可編程控制系統：自動化的幕後大腦！

各位同學好！歡迎來到可編程控制系統這個充滿趣味的世界。你有沒有想過洗衣機是如何精確地知道何時漂洗、何時脫水的呢？又或工廠裡的機器人，是如何完美精準地組裝汽車的？秘密就在於可編程控制！

在本章中，我們將揭開這些「智能」系統的運作奧秘。想像一下，這就像是學習如何賦予機器一個大腦，並告訴它們該做什麼。這聽起來可能像科幻小說，但它卻是現代科技與設計中不可或缺的一大部分。就算一開始覺得有點難，也別擔心 — 我們會一步步拆解，配合大量真實世界的例子，讓你輕鬆掌握。事不宜遲，現在就開始吧！


第一節：什麼是可編程控制系統？

說到底，可編程控制系統就是一個你可以透過修改其指令（即程式），來輕易改變其運作方式，而無需重新構建硬件的系統。

比喻時間：想想你的智能手機。你可以透過打開不同的應用程式（程式），將它變成計算機、相機或遊戲機。手機的硬件根本沒變！這就是可編程控制的強大之處。而一部舊式的計算機，就永遠只能是計算機。

基本架構：輸入、處理、輸出

所有控制系統，包括可編程系統，都遵循一個簡單的模式：輸入 -> 處理 -> 輸出。這就像我們身體的運作方式一樣！

  • 輸入（感官）：這是系統收集周圍環境信息的方式。它「感知」正在發生的事情。
    例子：你的眼睛（輸入）看到交通燈是紅色的。
  • 處理（大腦）：這是控制器，它接收輸入信息，並根據其程式（指令）決定該做什麼。
    例子：你的大腦（處理）收到來自眼睛的信號，並決定「我需要停車。」
  • 輸出（行動）：這是系統在大腦做出決定後所採取的行動。
    例子：你的腿（輸出）踩下自行車的剎車踏板。

在可編程系統中，「處理」部分是一個特殊的控制器，我們可以將自己的指令載入其中。

重點歸納

可編程控制系統使用控制器（一個迷你大腦）來讀取輸入（來自傳感器），根據程式進行處理，並產生輸出（動作）。關鍵是，這個程式是可以更改的！


第二節：可編程系統的構成要素

要構建這些系統，我們需要三種類型的組件：大腦（控制器）、感官（輸入設備）和肌肉（輸出設備）。

「大腦」：控制器的類型

控制器是系統的核心。課程大綱強調了你會遇到的三種主要類型。

1. 微控制器板和學習套件：
這些是單一電路板上的小型、簡單的電腦。它們非常適合學習、原型開發和小型項目。你可能在學校見過它們！
例子：Arduino 開發板、micro:bit 套件。它們非常適合小型機器人或氣象站等項目。

2. 可編程邏輯控制器（PLC）：
這些是控制器中的「重型」工業版本。它們的設計旨在極其可靠，並能在惡劣的工廠環境（例如高溫、多塵或振動大）中存活下來。
比喻：如果微控制器是普通的家庭汽車，那麼PLC就是一輛巨大、堅固無比的工程卡車。你會在裝配線、交通燈系統和發電廠中看到它們的身影。

3. 個人電腦（PC）：
普通的桌面或筆記本電腦也可以作為強大的控制器。當任務非常複雜、需要大量數據記錄或需要精美的用戶界面時，它們經常用作控制器。

「感官」：輸入設備（傳感器）

傳感器是檢測並響應物理環境中某種輸入的設備。它們是系統的眼睛和耳朵。

輸入可以發送兩種主要類型的信號：數字（Digital）和模擬（Analogue）。

快速回顧：數字與模擬
  • 數字輸入：這些是簡單的「開」或「關」信號。沒有中間狀態。
    例子：一個按鈕（它不是被按下就是沒有被按下），一個門開關（它不是打開就是關閉）。
  • 模擬輸入：這些信號可以擁有一系列數值。它們提供更詳細的信息。
    例子：光線傳感器（可以檢測是漆黑一片、有點昏暗還是非常明亮），溫度傳感器（可以測量10°C、25°C、35.5°C等），音量旋鈕。

控制器有特定的I/O埠（輸入/輸出埠），這些是你連接這些設備的物理引腳。有些埠用於數字信號，有些用於模擬信號。

「肌肉」：輸出設備

輸出設備是讓系統執行動作並影響世界的組件。

常見的例子包括LED（燈）、蜂鳴器（聲音）和屏幕（視覺顯示）。課程大綱特別要求你了解兩種馬達：

1. 伺服馬達：
伺服馬達旨在移動到一個特定的角度並保持該位置。它們用於精確的旋轉控制。
真實世界的例子：遙控車的轉向、機器人手臂的關節、停車場的自動欄杆。

2. 步進馬達：
步進馬達以一系列微小、精確、固定的增量或「步」移動。它們非常適合精確定位。
真實世界的例子：2D打印機的打印頭在紙張上移動、3D打印機的噴嘴移動、相機中的鏡頭對焦機構。

記憶小貼士：伺服馬達與步進馬達

這裡有個簡單的訣竅來記住兩者的區別：
- Servo = Controls a Specific angle. (控制一個『特定』角度)
- Stepper = Moves in Specific Steps. (以『特定』步數移動)

重點歸納

可編程系統由控制器（例如微控制器或PLC）、輸入設備（可以是數字或模擬信號的傳感器）和輸出設備（例如LED以及稱為伺服馬達和步進馬達的特殊馬達）構成。


第三節：程式賦予生命

擁有所有硬件很棒，但除非我們給控制器指令，否則什麼都不會發生。這就是透過編程來完成的。

編程只是一套規則

你不需要是編程天才也能理解其邏輯。程式只是一系列遵循「如果-那麼」（IF-THEN）邏輯的循序漸進指令清單。

讓我們來設計一個課程大綱中提到的簡單系統：電腦控制的火災警報器。

逐步解決問題：
  1. 定義目標：我們需要一個能在發生火災時自動觸發的警報器。
  2. 選擇輸入和輸出：
    - 輸入：一個溫度傳感器（檢測高溫），可能還有一個煙霧傳感器。
    - 輸出：一個響亮的蜂鳴器和一個明亮的閃爍LED燈。
  3. 編寫邏輯（程式）：
    如果（IF）傳感器的溫度讀數超過60°C，
    那麼（THEN）啟動蜂鳴器並讓LED燈閃爍。
    否則（ELSE），
    保持蜂鳴器關閉，LED燈也關閉。
  4. 連接和上載：我們使用電腦上的應用程式軟件來編寫這些指令（程式碼），然後將其上載到我們的微控制器中。

應用程式軟件還能做什麼？

我們電腦上的軟件不只用於編寫程式碼，它還用於：

  • 數據採集/記錄：隨著時間記錄來自傳感器的數據。對於我們的火災警報器，我們可以每分鐘記錄室溫，以觀察它在一天中的變化。
  • 過程控制：啟動、停止和監控程式在控制器上運行。
  • 電源驅動：程式會告訴控制器何時向輸出設備供電，使其運作。
重點歸納

我們使用電腦上的應用程式軟件編寫程式（一套邏輯規則），並將其發送到控制器。這個程式會精確地告訴控制器如何對不同的輸入做出反應。


第四節：可編程控制在現實世界中的應用

可編程控制無處不在！對於任何設計師來說，了解其優點和缺點至關重要。

工業應用

  • 製造業：汽車裝配線上的機械臂，以令人難以置信的精確度進行焊接、噴漆和零件移動。這些通常由PLC運行。
  • 自動化倉庫：尋找、拾取並移動包裹以進行運輸的機器人。
  • 食品加工：自動填充瓶子、加蓋和貼標籤的機器，全部由中央程式控制。
你知道嗎？

第一台可編程邏輯控制器（PLC）於1968年為一家美國汽車公司發明。在PLC出現之前，改變一條裝配線意味著數週艱難且昂貴的重新接線工作。有了PLC，他們只需一天就能重新編程控制器！

優點與局限性

可編程控制的優點
  • 靈活性：改變機器的功能非常容易。只需更新軟件！無需昂貴的硬件改動。
  • 準確性和重複性：一個編程好的機器人會重複執行相同的任務數百萬次，而不會疲勞或犯錯。
  • 速度：自動化系統通常比人類工作快得多。
  • 複雜性：它們可以管理非常複雜的任務序列，這些任務對於人類來說很難遵循。
可編程控制的局限性
  • 高昂的初始成本：機器人、PLC和傳感器的購買和安裝費用可能很高。
  • 需要專業知識：你需要熟練的編程人員和技術人員來設置和維護系統。
  • 缺乏「常識」：系統只能執行其被編程的任務。它無法處理意外事件或隨機應變。如果裝配線上出現尺寸不對的零件，機器人可能仍然會嘗試使用它。
  • 社會影響：自動化可能導致人類勞工的失業。
重點歸納

可編程控制以其靈活性、速度和精準性徹底改變了工業。然而，它也伴隨著高成本、需要熟練人員以及無法處理意外情況等挑戰。