2016 高雄市第 56 屆中小學科學展覽會作品說明書科 ( 類 ) 別 : 工程學科 ( 一 ) 組別 : 高級中等學校組作品名稱 : 多感測涼風扇關鍵詞 : 多感測溫度感測器 PWM 編號 :30839

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朕赧
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1 2016 高雄市第 56 屆中小學科學展覽會作品說明書科 ( 類 ) 別 : 工程學科 ( 一 ) 組別 : 高級中等學校組作品名稱 : 多感測涼風扇關鍵詞 : 多感測溫度感測器 PWM 編號 :30839

2 附件 3-2 作品說明書內文裝作品名稱 : 多感測涼風扇利用微電腦控制風扇, 將溫度人體感測元件加入後使電風扇在運轉的時候變得更有智慧透過溫度的變化, 讓電風扇轉速可以隨著溫度改變, 以達到省電的效果訂線 1

3 目錄壹研究動機 4 貳研究目的 4 參研究設備及器材 4 肆研究過程或方法 7 伍研究結果 11 陸討論 12 柒結論 12 捌參考資料及其他 12 2

4 壹研究動機科技日新月異, 更多節能省電的電器陸續被開發出來比較先進的電器用品會透過感測器或微電腦的控制, 節省用電量本組觀察目前市面上的電器用品, 除了較大型的電器用品有使用微電腦控制, 其他較小型的電器用品就比較少使用因此本組集思廣益後, 想要透過微電腦控制比較廣泛使用的電器用品電風扇因為電風扇幾乎家家都有, 使用範圍很廣泛雖然目前有 DC 直流變頻風扇, 但幾乎都是使用定時器或無段變速很少加入感測元件因此, 加入人體紅外線感測器及溫度感測器後, 電風扇將可以在人離開後, 在設定時間內停止運轉透過溫度感測元件與配合冷氣機使用, 讓室內溫度如果降低至設定值, 除了冷氣機的自動變頻運轉外, 電風扇也可以自動將風速減緩, 以達到節能效果 3

貳研究目的透過微電腦控制, 一般常見的電風扇變成智慧型風扇, 會隨著溫度變化改變風扇運轉參研究設備及器材一使用器材編號名稱規格數量備註 1 微處理控制器 ARDUINO UNO 版 1 2 溫度感測元件 LM35 1 3 LED 發光二極體 2 4 可調電阻 10KΩ 1 5 LCD

藍芽 RFID GPS 等各種模組如能配合撰寫自動控制的程式來控制, 就能利用 Arduino 做出各種自動控制相關的應用例如使用溫度感測器控制風扇的運轉控制馬達的轉速可變電阻控制 LED 燈光 WiFi 或藍芽遙控家電伺服機控制機械手臂自走車四軸飛行器等 ARDUINO 具有開放源碼

5 貳研究目的透過微電腦控制, 一般常見的電風扇變成智慧型風扇, 會隨著溫度變化改變風扇運轉參研究設備及器材一使用器材編號名稱規格數量備註 1 微處理控制器 ARDUINO UNO 版 1 2 溫度感測元件 LM LED 發光二極體 2 4 可調電阻 10KΩ 1 5 LCD 2* 紅外線動作感測器 1 ( 一 ) 微處理控制器 Arduino 是一個微電腦控制器板子 (microcontroller board) 使用者可在 Arduino 板子上接上各種電子零件電子裝置感測器等例如電阻 LED 喇叭馬達開關感測器 LCD, 或乙太網路 WiFi XBee 藍芽 RFID GPS 等各種模組如能配合撰寫自動控制的程式來控制, 就能利用 Arduino 做出各種自動控制相關的應用例如使用溫度感測器控制風扇的運轉控制馬達的轉速可變電阻控制 LED 燈光 WiFi 或藍芽遙控家電伺服機控制機械手臂自走車四軸飛行器等 ARDUINO 具有開放源碼不僅軟體是開放源碼, 包含硬體也是開放的利用開發軟體可免費下載另外,Arduino 的電路設計圖也可以從網路上下載, 簡單好用且相關資源多傳統上, 進入微控制器領域, 開發者需要具備電子電機相關科系的背景, 一般人不容易進入而進入 Arduino 領域的門檻低, 即便沒有電子電機相關科系的背景, 也可以很容易學會使 4

用 Arduino 且由於 Arduino 開放的精神, 很多人都樂於分享他們的作品, 因此網路上有非常多的資源可以供參考有時候我們只要參考網友的作品, 再自己修改需求調整一下設計, 就可以在短時間內完成自己的作品 ( 二 ) 溫度感測元件 LM35 是很常用且易用的溫度感測器元件, 在應用上也只需要一個 LM35 元件,

會將類比輸入電壓 0 至 5V 轉換成 0~1023 數位值因此 LM35 的 OUT 接在 A0~A5 的任一接腳上, 透過 LM35 所感測到的電壓值為 N, 再將此數傳回 ARDUINO 轉成數位值, 並利用公式 :N*{(5/1024)*100} 或 (125*N)/256 就能轉換成溫度 LM35 是由 National

6 用 Arduino 且由於 Arduino 開放的精神, 很多人都樂於分享他們的作品, 因此網路上有非常多的資源可以供參考有時候我們只要參考網友的作品, 再自己修改需求調整一下設計, 就可以在短時間內完成自己的作品 ( 二 ) 溫度感測元件 LM35 是很常用且易用的溫度感測器元件, 在應用上也只需要一個 LM35 元件, 只利用一個類比端口就可以, 困難點在於將讀取的類比值轉換為實際的溫度在 Arduino UNO 的板子上有 6 個類比輸入接腳 A0~A5, 內建 10 位元 A/D 轉換器. 會將類比輸入電壓 0 至 5V 轉換成 0~1023 數位值因此 LM35 的 OUT 接在 A0~A5 的任一接腳上, 透過 LM35 所感測到的電壓值為 N, 再將此數傳回 ARDUINO 轉成數位值, 並利用公式 :N*{(5/1024)*100} 或 (125*N)/256 就能轉換成溫度 LM35 是由 National Semiconductor 所生產的溫度感測器, 其輸出電壓與攝氏溫標呈線性關係,0 度 C 時輸出為 0V, 每升高 1 度 C, 輸出電壓增加 10mV 在常溫下,LM35 不需要額外的校準處理即可達到 + - 1/4 度 C 的準確率其電源供應模式有單電源與正負雙電源兩種正負雙電源的供電模式可提供負溫度的量測, 單電源模式在 25 度 C 下靜默電流約 50mA ( 三 ) LCD 本組使用 LCD 為 2*16 藍底白字模組, 相容於 HD44780, 故接腳編如圖表所示, 因實驗過程需要配合溫度感測器使用, 故 LCD 可以即時顯示目前的溫度 5

7 腳位編號表 : 腳位編號名稱說明 1 Vss 接地 (0V) 2 Vdd 電源 (+5V) 3 Vo 或稱 Vee 對比 (0-5V), 可接一顆 1k 電阻, 或利可變電阻調整適當的對比 Register Select: 4 RS 1: D0 D7 當作資料解釋 0: D0 D7 當作指令解釋 Read/Write mode: 1: 從 LCD 讀取資料 5 R/W 0: 寫資料到 LCD 備註 : 因為很少從 LCD 這端讀取資料, 可將此腳位接地以節省 I/O 腳位 6 E Enable 7 D0 Bit 0 LSB 8 D1 Bit 1 9 D2 Bit 2 10 D3 Bit 3 11 D4 Bit 4 12 D5 Bit 5 13 D6 Bit 6 14 D7 Bit 7 MSB 15 A+ 背光 ( 串接 330R 電阻到電源 ) 16 K- 背光 (GND) 6

8 ( 四 ) 直流風扇在轉速的控制方面, 我們採用 PWM 脈衝寬度調變 (Pulse Width Modulation, 縮寫 :PWM) 來控制馬達的轉速, 在不同的溫度有著不同的轉速透過溫度感測器將類比訊號轉成數位訊號後, 透過 ARDUINO 程式控制風扇輸出轉速肆研究過程或方法本研究方法最初先以尋找網路相關資料為主, 經由指導老師的建議採用目前較流行的 ARDUINO 微處理控制器作為本作品的相關控制因為 ARDUINO 發展至今已經相當純熟, 而且周邊開發的相關感測設備也非常多, 非常適合本組使用一文獻探討本組最先以搜尋網路相關資料, 發現 ARDUINO 群組上有非常多的參考資料, 因此就利用寒假期間先將相關資料下載備份透過 line 群組與老師討論一些技術性的東西, 並且開始著手研究 ARDUINO 控制器的使用我們參考老師給我 ARDUINO 互動設計專題與實戰書本, 這裡面有非常多的資料提供我們日後研究, 因此這本書算是我們完成作品的參考書籍二研究討論一開接觸到溫度感測器後, 因為在溫度感測器元件輸出資料上都要從 ARDUINO 的 Serial 視窗中觀察溫度變化, 所以我們外接了一個 LCD 螢幕, 用來顯示溫度以方便觀察 ( 一 ) 接下來我們先研究有關 ARDUINO 控制 LCD 的方式, 在這個過程中我們從 ARDUINO 的 EXAMPLE 找到相關的範例並且經過修改後得到我們想要的資料 /*LiquidCrystal Library - Hello World Demonstrates the use a 16x2 LCD display. The LiquidCrystal library works with all LCD displays that are compatible with the Hitachi HD44780 driver. There are many of them out there, and you 7

9 can usually tell them by the 16-pin interface. This sketch prints "Hello World!" to the LCD and shows the time. The circuit: * LCD RS pin to digital pin 12 * LCD Enable pin to digital pin 11 * LCD D4 pin to digital pin 5 * LCD D5 pin to digital pin 4 * LCD D6 pin to digital pin 3 * LCD D7 pin to digital pin 2 * LCD R/W pin to ground * LCD VSS pin to ground * LCD VCC pin to 5V * 10K resistor: * ends to +5V and ground * wiper to LCD VO pin (pin 3) Library originally added 18 Apr 2008 by David A. Mellis library modified 5 Jul 2009 by Limor Fried ( example added 9 Jul 2009 by Tom Igoe modified 22 Nov 2010 by Tom Igoe This example code is in the public domain. */ // include the library code: 8

10 #include <LiquidCrystal.h> // initialize the library with the numbers of the interface pins LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2); void setup() { // set up the LCD's number of columns and rows: lcd.begin(16, 2); // Print a message to the LCD. lcd.print("hello, world!"); } void loop() { // set the cursor to column 0, line 1 // (note: line 1 is the second row, since counting begins with 0): lcd.setcursor(0, 1); // print the number of seconds since reset: lcd.print(millis() / 1000); } 透過這個公開的範例的介紹, 我們終於了解如何將資料顯示在 LCD 上面 ( 二 )LM35 溫度探測實驗 LM35 的 IC 在使用上非常方便, 透過類比的接腳抓取訊號後變成等分, 並經過溫度計算公式為 (125*N)/256 = *N, 最後得到輸出的溫度因為本實驗需要透過溫度控制風扇轉速, 所以將溫度分成三個階段,>=22 為第一速,>=23 為第二速,<=30 為第三速, 目前是以這三段為轉速控制, 將來還可以區分更多段, 使運轉更為精準相關程式如表二所示 ( 三 )LED 顏色觀察溫度變化在溫度變化上, 除了用 LCD 觀察溫度之外, 我們還利用 LED 發光二極體來顯示溫度的變化值, 不同溫度對應到不同顏色的 LED, 並且利用三色 LED 變化出六種不同顏色相關程式設計如圖所示 9

11 #define LM35 A1 // 定義 LM35 為模擬引腳 A1 int ledb =5;//LED 接腳 int ledg =4;//LED 接腳 int ledr =3;//LED 接腳 int val =0; float temp = 0; void setup(){ pinmode(ledb,output); // 定義 LED 為輸出腳 pinmode(ledg,output); // 定義 LED 為輸出腳 pinmode(ledr,output); // 定義 LED 為輸出腳 Serial.begin(9600); // 設定監控視窗傳輸速度 } void loop(){ val = analogread(lm35); // 感值來源為 LM35 所測的值 temp = (125*val)>>8; // 溫度計算公式 (125*N)/256= *N Serial.print(temp); // 監視視窗加上 TEMP Serial.println(" C"); // 監視視窗加上單位 delay(1000); // 延遲 1 秒, 每秒刷新一次 if (temp<22) { digitalwrite(ledb, 1); digitalwrite(ledr, 0); digitalwrite(ledg, 1); } else if (temp<23) { 10

12 digitalwrite(ledg, 1); digitalwrite(ledb, 0); digitalwrite(ledr, 0); } else if(temp>30) { digitalwrite(ledr, 1); digitalwrite(ledg, 1); digitalwrite(ledb, 0); } } 透過程式的控制, 我們已經能夠掌握溫度變化與輸出的相對應關係, 接下來只要將風扇 LCD 裝置完後就全部設定完成三計算與修正在 PWM 控制風扇的部分遇到一個問題, 就是 ARDUINO 提供輸出的電壓為 5V, 但實際輸出的電壓卻因為外接電子零件或電路的關係, 使得風扇在運轉的時候出現噪音改善的方式是並聯一顆電容, 讓電壓穩定後噪音就不見了因部分參數有些問題, 因此重新修改相關程式, 以符合本實驗之需求四系統整合將溫度感測人體紅外線感測 LCD 等設備透過 ARDUINO 的 I/O port 接腳, 並且利用程式結合在一起整合過程中其實出現很大的困難因為用到了 A1~A13 的所有數位接腳, 還有 A1 的類比接腳, 而且要把支援 PWM 的接腳分開使用因此在接腳的使用上要格外謹慎五作品完成作品目前先以麵包板做試驗, 等全部整合完畢後再實際導入成品 ( 電風扇 ) 做控制 ( 目前實驗已經完成且測試成功 ) 11

伍研究結果一本研究初步結果是利用人體紅外線感測到物體移動時, 就啟動電源讓風扇轉動, 透過溫度的控制, 將風扇轉速控制在設定的範圍內

燈的指示可以清楚看到目前的轉速為何實驗過程中每秒抓取溫度感測器的資料傳送至 ARDUINO, 並經過計算後將值回傳給 LCD 顯示溫度

因此 LM35 溫度感測 IC 的誤差值低, 而且靈敏度非常高四轉速控制目前是以 PWM 來控制轉速, 以 LED

13 伍研究結果一本研究初步結果是利用人體紅外線感測到物體移動時, 就啟動電源讓風扇轉動, 透過溫度的控制, 將風扇轉速控制在設定的範圍內但最後討論的結果發現人體紅外線感測器的功能似乎不大, 因此最後決定將紅外線感應的功能移除二透過 LED 燈的指示可以清楚看到目前的轉速為何實驗過程中每秒抓取溫度感測器的資料傳送至 ARDUINO, 並經過計算後將值回傳給 LCD 顯示溫度因此 LCD 上顯示的溫度值為每秒刷新一次三實際測量後發現溫度感測器的感測度很準, 本組利用水銀溫度計及數位溫度計查看溫度都幾乎相同, 因此 LM35 溫度感測 IC 的誤差值低, 而且靈敏度非常高四轉速控制目前是以 PWM 來控制轉速, 以 LED 的亮度來模擬轉速的速度, 當 PWM 值越小, 轉速越快如果電風扇馬達並非 DC 馬達, 則可以直接使用 LED 外接繼電器來控制轉速 ( 如一般 AC 馬達風扇控制轉速一樣 ) 12

14 陸討論一透過本控制器, 將原本在室溫運轉的風扇有了自動調整轉速的機制二利用溫度感測器測量室內溫度, 並透過控制器來調整風扇轉速三本作品可外接繼電器接 AC 馬達, 或者利用 PWM 控制 DC 馬達四透過 LCD 可以直接觀察目前室內溫度, 或利用 LED 顯示目前的轉速柒結論利用溫度感測器結合目前傳統風扇之轉速自動控制 ( 透過繼電器 ) 或利用 PWM 來控制 DC 風扇之運轉但研究結果顯示, 用 DC 風扇在控制轉速的時候可以讓風扇不停止的情況下改變轉速, 而且達到幾乎完全靜音的效果但繼電器的使用會讓 AC 馬達處於啟動停止再啟動再停止的狀態, 馬達處於開開關關的狀態中本研究的成品可以跟傳統 AC 馬達電風扇結合, 也可以跟 DC 直流馬達風扇結合未來將結合智慧手機的控制, 透過手機來監控溫度及風散的轉速捌參考資料及其他 1. 柯博文 (2014) Arduino 互動設計專題與實戰碁峰資訊股份有限公司 2. 吳明展 (2012) 最簡單的互動設計 Arduino 一試就上手碁峰資訊股份有限公司 3. Cooper Maa ( 民 99 年 12 月 26 日 ) Arduino 筆記 Lab9 在 2x16 LCD 上顯示 "Hello World" 訊息取自 4. 阿俊的實習天地 ( 民 103 年 8 月 22 日 ) Arduino 新手實作 ( 三 ) 溫度感測取自 13

SVS26CS Sensors Module User Guide Rev. 1.0 Aug Copyright 2018 Sivann Inc., All Rights Reserved.

SVS26CS Sensors Module User Guide Rev. 1.0 Aug Copyright 2018 Sivann Inc., All Rights Reserved. User Guide Rev. 1.0 Aug. 2018 Copyright 目錄一介紹... 2 1.1 相關開發文件... 2 1.2 硬體規格... 3 二硬體配置... 5 三接腳圖... 7 四接腳描述... 8 五版本歷史... 10 Rev. 1.0 1 / 10 一介紹 Sivann 為一通用型的感測器應用模組, 其包含了 6 種常用的感測器與 2 種控制器感測器包含溫濕度

2016 高雄市第 56 屆中小學科學展覽會作品說明書 科 ( 類 ) 別 : 工程學科 ( 一 ) 組 別 : 高級中等學校組 作品名稱 : 多感測涼風扇 關鍵詞 : 多感測 溫度感測器 PWM 編號 :30839

2016 高雄市第 56 屆中小學科學展覽會作品說明書科 ( 類 ) 別 : 工程學科 ( 一 ) 組別 : 高級中等學校組作品名稱 : 多感測涼風扇關鍵詞 : 多感測溫度感測器 PWM 編號 :30839