攜 物 型 自 走 車

攜 物 型 自 走 車

專題報告

指導老師：陳怡良 老師

學生：

資工四甲 A09108519 陳易顯

資工四乙 A09108528 傅俊賓

專題報告 1

摘要

本專題的主要精神是要使用8051單晶片、組合語言程式、電路、以及

一些基本的電子零件來製作出一輛車身上具有吸取手臂的自走車，並使車

子會透過車身上所具備的感測器掃瞄貼在地面板子上的的膠帶，並且能夠

跟隨著膠帶的軌跡行走，且在指定的定點放下。本專題能夠使所有的組員

能夠了解到自走車的所有製作原理跟過程，以及其功能，並且希望以後如

果有機會再次製作自走車，能夠製作出更好、功能更多的自走車。

專題報告 2

第一章 介紹 (Introduction)

(一)專題製作的動機

選定自走車為本組的專題題目是因為本組的組員之前都沒有接觸過自

走車，並且對自走車為何會自行按照膠帶軌跡行走且吸取鐵片，並到指定

的定點放下的動作有極度的好奇心。而且想到目前的大型晶圓代工的公司

必須要運用到人力去徒手搬運價格昂貴的晶圓片，若不小心就會損失慘

重，所以想藉由這一次製作專題的機會自行製作一輛可以攜帶物品的自走

車，把較貴重的物品交由自走車搬運，以減少不必要的損失。對於自走車

的所有部份，諸如：車身的製作、電路方面的設計以及製作、以及組合語

言程式的撰寫…等等，做更深一步的了解。並且希望在之前沒有學習過，

甚至是接觸過的不管是軟體、硬體、機具…等等，例如：製作車子本身的

板子所需要用到的切割機、電路板線路佈線所需要用到的Protel軟體、撰

寫8051單晶片所需要用到的組合語言程式、燒錄組合語言程式的燒錄器…

等等，都可以藉由這一次專題製作的機會，能夠很徹底的暸解並且可以熟

練的使用那些工具，可以達到學以致用的功效。

專題報告 3

(二)問題的概觀

從一開始的製作到製作完成，遇到了不少大大小小的問題，例如：車

身的規劃、電子材料的購買、車輪的購買、車身的組合、電路板的設計、

程式的撰寫以及測試…等等一些基本的問題。還有一些較為困難的問題，

例如：電路版上有些功能沒辦法使用、感應器和感應電路偵測不到地面上

的膠帶、吸取手臂的吸取力不夠以致於沒辦法吸取地面上的鐵片、車身的

重量不平均使得車身有傾斜的現象…等等。雖然已經將其中的某一些問題

解決，但是還有一些比較複雜的問題，例如：吸取手臂的設計規劃與製作

和測試，以及程式跟車子以及吸取手臂之間的配合度的測試都尚在努力的

解決當中。

(三)所使用的技術

本組製作自走車所使用到的技術有使用到Protel軟體來設計主電路

板、感測電路板、電源電路板以及控制馬達電路板的電路，最後使用萬用

版將所需要用到電路用單心線拉出來，以節省雕刻電路版所需花費的時

間。並且使用8051單晶片的組合語言撰寫所需要用到的程式，感測地面膠

專題報告 4

帶的程式、控制車子搜尋地板上的膠帶軌跡行進的程式以及吸取鐵片並到

指定的定點放下的程式。還要設計車子本身的架構，使車子能夠達到簡便、

輕巧、靈活度高、車身平穩且速度快。並且到鐵工廠借用切割機具把所有

車身所需要用到的板子利用切割機切割好，並且將所有的板子經過慎重的

規劃並組合起來，使車子盡量能夠達到上述的原則。

(四)結果

將製作出來的攜物型自走車想出幾個方法進行實際地實驗測試，雖然有些

部分沒有達到預期的效果，而且在實驗進行的過程當中也發生一些小小的

錯誤，但是，對於本專題最基本的精神-攜取鐵片到指定的位置放下，大致

上有達到要求的目標，雖然沒有達到百分之百的結果，但還是個成功的專

題。

(五) 概述報告各章節的內容

以下將概述皆下來幾個章節的內容：

第二章-製作動機：本章節是介紹本組組員在製作本專題中所遇到的困難，

專題報告 5

那些困難對於本組製作的專題有何影響，以及解決問題

的方法，並舉例解釋。

第三章-研究方法的描述：本章節描述出本組研究如何製作本專題的流程，

並且分析本專題所需要用到的系統、軟體、硬體

資源。

第四章-實作狀況：本章節將本組組員製作本專題的實作物品的圖片，包括

軟體、硬體，展示出來。

第五章-實驗結果：本章節將針對一個假設性的問題探討，並且將子問題以

實際的方式執行，並且針對假設的結果與實際的結果下

去比較、討論。

第六章-討論與結論：本章節將對本專題的所有製作以及實驗結果進行討

論，對於哪些部分是有達到預期的結果，哪些部分則

必須加強，並且對於整個專題的製作下結論。

第七章-附錄：為製作本專題之中，本組組員所參考到的資料的來源，將在

本章節之中一一列出。

專題報告 6

第二章 研究動機-問題的描述與分析

(一)詳細描述問題之所在。

以下為我們歸納的問題

1.車身的製作：由於有訂購套件，而套件的車身電路板設計有些本專題用

不到，且要增加吸取手臂的電路版，因此對於車身要重新

進行修改及製作新車身。

2.電路圖的正確與否：雖然有現成的電路圖，但是電路的正確性需要進行

測試，其中以直流馬達和感測器兩部分的問題最大。

3.電路板的製作：選擇電路板的製作方式，直接使用萬用板焊接電路、製

作protel電路圖並使用雕刻機雕刻電路板或是以人工方

式洗電路板。

4.行進路線的設計：行進路線以及吸取和放下鐵片得定點，都需要規劃與

製作。

5.程式撰寫：用8051組合語言撰寫，組合語言還不太熟悉，所以需要編寫

邊翻書和測試。

6.程式燒入與總測試：需要反覆做測試、修正、燒入等動作，需要花上許

專題報告 7

多時間在程式的修改上。

(二)該問題對於使用者而言有何不便之處。

1.車身的製作：由於車身是最重要的骨架，而且因為硬體的部分要進行修

改較不易且成本也較高，所以只要有小小的錯誤發生，就

要費更多的時間與金錢進行修改。

2.電路圖的正確與否：雖然已經有現成的電路圖，但是有可能發生印刷錯

誤，導致電路不能使用，則需要在花時間找尋正確

的電路圖或是自行進行測試並加以修改，花費更多

的時間。

3.電路板的製作：選擇使用protel畫電路圖或者使用手工方式下去描繪電

路，前者製作電路版較工整但是雕刻速度較慢；後者製

作電路版速度較快，但電路較不工整。

4.行進路線的設計：對於過彎的角度如果過大，則會導致自走車偏離線路，

沒半法達到指定的要求。

5.程式撰寫：對於一些8051的組合語言指令還不太熟，可能導致使用錯誤

而使整部車子無法行走。

專題報告 8

6.程式燒入與總測試：程式的撰寫需要反覆的修改，而使8051硬體需要進

行多次的燒錄，可能導致8051單晶片損害。

(三)該問題可以如何解決。

總括上述的問題，對於硬體方面的問題，例如：車身、電路版、行進

路線的製作…等等，需要找尋相關的書籍以及請教師長或同學有製作過或

熟悉自走車相關方面的問題，最後再自行進行評估、設計之後，在著手進

行硬體方面的製作，將可能發生錯誤導致重大損失的機率降到最低。對於

剩下軟體方面的問題，則需要多看8051單晶片相關方面的書籍，先瞭解其

內部的構造以及其指令的格式，之後再將程式撰寫出來進行模擬測試，最

後燒錄到8051單晶片之中進行最後的總測試。

(四)舉例說明。

以下以電路版製作為例子進行說明：若使用protel軟體進行電路版設

計，則需先熟悉protel軟體，之後進行電路版的設計，將設計好的電路版

轉成可以進行雕刻的模式之後，待到學校使用雕刻機進行雕刻，雕刻途中

還得進行雕刻刀的轉換，而且雕刻的速度進行相當緩慢，所以每雕一塊電

路版就幾乎花上一天的時間，而本專題的電路有主電路、感測電路、電源

專題報告 9

電路還有吸取手臂的電路，所以要把所有電路雕刻完需要花費多天的時

間，而且若學校雕刻機有損壞，則必須等待至到雕刻機修復之後，才可以

繼續的進行電路板製作，但是好處是所有的線路較工整；若是使用氯化亞

鐵洗電路板，則需使用曝光用的萬用板，之後使用顯影劑將電路顯示在萬

用板上，最後使用氯化亞鐵將不需要的部分洗掉，就完成了電路板的製作，

所花費的時間較使用雕刻機減少很多，但是缺點是線路較不工整而且氯化

亞鐵是有毒的化學溶劑，若不妥善處理會破壞環境。所以最後我們選擇採

用萬用板和單心線拉出所需要的電路圖，既可以節省時間又可以不用處理

有毒的化學溶劑。

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第三章 製作方法的描述

(一)概念性的說明研究的方法

本專題的最基本的研究方向為研究自走車如何沿著地面上的膠帶前

進，且感應到適當的地點之後停止並且使用電磁鐵製作的手臂進行貨物的

吸取，將其帶到下一個定點放下，完成運送貨物的動作。

首先，關於硬體部分，先研究有關感測器 CNY 70 的運作情形，當有感

應到黑色膠帶時會回傳 1，沒感應到時會回傳 0 給 8051。接下來是研究馬

達轉向的問題，由於本專題使用了三顆 CNY 70 感測器，而且黏貼在地面上

的膠帶並非全部都是一直線，所以，自走車在行進的過程之中必須要做適

度的修改其行進方向。關於此課題就必須牽扯到馬達的轉動與不轉動，當

只有中間的感測器感應到黑色膠帶的時候，左右的兩顆馬達都轉動使自走

車進行前行的動作；當只有右邊的感測器感應到黑色膠帶時，右邊馬達不

轉、左邊馬達轉動，使其進行右轉的動作；當只有左邊的感測器感應到黑

色膠帶時，左邊馬達不轉、右邊馬達轉動，使其進行左轉的動作。最後是

手臂的吸取貨物的動作，一開始就讓手臂先通電，使其將要運送的貨物吸

附在手臂上。之後，讓車子照著地面上的軌道前進，到了軌道的最末端將

專題報告 11

貨物放下，使其達到運送貨物的功能。其吸取功能的原理為由三顆感測器

感測的結果，交由 74LS11 判斷，若是為 1，則傳高電位回 8051，在交由

74LS153 來控制手臂的通電與不通電。

(二)系統分析

一開始是先收集資料，所收集的資料主要分為四個部分，這四部份分為

直流馬達電路、８０５１程式、感測器電路、電磁鐵的製作原理，這四部

分的資料，接下來在撰寫這四部分的程式，並且測試程式是否正確可以動

作，程式部分結束後，就著手進行車身的製作部分，因為我們車身部分是

自行製作，所以格外困難，而且車身與電路板的搭配要也經過許多考慮，

所以我們就先買萬用板並且配合之後所要放置的電路板大小進行切割，尤

其是手臂部分格外困難，因為要考慮到磁性強弱與車子過彎的問題，所以

還有待加強與改良。

各部分都完成後，接著就進行車身與電路板的組裝作，整個組裝完成之

後就進行總測試，如果有 BUG 就由下面的流程圖進行 DEBUG 的工作。

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(三)系統架構

成功

失敗

蒐集資料

8 0 5 1

程式

測試

直流馬達 感測器 車身製作 討論分析

程式燒錄 車身組裝

結束

成功

失敗

蒐集資料

8 0 5 1

程式

測試

直流馬達 感測器 手臂製作 討論分析

程式燒錄 車身組裝

結束

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(四)硬體需求分析

本專題所用的部分硬體跟車身都是本組組員自行組裝採購和切割，例

如：手臂進行吸取以及控制的部分、進行測試的電源供應器、燒錄程式的

燒錄器、以及自走車行進的軌道，以手臂進行吸取以及控制的部分為例，

需要 74LS11 以及 74LS153 兩顆 IC 來進行貨物到指定地點放下的動作。

(五)

此次專題所用到的軟體有 PROTEL 99 SE，和 8051 燒錄程式，和撰寫 8051

的 SIMLAB-8051 這套軟體，我們使用 PROTEL 99 SE，畫出所需要的電路圖，

之後再由 SIMLAB-8051 進行轉檔，在將轉檔後的 HEX 檔經由燒錄器將所撰

寫的程式燒錄到 8051 之中，在配合製作好的電路版來進行測試。

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第四章 實作狀況

一開始先購買偵測膠帶基本型自走車套件，之後再購買萬用版，將套

件的電路版上的線路一一模仿，將有用到的線路使用單心線在萬用版上一

一接出，並且將沒有用到的部分捨棄掉，並且將吸取手臂電路設計到萬用

版上，將兩塊電路版用銅柱鎖在一起。不過，由於原本的電路版上有些部

分的線路被蓋住了，沒有辦法知道它正確連接的地方，所以使用萬用版模

仿套件版子連接的情況下，不能夠正常的運作，經過重複好幾次的檢查及

修改，還是沒有辦法突破使其能夠正常運作，所以只有使用原本套件上的

電路版，將不使用的部分去除，並且將手臂的電路部分規劃到萬用版上。

而程式的部分，使用原始程式測試時，發現裡面有很多錯誤，所以將

不需要的部分捨棄且將剩下部分進行修改之後，進行測試，但是修改的過

程之中也發生了很多次的錯誤，諸如：遇到要轉彎的地方馬達轉動的方向

卻是轉反方向、無法正確抓取軌道位置。在進行幾次程式的修改及測試之

後，發現自走車在過某些彎度時容易超出軌道，使感測器無法感應地面上

的膠帶。在經過幾次的軟硬體測試，發現左右兩顆直流馬達的轉速並不相

同，因此解決了自走車超出軌道的問題，但也使自走車只能夠行進於某個

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特定的方向。在以上程式測試無誤之後，再將修改無誤後的程式加入了吸

取手臂的程式之後，車子的前進以及轉彎的過程變得不流暢，而且在手臂

部分也因為線圈纏繞過多，而導致電磁鐵產生過熱而使其中的絕緣層產生

冒煙的現象。

在經過了多番的測試，大致上決定了線圈纏繞的多寡以及將程式的手

臂控制的部分加以修改，將原本要停下來偵測並吸取地面的物品的程式，

修改為直接吸取物品而不用停止下來，可以大大的降低了車子因車速過

快，導致偵測不到地面上的膠帶的機率，也解決的以上大部分的問題。

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以下是硬體的實際畫面：

車身照。

軌道和車身。

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燒錄器。

手臂吸取鐵環圖。

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接下來的頁面是本組自走車的電路，依序是主電路板電路、馬達電路、

感測電路以及電源電路。

8051主電路版電路：

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直流馬達電路：

40 VCC

1 2

3 4

MR_A

ML_A

MR_Y

ML_Y

7404

VCC

+12V

VCC

+12V J3

MOTOR_R 1

2 Q4

D880 Q3 9013 R12

1K R11 10K

J4

MOTOR_L 1

2 Q6

D880 Q5

9013 R18

1K R13 10K

MR_Y

ML_Y

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感測電路：

電源電路：

VCC

J1

BAT12V 1 2

U3

1 2 3

IN GND OUT

C5 220UF J2

ADAPTER12V 1 2 3

S7

POWER

R25 330 D1

1N4001

C6 220UF

LED D2

1N4001

PL

+12V

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吸取手臂電路：

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以下是本組專題的程式碼：

ORG 00H ;初值設定

JMP START

START:

MOV P1,80H

JNB P0.1,NOMID ;MID SENSOR，若是有感測到黑色膠布, 會回傳1

CLR P2.0

CLR P2.2

JB P0.4,PUT

JMP START

NOMID:

JNB P0.0,NORIGHT ;RIGHT SENSOR

SETB P2.0

CLR P2.2

JMP START

NORIGHT:

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JNB P0.2,NOLEFT ;LEFT SENSOR

CLR P2.0

SETB P2.2

JMP START

NOLEFT:

JMP START

PUT:

MOV P1,00H ;放下貨物程式

JMP START

END

專題報告 24

第五章 實驗結果

自走車功能為自走車能使用手臂部分的電磁鐵吸著鐵片順著膠帶的軌跡行

走，並且在指定地點將鐵片卸下，而且自走車行走的路徑要是非常順暢且

無誤的，手臂吸取的磁力及放下時間也要穩定與準確。

但是在實際上，自走車在行走時有時會因為超出軌道而使得感測器無

法感測到膠帶而行成亂跑的現象;而在手臂吸取鐵片部份因為線圈纏繞圈

數可能過少的情況而導致磁力不足，所以吸取的力道稍嫌不足，因為曾經

纏繞線圈的圈數過多而導致電磁鐵所纏繞的那層絕緣層過熱而產生冒煙的

現象;而再將鐵片放下部份，因為電磁鐵在通電後又斷電磁力並不會馬上消

失，要經過一小段時間才會消失，所以再將鐵片放下時無法在第一時間放

下，而需要擱置一段時間才會自行放下，以上部份為可以在進行加強與修

改的部份。

在自走車尋跡自走部分，如果試跑10次約有3~4次左右，會跑出跑道

而造成感測器無法判讀，而又因為左右兩邊的直流馬達馬達轉速不同，就

算因為超車軌道也會因為轉速不同而把自走車帶回軌道部份。

而手臂磁力不足部分也一直無法改善，因為當線圈纏繞太多時會使絕

專題報告 25

緣體冒煙而使得電磁鐵過熱，太少又會磁力不足，因此一直無法突破此手

臂的問題。

專題報告 26

第六章 討論與結論

在實際測試後，發現有部份與預設時有些許差異，自走車無法百分之

百每次都很準確的在過彎處過彎，有時會衝出跑道，而手臂部份也無法擁

有足夠的磁力穩穩吸引住鐵片，而在放下地點時也無法立即就放下鐵片，

而是需要擱置一段時間等殘餘磁力消失後才會放下。

雖然，無法盡善盡美但是每樣功能都有，只是無法做到很完美，所以

大致上每個部份大致上都挺滿意的，唯獨手臂線圈部份，一直抓不到線圈

所需要纏繞的圈數，而時常變成磁力不足與電磁鐵過熱的現象。

而未來此自走車可以在改良成為會判斷只抓取自己所需要的載重

物，而在某特定地點放下，而不是每一樣物品都只在固定地點放下，而是

每一樣物品都有自己該放的位置的功能並且增加自走車的載重能力。

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第七章 附錄

(一)值得讀者觀看畫面結果：

因為本組的專題是要搬運貨物到定點放下，所以，選擇以下的圖片為

值得讀者觀察的畫面。因為手臂在測試的結果其吸取的磁力還是稍嫌不

足，所以，將所有測試之中最好的畫面讓讀者好好欣賞。

專題報告 28

(二)小組成員介紹及工作分配：

本組的組員有兩名，陳易顯與傅俊賓。陳易顯同學由於其硬體方面的

相關知識比較強，所以本專題的硬體絕大多數都是由他操刀，例如：車身

的電路焊接以及燒錄器的焊接和手臂電路的焊接… 等，而他雖然在軟體方

面的知識不是那麼的強，但是也多多少少有接觸一下程式；傅俊賓同學在

軟體方面比較有概念，所以本專題軟體的撰寫以及程式的燒錄部分，絕大

多數都是由他來負責，雖然在程式的撰寫上還是有點小瑕疵，但還是盡自

己最大的努力將程式撰寫出來。最後是在吸取手臂的部分，是由兩人共同

討論，共同研究之後，才決定其作法。

(三)小組成員自我評估：

經過了本次的專題製作了一輛攜物型自走車，原本期許的功能為：在

軌道中指定兩個定點，當車子行進到第一個定點時就停下來吸取貨物，之

後到下一個定點時停下來將貨物放下之後再繼續前進。但是，當實際的動

手下去執行時發現困難重重，當車子在行進時會因為其行進速度過快而使

它衝出軌道，使其亂跑；而在吸取手臂的部分，一開始因為程式撰寫的方

專題報告 29

式不同，使得車子行進不順暢，而吸取貨物時因為其吸力不足，導致貨物

在運送的過程之中會被甩掉。所以，本組組員在本專題的製作滿意度上，

雖然沒有達到當初想像的功能很沮喪，但是，最基本的吸取貨物有達成，

所以還算滿意。由於硬體的東西原本就比軟體的東西要經過更多的測試以

及修改，並且花費更多的金錢，所以，本組組員預期的分數大約是70分。

本次專題所使用到的零件：

名稱 規格 數量

1 1/4W 電阻 10K 9

2 1/4W 電阻 3.3M 1

3 1/4W 電阻 1K 3

4 1/4W 電阻 220 3

5 1/4W 電阻 56K 4

6 1/4W 電阻 330 1

7 9Pin 排阻 330 1

8 5Pin 排阻 10K 1

9 二極體 IN4001, 50V/1A 2

10 積層電容（臥式） 0.1u 1

11 電解電容 10u/16V 1

12 2.5mm 陶瓷電容 20pF 2

13 電解電容 220u/25V 2

14 電晶體 CS9012 1

15 電晶體 SC9013 3

16 電晶體 D880（T0220） 2

17 TACK SW 16*6*5 1

18 穩壓 IC 7805 1

19 DIP IC 座 14P, 300mil 1

20 DIP IC 座 40P, 600mil 1

21 圓孔排針座 2*2Pin 3

22 TTL IC 74LS04 1

23 單晶片 ATMEL 89C51 1

24 皇冠座 2.1ψ 1

25 MOLEX 座 3.96mm, 公-02P, 90 度 3

26 XTAL 12MHz 1

27 搖頭 SW 2 段 5P PCB TYPE 1

28 單排針 1*2Pin 1

29 單排針 1*8Pin 1

專題報告 30

30 迷你車電路板 1

31 螺絲 3*6mm 13

32 螺絲 3*10mm 2

33 螺帽 3mm 用 15

34 銅柱 公-母 7mm 2

35 ㄇ型散熱片 孔在旁邊（T0220） 1

36 DC 馬達 12V 200rpm 2

37 L 型馬達支撐架 5.5*5*5cm 2

38 紅外線感測器 CNY-70 3

39 滾輪 1

40 主輪(鋁) 直徑 76mm 2

41 電池架 1

42 電池座 2

43 電源供應器 AC ADAPTOR 12V 1

44 感測器保護板 1

45 螺絲 3.5*7mm 2

46 IC 74LS11 1

47 IC 74LS153 1

48 腳座 14 pin 1

49 腳座 16 pin 1

專題報告 31

本次專題所參考到的文獻：

1. 書 名：8051單晶片教學範本

出版社：金禾出版社

作 者：逸塵、艾倫

2. 書 名：8051單晶片為電腦實習與應用

出版社：松崗電腦圖書資料股份有限公司

作 者：吳金戌、沈慶陽、郭庭吉

3. 書 名：8051組合語言

出版社：宏友

作 者：鄧錦城

4. 書 名：主流電腦輔助電路設計PROTEL 99 SE [拼經濟版]

出版社：全華科技圖書資料股份有限公司

作 者：張義和

5. 參考網站論壇站名：大鳥實驗室

　 　網 址：http://www.dainau.com

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6.參考網站論壇站名：科學遊戲

網　 　址：http://content.edu.tw/primary/nature/ks_gc/game.htm