2025 Microprocessor Final Project Group7

# 2025 Microprocessor Final Project contributed by Group7 (柯智幃, 陳睿謙, 鄭誌恩, 莊凱程) ## 一、系統功能與原理說明我們的期末專案旨在建構一套自動化的防災原型系統，整合了紅外線(火焰)感測器、機電(伺服馬達、沉水幫浦)控制、微處理器邏輯與監控介面。系統運作流程分為四個主要階段：偵測警報、定位追蹤、瞄準滅火以及資料回傳。 ### 自動偵測與警報系統利用紅外線感測器結合 PIC18F4520 ADC 模組持續監測環境。當 ADC 數值低於設定閾值時，程式立即判定為火災狀態並觸發蜂鳴器示警，確保能在第一時間察覺災害發生。 ### 火源定位與追蹤透過 Timer0 中斷精確控制第一個伺服馬達 (Servo 1)，使其在角度 -90° ~ +90° 間進行週期性掃描。此機制讓感測器能主動覆蓋前方半圓形區域，動態搜尋並鎖定潛在的熱源位置。 ### 自動瞄準與滅火一但偵測到火源，系統會立即暫停掃描 (Servo 1) 並鎖定當前方位，隨即啟動第二個伺服馬達轉向火源位置 (Servo 2) ，並啟動沉水幫浦 (Motor 3) 精準對準火源進行撲滅，直到感測數值回升至安全範圍才停止運作。 ### 資料分析與輸出微控制器將角度、火焰數值與狀態封裝為 JSON 格式，經 UART 介面傳送至電腦。PC 端執行 Python Streamlit 儀表板，即時解析數據並繪製溫度與角度圖表，實現遠端視覺化監控。 ![Dashboard](https://hackmd.io/_uploads/r1nq3wGmWl.png) ## 二、系統使用環境及對象系統設計於居家、實驗室或小型倉儲等室內平坦環境。運作時需避免太陽直射或強光干擾，以確保紅外線感測準確度。同時需透過 USB 連接電腦進行供電與 UART 資料傳輸，維持監控連線。透過電腦端的圖形化儀表板 (Dashboard)，即可直觀監控環境數值、掌握火源方位並接收即時警報。 ## 三、系統完整架構圖、流程圖、電路圖、設計 ### 系統完整架構圖 ```graphviz digraph system_architecture { rankdir=LR; label = "系統完整架構圖"; fontname="Sans-Serif"; node [shape=record, style="filled,rounded", fontname="Sans-Serif", fontsize=10, margin=0.2]; edge [fontname="Sans-Serif", fontsize=9]; subgraph cluster_inputs { label = "Input Layer"; style = dashed; color = "#82b366"; fontcolor = "#82b366"; node [fillcolor="#d5e8d4", color="#82b366"]; sensor [label="{ 火焰傳感器 }"]; btn [label="{ 按鈕 }"]; } subgraph cluster_PC { label = "PC Dashboard"; style = dashed; color = "#6c8ebf"; fontcolor = "#6c8ebf"; node [fillcolor="#dae8fc", color="#6c8ebf"]; pc [label="{ <json> JSON \n Parser | <py> Python \n Streamlit }"]; } subgraph cluster_MCU { label = "PIC18F4520 "; style = dashed; color = "#d79b00"; fontcolor = "#d79b00"; node[fillcolor="#ffe6cc", color="#d79b00"] mcu [label="{ { <ADC> ADC | <In> Input } | <uart> UART | { <PWM> PWM | <Out> Output } }"]; } subgraph cluster_outputs { label = "Output Layer"; style = dashed; color = "#b85450"; fontcolor = "#b85450"; node [fillcolor="#f8cecc", color="#b85450"]; motor1 [label="{ 伺服馬達 (Servo 1) \n (掃描) }"]; motor2 [label="{ 伺服馬達 (Servo 2) \n (對準目標) }"]; motor3 [label="{ 沉水幫浦 (Motor 3) \n (抽水)}"]; alert [label="{ 蜂鳴器 \n (警報) }"]; leds [label="{ LED \n (方位判讀) }"]; } sensor:e -> mcu:ADC:w [color="green"]; btn:e -> mcu:In:w [color="green"]; mcu:PWM:n -> motor1:w [color="orange"]; mcu:PWM:e -> motor2:w [color="orange"]; mcu:Out:e -> motor3:w [color="blue"]; mcu:Out:s -> alert:w [color="blue"]; mcu:Out:s -> leds:w [color="blue"]; pc:py:e -> mcu:uart:s [color="purple", dir="back"]; } ``` ### 流程圖 ```graphviz digraph software_flowchart { rankdir=TB; nodesep=0.7; label = "流程圖"; fontname="Sans-Serif"; node [fontname="Sans-Serif", fontsize=10]; node [shape=ellipse, style="filled", fillcolor="#e1d5e7", color="#9673a6"]; Start [label="系統啟動\n(Start)"]; node [shape=box, style="filled", fillcolor="#dae8fc", color="#6c8ebf"]; Init [label="系統初始化\n(System Initialize)\n UART, ADC, PWM, Timer0, IO"]; MainLoop [label="進入主迴圈(While)"]; ReadSensors [label="讀取感測器數據\n ADC (火焰), IO (按鈕)"]; Calc [label="資料處理\n 換算角度，判斷火災狀態"]; node [shape=diamond, style="filled", fillcolor="#ffe6cc", color="#d79b00"]; IsFire [label="是否偵測到火源?\n(ADC < 400)"]; IsSafe [label="是否安全?\n(ADC > 600)"]; CheckMsg [label="傳送資料?\n(per 0.25 sec)"]; node [shape=box, style="filled, rounded", fillcolor="#f8cecc", color="#b85450"]; FireAction [label="執行滅火程序\n- 停止掃描 (Run=0)\n- 鎖定目標\n- 啟動沉水幫浦/蜂鳴器"]; SafeAction [label="恢復監控模式\n- 啟動掃描 (Run=1)\n- 關閉沉水幫浦/蜂鳴器"]; SendUART [label="UART 資料傳輸\n- JSON 格式封包\n- 更新 PC Dashboard"]; subgraph cluster_isr { label = "Timer0 中斷 (ISR)"; style = dashed; color = "#82b366"; fontcolor = "#82b366"; node [fillcolor="#d5e8d4", color="#82b366"]; ISR_Start [shape=ellipse, label="TMR0 中斷發生"]; ISR_Count [label="計數器累加\n(Timing Control)"]; ISR_Scan [label="伺服馬達掃描\n(Update Servo Angle)"]; ISR_End [shape=ellipse, label="返回主程式"]; } Start:s -> Init:n; Init:s-> MainLoop:n; MainLoop:s -> ReadSensors:n; ReadSensors:w -> Calc:n [label="trigger", fontcolor="red"]; Calc:s -> IsFire:n; IsFire:s -> FireAction:n [label="Yes (Fire!)", fontcolor="red"]; IsFire:w -> IsSafe:n [label="No"]; IsSafe:s -> SafeAction:n [label="Yes (Safe!)", fontcolor="green"]; IsSafe:w -> CheckMsg:w [label="No \n(Keep State!)"]; FireAction:s -> CheckMsg:n; SafeAction:s -> CheckMsg:w; CheckMsg:s -> SendUART:n [label="Yes"]; CheckMsg:e -> ReadSensors:s [label="No"]; SendUART:e -> ReadSensors:e; ISR_Start:s -> ISR_Count:n; ISR_Count:s -> ISR_Scan:n; ISR_Scan:s -> ISR_End:n; { rank=same; MainLoop; ISR_Start } } ``` ### 電路圖 ```graphviz digraph hardware_wiring { rankdir=LR; nodesep=0.5; ranksep=1.5; bgcolor="white"; label = "PIC18F4520 + 外接硬體電路圖"; fontname="Sans-Serif"; node [fontname="Sans-Serif", fontsize=10, style="filled"]; edge [fontname="Sans-Serif", fontsize=9]; subgraph cluster_MCU { label = "PIC18F4520"; style = dashed; color = "#d79b00"; fontcolor = "#d79b00"; node [shape=record, fillcolor="#fff2cc", color="#d6b656"]; pic [label="{ { <RA0> RA0 | <RB0> RB0 | <RC1> RC1 (CCP2) | <RC2> RC2 (CCP1) } | { <RD0> RD0 | <RD1> RD1 | <vcc> VDD (5V) | <gnd> VSS (GND) | <RC6> RC6 (TX) | <RC7> RC7 (RX) | <RD4to7> RD4~RD7 } }"]; } node [shape=record, style="filled,rounded", fillcolor="#e1d5e7", color="#9673a6"]; sensor [label="{4pin\n火焰感測器 | { <AO> (Analog Out) | <DO> (Digital Out)} }", fillcolor="#d5e8d4"]; btn [label="2pin\n按鈕開關", fillcolor="#d5e8d4"]; servo1 [label="3pin\nServo 1\n(掃描馬達)", fillcolor="#dae8fc"]; servo2 [label="3pin\nServo 2\n(瞄準馬達)", fillcolor="#dae8fc"]; buzzer [label="2pin\n蜂鳴器", fillcolor="#f8cecc"]; TIP122 [label="{{ <B> B | <C> C | <E> E } | 3pin\nTIP122}", fillcolor="#f8cecc"]; leds [label="2pin\nLED (x4)", fillcolor="#dae8fc"]; pc_usb [label="USB-TTL\n轉接器", fillcolor="#bac8d3"]; sensor:AO:e -> pic:RA0:w [color="green"]; sensor:DO:e -> pic:RB0:w [color="green"]; btn:e -> pic:RB0:w [color="green"]; servo1:e -> pic:RC2:w [color="orange", dir="back"]; servo2:e -> pic:RC1:w [color="orange", dir="back"]; pic:RD0:e -> buzzer:w [color="blue"]; pic:RD1:e -> TIP122:B:w [color="blue"]; pic:vcc:e -> pc_usb:w [color="red", dir="back"]; pic:gnd:e -> pc_usb:w [color="black", dir="back"]; pic:RC6:e -> pc_usb:w [color="green"]; pc_usb:w -> pic:RC7:e [color="gray"]; pic:RD4to7:e -> leds:w [color="blue"]; } ``` ```graphviz digraph hardware_wiring { rankdir=LR; label = "TIP122 + Motor 3 + 6V Power Supply 電路圖"; fontname="Sans-Serif"; node [fontname="Sans-Serif", fontsize=10, style="filled"]; edge [fontname="Sans-Serif", fontsize=9]; node [shape=record, fillcolor="#fff2cc", color="#d6b656"]; pic [label="{ PIC18F4520 | {<RD1> RD1 | <gnd> VSS (GND)} }"]; node [shape=record, style="filled,rounded", fillcolor="#e1d5e7", color="#9673a6"]; pwr [label="6V Power\nSupply", shape=cylinder, fillcolor="#f8cecc"]; TIP122 [label="{{ <B> B | <C> C | <E> E } | 3pin\nTIP122}", fillcolor="#f8cecc"]; motor3 [label="2pin\nMotor 3\n(沉水幫浦)", fillcolor="#dae8fc"]; pic:RD1:e -> TIP122:B:w [color="blue"]; motor3:s -> pwr:w [color="red", dir="back"]; motor3:e -> TIP122:C:w [color="black", dir="back"]; pwr:e -> TIP122:E:w [color="black"] TIP122:E:w -> pic:gnd:e [color="black"] } ``` ## 四、系統開發工具、材料及技術 ### 系統開發工具 MPLAB X IDE、MPLAB® PICkit 4、Python Streamlit ### 材料 - PIC18F4520 - SG90伺服馬達 * 2 - 4Pin火焰傳感器模組 - 蜂鳴器 - TIP122達林頓電晶體 - 沉水幫浦+矽膠軟管 - 6V外接電池盒 - 打火機 - Button、LED、杜邦線、鱷魚夾、電阻... ### 技術 #### 單元項目舉例： - [x] Interrupt - [x] Timer - [x] PWM - [x] UART - [x] ADC - [ ] SPI #### 進階單元項目舉例： - [x] 使用更多外部周邊，電子硬體元件(火焰感測器、蜂鳴器、沉水幫浦、TIP122達林頓電晶體) - [ ] 能減少耗電、增加效率之軟硬體應用及演算法 - [x] 整合性、專題完整性、創新性 ## 五、實際組員之分工項目 | 組員 | 分工項目 | |:------ |:----------- | | 柯智幃 | 伺服馬達與時脈設置、材料採購 | | 陳睿謙 | 前端介面設計、類比輸出設置 | | 鄭誌恩 | UART設置、蜂鳴器驅動與LED顯示、系統測試 | | 莊凱程 | 系統架構設計、電路硬體整合、材料採購、報告撰寫 | ## 六、遇到的困難及如何解決 ### 電源供應不足問題對於同一個電壓 (筆電接出) 供應至多個設備 (PIC18F4520、火焰感測器、伺服馬達、蜂鳴器) ，分散輸出導致引腳電流太小，容易有供電不穩的情形。因此將沉水幫浦外接6V電源，單獨供電，並使用TIP122電晶體來作為電子開關，以小電流控制大電流，保護微處理器安全。 ### 驅動沉水幫浦的電流供應一開始使用碳鋅電池時，發現沉水幫浦雖然有過電聲響但無法順利抽水，且系統運作不穩。因為沉水幫浦啟動時的瞬時電流需求極大，碳鋅電池的放電能力與續航力不足以支撐。我們將電源更換為高能量密度且低內阻的鹼性電池後，成功解決了瞬間壓降導致的啟動失敗問題。 ### 沉水幫浦的運作問題即使沉水幫浦馬達正常運轉，但若矽膠軟管或幫浦內存有空氣，葉片會因為在空氣中空轉而無法產生足夠的負壓，導致無法出水。我們將這種非自吸式的設計，在啟動前手動將矽膠管充滿水以排出空氣(預先灌水)，讓幫浦葉片能順利推動水流。 ## 七、程式碼與影片 [程式碼](https://github.com/KyntonKCC/NCKU_114-1_Microprocessor_Final_Project) [影片](https://www.youtube.com/shorts/g-ZNsFBYXuA)