專題製作計畫書

壹 前 言 高 雄 縣 高 英 高 級 工 商 職 業 學 校 Kao Ying Industrial Commercial Vocational High School 教 師 行 動 研 究 ( 專 題 製 作 ) 報 告 智 慧 型 節 能 控 制 器 專 題 老 師 : 簡 琨 祥 老 師 科 別 : 資 訊 科 科 中 華 民 國 102 年 2 月

壹 前 言 中 文 摘 要 在 現 今 的 社 會 中 隨 手 關 燈 節 能 減 碳 已 經 成 為 家 喻 戶 曉 的 新 名 詞, 但 是 真 的 能 夠 人 人 都 做 到 隨 手 關 燈 嗎? 先 別 說 隨 手 關 燈 了, 就 連 電 扇 電 視 冷 氣 電 腦 螢 幕 等 家 電 3C 產 品, 都 是 我 們 最 常 忘 記 關 閉 的 電 源, 然 而 這 些 電 源 所 消 耗 掉 的 電 不 只 是 種 浪 費 能 源 傷 害 地 球 的 舉 止, 更 是 讓 我 們 的 荷 包 一 點 一 滴 流 失 的 行 為 因 此 我 們 以 人 體 紅 外 線 來 感 測 是 否 房 間 內 有 人 員 存 在 與 超 音 波 偵 測 系 統 進 行 雙 向 判 斷, 並 且 結 合 組 合 語 言 燒 錄 至 單 晶 片 89C51 作 為 控 制 整 個 房 間 或 是 整 間 房 子 的 節 能 控 制 器 本 專 題 採 用 單 晶 片 89C51 當 作 主 要 控 制 之 單 元, 並 且 結 合 超 音 波 與 人 體 紅 外 線 來 做 零 死 角 之 偵 測, 並 有 效 的 控 制 及 記 憶 人 員 進 出 數 量 與 時 間, 採 取 預 設 的 時 間 進 行 適 當 的 斷 電 以 達 到 有 效 節 能 的 效 果 關 鍵 詞 : 節 能 控 制 器 人 體 紅 外 線 超 音 波 i

壹 前 言 目 錄 中 文 摘 要... i 目 錄... ii 表 目 錄... iii 圖 目 錄... iv 壹 前 言... 1 一 製 作 動 機... 1 二 製 作 目 的... 1 三 製 作 架 構... 2 四 製 作 預 期 成 效... 3 貮 理 論 探 討... 4 參 專 題 製 作 過 程 或 方 法... 16 一 製 作 設 備 及 器 材... 16 二 製 作 方 法 與 步 驟... 16 三 專 題 製 作... 18 肆 製 作 成 果... 23 伍 製 作 結 論 與 建 議... 24 一 結 論... 24 二 建 議... 24 參 考 文 獻... 25 ii

壹 前 言 表 目 錄 表 3-1-1 專 題 製 作 使 用 儀 器 ( 軟 體 ) 設 備 一 覽 表... 16 表 3-3-1 專 題 製 作 計 畫 書... 18 表 3-3-2 智 慧 型 節 能 控 制 器 之 材 料 表... 21 iii

壹 前 言 圖 目 錄 圖 1-3-1 專 題 製 作 架 構 圖... 2 圖 2-1-1 CNY70 工 作 原 理... 4 圖 2-1-2 CNY70 應 用 電 路 圖... 5 圖 2-2-1 PRI325 人 體 紅 外 線 感 測 器 接 腳 圗 及 內 部 方 塊 圖... 5 圖 2-2-2 輸 出 變 化 測 試 圖... 6 圖 2-2-3 實 際 測 試 輸 出 電 位 圖... 7 圖 2-3-1 利 用 PIR325 人 體 紅 外 線 感 測 器 來 作 為 電 路 開 關 整 體 電 路... 8 圖 2-3-2 感 測 範 圍 示 意 圖... 9 圖 2-3-3 紅 外 線 波 長 測 試 距 離... 10 圖 2-3-4 熱 感 型 紅 外 線 感 測 器 包 裝 例... 11 圖 2-4-1 音 源 頻 率 範 圍 關 係 圖... 12 圖 2-5-1 雙 壓 晶 片 振 盪 超 音 波 感 測 器 之 外 型 與 構 造 圖... 13 圖 2-6-1 空 氣 中 超 音 衰 減 狀 態... 13 圖 2-7-1 超 音 波 接 收 電 路 CX2010... 14 圖 2-8-1 超 音 波 發 射 電 路... 15 圖 3-2-1 製 作 方 法 與 步 驟 流 程 圖... 17 圖 3-3-1 電 路 Layout 圖 焊 接 面 與 元 件 面... 19 圖 4-1-1 擬 定 專 題 驗 究 方 向... 22 圖 4-1-2 網 路 尋 找 專 題 相 關 資 料... 22 圖 4-1-3 與 學 生 電 路 元 件 麵 包 板 測 試... 22 圖 4-1-4 與 學 生 製 作 硬 體 電 路 ( 一 )... 22 圖 4-1-5 與 學 生 製 作 硬 體 電 路 ( 二 )... 22 圖 4-1-6 與 學 生 測 試 硬 體 電 路... 22 圖 4-1-7 紅 外 線 感 測 器 完 成 圖... 23 圖 4-1-8 紅 外 線 感 測 器 圖 ( 焊 接 面 )... 23 圖 4-1-9 紅 外 線 電 路 測 試 圖... 23 圖 4-1-10 紅 外 線 感 測 器 ( 未 裝 焦 點 鏡 片 )... 23 iv

壹 前 言 圖 4-1-11 紅 外 線 感 測 器 ( 已 裝 焦 點 鏡 片 )... 23 圖 4-1-12 節 能 控 制 器 電 路 成 品... 23 v

壹 前 言 一 製 作 動 機 壹 前 言 在 現 今 地 球 溫 室 效 應 問 題 越 演 越 烈, 大 自 然 的 反 撲 一 次 比 一 次 嚴 重, 全 球 國 際 單 位 紛 紛 響 應 環 保 節 能 減 碳 等 活 動 例 如 : 做 好 資 源 回 收 多 種 樹 省 電 等 等 然 而 省 電 這 總 事 除 了 在 燈 泡 等 設 備 上 做 出 省 電 裝 置 之 外 但 是 總 有 忘 記 關 或 是 懶 得 關 的 情 況, 縱 使 燈 泡 及 家 電 都 是 省 電 但 也 是 會 讓 廢 掉 多 餘 不 必 要 的 電 費 及 能 源, 因 此 設 計 了 智 慧 型 節 能 控 制 器 二 製 作 目 的 以 高 職 三 年 所 學 的 專 業 能 力, 其 中 利 用 所 學 軟 體 設 計 能 力 及 硬 體 設 計 能 力 以 及 單 晶 片 實 用 來 設 計 一 套 既 簡 單 又 實 用 的 智 慧 型 節 能 控 制 器, 然 而 此 專 題 製 作 對 高 職 生 而 言 算 是 小 有 難 度, 但 也 排 除 所 有 困 難 從 套 件 模 組 慢 慢 摸 索 也 可 實 質 應 用 在 生 活 上 達 到 做 中 學 學 中 做 的 道 理 並 讓 學 生 瞭 解 專 題 製 作 並 非 是 只 要 有 一 門 專 業 技 術 能 力 就 夠 了, 而 是 要 多 種 專 業 能 力 的 融 合 才 能 設 計 出 成 果 同 時 也 讓 學 生 瞭 解 此 專 題 中 紅 外 線 的 運 用 原 理 與 超 音 波 的 運 用 原 理 1

壹 前 言 三 製 作 架 構 ( 一 ) 專 題 製 作 架 構 圖 尋 找 專 題 相 關 資 料 擬 定 專 題 題 目 分 配 任 務 製 作 電 路 製 作 報 告 撰 寫 程 式 碼 材 料 分 析 收 集 資 料 尋 找 相 關 程 式 碼 材 料 性 能 比 較 閱 覽 資 料 確 認 程 式 碼 材 料 確 認 資 料 確 認 編 輯 程 式 碼 開 始 焊 接 開 始 製 作 程 式 碼 偵 錯 電 路 測 試 完 成 製 作 完 成 程 式 碼 製 作 備 用 電 路 電 路 測 試 完 成 電 路 圖 1-3-1 專 題 製 作 架 構 圖 2

壹 前 言 四 製 作 預 期 成 效 本 專 題 預 計 實 做 完 成 符 合 現 代 環 保 節 能 需 求 的 智 慧 型 節 能 控 制 器 此 專 題 配 合 專 業 課 程 的 理 論 內 容 及 實 習 技 能, 同 時 利 用 此 行 動 研 究 專 題 培 養 自 我 的 科 技 研 究 精 神 且 本 智 慧 型 節 能 控 制 器 之 主 要 偵 測 器 紅 外 線 偵 測 與 超 音 波 感 測 做 為 雙 向 的 判 斷 降 低 感 測 的 死 角, 達 到 百 分 之 百 的 偵 測 準 確 度 本 智 慧 型 節 能 控 制 器 製 作 將 達 到 以 下 之 目 標 : ( 一 ) 藉 由 紅 外 線 偵 測 進 出 的 人 數 與 超 音 波 感 測 裝 置 判 斷 是 否 有 人 員 在 房 間 ( 二 ) 具 備 隨 時 偵 測 功 能 避 免 房 間 內 有 人 員 存 在 ( 三 ) 電 源 供 應 來 自 直 流 電 源 或 是 使 用 蓄 電 池 作 為 整 體 控 制 器 的 供 電 ( 四 ) 主 控 電 路 中 能 進 行 設 定 預 設 時 間, 並 且 設 定 不 必 要 的 電 源 ( 五 ) 當 偵 測 到 房 間 沒 有 人 員 存 在 的 時 候, 將 自 行 關 閉 不 必 要 的 電 源 ( 六 ) 可 作 為 公 司 行 號 或 是 居 家 的 總 電 源 控 制 設 定 ( 七 ) 有 效 的 達 到 省 電 省 錢 及 環 保 的 效 果 3

貮 理 論 探 討 一 紅 外 線 感 應 器 應 用 原 理 貮 理 論 探 討 在 紅 外 線 感 測 器 為 利 用 光 線 以 檢 知 受 體 的 一 種 感 測 器 使 用 上 分 為 二 類 : ( 一 ) 反 射 型 : 光 源 與 感 光 元 件 並 排 放 置, 光 線 是 否 自 壁 面 反 射 來 判 斷 壁 面 的 方 式 ( 二 ) 遮 光 型 : 光 源 與 感 光 元 件 設 置 相 向 的 位 置, 當 從 光 源 射 往 感 光 元 件 的 光 線 被 遮 斷 時, 即 判 斷 其 間 有 壁 面 存 在 的 方 向 光 感 測 器 使 用 的 光 大 致 上 有 分 為 可 見 光 及 紅 外 線 兩 種, 分 別 稱 為 可 見 光 感 測 器 及 紅 外 線 光 感 器 可 見 光 的 壞 處 是 易 受 環 境 的 影 響, 例 如 可 見 光 會 被 黑 色 吸 收 使 用 紅 外 線 的 好 處 是, 其 不 會 受 到 室 內 照 明 的 影 響, 但 由 於 紅 外 線 無 法 看 見, 很 難 確 認 其 動 作 ( 三 )CNY70: 內 部 結 構 : CNY70 的 內 部 結 構 如 圖 所 示, 其 中 包 含 紅 外 線 發 光 二 極 體, 光 電 晶 體, 以 及 光 濾 波 器, 其 功 能 分 別 是 : 1. 紅 外 線 發 光 二 極 體 : 類 似 發 光 二 極 體 (LED) 的 功 能, 當 PN 兩 端 加 上 順 向 偏 壓 時 可 發 出 波 長 為 800nm 的 紅 外 線 不 可 見 光 2. 光 電 晶 體 : 為 一 個 對 紅 外 線 波 長 具 敏 感 反 應 的 光 偵 測 元 件, 當 光 電 晶 體 受 紅 外 線 光 照 射 時 為 低 阻 抗, 而 未 受 光 時 呈 現 高 阻 抗 3. 光 濾 波 器 : 唯 一 僅 讓 波 長 為 紅 外 線 附 近 光 譜 通 過 的 濾 光 透 境, 可 用 來 加 強 光 電 晶 體 的 抗 雜 訊 能 力 ( 紅 外 線 以 外 不 可 見 與 可 見 光 的 幹 擾 ) 圖 2-1-1 CNY70 工 作 原 理 4

貮 理 論 探 討 二 人 體 紅 外 線 感 測 器 圖 2-1-2 CNY70 應 用 電 路 圖 PIR325 人 體 紅 外 線 感 測 器 主 要 由 是 利 用 溫 度 變 化 產 生 電 荷 現 象, 故 又 名 焦 電 型 人 體 紅 外 線 感 測 器 此 人 體 紅 外 線 感 測 器 是 以 TGG( 三 甘 氨 酸 硫 酸 鹽 或 )PZT( 汰 酸 系 壓 電 材 料 ) 等 強 介 質 所 作 成 的 光 感 測 器, 電 源 電 壓 為 3~15VDC, 使 用 溫 度 範 圍 在 -10 ~+50, 源 極 的 輸 出 信 號 極 小, 僅 有 數 mv 到 數 十 mv, 能 接 受 所 有 熱 體 所 輻 射 出 來 的 紅 外 線 ( 包 括 人 體 ) 圖 2-2-1 PRI325 人 體 紅 外 線 感 測 器 接 腳 圗 及 內 部 方 塊 圖 圖 片 來 源 檢 索 於 2007/10/07 http://designer.mech.yzu.edu.tw/ PIR325 人 體 紅 外 線 感 測 器 包 含 兩 個 感 測 元 件, 如 下 圖 所 示, 兩 個 感 測 元 件 均 無 受 到 遮 擋 時 輸 出 保 持 平 衡, 即 無 明 顯 電 壓 變 化 ; 當 其 中 一 感 測 器 被 遮 擋 時, 產 生 單 一 電 壓 訊 號 輸 出, 此 時 可 發 現 輸 出 電 壓 訊 號 值 變 大 ; 當 第 二 個 感 測 元 件 都 被 遮 擋 時, 此 時 電 壓 輸 出 訊 號 將 下 降, 並 在 隨 後 自 行 回 復 平 衡 時 的 電 壓 5

貮 理 論 探 討 圖 2-2-2 輸 出 變 化 測 試 圖 實 際 使 用 PIR325 人 體 紅 外 線 感 測 器 做 測 試, 由 示 波 器 可 以 得 到 輸 出 端 電 壓 變 化 如 圖 2-2-3 所 示 當 人 體 或 熱 源 體 經 過 PIR325 人 體 紅 外 線 感 測 器 時, 先 激 發 第 一 個 感 測 元 件 產 生 高 電 位, 若 隨 後 激 發 第 二 個 感 測 元 件 便 產 生 低 電 位, 最 後 兩 感 測 元 件 再 同 時 回 到 正 常 電 位 6

貮 理 論 探 討 圖 2-2-3 實 際 測 試 輸 出 電 位 圖 圖 片 來 源 檢 索 日 期 2007/10/07 http://designer.mech.yzu.edu.tw/ 整 個 紅 外 線 感 測 器 尚 包 含 HA17555 計 時 晶 片 JRC2904 晶 片 78L05 晶 片 繼 電 器 1N4148 開 關 二 極 管 以 及 多 組 電 容 電 阻 電 感 其 中 HA17555 晶 片 的 主 要 功 能 是 做 為 方 波 產 生 器 振 盪 器 或 是 計 時 器, 是 數 位 電 路 中 常 使 用 的 元 件 在 此 紅 外 線 感 測 電 路 中,HA17555 晶 片 作 為 計 時 器 使 用, 並 由 一 可 變 電 阻 調 整 時 間 由 1 秒 ~15 秒 動 作 方 式 為 紅 外 線 感 測 器 輸 出 電 壓 變 化 後, 觸 發 HA17555 並 控 制 繼 電 器 開 始 動 作, 讓 COM 和 ON 兩 端 導 通, 同 時 HA17555 開 始 倒 數 計 時 時 間, 當 倒 數 時 間 到 了, 而 紅 外 線 感 測 器 沒 有 再 感 測 到 紅 外 線 變 化 時,HA17555 會 使 繼 電 器 截 止, 讓 COM 和 ON 兩 端 停 止 導 通 三 利 用 PIR325 人 體 紅 外 線 感 測 器 作 為 電 路 開 關 結 合 以 上 各 元 件 及 電 路, 即 可 達 到 利 用 PIR325 人 體 紅 外 線 感 測 器 來 作 為 電 路 開 關 的 目 標 由 於 我 們 直 接 加 的 電 壓 源 衰 減 的 很 快, 沒 有 辦 法 達 到 穩 壓 的 效 果, 因 此 利 用 78L05 做 一 個 穩 壓 器, 將 輸 入 的 電 壓 固 定 在 +5V 以 改 善 電 路 PIR325 人 體 紅 外 線 感 測 器 所 產 生 的 電 壓 訊 號 較 弱, 經 由 2 顆 2904 晶 片 做 二 階 放 大 後, 觸 發 LED 亮 燈 以 方 便 使 用 者 觀 察, 同 時 觸 發 HA17555 計 時 晶 片, 並 藉 由 計 時 的 方 式 控 制 末 端 繼 電 器 切 換, 達 到 電 路 開 關 的 目 的 7

貮 理 論 探 討 圖 2-3-1 利 用 PIR325 人 體 紅 外 線 感 測 器 來 作 為 電 路 開 關 整 體 電 路 圖 片 來 源 檢 索 日 期 2007/10/07 http://designer.mech.yzu.edu.tw/ 使 用 此 紅 外 線 套 件 時, 可 調 整 電 路 中 的 VR1 來 改 變 PIR325 人 體 紅 外 線 感 測 器 的 感 測 距 離, 距 離 範 圍 約 5cm~250cm; 調 整 VR2 來 改 變 HA17555 計 時 晶 片 的 倒 數 時 間 長 短, 倒 數 時 間 範 圍 約 1 秒 ~15 秒 測 試 中, 當 我 們 調 整 VR1 來 改 變 感 測 距 離 時,PIR325 人 體 紅 外 線 感 測 器 所 測 得 的 範 圍 將 隨 著 變 化 此 時 人 體 穿 越 感 測 範 圍 的 時 間 將 影 響 感 測 器 所 得 到 的 結 果, 穿 越 速 度 太 慢 或 HA17555 計 時 晶 片 的 倒 數 時 間 過 長 時, 可 能 致 使 PIR325 人 體 紅 外 線 感 測 器 在 物 體 穿 越 時 得 到 二 次 有 效 感 測, 因 而 觸 發 繼 電 器 開 關 二 次, 失 去 紅 外 線 感 測 的 準 確 性 故 使 用 上 當 感 測 距 離 變 大 時, 倒 數 時 間 將 需 要 越 久 而 此 套 件 在 多 次 測 試 後, 距 離 在 5cm~100cm 可 以 得 到 較 準 確 的 感 測 結 果, 在 100cm~250cm 距 離 時, 較 易 產 生 多 次 感 測 的 現 象, 準 確 性 較 差 8

貮 理 論 探 討 圖 2-3-2 感 測 範 圍 示 意 圖 圖 片 來 源 檢 索 日 期 2007/10/07 http://designer.mech.yzu.edu.tw/ 9

貮 理 論 探 討 圖 2-3-3 紅 外 線 波 長 測 試 距 離 由 圖 可 將 紅 外 線 感 測 器 分 為 三 種 : A 短 波 長 紅 外 線 感 測 器 : 適 用 波 長 範 圍 為 1um~3um 之 間, 此 感 測 器 因 結 構 簡 單 價 格 便 宜, 應 用 甚 廣 缺 點 響 應 速 度 慢 特 性 隨 溫 度 變 化 改 變 B 中 波 長 紅 外 線 感 測 器 : 適 用 波 長 範 圍 為 3um~5um 之 間, 此 感 測 器 優 點 紅 外 線 入 射 功 率 與 輸 出 信 號 直 線 性 良 好, 可 讓 偏 壓 電 流 自 由 控 制 感 度 C 長 波 長 紅 外 線 感 測 器 : 適 用 波 長 範 圍 為 5um~12um 之 間, 此 感 測 器 將 x 值 定 在 0.2, 溫 度 為 77K 10

貮 理 論 探 討 紅 外 線 感 測 器 因 為 能 量 較 小,S/N 比 小, 因 此 經 常 要 考 慮 雜 訊 以 測 定 其 感 度 以 下 為 紅 外 線 感 測 器 最 重 要 的 三 個 規 格 參 數 : 1. 感 度 : 若 以 紅 外 線 P 照 射 感 測 器 受 光 面, 可 得 到 輸 出 電 壓 VS, 則 感 度 R 定 義 為 : R(λ,f, f)=vs( 有 效 值 )/P( 有 效 值 ) 式 中 λ 為 入 射 紅 外 線 波 長,f 為 截 波 頻 率, f 為 放 大 器 的 頻 寬 2. 檢 出 度 D: 定 義 為 D= R(λ,f, f)/vn(f, f(fov)) 式 中 R 為 感 度,VN 為 感 測 器 本 身 的 雜 訊,FOV 為 視 野 角 (Field of View) 3. 雜 訊 等 較 功 率 : 此 為 感 測 器 能 測 定 的 最 低 位 準, 當 照 射 之 紅 外 線 位 準 低 於 此 值 時, 會 受 雜 訊 干 擾 而 無 法 檢 測 雜 訊 等 效 功 率 NEP 的 定 義 為 : NEP=1/D=VN/R=P/(VS/VN) 熱 感 型 紅 外 線 感 測 器 包 裝 及 外 觀 的 一 例, 三 根 引 出 現 分 別 為 地 線 電 源 線 及 信 號 輸 出 此 感 測 器 ( 松 下 電 子 公 司 出 品, 產 品 編 號 EFP-PIA02A) 的 規 格 在 串 列 傳 輸 通 訊 方 式 中, 可 分 為 同 步 傳 輸 (Synchronous) 如 電 腦 中 的 25 pin 串 列 埠 及 非 同 步 傳 輸 (Asynchronous) 如 電 腦 中 的 9 pin 串 列 埠 兩 種 在 本 專 題 則 是 選 擇 以 同 步 傳 輸 為 主 圖 2-3-4 熱 感 型 紅 外 線 感 測 器 包 裝 例 11

貮 理 論 探 討 四 超 音 波 原 理 所 謂 音 波, 乃 指 透 過 具 有 彈 性 與 慣 性 的 介 質, 例 如 空 氣, 當 空 氣 本 身 一 旦 產 生 膨 脹 或 壓 縮 時, 則 透 過 其 分 子 的 運 動 而 有 波 動 的 傳 播 產 生 因 此, 音 波 無 法 在 真 空 中 進 行 傳 播 人 類 聽 覺 能 察 覺 的 波 動, 稱 之 為 聲 音 此 時 的 音 波, 即 稱 之 為 可 聽 波 通 常, 吾 人 所 稱 之 聲 音 乃 是 空 氣 的 疏 密 波 ( 即 由 空 氣 的 分 子 密 集 而 呈 壓 力 高 的 部 分, 和 相 反 地 呈 疏 鬆 而 壓 力 低 的 部 分 交 替 出 現 所 振 動 的 音 波 ), 因 個 人 而 有 所 差 別, 然 人 類 的 耳 朵 所 能 聽 見 的 最 大 限 度 不 出 15~20,000Hz 左 右 之 範 圍 疏 密 波 本 身, 不 論 在 空 氣 中 乃 至 液 體 中 和 固 體 中 都 可 以 發 生 和 傳 播 五 超 音 波 感 測 器 圖 2-4-1 音 源 頻 率 範 圍 關 係 圖 超 音 波 發 射 器 及 接 收 器 其 產 生 與 檢 出 大 致 可 以 區 分 為 電 磁 感 應 現 象 磁 振 現 象 和 壓 電 線 項 之 應 用, 都 是 電 能 和 伸 縮 ( 彈 性 ) 能 之 轉 換 依 其 內 部 架 構 可 以 區 分 為 以 下 幾 種 型 式 : 1. 電 磁 感 應 型 振 盪 器 此 類 的 結 構 類 似 動 圈 式 喇 叭 是 利 用 磁 場 的 方 式 來 達 到 超 音 波 的 發 射 與 接 收 頻 率 高 時, 變 換 效 率 就 會 降 低, 且 其 頻 率 選 擇 性 差, 很 容 易 捨 取 雜 音 等 效 點, 但 並 不 接 受 共 振 所 影 響 ; 雖 然 在 共 振 頻 率 附 近 之 驅 動 簡 單, 但 近 年 來 已 少 用 此 型 振 盪 器 2. 壓 電 振 盪 器 壓 電 振 盪 器 是 以 水 晶 或 石 英 酒 石 酸 鉀 鈉 鹽 的 晶 體, 以 及 鈦 酸 鋇 鈦 酸 鉛 等 壓 電 效 應 元 件 作 出 超 音 波 發 射 和 接 收 器 目 前 在 超 音 波 感 測 器 上 用 得 最 多 的 是 石 英 晶 體 振 盪 器 以 兩 枚 石 英 晶 體 貼 合 在 一 起, 一 面 伸 張, 另 一 面 壓 縮, 使 之 彎 曲 作 為 振 盪 器, 即 所 謂 的 雙 壓 晶 片 振 盪 器 此 雙 壓 晶 片 振 盪 器 之 輸 出 電 壓 大 構 造 簡 單 體 型 小, 且 其 機 械 強 度 夠, 溫 度 特 性 及 溼 度 特 性 良 好, 價 位 低, 其 中 小 型 的 超 音 波 感 測 器 用 得 最 多 圖 2-5-1 為 雙 壓 晶 片 振 盪 超 音 波 感 測 器 之 外 型 與 構 造 圖 12

貮 理 論 探 討 圖 2-5-1 雙 壓 晶 片 振 盪 超 音 波 感 測 器 之 外 型 與 構 造 圖 六 超 音 波 接 收 器 一 如 眾 所 周 知, 利 用 超 音 波 測 定 距 離 及 檢 測 障 礙 物 的 方 法, 自 然 界 的 動 物 蝙 蝠, 早 已 如 其 如 何 應 用 圖 2-6-1 表 示 空 氣 中 超 音 波 強 度 的 衰 減 狀 態 與 在 固 體 或 液 體 內 的 傳 播 相 較, 空 氣 中 的 衰 減 格 外 顯 著 且 隨 同 頻 率 的 增 高, 此 項 衰 減 愈 為 急 劇 利 用 其 較 電 磁 波 之 傳 播 速 度 緩 慢 的 特 點, 則 僅 適 用 於 近 距 離 的 測 定 圖 2-6-1 空 氣 中 超 音 衰 減 狀 態 13

貮 理 論 探 討 超 音 波 在 空 氣 中 傳 播 速 度 V =331 + 0.6 t 公 尺 (t = 測 定 時 溫 度 ) 因 為 要 求 折 射 波 所 走 之 速 度, 因 此 超 音 波 行 走 1cm 折 射 回 來 所 消 耗 之 時 間 T 如 下 列 公 式 所 示 ( 當 t = 28 時 ) 離 2 T = = 57.5 μs (331 + 0.6 x 28) x 100 因 此 只 要 計 算 超 音 波 發 射 到 收 到 折 返 波 之 時 間 除 以 57.5μs, 其 商 數 = 測 量 距 七 超 音 波 接 收 電 路 CX2010 超 音 波 接 收 電 路 我 們 採 用 集 成 電 路 CX20106 CX20106 原 本 為 紅 外 線 接 收 專 用 集 成 電 路, 在 此 利 用 CX20106 作 為 超 音 波 感 測 器 接 收 信 號 的 放 大 檢 波 裝 置, 亦 取 得 良 好 的 效 果 CX20106 中 前 置 放 大 器 接 收 到 超 音 波 的 反 射 信 號 後, 對 信 號 進 行 放 大, 電 壓 增 益 約 80 db 然 後 將 信 號 送 到 限 幅 放 大 器, 使 其 變 為 矩 形 脈 衝, 再 由 濾 波 器 進 行 頻 率 選 擇, 濾 除 干 擾 信 號, 由 濾 波 器 濾 掉 載 頻 檢 出 指 令 信 號, 再 經 過 整 形 後, 由 7 腳 輸 出 低 電 位 我 們 將 7 腳 接 到 8051 P1.1 腳 上 圖 2-7-1 超 音 波 接 收 電 路 CX2010 八 超 音 波 發 射 電 路 74HC04 是 一 個 高 速 CMOS 六 反 相 器, 具 有 放 大 作 用, 具 有 對 稱 的 傳 輸 延 遲 和 轉 換 時 間 對 於 HC 類 型, 其 工 作 電 壓 為 2~6 V, 它 具 有 高 抗 擾 性, 可 以 相 容 直 接 輸 入 LSTTL 邏 輯 信 號 和 CMOS 邏 輯 輸 入 等 特 點 本 專 題 我 們 將 40 khz 方 波 訊 號 分 成 兩 路, 分 別 由 74HC04 經 兩 次 和 一 次 反 向 放 大 14

貮 理 論 探 討 LS2 2 U4A 1 4 U4B 3 超 音 波 發 射 74HC04 U4C 74HC04 6 5 P1.0 LS3 74HC04 超 音 波 發 射 九 超 音 波 成 項 基 本 原 理 圖 2-8-1 超 音 波 發 射 電 路 超 音 波 之 所 以 稱 之 為 超 音 波, 乃 因 一 般 人 可 以 聽 到 的 聲 波, 大 約 在 兩 萬 Hz 以 下, 大 於 兩 萬 Hz 人 耳 就 不 太 可 能 聽 到 了, 這 種 超 越 可 聽 音 波 頻 率 的 音 波, 我 們 稱 之 為 超 音 波 超 音 波 的 頻 率, 在 醫 學 上 的 使 用, 依 據 其 使 用 的 功 能, 而 有 不 同 的 頻 率 一 般 在 醫 學 上 所 使 用 的 頻 率 大 約 為 1 到 10MHz 之 間, 主 要 的 用 途 為 診 斷 熱 療 震 波 碎 石 以 及 洗 牙 等 功 用 音 波 有 幾 個 基 本 的 物 理 量, 和 造 影 有 密 切 的 關 係 頻 率 : 即 每 秒 傳 遞 的 波 數 ; 振 輻 : 是 音 波 的 強 度 ; 波 速 : 音 波 前 進 的 速 度 ( 和 超 音 波 的 成 像 原 理 最 有 關 ) 音 波 其 受 不 同 傳 播 介 質 的 影 響, 在 不 同 的 媒 介, 有 不 同 的 傳 播 速 度, 在 人 體 的 軟 組 織 當 中, 因 為 其 組 合 成 份 相 近, 所 以 傳 播 的 速 度 大 約 是 1540mm/sec, 只 有 在 肺 泡 中 因 空 氣 的 成 份 較 多, 和 在 骨 組 織 中, 傳 播 的 速 度 不 同, 而 造 成 相 當 的 偏 差, 所 以 超 音 波 掃 描 並 不 適 用 這 兩 種 組 織 超 音 波 在 從 探 頭 發 出 的 聲 波, 並 不 像 我 們 一 般 的 聲 波 那 樣 具 有 連 續 性 (ContinuousWave,CW), 相 對 的, 超 音 波 是 利 用 電 子 的 脈 衝 產 生 一 些 脈 衝 聲 波 (Pulse Wave,PW) 脈 波 期 間 週 期 (Pulse Duration Period), 代 表 脈 波 運 作 當 中 的 時 間 脈 波 重 覆 週 期 (Pulse Repetition Period), 代 表 一 個 脈 波 區 和 另 一 脈 波 區 的 間 隔 時 間 15

參 專 題 製 作 一 製 作 設 備 及 器 材 參 專 題 製 作 過 程 或 方 法 表 3-1-1 專 題 製 作 使 用 儀 器 ( 軟 體 ) 設 備 一 覽 表 儀 器 ( 軟 體 ) 設 備 名 稱 個 人 電 腦 電 源 供 應 器 數 位 相 機 三 用 電 錶 Protel 99SE 噴 墨 印 表 機 Microsoft Office Word Microsoft Office Power Point Microsoft Visual Basic 焊 接 工 具 ( 電 烙 鐵 電 烙 鐵 架 吸 錫 器 ) 應 用 說 明 程 式 設 計 報 告 撰 寫 電 路 圖 繪 製 及 專 題 成 品 測 試 模 擬 實 驗 過 程 使 用 紀 錄 整 個 專 題 製 作 流 程 測 量 元 件 好 壞 及 量 測 元 件 之 信 號 電 路 繪 製 電 路 板 元 件 的 排 列 與 線 路 設 計 列 印 專 題 相 關 資 料 製 作 專 題 報 告 進 行 口 頭 報 告 製 作 及 專 題 成 品 報 告 呈 現 程 式 設 計 焊 接 電 路 板 二 製 作 方 法 與 步 驟 製 作 智 慧 型 節 能 控 制 器 專 題, 軟 體 部 份 以 Visual Basic 來 撰 寫, 硬 體 部 份 以 實 係 Layout 來 製 作 所 以, 除 了 電 路 需 要 有 實 作 的 能 力 之 外, 對 於 程 式 的 部 份 也 需 要 有 一 定 的 瞭 解 所 以, 為 達 到 專 題 預 期 的 目 標, 我 們 專 題 製 作 採 用 實 驗 研 究 的 方 法, 先 透 過 題 目 的 問 題 陳 述 討 論 及 訂 出 軟 硬 體 規 範 與 預 期 目 標, 在 程 式 設 計 ( 軟 體 設 計 實 驗 ) 控 制 電 路 設 計 ( 硬 體 設 計 測 試 ) 及 錯 誤 修 正 ( 實 驗 觀 察 ) 等 步 驟 繼 而 完 成 本 專 題 預 定 目 標 本 專 題 研 究 之 製 作 方 法 與 步 驟 流 程 圖, 如 圖 3-2-1 16

參 專 題 製 作 蒐 集 資 料 撰 寫 計 劃 書 專 題 準 備 理 論 探 討 分 工 製 作 程 式 規 劃 硬 體 規 劃 程 式 撰 寫 硬 體 製 作 測 試 檢 測 N Y 開 始 焊 接 Y N N 硬 體 程 式 結 合 測 試 N Y 紀 錄 專 題 書 面 及 口 頭 報 告 完 成 專 題 圖 3-2-1 製 作 方 法 與 步 驟 流 程 圖 17

參 專 題 製 作 三 專 題 製 作 表 3-3-1 高 英 高 級 工 商 職 業 學 校 教 師 專 題 製 作 計 畫 書 科 別 姓 名 資 訊 科 簡 琨 祥 老 師 製 作 主 題 智 慧 型 節 能 控 制 器 研 究 方 法 問 卷 法 訪 問 法 觀 察 法 文 獻 蒐 集 其 他 ( 研 究 實 作 法 ) 1. 紅 外 線 感 應 器 的 應 用 2. 人 體 紅 外 線 感 測 器 的 分 析 3. 超 音 波 感 測 器 的 分 析 研 究 大 綱 4. 能 自 行 偵 測 的 節 能 方 式 5. 節 省 能 源 及 環 保 的 效 果 6. 7. 1. 藉 由 紅 外 線 偵 測 進 出 的 人 數 與 超 音 波 感 測 裝 置 判 斷 是 否 有 人 員 在 房 間 2. 具 備 隨 時 偵 測 功 能 避 免 房 間 內 有 人 員 存 在 3. 電 源 供 應 來 自 直 流 電 源 或 是 使 用 蓄 電 池 作 為 整 體 控 制 器 的 供 電 預 期 效 果 4. 主 控 電 路 中 能 進 行 設 定 預 設 時 間, 並 且 設 定 不 必 要 的 電 源 5. 當 偵 測 到 房 間 沒 有 人 員 存 在 的 時 候, 將 自 行 關 閉 不 必 要 的 電 源 6. 可 作 為 公 司 行 號 或 是 居 家 的 總 電 源 控 制 設 定 7. 有 效 的 達 到 省 電 省 錢 及 環 保 的 效 果 其 他 18

參 專 題 製 作 圖 3-3-1 電 路 Layout 圖 焊 接 面 與 元 件 面 19

參 專 題 製 作 表 3-3-2 智 慧 型 節 能 控 制 器 之 材 料 表 材 料 名 稱 規 格 單 位 數 量 備 註 電 阻 器 100K 1/4w 個 20 電 阻 器 47K 1/4w 個 20 電 阻 器 10K 1/4w 個 20 電 阻 器 2M 1/4w 個 10 電 阻 器 1M 1/4w 個 10 電 阻 器 390K 1/4w 個 20 電 阻 器 180K 1/4w 個 20 電 阻 器 8K2 1/4w 個 10 電 阻 器 33K1/4w 個 10 電 容 器 100uf/25 個 20 電 容 器 104=0.1uf 個 10 電 容 器 103=0.01uf 個 20 電 容 器 22uf/25 個 30 電 容 器 203=0.02uf 個 10 電 容 器 47uf/25 個 10 電 容 器 470f/25 個 10 二 極 體 1N4148 個 30 二 極 體 1N4003 或 1N4934 個 20 電 晶 體 C945 或 C8050 個 10 電 晶 體 C1384 個 10 IC LM324 個 10 電 壓 器 110/0-9-0 個 10 繼 電 器 DC12V 1P 個 10 SENSOR PIR145 個 10 LENS 焦 點 鏡 片 片 10 微 電 腦 單 晶 片 89C51 個 4 20

參 專 題 製 作 IC 燒 錄 器 台 1 萬 用 電 路 板 單 面 玻 璃 纖 維 160x100x1.6mm 個 3 21

肆 製 作 成 果 一 圖 4-1-1 擬 定 專 題 研 究 方 向 圖 4-1-2 網 路 尋 找 專 題 相 關 資 料 圖 4-1-3 與 學 生 電 路 元 件 麵 包 板 測 試 圖 4-1-4 與 學 生 製 作 硬 體 電 路 ( 一 ) 圖 4-1-5 與 學 生 製 作 硬 體 電 路 ( 二 ) 圖 4-1-6 與 學 生 測 試 硬 體 電 路 22

圖 4-1-7 紅 外 線 感 測 器 完 成 圖 圖 4-1-8 紅 外 線 感 測 器 圖 ( 焊 接 面 ) 圖 4-1-9 紅 外 線 電 路 測 試 圖 圖 4-1-10 紅 外 線 感 測 器 ( 未 裝 焦 點 鏡 片 ) 圖 4-1-11 紅 外 線 感 測 器 ( 已 裝 焦 點 鏡 片 ) 圖 4-1-12 節 能 控 制 器 電 路 成 品 23

一 結 論 伍 製 作 結 論 與 建 議 整 個 專 題 製 作 過 程 中, 在 主 控 電 路 設 計 方 面, 為 結 合 紅 外 線 偵 測 系 統 與 超 音 波 感 測 裝 置 較 為 困 難, 在 對 於 偵 測 的 無 死 角 與 百 分 之 百 的 判 斷 及 準 確 度 所 花 的 時 間 比 較 多, 並 且 在 整 體 外 觀 方 面 將 設 計 成 產 品 方 式 既 要 實 用 也 要 美 觀, 儘 可 能 將 本 專 題 產 品 化 然 而, 整 體 電 路 構 造 及 設 計 經 再 三 修 稿 及 模 擬 才 最 後 定 版, 其 電 路 設 計 的 預 期 目 標 為 : 符 合 實 用 性 : 可 有 效 準 確 無 誤 的 判 斷 室 內 無 人 員 存 在, 並 且 關 閉 所 謂 的 不 必 要 電 源 符 合 便 利 性 : 當 人 員 忘 記 或 是 趕 時 間 的 時 候 便 可 直 接 離 開 房 間 也 不 必 怕 能 源 有 無 謂 的 浪 費 符 合 節 能 減 碳 : 藉 由 偵 測 感 應 自 行 關 閉 電 源 使 能 源 不 會 浪 費 已 達 到 節 能 減 碳 又 省 錢 的 效 果 二 建 議 在 製 作 此 專 題 時, 目 的 是 以 如 何 製 作 出 能 夠 節 能 並 且 有 效 達 到 省 電 省 錢 為 主 要 導 向, 所 以, 就 整 體 而 言 必 須 要 在 偵 測 的 感 測 裝 置 須 達 到 準 確 的 判 斷, 且 在 整 體 電 源 的 供 應 也 是 吃 電 的 一 直 將 裝 置 打 開, 也 算 是 一 總 浪 費 以 下 是 即 是 對 本 專 題 未 來 繼 續 研 究 發 展 的 建 議 方 向 : 電 源 供 應 : 由 於 本 專 題 在 技 術 上 與 金 援 上 的 關 係 目 前 供 應 電 源 的 方 式 還 是 以 插 電 為 主, 未 來 將 改 用 蓄 電 池 加 上 太 陽 能 供 電, 已 達 到 完 全 的 節 能 減 碳 預 設 時 間 設 定 方 式 : 本 專 題 在 主 控 電 路 所 設 定 時 間 的 方 式 將 以 按 鈕 方 式 呈 現, 但 萬 一 按 鈕 壞 了 就 不 能 設 定 了, 所 以 在 未 來 希 望 能 多 增 將 時 間 設 定 的 方 式, 列 如 : 聲 控 觸 控 等 時 間 預 約 : 本 專 題 現 在 功 能 只 有 預 設 或 是 手 動 設 定 幾 分 鐘 後 或 是 幾 分 鐘 內 自 行 關 閉 電 源, 未 來 將 要 向 冷 氣 的 定 時 功 能 一 樣, 設 定 在 幾 點 進 行 自 動 打 開 電 源 或 是 什 麼 時 候 自 行 關 閉 電 源 本 專 題 在 時 間 設 定 上 是 以 程 式 編 譯 時 預 設 的 五 分 鐘 或 是 以 按 鈕 方 式 進 行 設 定 未 來 將 以 觸 控 或 是 聲 控 的 方 式 進 行 設 定 24

參 考 文 獻 1. 張 義 和 王 敏 男 餘 春 長 許 宏 昌 (2007) 89S51-C 語 言 初 版 臺 北 縣 : 新 文 京 開 發 出 版 股 份 有 限 公 司 2. 鐘 富 昭 (1993) 8051 系 列 原 理 分 析 與 應 用 臺 北 市 : 全 華 科 技 圖 書 股 份 有 限 公 司 3. 葉 文 聰 WonDerSun(2008) 程 式 設 計 應 用 電 子 篇 臺 北 市 : 台 科 大 圖 書 股 份 有 限 公 司 4. 陳 福 春 (1988) 感 測 器 臺 北 市 : 全 華 科 技 圖 書 股 份 有 限 公 司 5. 羅 卓 宏 戴 良 育 陳 振 瑞 (2002) 組 合 語 言 臺 北 縣 : 龍 騰 文 化 事 業 股 份 有 限 公 司 6. 龔 文 龍 (2002) 感 測 器 臺 北 市 : 華 興 書 局 7. 郭 庭 吉 (2004 初 版,2007 初 版 二 刷 ) 8051 C 語 言 專 題 製 作 臺 北 縣 : 台 科 大 圖 書 股 份 有 限 公 司 25