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寂芳根陆
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1 投稿類別 : 工程技術篇名 : 作者 : 李彥均私立東海高中電三甲班張家銘私立東海高中電三甲班林宗毅私立東海高中電三甲班指導老師 : 金桂如老師李宏傑老師

2 壹前言一研究動機在電視新聞上常常看到電線走火而引發大火災導致家庭破碎或損失財務, 為了避免類似的事情再發生, 所以我們才想要解決如何在災難發生前做出有效的防範與處理平時在家中可能因為方便而將很多插頭插在一個延長線上, 但是卻沒考慮到這樣很可能會導致電線走火, 進而引發火災, 但有一次在電視新聞看到一則因電線走火而奪走了一個人生勝利組一家人的生命, 這時候就想到了如果能在電線因電流過大而導致電線走火的情況下自動斷電, 這樣便能有效的降低電線走火的情況發生在家中一定會有插座, 如果我們能在插座上加裝一個電路而能達到防止電流過大時能即時斷電這樣便能有效的預防災難發生二研究方法書籍使用電磁閥,ACS758LCB 霍爾元件, 自行詢問科大教授, 執導老師, 購買三論文大綱 ( 一 ) 硬體架構改裝 : 使用電磁閥隔離母插座 ( 二 ) 控制電路設計 : 使用 Arduino 控制電磁閥 ( 三 ) 軟體程式設計 : 使用 C 語言寫 Arduino 控制指令四研究目的據台灣內政部消防署防災知識資料說明 : 每年火災起火原因以電氣設備占第 1 位, 火災發生原因都來自電線短路老舊過大電流接觸不良等, 這些原因會照成電線過負載導致電線起火貳正文我們所研究的主題與電機電子群科課程的關聯性, 主要學習單元包含 : 一最後, 我們為了驗證是否符合在一般 110V 的電壓下當電流過高時能正常的斷電, 我們在學校電訊工廠進行一般插座通電測試, 亦能正常控制警告斷電警報解除後通電等功能, 如圖 15 所示, 證明本系統的研究結果完全符合預估目標, 1

3 達成當電流過高時斷電功能單晶片實習 : 學習單晶片結構及 Arduino 微控制器的開發原理二電子學實習 : 以霍爾原件作為電源電流偵測用途三電子電路實習 : 以 7805 穩壓 IC 做為直流電壓調節電路四程式語言實習 : 以 C 語言為基礎撰寫 Arduino 微控制器程式研究設備及器材 : 名稱規格數量備註筆記型電腦 Intel Core i7-2620m 1 程式開發與燒入開發軟體 Arduino 開發 Arduino 程式 Arduino 微控制器 Arduino Nano 1 電烙鐵 30W 1 烙鐵架 1 霍爾元件 ACS758LCB 1 RGB LED 燈條 RGB-12v 1 LCD 模組 LMC-S2E16 1 繼電器 RY5W-K 3 電阻 1kΩ 1 陶瓷電容 0.1u 2 可變電阻 10kΩ 1 電磁閥 1 電磁閥軌道 1 插座穩壓 IC 穩壓 IC 1 插座殼 1 一硬體架構改裝首先在確定研究主題後, 我們需要一個壁內插座, 於是我們就去學校附近的電料行購買, 一般傳統型的壁內插座是直接以電線連接正負極, 如圖 2 所示, 經由討論分析後決定壁內插座後方加裝隔離裝置, 如圖 3 2

Arduino 微控制器微控制器部分採用 Arduino Software 公司的 Arduino Nano 微控制器, 此微控制器共有 14 個數位輸入輸出接腳 P2~P15,8 個類比輸入輸出接腳

4 圖 2. 傳統型的壁內插座電線接法圖 3. 加裝隔離裝置的壁內插座完成照片二控制電路設計本研究的控制電路系統方塊圖如圖 4 所示, 包含微控制器 LCD 模組霍爾元件及電磁閥等四部分, 說明如下 : 圖 4 電路系統方塊圖 ( 一 ) Arduino 微控制器微控制器部分採用 Arduino Software 公司的 Arduino Nano 微控制器, 此微控制器共有 14 個數位輸入輸出接腳 P2~P15,8 個類比輸入輸出接腳 P19~P26, 如圖 5 所示, 每個接腳均可單獨當作輸入或輸出使用, 我們將霍爾元件輸出接 P19 為輸入腳, 將 LCD 模組接到 P7~P10 為輸出接腳顯示電壓電流值當霍爾元件測到的電流數值被 Arduino 微控制器接收到時, 即可判斷電流是否超過國際電流安全值, 快超過安全值時 LED 開始閃爍, 已經超過安全值時蜂鳴器開始發聲電磁閥啟動吸走插座公這樣即可達到電線與插座母的隔離 3

6 霍爾元件電路圖 ( 三 ) LCD 模組我們使用雄鐸科技公司的 LCD 模組如圖 10 左所示, 其共有 VSS VDD VO RS RW E D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A+ K- 等接腳, 我們將

5 圖 5 Arduino Nano 實體圖及接腳圖 ( 二 ) 霍爾元件電路在微控制器電路接線時, 我們從 Arduino Nano 的規格說明中知道要從 VCC 接腳提供 5V 的外加電源, 就能讓 ACS758LCB 微控制器正常運作, 霍爾元件電路圖如圖 6, 在從第 4 第 5 接腳接入交流信號再經由 IC 產生類比訊號, 從 VIOUT 把類比訊號傳到 Arduino Nano 微控制器, 經由微控制器微控器判斷是否過載, 過載則斷電圖 6 霍爾元件電路圖 ( 三 ) LCD 模組我們使用雄鐸科技公司的 LCD 模組如圖 10 左所示, 其共有 VSS VDD VO RS RW E D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A+ K- 等接腳, 我們將 LCD 模組與 Arduino Nano 微控制器連接如圖 7 右所示, 其中 LCD 模組的 D4 D5 D6 D7 接腳與 D4 D5 D6 D7 連接用來接收 ACS758LCB 的 VIOUT 傳送至 Arduino Nano 的類比信號 4

圖 7 LCD 模組及與 Arduino 微控制器接線圖 ( 四 ) 電磁閥我們使用型號為 :SOLENOID BTS-A-18 2508

來控制電磁閥的啟動及關閉, 如圖 8 所示圖 8 電磁閥 ( 五 ) 7815 穩壓 IC 我們利用 7815 穩壓 IC 來供給電磁閥

6 圖 7 LCD 模組及與 Arduino 微控制器接線圖 ( 四 ) 電磁閥我們使用型號為 :SOLENOID BTS-A 的電磁閥, 經由我們實際測試, 剛好可以完全符合我們所改裝的插座隔離裝置, 而電磁閥的控制電路我們採用 Arduino 的類比控制腳 P19 來控制電磁閥的啟動及關閉, 如圖 8 所示圖 8 電磁閥 ( 五 ) 7815 穩壓 IC 我們利用 7815 穩壓 IC 來供給電磁閥 RGB LED 燈條蜂鳴器 7805 穩壓 IC 使他們正常動作, 如圖 9 所示 7815 穩壓 IC 電路圖圖穩壓 IC 電路圖 5

7 ( 六 ) 7805 穩壓 IC 我們利用 7805 穩壓 IC 來供給 Arduino 微控制器和 LCD 模組的電源使他們能正常動作, 如圖 10 所示 7805 穩壓 IC 電路圖圖穩壓 IC 電路圖 ( 七 ) RGB LED 燈條我們使用型號為 : RGB-12v 的 RGB LED 燈條的作用是來提醒, 當電流快要高過安全值時 RGB LED 燈條呈現藍色, 當電流已經過高安全值時 RGB LED 燈條呈現紅色三軟體程式設計 Arduino 微控制器負責接收霍爾元件傳過來的數值顯示在 LCD 模組上, Arduino 的開發語言為 Sun Microsystems 公司發展的 Java 程式語言, 完整的 Arduino 控制程式及重要註解如下 : int index = 0; float total = 0; float average = 0; float currentvalue = 0; total= total - readings[index]; readings[index] = analogread(0); readings[index] = (readings[index]-readings[index])*5/1024/ ; total= total + readings[index]; index = index + 1; if (index >= numreadings) index = 0; average = total/numreadings; currentvalue= average; if (currentvalue<0) currentvalue=0-currentvalue; 6

8 四研究結果本系統歷經我們團隊的創意構思, 到逐步依計畫實驗, 終於確立其可行性, 最後將系統組裝測試成功, 其間研究的結果說明如下如圖 11 所示為我們依據研究方法一步一步先在麵包板上實驗完成電路接線及程式測試, 不斷修正調整直到功能正常為止, 確定我們研究的系統終於實現圖 11. 系統電路麵包板接線實驗成功在實驗成功後, 接著進行電路焊接, 將零件焊接在大約 30cm 30cm 的電木板上, 焊接完成, 如圖 12 所示圖 12. 系統電路焊接於電路板上 7

9 製作電磁閥軌道由我們這組非常喜歡氬銲的同學來製作,, 如圖 13 所示圖 13. 製作電磁閥軌道完成電路焊接及機構組裝後, 我們就進行系統驗收測試, 我們在學校的電訊工廠進行測試簡單的系統測試, 讓 Arduino 可正常控制電磁閥 LCD 模組 LED 蜂鳴器發出聲響, 蜂鳴器所發出的聲音隔四間教室都聽得到, 如圖 14 所示圖 14. 簡單的系統測試 8

10 最後, 我們為了驗證是否符合在一般 110V 的電壓下當電流過高時能正常的斷電, 我們在學校電訊工廠進行一般插座通電測試, 亦能正常控制警告斷電警報解除後通電等功能, 如圖 15 所示, 證明本系統的研究結果完全符合預估目標, 達成當電流過高時斷電功能. 參結論圖 15 接上 110V 交流電的系統實測本研究是為了要達到電線過載時斷電, 所以我們將傳統的插座加裝上一些硬體結構與利用程式控制, 以此解決因電線過載而引發的火災此系統用 Arduino 微控制器控制插座上電磁閥的通電和斷電使插座裡的公插座移動來達到電源的隔離肆引註資料 1 葉難(2014) Arduino 輕鬆入門 : 範例分析與實作設計台北市 : 博碩 2 趙英傑(2014) 超圖解 Arduino 互動設計入門 ( 第二版 ) 台北市: 旗標 3 美國線規表(AWG) UL 758 Table 5-1, 取自 : 台灣新光股份有限公司年全國火災統計分析, 取自 : 內政部消防署全球資訊網年火災統計分析.pdf 5 有二極體的運算放大器電路, 取自 : 中興大學物理系 6 霍爾元件 ACS758xCB, 取自 : Datasheet.pdf 9

11 7 家用交流電源插頭與插座, 取自 : 維基百科, 自由的百科全書家用交流電源插頭與插座 10

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VH中文硬體說明書 A4-cd9新版.cdr VB / VH 系列 PLC DC 連接器機型周邊產品說明 VB-TM 點 MOSFET 轉接模組 MOSFET數目輸出型式輸出保護 IDC- V IDC- IDC- IDC- V V IDC- IDC- IDC- IDC- V IDC- IDC- IDC- IDC- V 返馳二極體 IDC P 連接器個歐規端子台 mm ( W) 8mm( H) mm( D) mm DIN軌道