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羽荀
4 years ago
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1 投稿類別 : 工程技術類篇名 : 作者 : 張貽閔台北市立內湖高工電子科高三愛班洪靖傑台北市立內湖高工電子科高三愛班王品翔台北市立內湖高工電子科高三愛班指導老師 : 楊明豐老師 1

2 壹前言一研究動機每當炎炎的夏天來臨, 在學校有很多事情可以做, 但是吹冷氣是無法避免的在教室吹冷氣是相當享受的, 上下課進出教室的次數很頻繁, 一定會有同學忘了隨手關門, 這就是爲什麼會浪費電的主要原因, 而電費卻要一直支出, 有什麼方式可以避免這種情況發生? 當我們忘了關門時, 門又可以自動關上, 既不會浪費冷氣電能消耗, 又可以節約能源而我們就想到可以用溫度感測的方式, 而且學校又有教簡易的 Arduino 設計, 運用所學, 設計這個電路二研究目的 ( 一 ) 利用學校上課所學的專業技能, 學以致用於日常生活中 ( 二 ) 藉此實驗達到節約能源的效果貳正文一本研究主要功能如下如圖 1 所示, 一開始我們假設冷氣是在開啟的狀態, 當有人出去而忘了關門, 將會造成冷房效果不佳圖 1 初始畫面如圖所示, 大門附近的溫度將會逐漸上升, 當教室內溫度大於我們所設定的 7 時, 而且附近是沒有人的狀況, 步進馬達帶動大門旋轉關閉, 且白色指示燈亮, 以避免冷氣外流

如此設計考量是為了避免人員因大門轉動而受傷圖 3 室內溫度大於 7 且大門附近有人員的動作情形如圖所示,

3 圖室內溫度大於 7 且大門沒有人員的動作情形如圖 3 所示, 當室內溫度大於 7 時, 但超音波有檢測到人員在大門附近, 此時步進馬達不會動作關閉大門, 且紅色指示燈亮提醒人員離開如此設計考量是為了避免人員因大門轉動而受傷圖 3 室內溫度大於 7 且大門附近有人員的動作情形如圖所示, 當超音波感測器沒有檢測到人員在大門附近, 而且室內溫度仍然大於 7 時, 步進馬達將會啟動關閉大門, 白色指示燈亮圖室內溫度大於 7 且人離開大門附近的動作情形 3

步進馬達 (1) 如圖 5 所示步進馬達, 是直流無刷馬達, 為具有如齒輪狀突起相鍥合的定子和轉子, 可藉由切換流向定子線圈中的電流, 以一定角度逐步轉動的馬達 ()

4 二研究限制 ( 一 ) 所使用的 Arduino UNO 板只有 0 支 I/O 腳位, 無法連接較多的周邊硬體 ( 二 ) 必須使用備用電源系統, 以避免停電時無法開啟門鎖三相關知識 ( 一 ) 元件介紹 1. 步進馬達 (1) 如圖 5 所示步進馬達, 是直流無刷馬達, 為具有如齒輪狀突起相鍥合的定子和轉子, 可藉由切換流向定子線圈中的電流, 以一定角度逐步轉動的馬達 () 步進馬達的優點是只需要通過脈波信號的操作, 即可簡單實現高精度的定位, 而且容易與電腦搭配使用圖 5 步進馬達.LM35 溫度感測器 (1) 如圖 6 所示 LM35 溫度感測器, 適合用於 00 以下溫度測量 () LM35 溫度感測器的優點是使用簡單設定方便很高的工作精度較寬的線性工作電壓範圍輸出電壓與攝氏溫度成線性正比 (10mV/ ) 電流小有省電效果圖 6 LM35 溫度感測器

共陰四位七段顯示器使用 Arduino 板控制四位七段顯示器上數計數並顯示 0000~9999 如圖 8 所示四位七段顯示器正面接腳圖, 各相同段連接在一起, 並且以 3~0 來驅動, 其中 3 驅動最左邊顯示器, 應位是使用 PNP

5 3. PING ) ) ) 超音波距離偵測器如圖 7 所示 PING ) ) ) 超音波距離偵測器, 是由超音波發射器接收器和控制電路所組成當它被觸發的時候, 會發射一連串 0 khz 的聲波並且從離它最近的物體接收回音圖 7 PING ))) 超音波距離偵測器. 共陰四位七段顯示器使用 Arduino 板控制四位七段顯示器上數計數並顯示 0000~9999 如圖 8 所示四位七段顯示器正面接腳圖, 各相同段連接在一起, 並且以 3~0 來驅動, 其中 3 驅動最左邊顯示器, 應位是使用 PNP 電晶體, 因此 Arduino 板輸出低電位可驅動電晶體導通圖 8 四位七段顯示器正面接腳 5. LM577 升壓式 DC-DC 直流電路 (1) 如圖 9 所示升壓式 DC-DC 直流電路, 電源由 IN+ IN- 輸入 (3V-30V), 經由 LM577-ADJ 調節與 R1 調整, 可由 OUT+ OUT- 端提供輸出電壓 -50V () 輸出電壓計算方式 :Vo=1.3 (1+R1 R)+1.8 圖 9 LM55-ADJ 電路圖 5

6. 微控制器 Arduino 板微控制器 (microcontorller) 又稱為單晶片 (Single Chip), 係指將中央處理單元 (CPU) 記憶體單元 (Memory) 及輸入 / 輸出單元 (I / O) 製作在同一晶片上, 而形成一能夠獨立運作的控制系統 Arduino 板使用 ATMEL 公司研發的低價格 ATmega 系列微控制器, 從第一代 ATmega8

6 6. 微控制器 Arduino 板微控制器 (microcontorller) 又稱為單晶片 (Single Chip), 係指將中央處理單元 (CPU) 記憶體單元 (Memory) 及輸入 / 輸出單元 (I / O) 製作在同一晶片上, 而形成一能夠獨立運作的控制系統 Arduino 板使用 ATMEL 公司研發的低價格 ATmega 系列微控制器, 從第一代 ATmega8 ATmega168 到現在的 ATmega38 等皆為 8 腳的 DIP 包裝, 它們之間的主要差異在於內部記憶體容量的不同, 如表 1 所示 Arduino 板採用較為通用的 USB 做為通訊介面表 1 ATMEGA 系列晶片記憶體容量比較記憶體容量 ATMEGA8 ATMEGA168 ATMEGA38 ATMEGA180 Flash 8KB 16KB 3KB 18KB SRAM 1KB 1KB KB 8KB EEPROM 51bytes 51bytes 1KB KB 如圖 10 所示為 Arduino Uno 板,"Uno" 的義大利文是 " 一 " 的意思, 用來紀念 Arduino 1.0 的發布, 內部使用 ATmega38 微控制器在 Arduino Uno 板上有第二個微控制器 ATmegaA8U 或 Atmega16U, 取代 FIDI 公司的 USB 晶片, 用來處理 USB 的傳輸通訊 Arduino Uno 板使用 16 MHz 石英晶體振盪器, 有 1 支數位輸入 / 輸出腳 ( 其中 6 支可作為 PWM 輸出腳 ) 及 6 支類比輸入腳, 提供 10 位元的解析度圖 10 Arduino Uno 板成品實作圖四成品實作及接線圖 ( 一 ) 成品實作圖如圖 11 所示為成品實作圖, 包含 Arduino 控制器顯示電路電源電路風扇驅動電路及超音波感測電路等五個部份 6

7 RESET SCL SDA AREF 13 1 IOREF ~1 ~10 RESET 3.3V ~9 5V 8 7 Vin ~6 ~5 A0 A1 ~3 A A3 TX1 A RX0 A5 圖 11 成品實作圖 ( 二 ) 系統接線圖如圖 1 所示為本系統接線圖, 使用 Arduino 板控制, 其中 ~5 腳控制步進馬達,6 腳控制 PING ) ) ) 超音波距離偵測器,7 8 腳控制 LED, 腳七段顯示器,A0 腳為 LM35 溫度感測器的輸出 LCD LCD1 SIN -PING ) ) ) 超音波距離偵測器七段顯示器 CS DIN CLK IN IN3 IN IN1 步進馬達 DIGITAL (PWM~) L TX UNO ON RX 16MHz ATMEGA38P POWER ANALOG IN A0 LM35 Vout 圖 1 系統接線圖五電路圖 ( 一 ) 直流電源電路如圖 13 所示直流電源電路, 使用 LM577 升壓模組將輸入 (3V-30V), 經由 LM577-ADJ 調節與 R1 調整, 可提供輸出電壓 (-50V) 7

圖 13 直流電源電路 ( 二 ) 馬達驅動電路如圖 1 所示馬達驅動電路, 內含兩個 H 橋的高電壓大電流全橋式驅動器, 可以用來驅動直流電動機和步進電動機繼電器線圈等感性負載 OUT1(OUT3) D1 M D3 +Vs OUT(OUT) 3 1 L98N 8 7 6 5 13 1 11 10 9 15 1 D D IN1(IN3) IN(IN) 5(10) (13) 3(1) 7(1)

8 圖 13 直流電源電路 ( 二 ) 馬達驅動電路如圖 1 所示馬達驅動電路, 內含兩個 H 橋的高電壓大電流全橋式驅動器, 可以用來驅動直流電動機和步進電動機繼電器線圈等感性負載 OUT1(OUT3) D1 M D3 +Vs OUT(OUT) 3 1 L98N D D IN1(IN3) IN(IN) 5(10) (13) 3(1) 7(1) 9 +Vss 0.1µF () 1(3) () ½ L98N 6(11) ENA(ENB) 1(15) 8(8) (a) L98 驅動 IC 圖 1 馬達驅動電路 (b) 電路圖 ( 三 ) 四位七段顯示器電路如圖 15 所示四位七段顯示器電路, 顯示現在溫度數值 P Header 5 C1 10uF VCC C 0.1uF DIG0 DIG1 DIG DIG3 U1 1 DIN V+ 1 LOAD 13 CLK ISET DIG0 SEG A 11 DIG1 SEG B 6 DIG SEG C 7 DIG3 SEG D 3 DIG SEG E 10 DIG5 SEG F 5 DIG6 SEG G 8 DIG7 DOUT SEG DP 9 MAX719ENG VCC R1 1 10K DS1 7SEGX_CC 11 a 7 b c d 1 e 10 f 5 g 3 dp DIG0 DIG1 DIG DIG3 D1 1 D 9 D3 8 D 6 圖 15 四位七段顯示器電路 8

9 參結論專題製作是需要理論及實務的緊密結合, 才能發揮產品的實用價值, 希望將來有一天, 本系統也能實際應用, 學以致用, 回饋社會本組研究結果如下 : 一具實用性每一個人都有忘記關門的時候, 當在忘記關時, 門會自動關起來, 如此一來相當方便, 相當具有實用性二具創新性本系統可隨時進行關門, 有助於在開冷氣時節約能源, 具有創新性三操作簡單本系統組裝方便操作簡單, 不需繁雜的施工, 經由 LCD 顯示器的提示, 逐步設定即可完成使用者的設定四討論本組所製作的綠色教室, 期間產生不少的挫折與困難, 除了組員分工收集資料解決部份問題之外, 指導老師在相關知識與實務電路製作上, 也給予相當大的幫助與教導在製作過程中所發現的問題及解決方法說明如下 : ( 一 ) 問題一 : 微控制器 Arduino UNO 板腳位只有 0 支, 無法控制顯示更多資訊解決方法 : 使用第顆微控制器 Arduino UNO 或較多腳位的版本 ( 二 ) 問題二 :LM35 接腳錯亂解決方法 : 使用電壓表測量 ( 三 ) 問題三 : 不知道要使用哪種馬達解決方法 : 最後使用有齒輪的馬達, 因為可以將木板卡住帶動旋轉 ( 四 ) 問題四 : 設計程式解決方法 : 詢問老師及參考書籍釐清邏輯順序 ( 五 ) 問題五 : 溫度達 7 度時, 步進馬達動作, 使大門關閉, 但是溫度不會馬上下降, 造成程式判斷一直重複啟動步進馬達 9

10 解決方法 : 先設定初始旗標值為 0, 溫度判別條件是大於 7 且旗標為 0, 則馬達啟動旗標為 1, 必免重複使馬達動作, 等溫度下降到一定值, 旗標會回到 0, 等到下次門忘了關時, 溫度上升至 7 再動作肆引註資料一徐慶堂黃天祥 (9) 電子學 I II 台北市: 台科大圖書二盧正川張益順 (9) 數位邏輯實習台北市: 旗立圖書三楊明豐 (10) Arduino 最佳入門與應用台北市 : 碁峰圖書四元件介紹 ) 五圖 6) 六 PING( 圖 7) 七圖 8) 10

Arduino 1-1 Arduino 1-2 Arduino 1-3 Arduino IDE

Arduino 1-1 Arduino 1-2 Arduino 1-3 Arduino IDE Arduino 01 02 03 04 05 06 07 08 1-1 Arduino 2005 Massimo Banzi David Cuartielles David Mellis Arduino Arduino Arduino CC Arduino Arduino Arduino Arduino