前言

长久以来，市售的家电遥控器都有很多不同功能的按键，一般人在使用上却很少用到这么多功能，普便来说只用到上一个频道、下一个频道、音量增大、音量减小及开启和关閟较多，相形之下其他这么多的按键在遥控器上没用到时就显的有点累赘，尤其是上了年纪的老人家，因为年纪大了而行动不便或者是有老花眼看不清楚，这都会使他们不方便操作遥控器，还有一些特殊人士的使用上甚为不方便，对此，我们希望能够发展一种新的操控方式，一种简单易操控，、容易上手的操控方式来取代现今一般传统的遥控器，让一般人不在会为了如何操控而烦恼。

基于以上的需求，本专题透过自然法则，设计利用手势来操控家电，既自然又简单，十分人性化；就像平常我们也常见到一般人们使用简单的手势做为彼此间讯息的传递；若能靠着手势指挥便能使家电动作，如电视音响，作出开，关，声音，选台等各种动作，便能比传统遥控器更人性化又有趣，因此，我们便以此为研究改进的方向。本专题以弯曲传感器加上三维加速器，并应用单芯片作为核心代替传统的遥控器，配合使用无线传输技术，并借助手势自动辨识的研究来建立起遥控器与一般家电的沟通桥梁，将简单的手套化身为遥控家电的遥控器，使人们可以轻松、自然的操控家电，达到简易及人性化的需求。

《图一 系统流程图》

观察以下手势，由于手势简单，所以变化就不大，单芯片无法直接判断这些动作的不同，所以我们需要装置一些传感器，利用传感器因手势不同而产生数值的变化，将各个手势加以区分，如在手背上装了倾斜仪，便可知道掌心是朝向哪个方向，配合弯曲传感器感测手部的关节有无挥动来判断是，这样我们才能利用手势去控制音响家电。

以往死板的遥控器繁杂的按键.使人眼花撩乱.往往遥控器旁就是说明书.此作品就是为了改善这方面的不方便.使高龄人口都可以轻松的控制所要的家电.将手势代替遥控更为方便.在未来的可能朝高龄市场发展.若在外型上做修饰.不排除抢攻年轻市场.将会是时尚的潮流

《图二 图中各种手势的意义》

系统功能

手套部分

本系统采用在PC上，以MB95F108AMS来开发其应用程序，当手套电路模块化后，即可将程序烧入MB95F108AMS芯片中，此时就可以不需要PC的协助了。本专体可直接以手挥动来控制音响家电，手套部分主要的功能是因手套上有弯曲传感器和三维加速器(ADXL330K)，利用三维来判断左右或上下方向，之后我们用一个33KΩ的电阻串联一个弯曲传感器，再用A/D转换当电阻值改变时所改变的电压值，由数值的改变来判断是手的哪个关节在活动，藉此设定音响家电的音量及选台，选择不同的家电，再把讯号由红外线输出。

系统架构

硬件说明

《图三 系统方块图》

图四为本作品的系统架构图，首先将弯曲传感器放置在数据手套中指指背关节点上，在利用分压定理透过讯号撷取单芯片做AD转换，并利用三维加速器内的浮动电压变化量，将其变化量也传入单芯片内，单芯片经由A/D转换去分析以上装置的讯号来决定命令的数据，在透过自制的红外线传输电路将命令传送至音响家电上的红外线感测方位电路做方位判定以及红外线模块所收到的讯号送至MCU做分析译码之后，利用PPG脉波宽度调变，送出红外线讯号给各项家电，进而驱动音响家电，达到我们所要的功能动作。

《图四 系统架构图—手套部份》

首先将弯曲传感器缝置在数据手套中指指背关节点上，以及手肘关节内侧，在利用分压定理透过单芯片做AD转换。

三维加速器

三维加速器是一种藉由三轴角度不同来改变输出电压的一种传感器。因此是极微小角度变化，它都会准确的感应并且给予一定物理量的电压变化。然而三维传感器各轴由0度－90度－180度时其电压、G值变化皆不一样。

《图五 三维三轴标示》

《图六 Z轴标示》

《图七 X、Y轴标示》

软件说明

手套部份

首先，当手部产生动作时，MCU会去撷取弯曲感测电路的A/D值以及倾斜仪电路的PWM变化量大小来产生红外线码，而红外线的编码方式因时间的关系我们采用最简单的编码方式，就是利用Timer之Counter并且配合MCU中的PPG模块来产生红外线码。

以下介绍我们的手势动作，以及在软件中是如何判别的：

从以上动作不难发现，只要掌心朝下或上，声音即变大变小声，其实是因为掌心方向不同时，倾斜仪的脉波宽度将有所变化，其程序便是利用脉波宽度去判断掌心的方向，手指弯动时，指背上的弯曲传感器因弯曲而产生电阻变化，经由分压电路及AD转换，我们所撷取的AD值也会改变，手指弯曲时的AD值较大，伸直时的就较小，当每次AD值由小->大->小，我们便知道手指弯曲了一次。

红外线编码与译码

为了节省成本的原故，本作品中红外线的编码与译码大部份都是藉由MCU本身的功能来完成，最后在和在用红外线接收器和发射器做为媒介即可。

红外线的编码方式，我们是使用MCU中的Timer来产生Delay的功能，再透过MCU中具有PPG MODE功能设定由P20/PPG00接脚输出频率为38KHZ。

制作原理

MB95F108AMS芯片

MB95100AM系列为单芯片之通用微控制器，在本作品里我们是采用MB95F108AMS，除了精简的指令集外，微控制器亦含有多样的周边功能。

特色:

F2MC-8FX CPU核心

频率

定时器

LIN-UART

UART/SIO

●可使用异步频率（UART）或同步频率（SIO）进行序列数据传输

●可用于从低耗电待机）模式复原

低耗电（待机）模式

I/O端口：

端口配置

端口输入电压可程序化

闪存安全功能

红外线

IR红外线

红外线已成为日常生活的必备品，许多家电用品如电视、CD、音响、录放机、冷气等，都使用了红外线遥控，因此本系统结合了红外线遥控，可以了解并加以控制家电。

红外线遥控是利用专属IC制造出宽范围的遥控机件。像电视的一般化产品都有遥控装置，其实它只是利用一个IC做成遥控的机件。光遥控器的基本组成，大体上是由手操做部分的发射机、接收装置内的受光器和译码器构成。发射机乃是由键盘所设定的功能而发射出对应信号的产生电路、信号电流放大，以及驱动近红外线的发光二集体等组成。受光器是将散布在空间的红外线信号，利用二极管作为光电转换，然后将此信号放大。放大后的信号交给依目的取出码排列的监波电路、波形整形电路，最后用译码作码列的判断，以执行各种控制。

在遥控发射机内，每一个功能都有其对应的码排列，它主要以KHz的调变波加到近红外线二极管上，以38KHz的调变，再利用受光器后面的放大。空间内的发射信号，以940mm近红外线光的中心波长，然后经前面的码排列及38KHz调变传送。在受光器内，首先由光二极管作光电转换，这个过程的光二极管输出信号，常混入很多噪声。为此后半段的放大器便应用带通滤波器(Band-Pass Filter)，使只有38KHz的遥控信号输出。检波电路上就将刚才所收的信号提取一些，利用波形整形电路及后半段译码读取波形整形输出的码排列。使用在5m的距离。

《图八 红外线传输协议》

红外线遥控器有许多不同的传输格式，表4.2列出比常见红外线传输格式的时序图，其中例如NEC协议为，首先传送引导码(Leader)信号，引导码信号需要一段较长的信号时间，借此段时间内，来设定受光电路的信号准位(受光电路是依输入信号的强度而得到不同的电路增益，这样动作较能稳定)，或接收上的微计算机有噪声，都很容易对遥控的信号做进一步的判断。接着传送习惯码，习惯码是依所使用的制造厂商而定，但不能重复。之后为数据码，数据码是由传送功能选定。习惯码和数据码分别由8字节成，但为预防接收码的判断错误，都分别反相再一起传送出去。又这种传送法的方式称为PPM(Pulse Position Modulation)，亦即脉冲大小一定，而利用脉冲之间的大小来传送码信号。

其他常见的红外线传输格式还有Philips RC6, RCMM and B&O等等。由于红外线遥控器的传输格式种类相当多，本系统对于各种已知厂牌之电视，录像机、有线电视选台器、碟影机、冷气、CD等以编码的方式记录，另外对于未知厂牌的红外线码还提供了智能型学习功能。

红外线模块

红外线接收模块主要功能在将遥控器所发射的红外线转换MCU所能接受的数字信号，他包含了红外线光二极管、高增益的放大电路及37.9KHz 的检波电路集合成一个红外线接收模块。一般来说红外线接收模块通常为三根脚（VCC、GND、SIGNAL），只要在供给5V的电源及可使红外线接收器正常工作

三维加速器

红外线接收模块主要功能在将遥控器所发射的红外线转换MCU所能接受的数字信号，他包含了红外线光二极管、高增益的放大电路及37.9KHz 的检波电路集合成一个红外线接收模块。一般来说红外线接收模块通常为三根脚（VCC、GND、SIGNAL），只要在供给5V的电源及可使红外线接收器正常工作

《图九 传感器内部方块图》

传感器内部方块图

《图十 三维传感器电压及G值的公式》

《图十一 A/D脚位工作Timeing》

《图十二 Low Voltage Reset》

弯曲传感器

弯曲传感器是一种藉由弯曲程度的多寡来改变电阻值的一种传感器。 因此是极微小变化阻力变化，它都会准确的感应并且给予一定物理量的电阻变化。然而弯曲传感器成凸形状、凹形状分别代表电阻最大值和电阻最小值。对于传感器平常无弯曲时为10K，当传感器弯曲至90度时，电阻值约为30K至40K左右。但对一般电路接口本身为一个『可变电阻器』，以下为各位介绍弯曲传感器在电路上的原理：

《图十三 弯曲传感器示意图》

电路动作原理

使用在电路上的传感器所扮演的角色是–电压分发器。故我们以基本的电路图来表示弯曲传感器的作用。在图十四中，以正电压 5 伏特提供 12K 奥姆和弯曲传感器作分压。藉由弯曲传感器弯曲的程度的多寡和 12 伏特进行分压，所得的电压因对应到的物理特性而产生程度上的差别。

《图十四 弯曲传感器》

MCU

使用在电路上的传感器所扮演的角色是–电压分发器。故我们以基本的电路图来表示弯曲传感器的作用。在图十四中，以正电压 5 伏特提供 12K 奥姆和弯曲传感器作分压。藉由弯曲传感器弯曲的程度的多寡和 12 伏特进行分压，所得的电压因对应到的物理特性而产生程度上的差别。

A/D转换

A/D转换应用在本专题中，是将弯曲传感器所测得的分压(模拟值)转换成为单芯片可以处理的数字讯号，藉此判断弯曲传感器是否有弯曲。

A/D转换是利用输入电压与参考电压比较，将其分割成为2n等份，以n=10，参考电压5V，输入电压3V举例:

输入电压/参考电压 = 所求数值 / 210

所求数值 = (3/5)*1024=614

设计方法

因以往的红外线摇控器操作上都有不便之处，为了改善这些缺点使红外线摇控器更为人性化。我们将改变以往的摇控装置，使操作者更容易且轻松的操音响家电。以下将为本专题的设计方针：

手套部分：

为了使一般的摇控装置更容易操作且更人性化，我们在自装的红外线摇控器上加设了倾斜仪作为方向感测用以及弯曲感测电路当做一般的触发按钮，结合以上两种功能便能让手部摇控装置更人性化。

由于部分的手势有很高的相似性，我们必须运用一些组件，使手势的变化能够被MCU分析，在此，我们用手背上放置倾斜仪来感测掌心方向，朝的方向不同倾斜仪便会送出不一样宽度的脉波；弯曲传感器一条装载在手套中指指背上，检测手指有无弯动，如图十五

《图十五 手套外观》

《图十六 手套内部模块》

《图十七 手套内部电路》

音响家电部分：

当手套经由手势发射讯号时，在音响家电有一红外线接收器，来接收由手套发射出来的红外线讯号，所以可藉由不同的手势使音响执行各个功能与动作。

《图十八 音响家电外观》

当想要摇控多样家电时，我们设计多组Timer来产生delay的功能，依据手势时间的不同去选择想要的家电，如图十九。

《图十九 硬件架构图》

系统软件

《图二十 软件流程图》

我们由多组TIMER，如手势比一的动作TIMER1计时，即可切换想执行的家电，手势比二的动作TIMER1计时，即可起执行另外一组家电，依此类推。

锁定家电后，又可经由各种手势去执行该家电的各项项动作，如下：

(4).选台：(a)上一台：掌心朝左，弯动手指。(b)下一台：掌新朝右，弯动手指。

测试方法

因为我们所做的东西，大部份都与讯号的传输、撷取有关，所以，我们在测试时都会特别针对讯号的输出入做深入的研究，目地在于防止噪声的干扰，且让输出入的讯号更为精准稳定。以下为我们的测试方计：

手套部份：

在手套的部份可细分为三个主要的重点：红外线发射电路、三维加速器(ADXL330K) 、弯曲传感器。

红外线发射电路

弯曲传感器

我们在红外线发射器上安装了一颗晶体管A684R14来当开关，当有讯号要传迗时，晶体管的基极会导通，使得讯号可以顺利的传送出去，除此之外，为了让红外线讯号的射程更远我们在红外线发射电路上做了一些组件上数值的微调动作，希望能让射程更远且让接收端能收到更精准的讯号，最后在透过红外线接收模块和示波器来察看所传的红外线讯号是否正确。

首先将弯曲传感器缝置在数据手套中指指背关节点上，在利用分压定理透过单芯片做AD转换，其目的是用来判别手部是否有动作，就好比摇控器的按键一般，只是换了另一种操作方式。

《图二十一 三维传感器平放测试》

应用市场展望

我们提出手势这种人性化的方式，来控制家电，并随着我们手掌的挥舞，使家电执行基本功能。研究的成果也可以增加在控制上的方便，并应用在遥控装置上。此外，结合红外线通讯方式，也可达成价格低廉大众化的目标。而设计了多种遥控一体化的方式，更是可一手搞定。