物理特性而產生程度上的差別。

《圖十四 彎曲感測器》

MCU

A/D轉換

A/D轉換應用在本專題中，是將彎曲感測器所測得的分壓(類比值)轉換成為單晶片可以處理的數位訊號，藉此判斷彎曲感測器是否有彎曲。

A/D轉換是利用輸入電壓與參考電壓比較，將其分割成為2n等份，以n=10，參考電壓5V，輸入電壓3V舉例:

輸入電壓/參考電壓 = 所求數值 / 210

所求數值 = (3/5)*1024=614

設計方法

系統硬體

因以往的紅外線搖控器操作上都有不便之處，為了改善這些缺點使紅外線搖控器更為人性化。我們將改變以往的搖控裝置，使操作者更容易且輕鬆的操音響家電。以下將為本專題的設計方針：

手套部分：

為了使一般的搖控裝置更容易操作且更人性化，我們在自裝的紅外線搖控器上加設了傾斜儀作為方向感測用以及彎曲感測電路當做一般的觸發按鈕，結合以上兩種功能便能讓手部搖控裝置更人性化。

由於部分的手勢有很高的相似性，我們必須運用一些元件，使手勢的變化能夠被MCU分析，在此，我們用手背上放置傾斜儀來感測掌心方向，朝的方向不同傾斜儀便會送出不一樣寬度的脈波；彎曲感測器一條裝載在手套中指指背上，檢測手指有無彎動，如圖十五

《圖十五 手套外觀》

《圖十六 手套內部模組》

《圖十七 手套內部電路》

音響家電部分：

當手套經由手勢發射訊號時，在音響家電有一紅外線接收器，來接收由手套發射出來的紅外線訊號，所以可藉由不同的手勢使音響執行各個功能與動作。

《圖十八 音響家電外觀》

當想要搖控多樣家電時，我們設計多組Timer來產生delay的功能，依據手勢時間的不同去選擇想要的家電，如圖十九。

《圖十九 硬體架構圖》

系統軟體

《圖二十 軟體流程圖》

我們由多組TIMER，如手勢比一的動作TIMER1計時，即可切換想執行的家電，手勢比二的動作TIMER1計時，即可起執行另外一組家電，依此類推。

鎖定家電後，又可經由各種手勢去執行該家電的各項項動作，如下：

測試方法

因為我們所做的東西，大部份都與訊號的傳輸、擷取有關，所以，我們在測試時都會特別針對訊號的輸出入做深入的研究，目地在於防止雜訊的干擾，且讓輸出入的訊號更為精準穩定。以下為我們的測試方計：

手套部份：

在手套的部份可細分為三個主要的重點：紅外線發射電路、三維加速器(ADXL330K) 、彎曲感測器。

紅外線發射電路

我們在紅外線發射器上安裝了一顆電晶體A684R14來當開關，當有訊號要傳迗時，電晶體的基極會導通，使得訊號可以順利的傳送出去，除此之外，為了讓紅外線訊號的射程更遠我們在紅外線發射電路上做了一些元件上數值的微調動作，希望能讓射程更遠且讓接收端能收到更精準的訊號，最後在透過紅外線接收模組和示波器來察看所傳的紅外線訊號是否正確。

彎曲感測器

首先將彎曲感測器縫置在資料手套中指指背關節點上，在利用分壓定理透過單晶片做AD轉換，其目的是用來判別手部是否有動作，就好比搖控器的按鍵一般，只是換了另一種操作方式。

三維加速器(ADXL330K)

《圖二十一 三維感測器平放測試》

應用市場展望

我們提出手勢這種人性化的方式，來控制家電，並隨著我們手掌的揮舞，使家電執行基本功能。研究的成果也可以增加在控制上的方便，並應用在遙控裝置上。此外，結合紅外線通訊方式，也可達成價格低廉大眾化的目標。而設計了多種遙控一體化的方式，更是可一手搞定。