第一章

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1 崑山科技大學電腦與通訊系四技部專題製作報告語音安全插座 (Voice Secure Sockets) 學生 : 黃鈞澤 (4970D036) 林延諭 (4970D082) 張崇暐 (4970D017) 劉孝融 (4970E042) 指導老師 : 郭晉魁老師中華民國一百零一年六月

4 摘要本專題針對智慧化廚房之電力安全監控, 製作一個具有語音警示的安全插座, 利用監測電流之變化, 在可能發生災害前發出語音警告或強制斷電, 改進一般無熔絲開關未過熱就不斷電之缺點, 補其不足之處, 有效促進用電安全本作品主要是設計安裝在進入廚房自定的主插座上, 使用者可將插座設置在能清楚看見的地方以了解整個廚房的用電狀況, 電流監測系統如過載能力及發出語音警告提醒使用者電流已超載利用三種顏色 LED 組成的排燈, 用來表示使用電流的狀況, 方便讓使用者監測用電狀況已測安全的人機介面, 即使是幼童老年人也可輕易辨識出廚房用電狀況, 在夜間也很容易看到 LED 燈顯示的用電狀況利用語音提醒, 避免造成不必要的災害, 提高居家生活品質另外, 本作品設有手動開關, 可直接控制關閉電器, 減少插頭鬆動引發接觸不良, 產生高熱, 引起火災, 都是本作品特色之一

5 致謝這個專題能夠順利完成, 首先要感謝的是我們的指導老師 - 郭晉魁老師, 老師教學嚴謹, 為人務實認真, 克盡心思的指導與教誨, 使本專題得以豐富充實, 在這期間遇到許多的困難, 但是老師總會指引我們一個方向, 透過不斷的省思與實驗, 在最後總能得到答案, 在這一段磨練的過程是相當寶貴的經驗, 在這期間要感謝電波暗室的學長幫助我們排除電路上的疑問, 還要謝謝陳振盛同學指導我們使用 ADS 軟體製作與設計電路在開始此專題之前, 我們與老師討論的結果, 是將電路板三個部份縮小成一個電路板, 這麼不怎麼熟析的我們是相當有挑戰性的, 在經由一次又一次的失敗後, 與老師討論的結果是以外掛的方式將 SPCE061A-B 結合於電路板上, 加上專題同學們不斷的努力之下才能完成最後, 在四技的生涯中, 除了在課業上有很大的收穫之外, 就是認識許多的好老師與好學長感謝專題小組的團結合作, 大家互相的督促與勉勵, 才能完成這艱鉅的工程在此, 僅對教誨我們關心我們鼓勵我們的師長與所有全組人員們表達內心最誠摯的感謝

6 目錄摘要致謝目錄圖目錄表目錄 iv vii i 第一章緒論 1.1 前言研究動機系統概述章節編排 6 第二章電力安全 2.1 電力安全電力的危害意外原因的分析電器安全簡介安全檢查用電量算法 11 i

7 2.3.3 用電量算法為例實際案例電器應注意事項現有產品分析介紹創新與實作方法 18 第三章硬體架構系統 3.1 電器安全監控架構簡介整合穩壓電路介紹單晶片 TH25A 電流感應器電源供應器繼電器精密半波交流轉直流電路 LM317 穩壓電路繼電器控制開關電路 33 第四章軟體系統架構 4.1 軟體流程架構圖音頻處理 37 ii

8 第五章實驗及結果 5.1 專題作品成果實驗及結果平均電壓電路輸出結果實驗及結果實驗結果 47 第六章結論 51 參考文獻 52 附錄 iii

9 圖目錄頁次圖 1.1 使用情境 3 圖 2.1 電器總和計算表 12 圖 2.2 常用電器用電量圖 12 圖 2.3 3M 自動復歸安全插座 16 圖 2.4 愛地球公司省電安全插座 17 圖 2.5 崴宏科技公司安全插座 17 圖 2.6 安全大師 1 開 7 插座 17 圖 2.7 成品圖 19 圖 2.8 系統方塊圖 22 圖 2.9 軟體流程圖 23 圖 3.1 電路架構圖 24 圖 3.2 電路圖 25 圖 3.3 整合穩壓電路圖 26 圖 3.4 整合穩壓電路板成品 26 圖 3.5 TH25A 電流感測元件 28 圖 3.6 電源供應器 29 iv

10 圖 3.7 繼電器 30 圖 3.8 精密半波交流轉直流電路 31 圖 3.9 LM317 穩壓電路 32 圖 3.10 控制開關電路 33 圖 4.1 軟體架構流程圖 35 圖 4.2 軟體取樣平均演算法 35 圖 4.3 語音處理過程 38 圖 5.1 成品圖正面 41 圖 5.2 成品圖背面 41 圖 5.3 鑽孔機 (125W) 45 圖 5.4 咖啡熱水壺 (590W) 45 圖 5.5 電湯匙 (300W) 46 圖 5.6 電湯匙 (770W) 46 圖 5.7 實驗結果 (1) 47 圖 5.8 實驗結果 (2) 47 圖 5.9 實驗結果 (3) 48 圖 5.10 實驗結果 (4) 48 圖 5.11 實驗結果 (5) 49 v

11 表目錄頁次表 2.1 近十年統計電線走火件數 14 表 5.1 平均電壓輸出結果 43 表 5.2 S 值舉例說明 44 vi

12 第一章緒論 1.1 前言智慧化廚房之安全監控, 可以包括的項目有瓦斯安全監控, 電力安全監控等. 而我們製作的是語音警示的安全插座電線走火再現今是造成嚴重災害的原因之ㄧ, 電線走火是指發生於用電線路上之事故所引發的災害, 往往由電線承載超過負荷所引起, 導致電線短路進而引發火災在發生原因中, 根據近十年來之統計, 以電氣設備之 32.6 % 為第一位, 所以電氣設備引發火災確是非常平凡的一般電氣設備火災, 可能發生的情形包括插頭延長線電線白熾燈炮電器製品及其他不不當操作電器等等產生的問題據內政部統計, 民國 100 年火災事故累計發生 1772 次, 在火災類別方面, 以建築物火災占 70.5% 最多起火原因, 以電氣設備走火占 36.1% 最高 ; 人為縱火占 10.4%, 居於第二位 ; 菸蒂起火占 5.8%, 居第三, 如今不只廚房而已, 用電安全是一個很重要的考量 1

13 1.2 研究動機一般家庭電力系統, 有配電之電力開關箱, 從電力公司引入電力後, 分別接至各專用迴路為什麼在配電箱中已經裝了無熔絲開關了, 可是還是常常看到電線走火引起火災的消息呢? 如果裝了無熔絲開關, 不是應該在用電量過大時就會跳電嗎? 於是我們開始收集資料想找出原因在室內配線規則等相關法規中, 電線在牆壁管路內會發熱, 所以有管路大小電力纜線半徑管路內纜線 : 目等規定, 以避免電線過熱與散熱不良而發生危險經我們分析思考的結果, 原來無熔絲開關或保險絲, 都是預設電流過大時會發熱, 才會跳開或燒斷保險絲確保安全, 因建築內管路內可能有多條電線, 往往在開關跳開前, 管路內線路可能因老舊線路過多或其它原因先行起火, 甚有較細之末端線路已短路起火而無熔絲開關卻未跳開之情形, 或超出安全負載邊緣一段時間後才會跳開, 即使設置無熔絲開關, 仍無法確保安全但發熱不是引起火災最主要的原因嗎? 如要斷電前一定要發熱, 萬一發熱了但是沒斷電呢? 如電流過大是主要原因, 發熱是結果, 是否應從原因先行解決, 才是正確的作法? 如果有一個裝置, 能在電流過大時立即警告, 在還沒發熱發生危險前就先斷電, 較等發 2

14 熱再來斷電要來得安全許多, 這就是我們製作本作品的動機日常生活中, 如果同時使用兩種高用電量電器, 非常容易發生危險用電過量, 除了不了解用電安全的知識外, 即使了解用電常識, 也常因電器的自動化功能而沒注意到, 如開飲機會在水溫不足時自動加熱, 冷氣則是室溫不夠冷時自動加強, 因而電力負載的變動往往不是人為所能精準掌握如果原本開了電鍋與微波爐, 己經達到安全負載邊緣, 此時突然開飲機自動啟動, 就會馬上超載, 這樣就會在不注意的情況下造成危險假想一個家裡實際使用的情境 : 典型的配電方式, 配電箱的迴路, 此經過一個無熔絲開關接到廚房的第一個插座, 然後再連接到其它的插座, 每個插座上都連接不同的電器, 如圖 1.1 所示使用電器時, 即使一開始用電量尚未超過安全範圍, 若是電器自動啟動, 例如熱水瓶自動加熱, 冰箱自動運轉, 用電量可能就會超過安全負荷而不知圖 1.1 使用情境 3

15 一般的廚房或房間, 與開關箱通常會有一段距離, 甚至在不同樓層者也有, 如果用電警告無法傳達至房間, 便無法立即改善, 所以最好監測警報點應該在房間內因電力是從第一個插座開始連到其它插座, 所以如要加用電量警告的裝置, 進入房間第一個插座設置監測器最好的位置, 使用這就能了解整個房間用電狀況, 監測器能立即感測電流過量並立即發出語音警告, 此時能立即處理, 將電器暫時停止使用, 避免發生電氣災害因此, 本團隊利用具有語音功能的單晶片微電腦, 加上霍 TH25A 電流感測器與大電流的繼電器, 完成一個電流安全監控功能的作品本作品以三色 LED 排燈簡單顯示用電狀況, 這樣站在遠處依然可了解用電量的安全狀況, 並在用電量過大時發出語音警告, 如使用者未解除狀況, 本作品將主動關閉電源以確保用電安全 4

16 1.3 系統概述本作品以凌陽單晶片 TH25A 電流感測器繼電器開關控制電路精密交流轉直流電路 LED 燈喇叭電流表插座等, 利用這些元件做出了安全負載監控插座, 工作原理是當不同負載插在插座上時, 通過 TH25A 電流感測器會有不同電流進而感測出變化電壓, 再接到精密電流轉直流電路輸出之後再輸入到凌陽單晶片由凌陽單晶片轉換成內部程式數值, 再根據這些數值來設定感測到多少電流, 由凌陽單晶片輸出顯示在 LED 上, 進而快速了解電流是否超載, 超過負載時, 系統則發出五次警示音後關閉安全開關的動作軟體部分是以 C 語言來撰寫, 主要用到凌陽模組中的 I/O 埠基本輸入輸出控制系統時脈與看門狗計時與計數器中斷系統數位與類比轉換音頻處理等, 在後面的章節則有詳細的解說 5

17 1.4 章節編排本報告共分成五個主要章節第一章是緒論, 主要講的有研究動機專題整體概述等第二章則是電力安全簡介, 如何避免電力使用上的危險, 與基本電力及電器之安全知識第三章是硬體架構整體介紹, 主要有元件電路基本原理等而第四章則是軟體的流程和主要程式的概論原理第五章結論, 實驗結果的顯示, 跟整個專題最後心得感想與成品圖 6

18 第二章電力安全 2.1 電力安全電是我們日常生活及工作上主要的動力能源電與其它危害如機器危險處及化學品危害很不同, 電力危害不容易被察覺正因電力危害肉眼看不見, 故此必須要特別注意預防措施, 確保可安全使用電動工具或電器電力的危害觸電電流經過人體造成不同程度的傷害, 影響心臟肺部及神經系統正常功能電流經過人類心臟時, 危險性極高, 可能引致心室纖維性顫動, 令心臟無法正常跳動當人類心臟不能負荷急速心跳時, 則引發心臟衰竭致死 7

19 2.2 意外原因的分析要有效地提供電力意外保護, 必先行了解導致意外之原因, 從而適當控制, 防止意外發生導致電動工具及電器觸電之原因, 再從各觸電原因考慮相關保護措施電動工具及電器意外成因為多方面要有效防止意外發生, 需考慮導致意外之原因, 訂立相應保護措施, 預防意外發生此外, 有效執行保護措施, 必須要有其完善安全管理制度, 確保安全制度能持續運作 2.3 電器安全簡介 1. 用電器時, 千萬不可因事分心突然離開忘了關閉, 這樣很容易造成火災 2. 電器不使用時應立即切斷電源, 電熨斗電暖器等發熱型電器需更加注意電暖器周圍請勿放置書籍衣服等易燃物品, 以免發生火災 ( 尤其利用電暖爐烘烤衣服時, 更不可隨意離開, 以免烤燃衣物引起火災 ) 8

20 3. 使用過久的電視機, 如內部塵埃厚積, 則很容易使絕緣劣化, 發生漏電, 或因蟲鼠咬傷, 將配線破壞, 發生火花引起燃燒或爆炸, 應特別注意維護及檢查 4. 電器插頭務必插牢, 不使鬆動, 以免發生火花引燃近旁物品 5. 切勿疏忽使用中發熱電氣用品, 如電熱水器應隨時注意其自動調節裝置是否損壞, 以免發生高熱引起爆炸 6. 電器在使用時切勿讓小孩接近玩弄, 以免觸電或引起火災 ; 離家外出, 應將室內電器關閉, 以免發生火警 7. 電氣房及電源開關附近, 應置備四氯化碳或乾粉滅火器, 以資防火 8. 電氣火災, 可用海龍乾粉及二氧化碳滅火器撲滅 9. 流汗或手腳潮濕時容易感電, 應擦乾後再使用電器 10. 電鍋電烤箱電熱水瓶微波爐電磁爐烤麵包機等用電量大的電器應避免共用同一組插座, 並儘量避免同時使用 11. 不可使用拉扯電線的方式拔出電器插頭, 以免造成該插頭內導線損傷, 家電無法使用, 甚至可能造成感電危險 12. 購買電器時應注意本體標示有商品檢驗標識或自願性產品驗證標誌之產品, 以確保使用安全 9

21 13. 使用新電器時, 應詳細閱讀使用說明書, 瞭解正確的使用方法, 新電氣的電壓電流要與電源互相符合若有金屬外殼必須加以接地, 以免漏電電器使用若有異常現象或聲音, 宜送請專業人員維修或報廢, 以避免發生危險 14. 電器使用中產生火花或故障不動時, 應立即切斷開關或拔下插頭, 以免發生短路, 引起電線走火電線走火時, 應立即切斷電源 ; 電源未切斷前, 不可潑水, 以防導電 15. 耗電量大之電氣, 應直接連接主電源, 勿使用延長線 16. 使用電線或延長線時, 應注意不可將其綑綁 ; 綑綁後熱量很難流通, 因此溫度昇高而將塑膠融解, 造成銅線短路著火亦不可壓在家具或重物下方, 或放置於容易踏壓之處所 ; 不可用釘子騎馬釘或訂書針固定, 亦不可經由地毯或高掛在有易燃物的牆上安全檢查由於人民生活水準提高, 家庭電器使用種類與數量日益增多, 根據統計因電線走火造成火災, 佔所有火災原因統計之榜首因此家庭用電安全, 需注意電器上所標示之用電量 ( 瓦特數 ) 10

22 電流與電壓的關係為 : 用電量 ( 瓦特 )= 電壓 ( 伏特 )X 電流 ( 安培 ) 確認插頭是否過載之簡易算法 : 如電子鍋耗電功率為 660W( 瓦特 ), 除以 110 伏特額定電壓, 所需電量即為 6A( 安培 ), 多種電器同時使用時可對照超過插座標示之容許電流是否過載用電量算法若同時使用電鍋熱水壺電熨斗三種電器於同一插座上時, 是否會用電過量呢? 電鍋用電量為 800W, 熱水壺之用電量為 660W, 電熨斗為 800W, 同一時間的用電量為 : 電鍋 :800W/110V=7.27A 熱水壺 :660W/110V=6A 電熨斗 :800W/110V=7.27A 電流總和 :7.27A + 6A A = 20.54A 由此可知三項電器的同時使用安培數為 20.54A, 高過於插座所能容許的安培數 (15A) 相當危險! 要避免電線過載, 應將用電量大之電器分別插在不同插座或延長線上, 且盡量避免同時使用, 方能降低電線走火意外發生! 11

23 2.3.3 用電量算法為例如圖 2.1, 圖 2.2 舉例說明 : 圖 2.1 電器總和計算表圖 2.2 常用電器用電量圖 12

24 2.3.4 實際案例 2012 年 6 月 24 日凌晨 12 點, 南投中興新村發生一起住宅火警, 一對李姓老夫妻, 住在老舊木造宿舍, 疑似電線走火, 火勢迅速延燒,2 位老人家因為行動不便, 來不及逃出火場, 警消撲滅火勢後, 在屋內發現 2 人焦黑屍體 75 歲李伯伯罹患重聽, 太太以輪椅代步, 火警發生的時候,2 人行動不便, 來不及逃出屋外, 警消清理火場時, 分別在玄關和床上, 發現 2 具焦黑的屍體這起火警發生在凌晨 12 點多, 中興新村光榮國小對面, 一間老舊宿舍傳出燒焦味及爆裂聲, 鄰居趕緊報警, 火勢迅速蔓延, 隔壁一間宿舍也遭到波及, 火勢在凌晨 2 點多撲滅, 警消初步勘查, 研判起火點在臥室, 疑似為電線走火依據消防署台灣地區火災原因統計, 如表 2.1, 主要起火原因中, 電氣走火一直位居首位平均每年均在一千件上下九十一年更高達 2,047 件, 顯示電氣火災之嚴重性由於日常生活中, 幾乎已離不開電氣用品, 相對的電氣造成之火災事故, 亦日益增多電氣走火, 除了一部份是用具或線路老化外, 多數都是使用不當所造成即使是老化, 也是因為年久失修, 未善盡保養維護之責, 歸根究底仍是人為的 13

25 疏忽而使用不當中, 則以負荷過重時間過長過熱通電狀態持續擱置誤接等情形為多人為疏忽, 則有沸騰溢流接觸可燃物接頭鬆弛或線路包覆老化等導致短路收藏時餘熱發火等最為普遍表 2.1 近十年統計電線走火件數民國電器設備平均電器應注意事項 1. 使用電器時, 千萬不可因事分心突然離開忘了關閉, 這樣很容易造成火災 2. 使用電煖爐時, 切勿靠近衣物或易燃物品, 尤其在烘烤衣服時, 更不可隨意離開, 以免烤燃衣物引起火災 3. 使用過久的電視機, 如內部塵埃厚積, 則很容易使絕緣劣化, 發生漏電, 或因蟲鼠咬傷, 將配線破壞, 發生火花引起燃燒或爆炸, 應特別注意維護及檢查 14

26 4. 電器插頭務必插牢, 不使鬆動, 以免發生火花引燃旁物品 5. 電熱水器發生爆炸案已有多起, 應隨時注意檢查其自動調節裝置是否損壞, 以免發生高熱引起爆炸 6. 電器在使用時切勿讓小孩接近玩弄, 以免觸電或引起火災 ; 離家外出, 應將室內電器關閉, 以免發生火警 7. 電氣房及電源開關附近, 應置備四氯化碳或乾粉滅火器, 以資防火 8. 電氣火災, 可用海龍乾粉及二氧化碳滅火器撲滅 2.4 現有產品分析介紹目前市面上的產品, 可分為壁用插座與延長插座兩類, 其防止電線走火的安全裝置, 從簡單的無熔絲開關保險絲, 到稍具智慧的電流偵測技術都有 3M 自動復歸安全插座, 如圖 2.3, 內建主動式過溫保護開關, 當負載過大電壓不穩, 導致電線升溫過高時, 插座將自動斷電, 並附有安全指示燈, 燈亮表正常運作, 燈熄則為過載愛地球有限公司的省電安全插座在插座有斷電開關與保險絲, 如圖 2.4, 可直接將開關電器, 據省電功能, 設有電源指示燈方便使用者 15

27 電, 流一旦超過 15A 保險絲馬上燒斷, 對於用電安全的確也有幫助崴宏科技公司利用四個感測點發明可防止水或飲料濺入而短路, 如圖 2.5, 且可防止觸電的安全插座, 插座內部溫度高於攝氏 100~110 度間會自動斷電安全大師 1 開 7 插座 1SW 15A 1.7M 延長插座, 如圖 2.6, 本產品裝置有無熔絲開關能保護用電量勿超載及短路負載超過之後, 開關會自動斷電, 約三分鐘後在按下 reset 即可圖 2.3 3M 自動復歸安全插座 16

28 圖 2.4 愛地球公司省電安全插座圖 2.5 崴宏科技公司安全插座圖 2.6 安全大師 1 開 7 插座 1SW 15A 1.7M 延長插座 17

29 圖 2.3,~ 圖 2.6 皆市售相關產品舉例 ( 引用自原廠商相關網站, 版權皆屬原公司所有 ) 綜觀相關的產品, 如果是用溫度來控制斷電, 會碰到我們前面提過的問題, 溫度未達斷電標準但線路卻可能因某些因素而先行燃燒, 甚至因材質不佳而使插座發熱變形有的使用場合, 使用者可能希望在電流過大時能延長一些時間讓人可以採取反應, 例如在房間中同一插座上有電腦與電熱瓶, 此時若有一些時間, 可以關閉電熱瓶以避免電腦突然被關機從技術上來說, 我們認為, 利用電流偵測技術防止電線走火, 會比溫度偵測反應速度來得快且有效使用 LCD 顯示電流大小, 能確實了解電流量, 對電器使用安全有所助益, 但是在某些情況, 例如老人讀取字體太小的數字會很吃力, 小孩則對數字的意思並不了解, 這在家庭場合中使用就會有些不方便如果純以用電安全為考量, 精確的數字顯示就非必要, 反倒是操作使用方便才是最重要的因素 2.5 創新與實作方法本作品第一個想到的就是要如何表示電量大小的人機介面如果只是想要知道用電量裝一個電流表就即可, 但需要時時刻刻盯著電流表看, 不但麻煩, 而心理壓力也大, 如沒注意到那就更加麻煩為了能簡單明瞭知道電量使用狀況, 我們設計一個用三種顏色 LED 組成的排 18

30 燈, 來表示使用電量的使用狀況, 如圖 2.7 之成品照片所示本作品成現的是讓使用者用安全用安心, 所以使用能發光的 LED 而非 LCD 顯示數字即使是孩童或老年人, 也可以很容易分辨出用電狀況圖 2.7 成品圖本作品有手動強迫關閉與自動斷電兩種模式, 左邊的開關做為自動與手動切換之用, 關閉時是手動強迫關閉電源, 打開時為自動感測則電流, 會根據用電大小做相對的顯示與警示為了讓使用者馬上了解用電超載, 本作品會發出警示通知, 如使用者不在現場本作品設有自動斷電功能語音功能也會提醒使用者智關閉手動開關為止, 提高生活品質右邊的插座孔表示房間中的第一個插座, 房間其它的插座都是從這裡配線出去三色 LED 排燈則裝在中間的位置本作品是由電流量小的狀況下從綠燈開始亮起, 顯示相對的 1 至 6 19

31 個燈, 亦即黃燈以下都是安全的如果是接近額定的安全電流, 會使第 7 個燈亮, 當超過額定的安全電流時第 8 個燈將亮起, 並發出第 1 段語音 : 電流超載, 即將關閉, 提醒 5 次後, 使用者若無降低用電量, 責將電源關閉, 並發出第 2 段語音 : 請關閉手動開關, 此時已斷電, 語音提示則會提示至使用者關閉手動開關才會停止本作品可設置於房間或廚房以廚房為例, 從經驗得知, 若同時使用電鍋與微波爐, 大約 1 至 2 分鐘無熔絲開關就會跳開, 表示電力線路已發熱若用於房間, 則可能會有高出力的音響電暖爐等較耗電的電器因為一般家庭房間配線多以 20A 為主, 因此本作品對於用電安全的設計原則如下 : 1. 用電在 11A 以下為綠燈範圍,11A 至 15A 為黃燈範圍, 超過 15A 進入紅燈範圍 2. 根據用電量大小顯示不同的燈號 3. 當色燈進入紅燈時, 發出警告語音五次, 此時使用者需在約 20 秒內移除不必要的電器, 降低電流量與音則停止, 燈會回付設定值範圍內若 20 秒內負載未降低, 則本作品會主動將電路強制關閉以維護安全, 避免管路內的累積的熱量將線路燒燬, 若使用者恰好暫時離開不在現場, 與音則會提醒至使用者關閉手動開關 20

32 4. 主動強制斷電後, 若要恢復正常供電, 須先將手動開關關閉, 此動作表示使用者已在場處理, 使用者需將不必要的電器移除, 再重新啟動本作品手動開關, 讓電流量減少後, 再將本作品重新啟動即可我們從電器使用經驗得知, 若使用電器時稍微超過無熔絲開關的電流限制, 無熔絲開關也不一定會馬上斷電, 而是要等一段時間發熱後才會斷電, 但如果是像短路之類的狀況, 因為電流突然變很大, 無熔絲開關的反應才會比較快本作品主要是針對電流即將超載但尚未達無熔絲開關斷電溫度這一階段所設計, 彌補無熔絲開關的不足之處, 增加用電安全性, 且留給使用者選擇自行關閉電器的時間, 讓使用者可以選擇要關閉的電器本作品的系統方塊圖如圖 2.8, 上方雙線是 110V 交流線路, 最右方連接電器負載, 中間經過一個能容忍 20A 以上的繼電器, 用來控制是否供電 110V 線路經過霍爾電流感測器 (CT) 元件感應, 因為 CT 感應器的輸出是交流訊號, 因此經過平均電壓電路, 送給單晶片的 A/D 轉換器, 就可用來量測電流的平均大小 21

33 圖 2.8 系統方塊圖本系統設計的軟體流程如圖 2.9 所示, 其中的 S 值表示電流量經 ADC 取樣的大小值本作品在對應的 S 值小於 6 個燈的狀況下, 如果是接近額定的安全電流, 會使第 7 個燈亮, 此時會發出第 1 段語音 : 注意: 電流即將超載表示用電警告, 但是因為尚未超載, 所以只警告而不關閉電源當超過額定的安全電流時第 8 個燈將亮起, 並發出第 2 段語音 : 電流超載, 即將關閉, 此時如果講了 N 次時間太久都沒降低用電量, 就會將電源關閉, 並發出第 3 段語音 : 請關閉手動開關, 此時已斷電, 語音提示則會提示到使用者關閉手動開關才會停止 22

34 圖 2.9 軟體流程圖 23

35 第三章硬體系統架構 3.1 電器安全監控架構簡介在 2.4 節已介紹過本作品的系統方塊圖如圖 2.7, 再下細述如圖 3.1 電路架構圖, 上方雙線是 110V 交流線路, 最右方連接電器負載, 中間經過一個能容忍 20A 以上的繼電器來控制是否供電 110V 線路經過霍爾 CT 元件感應, 因為 CT 感應器的輸出是交流訊號, 因此經過平均電壓電路, 送給單晶片的 A/D 轉換器, 可用來量測電流的平均大小, 而變壓器與穩壓器是供電給凌陽單晶片進而運作再由電流輸出大小來控制凌陽單晶片所輸出的 LED 燈與喇叭電流表顯示則是方便觀察電流大小進而去調整軟體所需設的值圖 3.1 電路架構圖 24

36 3.1.1 整合穩壓電路平均電壓電路 LM317 穩壓電路繼電器控制開關電路等, 所結合成的穩壓電路板我們所整合的穩壓電路板以及平均電壓電路結果如圖 3.2 電路圖, 圖 3.3 則是整合穩壓電路圖, 圖 3.4 則是整合穩壓電路板成品 : 圖 3.2 電路圖 25

37 圖 3.3 LAYOUT 圖圖 3.4 整合穩壓電路板成品 26

38 3.1.2 語音單晶片隨著單晶片功能經過積體化的發展, 其應用領域也逐漸地由傳統的控制, 擴展到控制處理資料處理以及數位信號處理等領域凌陽的 16 位元單晶片就是為了因應這種發展而設計的它的 CPU 核心採用凌陽最新推出的 μ nsp (Microcontroller and Signal Processor)16 位元微處理器片 ( 以下簡稱 μ nsp ) 環繞於 μ nsp 核心所形成的 16 位元 μ nsp 系列單晶片 ( 以下簡稱 μ nsp 家族 ) 採用的是模組是積體結構, 以 CPU 為中心整合著不同規格的 ROM RAM 和功能強大的各種外部介面 SPCE061B 是針對語音應用的微控制器, 在記憶體資源方面考慮到使用者的較少資源的需求以及提供便於程式調整測試等功能, SPCE061B 裡只內建 32K 字的快閃記憶體 (FLASH), 較高的處裡速度使 SPCE061B 能夠非常容易地快速地處理複雜的數位信號,SPCE061B 改善先前使用的 SPCE061A 板較大之問題, 有效的縮小約一半的體積 27

39 3.1.3 TH25A 電流感應器本作品所用電流感應器如圖 3.5,TH25A 電流感測器, 用來檢測電流信號的元件, 能感應經過電線電流信號的輸入, 經內部的霍爾效應將電流信號轉變為電壓信號以 TH25A 做實驗對象測量此原件通過負載量測的對應數值, 再以安培數換算對應點來設定凌陽單晶片內部程式的 S 值, 也就是換算安培的一個所設的變數圖 3.5 TH25A 電流感測器元件圖 28

40 3.1.4 電源供應器本作品所用的電源供應器, 如圖 3.6, 大多數的感測器及訊號處理都需要使用直流電源, 本作品以 12A 電源供應器來設計本作品的電路所需電壓電流大小一般 DC 電源電路的電子元件包含變壓器整流器穩壓 IC 電容開關通電指示燈等輸入為 AC115V 頻率為 50/60Hz 0.53A, 輸出 Output A B 為 DC15V 1.5A 功率為 27W 圖 3.6 電源供應器 29

41 3.1.5 繼電器本作品所用的繼電器如圖 3.7, 跟電磁接觸器原理類似, 由激磁線圈與輔助接點組成, 普遍使用於控制電路中, 當電磁接觸器之補助接點不足時可以擴充使用, 也可應用於程式控制器輸出側把負載側接點容量放大, 一方面保護程式控制器本身接點壽命可延長使用, 維修保養如需更換時也會方便省成本, 如壞其中一組接點就不需換整組程式控制器規格為 NO:20A 240VAC/28VDC,NC:15A 240VAC/28VDC, COIL:12VDC 本作品選用 NC:15A 240VAC/28VDC 為本作品之繼電器規格, 其原因為一般住家內部供電最大約為 15A, 當超過 15A 易導致電線過熱起火圖 3.7 繼電器 30

42 3.1.6 精密半波交流轉直流電路精密半波交流轉直流電路如圖 3.8, 平均電壓電路使用精密半波交流轉直流電路, 此電路能取得平均的電流大小本作品將電路設計成 : 如果電路關閉使 Vin 降為 0V, 則 Vo 會在 2 秒內降為 0V 圖 3.8 精密半波交流轉直流電路 31

43 3.1.7 LM317 穩壓電路 LM317 穩壓電路如圖 3.9,LM317 的輸入電壓範圍是 1.2V 至 37V, 負載電流最大為 1.5A 此電路使用非常簡單, 僅需兩個外接電阻來設置輸出電壓此外線行調整率和負載調整率也比標準的固定穩壓器好 LM317 內置有過載保護安全區保護等多種保護電路,LM317 輸入電壓需大於輸出電壓 1.5V 電壓, 而本作品利用此電路輸出的 5V 來輸入凌陽單晶片圖 3.9 LM317 穩壓電路 32

44 3.1.8 繼電器控制開關電路控制開關電路圖如圖 3.10, 以電晶體當作開關來使用, 在 ON 狀態, 電晶體工作於飽和區使電壓導通繼電器線圈, 並以 LED 亮滅來得知是否有導通, 當本作品負載電流過大時就以此電路來切斷電路圖 3.10 控制開關電路 33

45 第四章軟體系統架構 4.1 軟體流程架構圖在 2.4 節已介紹過本系統的軟體系統架構如圖 2.6, 在以下細述如圖 4.1 所示, 其中 S 值表示電流量經 ADC 取樣的大小值因為經過平均電壓電路後仍有微小的 60Hz 漣波雜訊, 所以單一 ADC 取樣值會有微小的變動, 因此我們改進的演算法, 利用一隨時間滑動的視窗, 如圖 4.2 所示, 在 1/60 秒內使用多個取樣點取平均值, 以達到較穩定的數字本作品在對應的 S 值小於 6 個色燈的狀況下, 顯示相對的燈數如接近額定的安全電流, 第 7 個燈亮及亮起, 超過設定的安全電流時第 8 個燈及亮起, 且發出第 1 段警示語音 : 電流超載, 即將關閉, 此時如發出 5 次警示語音使用者未降低電流量或關閉手動開關電源將自動關閉, 系統則發出第 2 段警示語音 : 請關閉手動開關, 此時已斷電, 警示語音則提示至使用者親自關閉手動開關語音警世才會終止 34

46 圖 4.1 軟體架構流程圖圖 4.2 軟體取樣平均演算法 35

47 以下為舉例本作品軟體取樣平均演算法程式部分 : *P_IOA_Data=0x0003; // 將 A-port 資料設為關繼電器 *P_ADC_MUX_Ctrl=0x0002; // 打開計算的 port *P_ADC_Ctrl=0x0001; *P_Watchdog_Clear=0x0001; // 清除看門狗 while(!(*p_adc_mux_ctrl&0x8000)); sample[p]= (*P_ADC_LINEIN_Data)>>6; // 將讀到的資料右移 3 位 p++; if (p = =N) { p = 0 ; } s=0; for (i=0; i<n; i++) // 計算平均值 {s+=sample[i]; } s=s/n; 36

48 4.2 音頻處理硬體相關的函數模組有 hardware.asm 與 sram.asm 及兩者相對之引入檔 (include file) 以目前的公用程式庫版本而言, hardware.asm 用於所有使用到音頻公用函式庫的使用者程式, 而使用錄音 DVR 函數則需再加入 sram.asm 這種設計方式能針對相同 μ nsp 核心但不同版本的 CPU 提供一致的軟體介面, 使用不同版本 CPU 時只要在專案中引入硬體相關的函數模組, 以後若音頻處理公用函式庫有新版本也可以直接使用, 就不必為每一個 CPU 提供一個函式庫音頻播放與錄製時, 會使用計時器中斷方式使取樣時間準確, 已達到良好的效果由於資料壓縮的關係, 原始取樣的 PCM 資料與壓縮後的編碼資料其讀寫速率並不相同, 兩者之間的協調是靠佇列 (Queue) 的機制來完成以自動模式播放時, 使用者需提供資料的起始位置與相關位置, 併檢查播放的狀態以得知是否播放完畢, 資料的起始與結束位置需依函式庫指定的變數符號與格式定義在資料檔中手動模式播放時, 使用者需將佇列初值化, 並不斷檢查佇列的狀態, 適時填入資料, 才能連續播放錄音時, 使用者查詢佇列的狀態, 有資料時便須從 Queue 中讀出放在自己的資料區, 由於事先並不知錄音的長度, 故使用者需自行決定是否停止錄音此外, 使用者尚需自行撰寫中斷服務函數, 並在自己的中斷服務函數中去呼叫音頻處理公 37

49 用函式庫中斷處理服務函數, 函式庫中並無直接提供中斷服務函數, 以免與使用者的中斷服務函數衝突凌陽音頻壓縮演算法處理的語音信號的範圍是 200Hz-3.4KHz 的電話語音語音處理大致可以分為 A/D 編碼處理儲存解碼處理以及 D/A 等步驟, 如圖 4.3 所示凌陽提供了 SACM-LIB, 該程式庫已將 A/D 編碼解碼儲存及 D/A 做成相應的函數, 對於每個模組都有程式介面 API 只需瞭解每個函數所要實現的功能及其參數的內容, 然後呼叫該 API 函數即可實現該功能, 這些函數都在 sacmv26e.lib 程式庫中圖 4.3 語音處理過程本作品所加入的語音如下 : 語音 1: 電流超載, 即將關閉語音 2: 請關閉手動開關 38

50 因此本作品對於用電安全的設計原則如下 : 1. 用電在 11A 以下為綠燈範圍,11A 至 15A 為黃燈範圍, 超過 15A 進入紅燈範圍 2. 根據用電量顯示不同的燈號 3. 進入紅燈時, 發出警告語音, 此時使用者馬上將電器拔除降低電流量警告音則停止如負載過度狀況未改善, 例如使用者不在現場或為即時將電源移除, 系統將會主動將電路強制關閉以維護用電安全, 避免電線內的累積的熱量將線路燒燬引發電線走火 4. 主動強制斷電後, 則再持續播放語音 3, 直到使用者將手動開關關閉, 此動作表示使用者已經在場處理超載問題, 使用者只須將不必要的電器關閉, 再重新啟動手動開關,, 系統將重新啟動以下為舉例本作品播放語音程式部分 : if(led==8) {for(b=0;b<5;b++) { asm("int IRQ"); PlaySnd(0,1+2); // 啟動第一段語音 if (*P_IOA_Data&0x0004==0) asm("int OFF"); } // 當 LED 亮八顆時執行 // 執行 for 迴圈 5 次 // 啟動 IRQ 中斷 // 判斷是否關閉手動開關 // 關閉所有中斷 39

51 第五章實驗及結果 5.1 專題作品成果如圖 5.1 成品圖圖 5.2 成品圖背面為本作品成品圖本作品可安裝在進入廚房自定的主插座上, 使用者能快速了解整個廚房的用電狀況, 電流監測能馬上知道電流過量並立即發出語音警告本作品利用三種顏色 LED 組成的排燈, 方便讓使用者監測用電狀況已測安全的人機介面, 即使是幼童老年人也可輕易辨識出廚房用電狀況, 在夜間也很容易看到 LED 燈顯示的用電狀況使用溫柔的語音就像提醒一樣, 不會造成緊張, 可提高生居家活品質, 減少因緊張造成的危險另外, 直接使用牆上開關控制電器, 省去插頭插拔的麻煩, 也是特色之一在居家環境中, 用電安全是很重要的, 本作品可提高用電的安全性, 因此非常具有實用價值 40

52 圖 5.1 成品圖正面圖 5.2 成品圖背面 41

53 5.2 實驗及結果本節所要介紹的是我們智慧化廚房之安全監控成品的實驗以及插上負載會顯示各種不同 LED 顆燈數, 還有圖片介紹超載會自動關閉的功能等平均電壓電路輸出結果平均電壓電路輸出結果如表 5.1 與圖 5.3 電流為負載電流, 輸入電壓則為 TH25A 電流感測器所感測負載電流的輸入電壓輸出電壓則是輸入電壓輸入精密半波整流所轉換的輸出電壓,ADC 是輸出電壓輸入到單晶片所取樣的數值而線性度是觀察負載電流與霍爾電流感測器 (CT) 感應線性程度, 也用來觀察輸出電壓與 ADC 數值線性程度 42

54 15V 12V 9V 6V 3V 1A A A A A A A A A A A A A A 表 5.1 平均電壓輸出結果 43

55 5.2.2 實驗結果以下為舉例本作品 S 值對應 LED 燈亮數程式部分, 表 5.2 為本作品電流轉換為 S 值下述舉例說明 : if(s>800)led=8;//s 值大於 800 就閃爍 8 顆 LED 燈 else if(s>700)led=7;//s 值大於 700 就閃爍 8 顆 LED 燈 else if(s>600)led=6; //S 值大於 600 就閃爍 8 顆 LED 燈 else if(s>500)led=5; //S 值大於 500 就閃爍 8 顆 LED 燈 else if(s>400)led=4; //S 值大於 400 就閃爍 8 顆 LED 燈 else if(s>300)led=3; //S 值大於 300 就閃爍 8 顆 LED 燈 else if(s>200)led=2; //S 值大於 200 就閃爍 8 顆 LED 燈 else if(s>100)led=1; //S 值大於 100 就閃爍 8 顆 LED 燈 else LED=0; //S 值 0 就 LED 均不亮 *P_IOB_Data =table[led]; // 位置設定表 5.2 電流轉換為 S 值圖 5.3~5.5 為本作品所使用負載的電器, 表 5.2 為這些電器對於本作品所對應 S 參考值的數值舉例說明表 5.2 S 值舉例說明目前本作品所負載的值 (S) 約 150~185 約 300~350 約 500~550 約 650~660 負載名稱功率瓦數一台 125W( 約 1.2A) 鑽孔機一支 300W( 約 3A) 電湯匙一個 590W( 約 5A) 熱水器一支 700W( 約 7A) 電湯匙 44

56 圖 5.3 鑽孔機 (120W) 圖 5.4 咖啡熱水壺 (590W) 45

57 圖 5.5 電湯匙 (300W) 圖 5.6 電湯匙 (770W) 46

58 5.2.3 實驗結果插上 125W 鑽孔機 - 安培表顯示約 1.2A ( 開啟 - 並顯示一顆 LED 燈 ) 如圖 5.7 圖 5.7 實驗結果 (1) 插上 300W 電湯匙 - 安培表顯示約 3A( 開啟, 並顯示三顆 LED 燈 ) 如圖 5.8 圖 5.8 實驗結果 (2) 47

59 插上 590W 熱水壺 - 安培表顯示約 6A( 開啟, 並顯示六顆 LED 燈 ) 如圖 5.13 圖 5.9 實驗結果 (3) 插上 770W 電湯匙 - 安培表顯示約 7.5A ( 開啟, 並顯示七顆 LED 燈 ) 如圖 5.15 圖 5.10 實驗結果 (4) 48

60 插上 770W 電湯匙加上 300W 燈泡 - 安培表顯示約 10A( 開啟, 並顯示八顆 LED 燈且有語音警告播放, 語音五次後自動關閉 ) 如圖 5.17 圖 5.11 實驗結果 (5) 49

61 未插上負載的智慧化廚房之安全監控 ( 未開啟開關 ) 插上 125W 鑽孔機 ( 未開啟開關 ) 插上 125W 鑽孔機 - 安培表顯示約 1.25A ( 開啟 - 並顯示一顆 LED 燈 ) 插上 300W 電湯匙 ( 未開啟 ) 插上 300W 燈泡 - 安培表顯示約 3A( 開啟, 並顯示三顆 LED 燈 ) 插上 590W 熱水壺 ( 未開啟 ) 插上 590W 熱水壺 - 安培表顯示約 6A( 開啟, 並顯示六顆 LED 燈 ) 如插上 770W 電湯匙負載的電路板 ( 未開啟 ) 插上 770W 電湯匙 - 安培表顯示約 7.5A ( 開啟, 並顯示七顆 LED 燈 ) 插上 770W 電湯匙加上 300W 熱水壺負載 ( 未開啟 ) 插上 770W 電湯匙加上 300W 熱水壺負載 - 安培表顯示約 12.5A( 開啟, 顯示 8 顆 LED 燈且有語音警告且播放語音五次後自動關閉 ) 插上 770W 電湯匙加上 300W 熱水壺負載的電路板 ( 開啟, 已自動關閉後 ) 50

62 第六章結論本作品可協助使用者監控用電安全, 電量超載時會發出語音警告, 無法排除時則主動切斷電源, 確保用電安源居家用電安全是每個家庭都必須重視的會發生意外幾乎都是因為人為粗心大意所造成, 有時也是因為常識不足的緣故雖然使用電力安全裝置可以協助使用者操作, 但平時也需養成習慣了解安全知識, 讓自家有更良好的生活品質, 避免不必要的災害發生智慧化廚房之安全監控接有安裝安培表電源插座跟顯示電力安全指示 LED 燈, 達到使用者能一目了然的效果本作品適合安裝在廚房自定的主插座上, 能清楚監控廚房的用電狀況, 用電量過載時本作品能馬上發出語音警告通知電流過量, 若使用者不再現場本作品具有自動斷電之功能, 以確保用電安全本作品利用三種顏色 LED 組成的排燈, 用來表示使用電流大小的安全性的人機介面, 可讓使用者站在遠處時也可看清楚用電狀況, 即使是小孩子也很容易辨別出安全與不安全, 老人家也不用費力地讀取數字, 即使在夜間也很容易看到 LED 燈顯示的用電狀況 51

63 參考文獻 [1] 安全社區專欄 [2] 內政部消防署防災宣導團於警察廣播電台宣導資料 [3] 工業技術研究院 [4] 居家的用電安全 [5] 幸福生活從正確用電開始 7&prev=4829&next=4771&l=a&fid=14 [6] 關於日常用電安全 --/article?mid=1416&next=1004&l=f&fid=17 [7] Altium Designer Summer 09 從入門到精通作者 : 周冰李田胡仁喜等編著出版社 : 機械工業出版社出版日期 :2011 年 01 月 01 日 ISBN:

64 [8] 崴宏科技公司 [9] 愛地球有限公司 [10] 廣華電子商城 53

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untitled R ( ) .5..5 2.. 2.. 2 4 5 7 7 7 7 7 8 8 8 0 0 2 4 5 5 5 7 8 8 PC 0 安全注意事項及緊急處理方法請務必遵守警告發生異常或故障時應立即停止使用拔下電源插頭恐會導致冒煙起火觸電異常或故障事例即使接上電源開關有時也不會運轉插拔電源線時有時通電有時不通電運轉中有燒焦味或異音本體部分變形或異常發熱請立即連絡服務站進行檢查及修理

第 一 章

第一章