實務專題報告書

監 控 式 腳 部 復 健 椅

指 導 老 師：蔣忠誠

專題製作學生： 四技電四甲 鄭亞維 BD97010

四技電四甲 李柏樑 BD97056

中華民國 一百 年 十二 月 七 日

修平科技大學 電機工程系

DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING

HSIU-PING UNIVERSITY OF SCIENCE AND

TECHNOLOGY

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摘要

近年來因交通事故提高，導致許多的腳傷病患增加，許多腳傷的

病患因不注重自已腳傷的問題而導致後遺症的產生，因此造成腳不方

便，導致要花許多時間來復健，使復健醫療及復健照護需求增加，復

健醫療除了仰賴復健人員的專業技術和診斷，也需要治療設備器材配

合運用，也提高醫療品的的重要關鍵。

因此設計監控式腳部復健椅來當作復健用的器具，有了能復健的

器具，就可以節省人力和病患治療的時間，也不會因患者沒時間治療

而放棄治療，只需要去醫院或者是家裡做復健，再去醫院給定期檢查

復健治療的成效如何。

許多人會因運動而造成傷害，或者是交通事故而受到傷害，這些

都有可能造成腿部的不便，因此都需要去醫院復健，但是有些人會因

沒時間去做復健而造成長期累積，到最後都有可能造成肌肉萎縮，甚

至也有可能導式行動不便。

這個專題只要的功能是讓病患能更省力的達到復健的效果，這個專題

的功能有當病人感到身體不適的時候，可以按停止鈕來達到提醒醫生

或復健人員的注意，不會造成病人在復健發生問題沒有人理會。

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目錄

第一章 緒論

1-1 前言_____________________5

1-2 研究動機_________________6

1-3 研究目的與方法___________7

第二章 硬體系統架構

2-1 使用設備_________________8

2-2 光敏電阻工作原理_________10

2-3光敏電阻主要的特性參數____13

2-4光敏電阻基本偏壓和雜訊____15

2-5 8051 單晶片介紹__________17

2-6 Keil Vision 2 介紹________23

4

第三章 實務概論

3-1 復健椅的需求_____________24

3-2復健椅的結構_____________27

3-3架構圖___________________28

3-4動作流程圖_______________29

3-5 成品____________________ 30

第四章 結論

4-1 結論____________________ 32

參考文獻___________________ 33

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第一章

1-1 前言

在目前生活中有部份的人因為發生事故而造成行動上的不方

便，而且那些受傷的病人要恢復到出事故前的狀態，所需要做的復健

是那麼的辛苦和艱辛，作品主要創作目的是希望發生事故或癱瘓的患

者更容易且輕鬆的做復健，讓患者不會排斥並提高做復健的意願，增

進患者回復的速度更快速。

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1-2 研究動機

根據調查越來越多人感覺到需要使用復健器材來鍛鍊以保障他

們的健康生活，目前市場上依不同的鍛鍊需求有各式的復健器材供選

擇，復健器材的優點包括：

1. 可在室內使用而不受天候影響 。

2. 居家使用可不受時間及外在環境因素的限制 。

3. 可藉由機器幫助身體加速身體之恢復，復健訓練機主要則是用

於鍛鍊或復健下肢的醫療器材，操作容易不需額外的訓練。

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1-3 研究目的與方法

研究方向:

病人會因為行動不方便所以造成前往醫院復健治療上的不便，

所以在規劃上我們以醫生為了幫助病人看病上的不便在醫生的工作

上可以一次觀看多位病人的復健情況

製作方向:

在現在視訊器材的大眾化下在利用網路傳遞視訊達到醫生和復健人

員觀察病人的復健效果與過程，讓醫生或復健人員知道病人是否有正

常在復健。

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第二章

2-1 使用設備

1. 直流馬達(CG-309A: 轉速:200rpm、輸出功率:5W、扭

力:0.8~0.6kgf/cm、DC12V、最大負載端電流:1.5~1.6A):可以

帶動病患的膝蓋關節彎曲,這顆直流馬達本體包含減速器,所以

可以在適當的慢速下幫助病人復健。

2. AT89S51:在病人按下緊急停止按鈕時會送電至 8051單晶片,我

們在 AT89S51內寫入音樂程式 。

3. LM7812 TO-220:輸入電壓(14.5~27V)輸出最大電流(1A)。

4. LM7805 TO-220:輸入電壓(7~20V)輸出最大電流(1A)。

5. LM317T TO-220:輸出電壓(1.2~37V)輸出最大電流(1.5A)。

6. 2200Uf 50v:使用於 LM317濾波用。

7. 1000uf 50v:使用於 LM7812濾波用。

8. 220uf 50v:使用於 LM7805濾波用。

9. 12v 2P 10A Relay:搭配微動開關控制直流馬達正反轉。

10. 12v 1P 10ARelay:與其他按鈕開關來搭配達到控制周邊電路

啟動與關閉。

11. 5v 2P 10ARelay:利用光敏電阻來驅動線圈控制 LED燈光明

暗。

9

12. 5v 1P 10ARelay:與其他按鈕開關來搭配達到控制周邊電路啟

動與

關閉。

13. 3A 1000v:從變壓器供應的交流電壓轉換為直流電供應所有

電路正

常工作,如:馬達。

14. 2A 1000v:從變壓器供應的交流電壓轉換為直流電供應所有

電路正

常工作,如:LED照明。

15. 2sc9012:搭配光敏電阻來達到控制 LED燈明亮功能。

16. 2sc1815:利用 2sc1815組成無穩態電路達到 LED閃爍警示功

能。

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2-2 光敏電阻工作原理

光敏電阻是一種特殊的電阻，簡稱光電阻，又名光導管。它的電阻和

光線的強弱有直接關係。光強度增加，則電阻減小；光強度減小，則

電阻增大。

光敏電阻的工作原理

最簡單的光敏電阻原理圖及其符

號如圖 5-1所示，它是在均質的光電導

體兩端加上電極後構成為光敏電阻，兩

電極加上一定電壓後，當光照射到光電

導體上，由光照產生的光生載子在外加電場作用下沿一定方向運動，

在電路中產生電流，達到了光電轉換的目的。

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%94%B5%E9%98%BBhttp://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%89%E7%94%B5%E9%98%BBhttp://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=%E5%85%89%E5%AF%BC%E7%AE%A1&action=edit&redlink=1

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根據半導體材料的分類，光敏電阻有兩種類型本質型半導體光敏

電阻和摻雜型半導體光敏電阻，前者只有當入射光子能量等於或大於

半導體材料的能隙寬度時才能激發一個電子電洞對，在外加電場作用

下形成光電流，能帶圖如圖 5-2⒜所示，

後者如圖 5-2⒝所示的 n型半導體，光子的能量 hv只要等於或

大於（雜質電離能）時，就能把施體能階上的電子激發到導電帶而形

成導電電子，在外加電場作用下形成電流。

光敏電阻的光電流 Ip與 N（它與入射的光子數，量子效率有

關），、成正比，而與的平方成反比，因此在設計光敏電阻時常設法

使減小。為了減小電極間的距離，一般光敏電阻中採用圖 5-3所示的

梳狀電極結構，這樣既保證有較大的工作區，又減少了極間距離。

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2-3 光敏電阻主要的特性參數

一、光導增益

光導增益是表徵光敏電阻特性的一個重要參數，它表示長度為的光電

導體兩端加上電壓後，由光照產生的光生載子在電場作用下所形成的

外部光電流與光電子形成的內部電流之間的比值

響應時間與頻率響應是完全等價的。一般對於光脈衝信號往往用響應

時間來描述，而對正弦調制光信號往往採用頻率響應來描述，圖 5-5

示出了幾種光敏電阻的頻率響應曲線。

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二、 殘餘效應

表 5-1和表 5-2分別列出了一種 CdS光敏電阻的暗態殘餘效

應和亮態殘餘效應值。

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三、溫度特性

圖 5-8和圖 5-9分別為 PbS、PbSe光敏電阻的光譜響應特性，

從圖中就可看出溫度對光譜響應度、峰值響應波長、臨界波長的影響。

2-4 光敏電阻基本偏壓和雜訊

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一、基本偏壓電路

光敏電阻最基本的偏壓電路如圖 5-10⒜所示，Rp為光敏電阻，

RL為負載電阻， Vb為偏壓電壓， RV為光敏電阻兩端電壓。

圖 5-10⒝為光敏電阻的 I-V特性曲線，是一組以輸入光通量為

參量的通過原點的直線組，在一定範圍內光敏電阻阻值不隨外電壓改

變，僅取決於輸入光通量 Φ，或光照度 E，並有GdGpGI

VR

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2-5 8051單晶片介紹

微電腦硬體結構:

微電腦硬體結構包含中央處理單元、記憶體單元、輸入單元與輸出單

元等四個主要單元，其結構關係則如下圖所示。

8051單片的內部結構：

8051為 Intel公司所推出的 MCS-51系列產品之一，其內部結構如下：

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8051單片具有以下之特性：

1. 專為控制使用所設計的 8位元單晶片。

2. 具有位元邏輯運算能力。

3. 具有 128位元的 RAM，以及 4K位元的 ROM。

4. 具有 4個 8位元 I/O埠。

5. 具有 2個 16位元的計時/計數器。

6. 具有全雙工的 UART。

7. 具有 5個中斷源及兩層中斷優先權結構。

8. 具有時脈產生電路,外部電路擴充 64位元程式記憶體的能力

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8051為 40支接腳之單晶片，其接腳圖與功能說明如下：

1. Vcc：+5電源供應接腳。

2. GND：接地接腳。

3. P0.0~P0.7：埠 0，為開洩極(Open Drain)雙向 I/O埠。在做為外

部擴充記憶體時，可低八位元位址線(A0~A7 address line)與資

料匯流排(data bus)雙重功能。在做為一般 I/O埠時必須加上如下之

外部提升電路。

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4. P1.0~P1.7：埠 1，為具有內部提升電路的雙向 I/O埠。

5. P2.0~P2.7：埠 2，為具有內部提升電路的雙向 I/O埠。在做為

外部擴充記憶體時，可為高八位元位址線(A8~A15 address

line)。

6. P3.0~P3.7：埠 3，為具有內部提升電路的雙向 I/O埠。此外，

埠 3的每支接腳都具有另一特殊功能，其功能如下：

RXD(P3.0)：串列傳輸的接收端。

TXD(P3.1)：串列傳輸的輸出端。

(P3.2)：外部中斷輸入端。

(P3.3)：外部中斷輸入端。

T0(P3.4)：計時/計數器外部輸入端。

T1(P3.5)：計時/計數器外部輸入端。

(P3.6)：外部資料記憶體寫入激發信號(Strobe)。

(P3.7)：外部資料記憶體讀取激發信號(Strobe)。

7. RST：重置信號(Reset)輸入端。在單晶片工作時，將此腳保持在

“Hi”兩個機械週期，CPU將重置。

8. ALE：位址鎖住致能(Address Latch Enable)，在每個機械週期

都會出現，可做為外部電路的時脈源。

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9. ：程式激發致能(Program Strobe Enable)，可輸入外部程

式記憶體的讀取信號。

10. ：外部存取致能(External Access Enable)，當 EA接腳為

“L0”時，則讀取外部程式記憶體執行。

11. XTAL1：反相振盪放大器的輸入端。

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程式編寫流程

8051單晶片應用於控制上時，整體系統的設計包括軟體程式及

硬體電路兩方面。硬體電路設計是依受控系統之不同而異，雖然有時

候系統的某些功能可以採用軟體或硬體來完成，但在考量硬體成本及

8051單晶片運算能力所及程度，以軟體程式來完成為較佳方法。

對於 8051單晶片之編譯流程如下：

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2-6Keil Vision 2 介紹

Keil μ Vision2 是一套在 Windos 環境下，8051 單晶片整合性開

發介面(Integrated Development Environment)軟體，它具備完善的

專案管理系統，提供編輯器以編寫程式及說明文件，可以協助我們編

寫、翻譯，除錯和測試嵌入式系統程式(embedded programs)。

Keil μ Vision2 可分為下列幾個主要部份：

(1) μ Vision2 IDE：整合編輯作業環境，擁有編譯、組譯、連結等，

建構專案的功能。

(2) C51 提供程式語言編譯器：提供 8051 組合語言程式組譯器

(MacroAssembler)。

(3) 在程式的連結時，提供 ANSI 標準程式庫、LIB51 函式庫管理

員，與 RTX51 即時作業系統。

(4) BL51 連結器/規範設定氣(BL51 Linker/Locator)；BL51 連結器

經由從函式庫和編譯器，組譯器和組譯器產生正確目的模組以擷取使

用物件模組。

(5) μ Vision Debugger：有強大的除錯工具和平行模擬系統。

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第三章

3-1 復健椅的需求

對於使用的病患來說，腳部復健椅是可以幫助病患回復到受傷

之前的腳部正常活動型態，但是大多數的復健過程都是需要回到醫院

才可以做復健，對於病患來說回醫院復健是一件不方便的過程，所以

設計了一個能讓病患在家使用腿部復健椅讓病人在家裡也可以安全

且無憂無慮的使用，且在家裡一邊復健也可以一邊閱讀書籍。

適合病患需求的腳部復健器具，應具有下列的幾點必要條件：

1. 在復健器的價位上可以降低成本 。

2. 病患在復健過程中也可以做一些有意義的事情 。

3. 在操作上也可以簡單化，不會造成病患的困擾。

4. 復健椅使用鋁質材料輕量化，需要長時間復健的病患在使用上

也可以比較久。

5. 成本降低在產量上也可以大量生產 。

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3-2 復健椅的結構

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3-3 架構圖

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3-4 動作流程圖

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3-5 實物

圖(一)

這張圖是測試光敏電阻的功能，遮住光敏電阻來

達到 LED 亮暗，可以讓復健者邊作復健邊看書。

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圖(二)

這張圖是復健椅的全部架構。

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圖(三)

增加了一個假的腿，來示範啟動的時候人體的腳

會怎麼運作。

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第四章 結論

這次專題作完之後，有許多功能還是沒有達到當初想要的功能，像是

計算病患復健的次數還有時間的設定功能，希望有空可以把它的功能

改得更好，像是程式可以寫得更仔細更詳細，來做成可以調速的功

能，還有 LCD顯示的功能的展示，還有馬達的扭力不太夠，因為穩壓

IC會把電流限制在 1A，所以改進需要用電源供應器來提供高一點的

電流，這次的專題讓我了解到沒有經費真的是什麼都不能做。

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參考文獻

8051 研製選轉動畫

氣動式復健手臂

氣動式手臂

8051 單晶片實作-使用 C語言

機器人單晶片微電腦控制

8051 單晶片原理與應用使用 C語言

http://ir.hust.edu.tw/dspace/handle/310993100/2512http://ir.hust.edu.tw/dspace/handle/310993100/1533http://ir.hust.edu.tw/dspace/handle/310993100/2532