電機學報第十期 目錄

1. 無線感測網路安全監控機器人……………2 劉秉宸、賴勁宇、林永堅

2. 電磁圖環發射器……………………………6 黃嘉穎、陳盈志、林冠彣、丁弘翔、林世忠

3. 交通號誌燈控制器…………………………8 林立德、鄧任傑、林駿銘、許家榮、黃昆松

4. 太陽能鍋之研製……………………………12 丁肇延、李一葦、李楷偉、鄒世清、張宗福

5. 小型垂直風力發電機之研製………………16 許伯誠、彭裕翔、王哲崇、林帛緯、張宗福

6. 可攜式太陽能鍋之研製……………………22 廖時瑩、賴彥丞、洪羽善、陳俐伶、張宗福 7. LabVIEW溫度監控感測系統……………… 25 李雨潤、陳志銘、沈瑞宏、顏志瑋、陳清華

8. LED商業廣告燈……………………………29 何士玄、蔡鐙興、張文成

專題製作暨專利委員會

召集人：戴國圓

委 員：林世忠、范淑媛、吳文誌、王顯華

1

無線感測網路安全監控機器人 組員: 劉秉宸 賴勁宇 指導老師：林永堅 老師

日四技電機四 A

摘要

近年來社會新聞上, 有時看到竊賊在室內(或室外)，無法即時處理，而令人遺憾，是否可以利用即時監控的感應裝置，做即時的

處理，如發出聲響或其他警示訊號。因此我

們將針對居家安全監控問題，利用 Android系統開發平台，結合 JAVA 開發應用程式的技術及無線感測網路，開發設計一個無線網

路安全監測機器人，以實現安全監控之功

能。

一、前言 智慧型手機的便攜性、便利性使智慧

型手機廣為普及，隨著智慧型手機功能導

向發展、及無線網路的蓬勃發展，本研究

透過 Android 智慧型手機系統與智慧型感測器之整合，監控與控制輪式機器人感測

器系統。 為了使移動機器人能夠在許多複雜

及未知的環境下而自主行動，更多的感測

裝置與通信系統就顯的更為重要。機器人

透過感應器解析環境，運用內建智慧系統

來動作以迎合環境的變化，同時使用者也

可以透過網路進行遠端的監控機器人的

工作情形。因此，不僅僅使用紅外線與超

音波甚至於雷射之類的距離感測設備，可

以使人們直接看到機器人所面對的環境

也相形的具備一定的重要性，尤其是在遇

到機器人本身智能所無法解決的問題，藉

由網路的傳遞訊息讓人們在遠端瞭解狀

況並進行直接控制是有必要的。當然機器

人本身若能針對一些特定的目標進行料

處理分析而進行動作，對於一個機器人的

自主性有相對性的幫助。本論文希望建構

一個具備人體感測器、氣體感測器、溫度

感測器、無線網路通訊的自主機器人，並

且能容易的做後續研究發展為主要目標

的自主式機器人。

二、實驗步驟與原理 無線橋接器(AP)原理

橋接器是工作在OSI 參考模型的數據鏈路層（Data link layer），亦即它是利用MAC位址作為決定訊框前送之依據，利用一個本地橋接器互連兩個區域網路。

當一個橋接器開始運作時，它會檢查每個

網路上所有傳送的訊框，經由讀取訊框上

的來。源位址，它具備組合每一個網路上

本地位址表的能力，因為每一訊框含有目

的的位址，他就是利用該位址作為操作訊

框前（Forwarding）、過濾（Filtering）或溢流(Flooding)之決策準則。若目的只是本地位址表上，並表示不再訊框接收埠上，

則橋接器叫用該位址轉送該訊框；而訊框

的目的位址是在接收埠上，則該訊框已處

在正確的網路上，如此橋接器就放棄或過

濾訊框。設若目的的位址不在本地位址表

上，橋接器就傳送該訊框不是訊框接收部

之其他所有埠，此技術叫做Flooding。

Android智慧型手機系統其主要內容及應用領域概述如下： 觸控感測器(Touch Sensor) 觸控感測器是智慧型手機、 平板電腦、

2

ATM和GPS等等的基本功能，使用者將物體(手指或感測筆….)觸碰到觸控感測器(螢幕)，微處理器透過演算法可以得到物體觸碰的位置。 重力加速計 (G-sensor) 重力加速計是一種偵測物體速度的裝置，

電容式重力加速計利用物體受到外力而

產生加速度，當加速度變化時，位移會發

生變化，計算電容的變化量就可以得到一

個方向的加速度，當偵測物體突然的加速，

加速計會送訊號給微處理器， 微處理器透過介面傳輸對偵測物體下達相對應的

指令，保護該偵測物體。 陀螺儀 (gyroscope) 陀螺儀是一種用來感測與維持方向的

裝置，基於角動量守恆的理論設計出來

的，陀螺儀主要是由一個位於軸心且可

旋轉的轉子構成，陀螺儀一旦開始旋轉，

由於轉子的角動量，陀螺儀有抗拒方向

改變的趨向，陀螺儀與重力加速計的整

合可應用在衛星導航系統, Wii和其它遊戲。 智慧型輪式機器人感測器其主要內容及

應用領域概述如下： 溫度感測器 (Temperature Sensor) 感測器原理是將感測元件偵測到的溫度

變化轉為電阻變化，再以電壓方式輸出。

溫度感測器除了一般測量溫度之外，以應

用於各種電器產品已預防電器產品產生

高溫而損壞．溫度感測器大略分為膨脹、

電阻、電流、電壓、頻率變化型。(如圖 1 )

圖1 . 溫度感測器

紅外線感測器(PIR sensor) 是利用人體溫度與周圍環境溫產生的電

荷現象變化來進行感測，基本原理是熱釋

電效應，即元件受熱時，會在受熱面與不

熱面兩端產生正負相反的電荷集中。此時

在元件兩端並聯的一個電阻會有電流通

過，如此等同一電壓訊號。比較電壓高於

某個值時，便可知有無人體接近常用來作

防盜報警、來客電動門、非接觸開關和火

災警報器等。 (如圖 2)

圖2. 紅外線感測器

首先將以一台無線分享器台，搭配

平板電腦或者智慧型手機及Android機器人控制程式做為系統軟硬體之主體架構。

結合無線感測網路及行動機器人，偵測周

遭環境狀態，透過WiFi無線通訊傳送資訊至遠端的平板電腦或智慧型手機，並適時

予以控制處理，以實現安全監控之設計目

標。 (如圖 3)。

3

圖3. 系統網路硬體架構

此系統網路硬體的架構上主要透過

人體紅外線感測節點來偵測是否有人待

在房子中，並將收到的訊號傳送給使用者。

並搭配光照度感測節點來判別白天或夜

晚來進行燈光的調解，如有緊急狀況，立

即回報使用者或者警察處理。

三、成品簡介 圖 4 為無線感測網路安全監控機器

人之實體成品。圖 5 為平板電腦之應用程式-連線設定。圖 6為平板電腦之應用程式-手動操作。圖 7為平板電腦之應用程式-

體感操作。

圖 4. 無線感測網路安全監控機器人

圖 5. 平板電腦之應用程式-連線設定

圖 6.平板電腦之應用程式-手動操作

圖 7.平板電腦之應用程式-體感操作

平板電腦/智

慧型手機

溫度感測器 自主行動機

器人

人體紅外

線感測器

無線路由器

4

無線感測網路安全監控機器人之功能設計

如下所示： 1. 利用無線分享器把機器人與平板電腦/

智慧型手機做連結。(如圖 4、圖 5) 2. 藉由手動控制或體感控制機器人的行

動方向。(如圖 6、圖 7) 3. 自動狀態若為手動開啟中，則機器人不

會自動行走，須靠人遙控操作；自動狀

態若為自動開啟中，則機器人會自動行

走避障，不須遙控操作。 4. 藉由機器人裡的內裝的感測器會依照

每個功能與繼電器做自動控制，例如：

人體紅外線感測器，如果感測到人，則

有一台與電燈連結的繼電器會把電燈

做開啟的動作，溫度感測器，如果感測

室溫到 30度以上，則有另一台與電扇

連結的繼電器(如圖 8)會把電扇做開

啟的動作。

圖 8. 繼電器

四、實驗結果與討論 當感測器偵測到有人時，會將此信息

透過無線路由器之架構，送出偵測到的信

號；當平板電腦/智慧型手機收到信號後，

會回傳到無限路由器，計而把信號傳送至

繼電器上，同時，也會透過聲音模組發出

警告，告訴附近之使用者。

五、結論

我們利用手機和平板的 Android 應用程式藉由無線路由器(AP)原理與機器人做區域網路的連結(如圖 3)。讓繼電器與機器人

藉由無線路由器來產生聯結性，透過手機

或平板發出監控指令，由路由器轉送到機

器人,再由機器人透過無線路由器把指令傳送到繼電器，啟動設備開關，實現無線

感測網路安全監控機器人之設計目標。

參考文獻 1. 溫度感測器 AD590 之分析與應用-羅東高中

http://www.shs.edu.tw/works/essay/2010/11/2010111511481335.pdf 2. 感應器技術資訊-大賀電子股份有限公司

http://www.ohga.com.tw/technology-info.php?id=18 3. 氣體感測器原理與應用-三聯科技股份有限公司

http://www.sanlien.com/ad/san_tech.nsf/foundationview/836522106181709A482577A5002C8968/$FILE/77-25-31.pdf 5. 無線存取點-維基百科 http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%84%A1%E7%B7%9A%E6%8E%A5%E5%8F%96%E5%99%A8 6. 路由器-維基百科 http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%B7%AF%E7%94%B1%E5%99%A8

5

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電磁圖環發射器

組員:黃嘉穎.陳盈志.林冠彣.丁弘翔 指導老師:林世忠

班級:日四技電機四 B

摘要

推動不同物體方法很多，例如用火藥、

彈簧或水力等。除了這些方法以外，你是

否會想到用電磁力呢?電磁力的原理很簡

單，基本上它是兩個帶同極性磁(N或 S)

的物體靠近後，所產生的排斥效果。本文

所要介紹的這個電磁圖環發射器就是基於

這個原理設計的。

關鍵字: 電磁力，電磁圖環

一、前言

電磁圖環使用簡單兩個帶同極磁性

的物體靠近後所產生排斥效果，具有速度

快、射程遠、威力大、重量輕的發射能力，

是非常優良的發射器可延伸於軍事武器上，

隨著電磁發射技術的發展，在普通火砲的

砲口如果加裝電磁加速系統，電磁炮能達

到傳統火炮不可能達到的超高砲口出速。

二.專題工作原理

電磁圖環發射器的電路圖如圖 1.所

示，包括了四個部份:時脈電路、下數/顯

示電路、觸發電路及重置電路。時脈電路

以一顆 555計時器 U5及周圍零件構成，計

數電路以一顆 ECG8368七節燈管鎖閘/解

碼/驅動器(U4)以及一顆共陰極七節燈管

DISP1所構成，觸發電路由一顆 MOC3010

光耦合子(U6)聯接一顆雙向閘流體

(Triac)SK3665構成，重置電路則由一顆

兩輸入的反極閘 7400(U1)、一顆 555計時

器(U2)即一些零件組成。

當這個電路加上電源後，其正反器的輸出

端腳 6會變為低電位，連接至 U3的腳 11，

將 U5時脈輸入擋住，DISP1顯示數字”9”。

按下 S1按鈕之後，正反器輸出轉為高電位，

U3啟動並開始往下數，輸出的 BCD碼被轉

為數字並顯示在 DISP1上。

當 U3輸出的數值降到”0”時他的輸

出端腳 12會變成高電位，這高電位訊號被

分往兩邊，一邊流經電阻 R5後，到達光耦

合子 U6的腳 1，使得 U6內部的發光二極

體發亮，其內部的閘流體因而導通，接著

外部閘流體 TR1SK3665隨即被觸發，一股

突發的電流立刻流向鐵桿上的線圈 L1。當

這股電流流經 L1的同時，套在鐵桿外面的

鋁環會產生相對的感應電流，兩者的電場

互斥的結果形成了推力，將鋁環迅速的推

向空中。在產生互斥推力的同時，其 U3

的腳 12訊號並流向另一端，先經過電阻

R4後，送入電晶體 Q1的基極，使得 Q1導

通，U2的腳 2因此變成低電位，觸發了這

顆單穩態 555計時器。經過大約 0.5秒之

後，計時器的腳 3變成高電位，正反器從

U1-a的腳 1收到這高電位訊號後，腳 6掉

為低電位，再次的將計數器重置，並且使

計數器的輸出數值等於 9。在另一顆 555

計時器旁邊的可變電阻 R8，負責調整時脈

的頻率，間接的控制了數字下數的速度。

由 T1、BR1、U7及 C4組成的電源供應

線路，負責供應5伏特的電源給整個電路。

變壓器 T1將 110伏特的外部交流電轉為

12伏特的交流電，BR1 將此 12伏特交流電

轉為直流電，直流電經 C4濾波後送給整流

子 U7，最後產生穩定的 5伏特直流電源。

一、成品製作

6

電磁圖環發射器用萬用電路

板為主電路板，使用單芯線連接。

有極性的零件如二極體、閘流體、全

波整流子等，要注意它們的方向。這些零

件的方向如果弄錯的話，小則燒壞電路，

大則可能使你遭受到強烈的電擊。

L1是一個用 1/4磅 28分的漆包線繞

在直徑1/2吋紙桶上、長度為3吋的線圈。

這個線圈用手繞好之後，套在長一呎的鐵

棒上。線圈的尾端連上兩條較粗的電線後，

用熱融膠將它整個固定。

發射用的鋁圈，是不會被磁化的金屬，

如果用會被磁化的金屬，那它反而會被線

圈吸住，這設計就無效了。

四、檢測

插上電源後，七節燈管 DISP1會顯示

數字”9”，按下按鈕數字就開始倒數。如

果數字沒有反應，檢察 U5的腳 3，如果有

時脈訊號的話，在檢查 U3的腳 3，2，6，

7是否有二進位值輸出給 U4的腳 7，1，2，

6上。另外再檢查 U4的腳 5，16是否有電

路。

當數字倒數至”0”時，單穩態計時器

U2應該會被觸發，如果你有邏輯筆或示波

器，你就可以觀察到數字到”0”時，電晶

體 Q是否有將 U2的腳 2拉為低電位。約經

1秒之後，U2的腳 3應該會變成低電位，

並將正反器重置，此時 U3的腳 11應該也

會變成低電位，結果計數器停止倒數，輸

出的數字停留在”0”。

如果倒數到”0”，金屬環沒有被彈出，

檢查 U3的腳 12是否有變成高電位去觸發

U6，如果有的話，檢查閘流體 TR1是否有

收到光耦合子送來的觸發電壓，如果這一

段能然正常，在檢查 TR1是否正確連接，

如果接線沒問題，那就換一顆 TR1，重新

再檢查線路。

圖 1.電磁圖環發射器電路

圖 2.專題成品

7

交通號誌燈控制器

林立德 鄧任傑 林駿銘 許家榮 指導老師：黃昆松

夜電機工程四 A

摘要 我們的專題是製作交通號誌燈控制器，

他是利用幾個 IC 組成，其功能是控制三顆不同顏色的 LED 交替點亮，藉以模擬交通號誌燈。由計時 IC-NE555 產生脈波送至計數 IC-CD4017，最後送到解碼 IC-4011控制 LED。過程中使用不同的 IC，讓我們學習每個 IC 的功能。 關鍵詞:IC、LED

一、前言 馬路上的交通號誌跟交通號誌控制器

其實是不一樣的東西，但是原理一致，我

們可以用簡單入手的材料來製作交通號誌

控制器方便了解馬入上的交通號誌是如何

運作、原理，也可以研究在馬路上的交痛

號誌可以加入的系統運作與動作原理,並且改進與研究如何使系統發揮更大效益。

二、電路原理及材料表介紹 電路原理

圖 1.交通號誌控制器方塊圖

圖1中定時脈波產生器只是一組可調整週期的定時電路，它被用以產生一連串

的定時(可調)脈波；計時電路是一組十進制輸出的計數器，它是一組十進制計數器，

只是輸出已被解碼成“0”到“9”十個輸出；綠燈解碼電路是一組組合邏輯電路，它可

將“0”到“9”十個輸出信號重新組合，以控兩只綠燈亮或滅的時間；而紅燈控制電路

它是一組除2的正反器，系利用計時電路“0”到“9”計數輸出的循序變化特性，來達成分別控制兩只紅燈的亮、滅變化。

上電後會先啟動電源預設電路避免因

電源開啟瞬間的不穩定狀態造成錯誤的輸

出。再 Q 跟 Q’=0 或 1 時重新啟動定時脈波產生器，當一連串的脈波傳送到計時電

路後由 4017 的 Q0~Q9 接收到脈波後做其動作將脈波送入紅燈控制器以及解碼電入

中在透過電流驅動器放出大電流使 LED燈亮。

電源預設電路: 是一組R-C 的充放電電路，它在經電

晶體反相後，可使電路在電源開啟的瞬間

產生一組0 與1 的尖波，以用來分別設定系統中各電路的初使狀態，使系統在電源

開啟後，能依設定狀態依序動作，以避免

因電源開啟瞬間的不穩定狀態造成錯誤的

輸出。 定時脈波跟閃爍脈波(NE555):

都是以(電容+電阻+NE555)後產生一連串定時脈波輸出配合計時電路來使用的

8

可控制LED的秒數以及閃爍時間。閃爍脈波產生器是一組可控制的定時脈波產生電

路，它藉由計時電路的輸出控制，在綠燈

亮的未段期間輸出一連串的脈波，以控制

綠燈形成閃爍狀態。 計時電路(4017):

當 NE555 輸入一連串脈波時，輸入端Q0~Q9 持續輪流輸出高電位，提供 2 組紅綠燈解碼電路即控制電路以產生燈號的順

序變化，其中 Q4 跟 Q9 是控制黃燈 Q0~Q3以及 Q5~8 控制綠燈 ，當 Q0 跟 Q5 接受到脈波時也會跟著啟動 4013 中的 D 型正反器

紅燈控制電路(4013): D 型正反器的 Q 輸出被利用來控制紅

燈當Q=0、Q’=1時L7紅燈亮L4紅燈滅 當Q=1、Q’=0 時 L7 紅燈滅 L4 紅燈亮 他的Q 跟 Q’是由 4017 的 Q0 跟 Q5 輸出脈波控制再電源開啟時 Q=0、 Q’=1 關係 L7 亮 L4 滅當 Q5 輸出=1 時CD4013 轉態為 Q=1、Q’ =0，使 L7 滅、L4亮。當CD4017輪回到Q0輸出為 1後，則 CD4013 又轉態為 Q=0、Q’ =1，使 L7亮，L4 滅。

解碼電路(4011) (4002): 當接受到計時電路的脈波後將脈波解

碼成"0"到"9"十個輸出解碼電路是一組組合邏輯電路，它可將"0"到"9"十個輸出信號重新組合，以控制兩只綠燈亮或滅的時

間 電流驅動器(UN2003):

他是用 UN2003 的每一個閘在被輸入1 時輸出端就會吸入一股大電流，使所控制的號誌燈亮

備註積體電路特點: 1.只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振盪延時作用。其延時範圍極廣，

可由幾微秒至幾小時之久。

2.它的操作電源範圍極大，可與 TTL，CMOS 等邏輯電路配合，也就是它的輸出電平及輸入觸發電平，均能與這些系

列邏輯電路的高、低電平匹配。 3.其輸出端的供給電流大，可直接推動多種自動控制的負載。

4.它的計時精確度高、溫度穩定度佳，且價格便宜。

三、硬體成品

我們按照圖 2 中的電路所示，準備相關的材料如表一所示。將所有元件按照電

路圖接好後以麵包板先做接線測試，確認

功能完整後再將材料焊接在洞洞板上。 圖 3 所示為已完成的成品照片，LED

燈分兩組，對向三顆紅黃綠 LED 為 A 組，其餘為 B 組。接上直流 9V 電源後測試功能，當電源開啟時 A 組綠燈亮，同時Ｂ組紅燈亮，Ａ組綠燈亮完時會先閃爍再變黃

燈，此時Ｂ組紅燈保持不變，當Ａ組黃燈

熄滅變紅燈亮，此時Ｂ組即便成綠燈亮，

接著綠燈閃爍，如同 A 組，依順序循環。每個LED亮的時間是可以由SVR1調整。綠燈閃爍的頻率可以由 SVR2 調整。

四、討論與心得 我們電路製作是由於電子電路構成

的元件眾多且繁雜，佈線面上有幾百個焊

點與佈線，所以在進行故障檢修時，必須

先充分了解電路架構及其各功能方塊圖。

為了盡量避免故障點的產生，在組裝時，

更應沉著以對。從組裝,元件數值得確認、焊接、到點對點的佈線皆應留意，避免空

焊、假焊、短路或接錯等現象發生。初期

若只是用麵包板插件則增加電路製作複

雜度，且降低電路的穩定度，所以，在驗

證其電路是否能夠大量生產與製造，初期

的萬用板電路製作仍有其存在的必要。如

9

http://b.baidu.com/view/23361.htm

何能夠正確無誤完成電路實作則非常重

要了,必須了解電路 IC 及元件在洞洞板的方位,每個 IC 的用途及腳位接點如何在洞洞 板 連 接 , 製 作 這 電 路 學 習 到NE555+CD4017 的功用及 IC4011 4002 是解碼電路, UN2003 是電流驅動器…等。最

後我們要感謝老師的指導及給我們的意

見我們才能完成這個專題。 製作完成後，我們發現若要將紅黃綠

三顆 LED 分開來調整時間要如何改變電路才能變成我們想要的結果?

1 R9.R10 電阻

器 10KΩ1/4W 只 2

2 R11 電阻器

排阻

1kΩX6 只 1

3 L2.L5 發光二極

體

5mm 綠色 只 2

3 L3.L6 發光二極

體

5mm 黃色 只 2

4 L4.L7 發光二極

體

5mm 紅色 只 2

5 U4 積體電路

CD4017 只 1

6 U5 積體電路

CD4002 只 1

7 U6 積體電路

CD4011 只 1

8 U7 積體電路

UN2003 只 1

9 J2 簡易接頭

9PIN,90°母 只 1

10 R1 電阻器

100kΩ 只 1

11 R2 電阻器

6.8kΩ 只 1

12 R3 電阻器

2.2kΩ 只 1

13 R4.R6 電阻器

4.7kΩ 只 2

14 R5.R8 電阻器

1 kΩ 只 2

15 R7 電阻器

470Ω 只 1

16 SVR1 可調電阻

器

500KΩ 只 1

17 SVR2 可調電阻

器

300KΩ 只 1

18 C1、C2 鉭質電容

器

4.7μF/16V 只 2

19 C3、C4 陶瓷電容

器

0.01μF/50V 只 2

20 C5 電解電容

器

10μF/16V 只 1

21 Q1 電晶體

2SC1815 只 1

22 U1、U2 積體電路

NE555 只 2

23 U3 積體電路

CD4013 只 1

24 J1 簡易接頭

9PIN,90° 公

只 1

表一、

10

圖 2.交通號誌電路圖

圖 3.成品圖

11

太陽能鍋之研製

組員：丁肇延 李一葦 李楷偉 鄒世清 指導老師：張宗福

班級:日四技電機四 A 摘要

現在，全球能源進入逐漸減少的

危機，同時為順應現今溫室效應對環

境及氣候造成變化之嚴重衝擊，再生

能源技術的開發與應用日益重要，而

能源技術的不斷創新及朝向能源多元

化的發展，亦已成為世界各國能源政

策一致努力的目標。本專題製作係為

一太陽能鍋，是利用太陽之光輻射所

產生的熱能，透過碟型天線盤上之鏡

面反射膜，將熱能反射聚焦於鍋子上，

進而加以烹煮食物。

一、前言

在全球人口逐漸增加與各方資源

例如石油逐漸減少之下，從這兩個明

顯的趨勢對比情況就可以得知，當人

口增加的同時，表示對能源需求也會

明顯地提高，然而所造成的環境汙染

也會相對提高。最為嚴重的，還是過

度開發與大氣汙染等，這兩大問題不

但嚴重造成了全球各地的氣候變遷與

溫室效應之衝擊外，城市的土地建築

開發也是造成氣溫上升的原因之一。

因為建築往往除了採光的需要外，並

不需要多出來的太陽光，更不提這些

建築並沒有轉換太陽光的功能，太陽

光照射在上面也會產生廢熱，因此這

些照射下來的太陽光也就成了由廢熱

所產生環境污染之熱汙染。所以再生

能源技術的開發與應用日益重要，而

能源技術的不斷創新及朝向能源多元

化的發展，亦已成為世界各國能源政

策一致努力的目標，同時這也意味著

能源使用的新舊交替與取代已不遠

了。

過去，為了提供所需要的電能，

一直以來是以火力發電通過各種旋轉

機械將燃燒產生的熱能轉換為機械能，

然後驅動發電機。原動機通常是蒸汽

機或燃氣輪機，在一些較小的電站，

也有可能會使用內燃機。他們都是通

過利用高溫、高壓蒸汽或燃氣通過透

平變為低壓空氣或冷凝水這一過程中

的壓降來發電的，其燃料則是通過燃

燒諸如煤、天然氣及石油等等方式來

發電的發電廠[1]。 然而，火力發電廠是二氧化碳的

主要排放來源。近一百年來這種溫室

氣體的大量排放導致全球變暖。每產

生一度電，褐煤排放的二氧化碳大約

是天然氣的 3 倍，黑煤則是天然氣的 2倍。而台灣目前所使用的核能發電是

利用可控核反應來獲取能量，從而得

到動力、熱量和電能。產生核電的工

廠被稱作核電站，將核能轉化為電能

的裝置包括反應爐和汽輪發電機組。

核能在反應爐中被轉化為熱能，熱能

將水變為蒸汽推動汽輪發電機組發電，

以減少大氣汙染來說是最有競爭力，

但因核輻射問題和現在人類還只能控

制核裂變，所以核能尚未得到所有國

家、民眾的認可，在大部分的國家暫

時未有大規模的利用，再來核能發電

還有眾多問題，如建造成本高與安全，

如果建造過程稍有疏失輻射問題將會

爆發不可收拾以及核能的廢料處理[1, 2]。

反觀，如果說世上還有取之不盡

用之不竭而且不必花錢就可以有隨手

取得的能源，那

太陽能就是最

適合不過了。太

陽放射到球的

能量，每年約

13 億仟卡的一

12

兆倍。為人類全年所需能量的二萬六

千倍，也就是人類只要能完全利用 20分鐘的日照能量，便可以供應人類全

年所需的能源，雖然以目前綠能技術

所做出的效能可能還不到其所需求量

且成本也高，但論其所講求的安全性

絕對是比核能發電來得實在，另外利

用太陽能烹調食物不用燃燒任何東西

(除了太陽自己)也是相當環保的，可

以減少二氧化碳的產生。現在全世界

大約有十萬人經常使用太陽能烹煮器

來燒開水及煮東西。如果有更多人知

道這項實用的技術，那麼，一些貧窮

地區的居民，便可以利用這個省錢的

方法，來減輕生活負擔[3]。

二、太陽能鍋種類介紹

太陽能鍋的種類通常分成三個種

類[4, 5]；即箱型、摺疊型及拋物面型，分別簡單說明如下:

1) 箱型：顧名思義就是箱子型的太陽能鍋，外表是一個有摺蓋、內部有

貼有反光膜的保溫箱。箱式太陽能

鍋的好處是可以緩慢而均勻地烹調

大量食品。一般說來，要比瓦斯爐

慢上一倍。但因為烹煮過程不需要

照顧，連開蓋防溢或者攪拌都不要，

所以它比瓦斯爐要方便多了。再來，

如果要做一個箱型太陽能鍋的話，

只要找個大小適當的箱子、反射效

率較好的鋁箔紙和一些所需要的工

具跟材料，就可做出一個簡易型的

箱型太陽能鍋了。圖 1 所示為箱型太陽能鍋圖。

2) 摺疊型：把貼了鋁箔的紙板折成許多不同的形狀，使陽光集中於鍋上。

其最大優點是成本低廉，方便攜帶

又不佔空間，比箱型太陽能鍋更容

易製作。但這種設計只能容納一口

鍋，而且煮不了太多東西，同時摺

疊型太陽能鍋也因熱力有限，通常

要用一個塑膠袋或玻璃罩把鍋套起

來保溫。也有人發覺它加熱不均勻，

所以要時不時地攪拌食物。圖 2 所示為摺疊型太陽能鍋圖。

3) 拋物面型：用一個碟形的反光盤把陽光匯聚在鍋底。好處是和用火爐

一樣快。缺點是需要經常調整以追

隨太陽、並可能有燒焦食物及傷害

眼睛的風險。統的拋物面太陽能鍋

用起來和普通瓦斯爐相似。它在鍋

底發熱。熱力強，煮得快。但食物

會溢、會焦，要小心照看。圖 3 所示為拋物面型太陽能鍋圖。

圖 1 箱型太陽能鍋

圖2 摺疊型太陽能鍋

圖 3 拋物面型太陽能鍋

三、太陽能鍋的原理

太陽能鍋是利用太陽光的紅外線

輻射所產生的熱能來烹煮食物。如何

製作太陽能鍋，其實方法很簡單，只13

要掌握光與熱的兩項基本原理便可輕

易達成太陽能鍋的功能。另外，在製

作太陽能鍋的時候，須了解並應用三

個自然原則[5]： 1.光線照射到淺色或明亮的表面時，會被反射到另一個地方。

2.當太陽光照射在深色的表面會轉變成紅外線輻射（熱）。

3.陽光很容易穿過透明的窗戶，但紅外線輻射（熱）並不會如此，所以熱可

以被保存起來。

本專題之太陽能鍋是拋物面型的

太陽能鍋，其應用原理如圖 4 所示。

四、成品介紹

本專題製作的太陽能鍋是拋物面

型太陽能鍋，其架構是一體成型的碟

形天線，以此為主體進行製作，通常

太陽能鍋鏡面若以切割好的玻璃鏡片

進行黏貼成形或以不銹鋼為材料製成

一體成形之太陽能鍋，本身鍋子重量

會很重。因此，本專題為求其輕便且

具擁有同等效能，以鏡面反射膜紙來

進行黏貼，如圖 5 所示為反射膜紙黏貼於碟形天線上，亦是本專題成品。

所以本專題比具有玻璃鏡片的太陽能

鍋之重量來的輕。

此外，拋物面型太陽能鍋無疑是三個

種類中效率最高，同時也是三個種類

中最難製造的，主要是有拋物面角度

的鍋體需要訂做，不然就是以碟形天

線（俗稱小耳朵）為主體來入手。為

講求反光最好之效率，大小直徑起碼

要有 100cm 以上，而支柱腳架至少要以三腳為主體並設立在鍋體圓弧邊緣

做三角形式才能撐住，圖 6 所示為調整太陽能鍋焦距的支撐架。若太陽能

鍋直徑小於 90cm 以下的話，就不必這麼麻煩，只要將支撐架設在鍋體中心

底部便可。本專題之太陽能鍋因大小

直徑為 120cm，為了因應太陽能鍋的大小，特地製作特長型放鍋置架如圖 7所示，以便於烹煮食物。

圖4 拋物面型太陽能鍋之應用原理

圖5 太陽能鍋完成圖

圖6 調整太陽能鍋焦距的支撐架

14

圖7置放鍋子的支架

五、太陽能鍋之實測數據

為了測試本專題製作之太陽能鍋

的效能，我們在 2014/1/5 的中午 10~12 點間做一簡單的測試。當天的天氣為寒風多晴，戶外溫度約 18 度，測試食物以水為主而泡麵為附加。雖說

萬里無雲，但戶外溫度不是很高，太

陽所產生的熱能並無法足夠讓水煮沸，

但作為煮泡麵的水來說勉強可以。然

而，我們相信當太陽的熱度更高，熱

能聚焦若能更好，一定會有更完美的

表現。表 1 所示為本太陽能鍋之實測數據。

表 1 為本太陽能鍋之實測數據 時間 鍋內溫度 水的變化

11:15 23 度 無 11:45 64 度 周圍有水珠 12:15 68 度 開始有水蒸氣

六、結論

以前的人口沒有這麼多的時候，

資源的利用可說是相當充足，如今

世界人口增加，可用資源也因而銳

減所剩無幾，但是現在的趨勢逐漸

走向環保概念，只要有效利用太陽

能鍋或是最近常聽到的沼氣瓦斯就

能烹煮食物，或者是利用風力、水

力等自然能源，就能夠達到環保與

發電。

本專題的實驗時間都是在冬季

的晴天，雖然比起夏季的晴天的日

照強度要弱上不少，但經過三次的

實驗結果證明，在時間接近中午的

十點整到接近下午的兩點整是熱度

最好的時機，同時適當的把這些較

微弱的太陽輻射熱能聚焦起來並稍

微調整聚焦角度，使熱能量密度提

高，仍然可以做其他的應用。

參考資料

[1]http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%81%AB%E5%8A%9B%E7%99%BC%E9%9B%BB%E5%BB%A0

[2]http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%A0%B8%E7%94%B5

[3]http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1609012206629

[4]http://tw.knowledge.yahoo.com/quest ion/question?qid=1009051501725

[5] 大地旅人環境教育工作室。

15

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小型垂直風力發電機之研製

組員：許伯誠 彭裕翔 王哲崇 林帛緯 指導老師：張宗福

班級:日四技電機四 A 摘要

本專題製作主要是研製一垂直軸

雙傘式風力發電機，此風輪機由上、

下傘式風輪機所構成之雙傘式垂直軸

風力發電機。上、下傘式風輪機隨著

風力而分別順、逆時鐘方向旋轉。上

傘式風輪機並不帶動發電機，純粹與

下傘式風輪機產生相反的旋轉方向做

為觀賞用，而下傘式風輪機的主要目

的是用來帶動發電機。傘式風輪機是

根據葉片的翼形結構，利用風的氣流

所產生之風壓差，透過垂直軸風力機

的葉片帶動，進而由發電機感應出電

壓。因為風力發電機是不會造成污染，

也不會破壞生態，更重要的是風能具

有取之不盡、用之不竭的優點，亦是

再生能源的最好選項之一。

一、前言

風力是純淨的一種自然能量，雖

受季節與地形的影響也有風速的變化，

但風力是可以人為轉換成電能的，為

何不把握時機將這股自然能量轉換為

電能，慢慢替代火力、核能等等非自

然可再生能源，雖然現在風力發電機

產生的電能，比不上核能、火力發電

有穩定的輸出。但是風力由於是自然

能源，沒有廢熱及放射性核廢料，所

以不會造成太多的環境污染問題。

風力發電機是靠風力來推動的，

所以風的產生是由於太陽將地表的空

氣加溫，空氣受熱膨脹變輕而往上升，

熱空氣上升後，低溫的重空氣就從四

周橫向流入，因而形成空氣的流動，

這就是風。我們專題就是來尋找風的

價值與乾淨的能源太陽能，目前地球

上不用破壞大自然又可以產生對人類

有幫助的能源，就是風能跟太陽能。

再來，因為氣候變遷與保護環境，再

生能源具有潔淨、低溫室氣體排放及

自產能源的特性，愈來愈多的國家將

再生能源列為重要的未來能源政策重

點之一，我國的能源政策，也跟著世

界潮流邁向乾淨的能源。風力發電機

為現今相當受重視之再生能源，雖然

風力發電沒辦法跟我們現在的火力、

核能、水力相當，但使用的電力卻相

當差不多，而其所帶來之有形與無形

效益卻相當大。

二、風力發電的結構

風力發電機的結構一般可以分為

葉片、塔架、發馬達等。如下簡略敘

述風力發電機結構的相關功能:

1 葉片:因為葉片的翼型結構使得空氣的流動產生阻力和升力的作用下，

進而推動葉片。

2 塔架:使發電機轉動時增加抓地力減緩晃動加以穩定旋轉。

3 發電機:經由葉片轉動所獲得的機

械能，進而帶動發電機產生電力的

輸出。

16

風力機又可以分為水平軸式風力

機和垂直軸式風力機、由於垂直軸風

力機具有任意方向的風力便可運轉發

電的優點。換言之，不需要考慮風向

問題，垂直軸風力機不像向水平軸風

力機需要調向裝置來迎風，因為這種

風力機的設計結構比較簡單。然而水

平軸的風力機則是需要調向裝置等，

在結構上就顯得比較複雜一些。本專

題製作主要是研製一垂直軸雙傘式風

力發電機。上、下傘式風輪機隨著風

力而分別順、逆時鐘方向旋轉。上傘

式風輪機並不帶動發電機，純粹與下

傘式風輪機產生相反的旋轉方向做為

觀賞用，而下傘式風輪機的主要目的

是用來帶動發電機。

三、風力發電的原理

風力發電機採用空氣動力學原理，

是利用風力帶動葉片旋轉，就像飛機

的機翼一樣，再透過將旋轉的速度提

升，來促使發電機發電。依據目前的

風力發電技術，大約是每秒三公尺的

微風速度（微風的程度），便可以開

始發電，並產生風速在每秒十三至十

五公尺時（大樹幹搖動的程度）的輸

出力道。風並非"推"動風輪葉片，而

是吹過葉片形成葉片正反面的壓差，

這種壓差會產生昇力，令風輪旋轉並

不斷橫切風流。風力發電機的風輪並

不能提取風的所有功率。根據 Betz 定律，理論上風電機能夠提取的最大功

率，是風的功率的 59.6%。此外、風力發電設置地點須風性良好（風期長、

平均風速大、風力平穩）且不受遮擋；

並考慮地理環境適宜及交通便利，以

減少投資成本並增加出力。一般常設

於田埂、河堤、防風林、山脊等，海

邊因不受阻檔亦為極佳之設置場所。

如下簡略敘述風力發電機原理的各項

特性分析[1-8]: 1) 風力機的輸入功率

風力機的輸入功率( AP )，它的定義是單位時間內穿過風力機掃掠面積的

動能， AP 之表示如式子(1)所示。

323

2

A V D 8 V A

21

t

V m21

⋅⋅ρ⋅π=⋅⋅ρ⋅=⋅

=Ρ (1)

其中

m 為流動空氣的質量 (kg) V 為風速 (m/sec) ρ 為空氣密度 (kg/m3) A 為葉片旋轉面積 )m( 2 D 為風力機直徑 (m)

2) 風力機的輸出功率 所有風力發電機的功率輸出是隨

著風力而變的。強風下最常見的兩種

限制功率輸出的方法（從而限制風輪

所承受壓力）是失速調節和斜角調節。

使用失速調節的風電機，超過額定風

速的強風會導致通過業片的氣流產生

擾流，令風輪失速。當風力過強時，

業片尾部制動裝置會動作，令風輪剎

車。使用斜角調節的風電機，每片葉

片能夠以縱向為軸而旋轉，葉片角度

隨著風速不同而轉變，從而改變風輪

的空氣動力性能。當風力過強時，葉

片轉動至迎氣邊緣面向來風，從而令

風輪剎車。風力機的輸出功率( P ) 是指轉變為機械能的功率，其式子表示

如下

3

2VACP ⋅⋅

ρ⋅=Ρ (2)

其中

a、當 V=常數，P 正比於 D 的平方，即風速一定時，風力機的輸出功率

17

和風力機的直徑平方成正比。

b、當 D=常數，P 正比於 V 的立方，即風力機的直徑固定時，風力機的

輸出功率和風速的立方成正比。

c、當風力機直徑及風速不變時，風力機的輸出功率和 PC 成正比。

d、當風力機輸出功率和風力機葉片數無關時，但卻與空氣密度成正比。

3) 風能利用係數 PC 風能利用係數 PC =風力機的輸出

功率/風力機的輸入功率= AP/P (3) 風能利用係數是表示風力機效率的重

要參數，它可看出風力機從風中獲得

的有效能量的比例。根據貝茲(Betz)理論，風能利用係數的最大值為 0.593。 4) TSR 風力機的頂端速度比

在風速為 V 時，風力機葉片尖端的速度和該風速的比，稱為頂端速度

比(TSR)。而頂端速度比表示如式子(4)所示。

VR⋅ω

=λ (4)

其中

ω 為發電機旋轉角速度 (rad/sec) R 為風力機葉片半徑 (m) 由此可知，頂端速度比為反映在一定

風速下，風力機轉速高低的參數，故

又稱高速性係數。

5) 風力機的轉矩係數 風力機的輸出功率(P) 也可以用

風力機的轉矩與其旋轉角速度的乘積

來表示。即

T P ⋅ω= (5) 其中

T 為風力機轉矩 (N-m) 已知風力機的輸出功率

P32

A CVD8P ⋅⋅⋅ρ⋅π=

所以

P32 CVR

2T ⋅⋅⋅ρ⋅π=ω⋅

322

VRTCP⋅ρ⋅⋅π

=

VR

VAR

T ⋅ω⋅

⋅⋅⋅ρ

=2

2

(6)

其中轉矩係數

2M

VAR2

TC⋅⋅⋅

ρ= (7)

⋅⋅⋅ρ

⋅= 2M VAR2CT (8)

由式(8)可知當風力機的尺寸固定時，在一定風速下， MC 是一個可以反映轉

矩大小的係數。

四、風力發電機之實作

本專題風力發電機之結構，基本上

分為三大部分，分別簡略敘述如下:

(1) 塔架:做為支撐風輪機用，必須穩 固而不會任意移動或搖晃。

(2) 風輪機: 本專題製作之風輪機為雙傘式結構，分為上、下傘式風輪機，

如下分別說明之:

a) 下傘式風輪機 :是由四組約80cm 長 25cm寬的葉片所組成，主要目的是用來帶動發電機。

b) 上傘式風輪機:亦是由四組約25cm 長 20cm寬的葉片所組成，主要功用為與下傘式風輪機產生相

反的旋轉方向做為觀賞用。

(3) 風力發電機系統:本專題製作所使用的發電機為 100W24V 之直流發電機，該發電家固定於底架正中央

位置。發電機電路部則分別由 2顆

3.7V 3.4AH 串連而成的電池組，還18

有數位電壓、電流表、開關、保險

絲、DC 正負轉換電路、基本充放電、過低高壓保護電路及 LED 所構成之風力發電機系統。

接下來，我們將介紹本專題之實際製

作的步驟分別敘述如下:

1.首先把塔架製作出來，塔架係採用鍍鋅鐵材，正方形邊長各為 80cm，塔架底部離地面高度則是 10cm。做為發電機的支撐則是由 4 支直條鐵材

向上延伸集中，長度則為 110cm，以上是塔架結構的介紹。

2. 則是製作撐起上、下傘式風輪機之8組葉片與 8組葉片的支架，這些支

架採用圓形鋼條中心開孔讓發電機

軸心套入，鋼條外再銑出 2 螺牙鎖入螺絲來固定發電機軸心。另外，3片圓盤的製作，必先裁出直徑 15cm厚度 0.2cm 圓形鋼板，由於軸套沒有辦法用鎖付螺絲的方式固定，故

找上鐵工廠幫忙將這二樣零件以電

焊的方式固定，然後就是將每片圓

盤鑽孔，將 360°分成 4 等份從圓盤最外圍至軸套外圍，規劃 2 孔所需

之孔距為 2cm(孔心-孔心)開孔，即完成圓盤的製作。但是，最上面圓

盤比較特殊，會有 1 個附帶培林的軸套，目的是讓上傘式風輪機反方

向旋轉，而不是隨著下傘式風輪機

朝同一方向旋轉。再來，上、下傘

式風輪機之葉片支架，採用鋁材方

管作支撐，重量輕可朔性高，缺點

無法承受撞擊，葉片支架總共 8組，

下傘式風輪機之葉片支架由 2.5 x 43cm 的方管長度所組成，而上傘式風輪機之葉片 2.5 x 27cm 的方管長度所組成。上、下傘式風輪機之葉

片支架長度是以比例 2:1 製作，方管

朝中心方向那一頭，邊界至預計孔

心距離 3cm，分別在 1cm 與 3cm 處鑽孔，然後另一頭翻轉 90∘邊界至預計孔心距離 1cm 處鑽孔，8 組葉片支架皆為如此。

3.下傘式風輪機之葉片長度為 80cm，而上傘式風輪機之葉片長度為 25cm。首先以一面厚紙板做底，貼上 6 條翼型木材做為葉片骨架，分別以 0、16、32、48、64 及 80 cm 的位置排列，除了 0及 80cm的位置是靠木條

邊界外，其餘靠中心，木材底部塗

上強力膠，先裁一條 L 行鋁材長79cm 、寬 5cm 後，畫線量 16cm 及64cm 處，做上記號鑽孔。再裁切長79cm 寬 27cm 厚度 2mm 鋁鈑後，劃線 6、28.5、51 及 73.5cm 處共四點鑽孔。厚紙板背面頭尾個讓出

0.5cm 同樣劃線挖洞，厚紙板背面塗上強力膠與鋁板貼合，這時用螺絲

鎖上厚紙板與鋁鈑鑽孔的四點，即

固定下傘式風輪機葉片，剩餘裸露

部分以厚紙板包覆，再裹上透明膠

帶即完成。同理，上傘式風輪機葉

片的製作方式與下傘式風輪機葉片

相同，只是以主副 3.2:1 的比例，

縮減材料的使用。

4.再來，將發電機插上四角架，把發電機拉出的電線先收好，把主支架套入

發電機軸心，三片圓盤由下至上套入

稍微鎖緊即可，軸套上的螺絲，扇葉

支架先裝單一面上下架孔對孔鎖緊

後，調整圓盤的高度使支架成一直線，

隨後方法同上將剩下三面鎖上，最後

將扇葉孔對孔鎖上即可，四角架中隨

意選一支，丈量好電箱擺放的高度以

及固定點，鑽孔將電箱鎖上。

19

5. 最後步驟，就是電路的配線安裝，因這部發電機是直流發電機，所以

不須整流電路。但因為直流發電機

不管順時針或逆時針旋轉都會送出

電能，這時就需要 DC 正負周轉換電路來確保順、逆旋轉都會有電供應

給下面所需的電子電路。當發電機

的轉速到達一定的速度，所產生的

電壓也會越高，需要有限制電壓的

電路來保護電池及電子電路。當然

風也不是一直在吹，也可能會遇上

整天發電量過低，導致電子電路把

蓄電池的電力過度放電，這樣會導

致蓄電池壽命縮短，放電電壓過低

偵測電路，就可以達到保護的作用，

擔任負載的就是 LED 呼吸燈(發電時作動) ，圖 1 所示為風力發電機系統的方塊圖，圖 2 所示為本專題

製作之完成品。

圖 1 所示為風力發電機系統圖

五、垂直軸風力機之測試

本專題做了一點簡易的實驗測量，

測試出當風速1.2(m/s) 時為風力發電機的啟動風速，而隨著風速越高所發

出的電壓也越強，當我們以風速

6.8(m/s)時，可發出12.5V的電壓；如此之感應電壓，才能更有效地對蓄電池

充電。表1所示為不同風速之風力發電機之量測數據。

圖2 本專題風力發電機的完成品

六、結論

現在全球都注意到了非再生能源

快要耗盡，再不想想如何取得可再生

能源而繼續的使用，早晚有枯竭的一

天，到時候後悔怎麼不早一點發展可

再生能源的技術，現在擁有的再生能

源，例如太陽能、水力發電、及地熱

發電等等，這些都是純淨的替代能源，

雖然現在這些再生能源的發電量，比

不上目前的基礎負載發電設備，但是

提早發展這些技術,將來可以慢慢替

代這些需要長時間處理廢料的發電設

施，對於永續發展會是有利的。

表 1 為不同風速之量測數據 風速(m/s) 輸出(V)

3.0 3.5V 4.5 7.2V 6.8 12.5V

20

參考文獻

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[2] 嚴坤正，”小型風力發電系統設置與葉片氣動力分析”，南台科技大學機械工程研究所碩士論文，2004年 7 月。

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[4] 黃昌圳，”小容量風力發電機的研製”，逢甲大學電機工程系研究所碩士論文，2002年 6月 3日。

[5] D. S. Zinger, E. Muljadi and A. Miller, “A simple control scheme for variable speed wind turbines”, IEEE Industry Applications

conference, Vol. 3, No. 6-10, pp. 1613-1618, Oct. 1996.

[6] 林聖賢，”市電併聯型太陽能與風能發電系統研製”，國立中正大學，電機工程研究所，碩士論文，中華

民國 91 年。 [7] 劉文斌，”以數位信號處理器為基

礎之風力驅動永磁式同步發電機

最大功率追蹤控制策略研究”，聖約翰科技大學，自動化及機電整合

研究所，碩士論文，中華民國 93年。

[8] ”風力發電機模擬系統”使用手冊，台灣仿真科技有限公司。

21

可攜式太陽能鍋之研製

指導老師：張宗福

專題學生：廖時瑩、賴彥丞、洪羽善、陳俐伶

班級:日四技電機四 A

摘要

本專題製作主要是研製一台太陽

能鍋。太陽能鍋是由 6 片三角型之不鏽鋼片組裝於架子上所構成之傘狀式加

熱器及一個鍋子，還有一個三角架所組

合而成的一部太陽能鍋。它是利用太陽

能的光輻射所產生的熱能，透過加熱器

上之不鏽鋼片反射聚焦於鍋子上，進而

加以烹煮食物。

一、前言

現在，全球能源進入逐漸減少的

危機，同時為順應現今溫室效應對環

境及氣候造成變化之嚴重衝擊，再生

能源技術的開發與應用日益重要，而

能源技術的不斷創新及朝向能源多元

化的發展，亦已成為世界各國能源政

策一致努力的目標。如果說世上還有

取之不盡用之不竭而且不必花錢就可

以有隨手取得的能源，那太陽能就是

最適合不過了。地球在上層大氣的傳

入太陽輻射(日照)接收 174 (PW)。大約 30%被反射回空間，而其餘太陽能則被雲層、 海洋和陸地吸收。在地球

表面的太陽能光譜大多分布在一小部

分近紫外線，全部可見光和近紅外線

的範圍。圖 1 所示為地球表面的太陽能光譜範圍[1, 2]。

太陽能即是地球接收自太陽之幅射

能，其直接或間接的提供地求上絕大部

份之能量。地球與大氣圈不斷地自太陽

獲得 181017.0 × W之輻射量，數量實在大得難以想像。太陽放射到地球的能

圖 1 為地球表面的太陽能光譜範圍[2]

量，每年約是 13億仟卡的一兆倍，為人類全年所需能量 的二萬六千倍，也就

是說，人類只要能完全利用 20 分鐘的日照能量，便可以供應人類全年所需的

能源。因此利用太陽能烹調食物不只不

用燃燒任何東西(除了太陽自己)，還可

以減少二氧化碳的產生。現在全世界大

約有十萬人經常使用太陽能烹煮器來

燒開水及煮東西。如果有更多人知道這

項實用的技 術，那麼，一些貧窮地區

的居民，便可以利用這個省錢的方法，

來減輕生活負擔[3]。 太陽能鍋的優點說明如下：

(1) 健康：使用太陽能鍋不會產生煙，可以降低呼吸道疾病及眼疾發生的

機率。

(2) 環境：太陽能鍋可以降低對柴火及 木炭的依賴，減少砍伐森林的頻率，

可以降低土壤流失。

(3) 經濟：透過太陽能鍋的使用，可以 減少瓦斯、柴火、木炭、或煤油的消耗。

(4) 自由：對世界上許多貧窮的人來說，太陽能鍋是一項很節省勞力工具，

因為不用花時間收集柴火或糞

22

便[4]。

二、太 陽 能 鍋 的 種 類 [5]

圖 2 箱型之太陽能鍋

(1) 箱型:顧名思義就是一種容器，基本上是一個頂部透明的保溫箱。有的把頂部傾

向太陽。有的還加了幾片反光板。箱式太

陽能鍋的好處是可以緩慢而均勻地烹調大

量食品。反光板的面積最好在 0.7 平方公尺以上。箱型太陽能鍋一般說來，單鏡箱

要比瓦斯爐慢一倍。但因為烹煮過程不需

要照顧，連開蓋防溢或者攪拌都不要，所

以它比瓦斯爐要方便多了。圖 2 所示為箱型太陽能鍋圖。

(2) 摺疊型:把貼了鋁箔的紙板折成許多不同的形狀，使陽光集中於鍋上。因熱力

有限，通常要用一個塑膠袋或玻璃罩把鍋

套起來保溫。這種設計的好處是成本低廉，

方便攜帶又不佔空間。折疊式太陽能鍋通

常只能容納一口鍋，而且煮不了太多東西。

但比單鏡箱要快些。有人發覺它加熱不均

勻。有時要攪拌食物。圖 3 所示為摺疊型太陽能鍋圖。

(3) 拋物面型: 通常是用一個碟形的反光碗把陽光彙聚在鍋底。好處是和用火爐一

樣快。缺點是不容易製造、需要經常調整

以追隨太陽、並可能燒焦食物及傷害眼睛。

反光板的面積最好在 1.5 平方公尺以上。傳統的拋物面太陽能鍋用起來和普通瓦斯

爐相似。它在鍋底發熱。熱力強，煮得快。

但食物會溢、會焦，要小心照看。圖 4 所

示為拋物面型太陽能鍋圖。

圖 3 摺疊型太陽能鍋

圖 4 拋物面型太陽能鍋

三、太陽能鍋的原理

太陽能鍋是利用太陽光的紅外線輻射

所產生的熱能來烹煮食物。如何製作太陽

能鍋，其實方法很簡單，只要掌握光與熱

的兩項基本原理便可輕易達成太陽能鍋的

功能。另外，在製作太陽能鍋的時候，須

了解並應用三個自然原則[4]： 1.光線照射到淺色或明亮的表面時，會被反射到另一個地方。

2.當太陽光照射在深色的表面會轉變成紅外線輻射（熱）。

3.陽光很容易穿過透明的窗戶，但紅外線輻射（熱）並不會如此，所以熱可以被保

存起來。

本專題之太陽能鍋是拋物面型的太陽

能鍋，其應用原理如圖 5 所示。

圖 5 拋物面型太陽能鍋之應用原理

四、成品介紹

本專題製作是利用太陽光的紅外線

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輻射能(熱能)來產生熱，再透過自製反射

板聚焦的加熱效果來加以烹煮食物 。本

專題利用 6 片不鏽鋼片來反射太陽光，而其不鏽鋼片為可插式，故在收藏時可減

少佔用空間，攜帶時也可以很方便。本專

題之太陽能鍋的結構可分為底座腳架、

骨架和傘狀式加熱器，分別說明如下：

1. 傘狀式加熱器：使用不鏽鋼片，將其裁成 6 片三角形，使其能與骨架組合，

會用不鏽鋼片是因為可直接反射太

陽光，不用再另外貼反光膜。

2. 骨架：主體是 6 組鋁棒，在各組鐵棒的中間和外圍加上兩片不鏽鋼片，

以支撐反射片。

3. 底座腳架：支撐加熱器的架構。

接下來，我們簡略敘述一下本太陽能鍋的

製作過程。此太陽能鍋加熱器所需的材料

有飯罩、不鏽鋼片一大塊及少許墊片。一開始，

將飯罩之骨架與布分離，將墊片焊在骨架

底部並固定之，量測每組骨架的間距，在不

鏽鋼片上標示記記，再切割不鏽鋼片，因

為是人工切製，故有誤差。圖6為本專題太陽能鍋之完成品。

五、太陽能鍋之實測數據

為了測試本專題製作之

太陽能鍋之效能，我們在 2014/1/2 的中午 11~12 點間做一簡單的測試，當天的天氣

為時雲多晴，常溫 13~18 度，水溫為 18度，測試物為純水。當天隨時有雲飄過遮

陽，當溫度計於 11:50 時放下，測量值大約為 35 度，與一般碟型之太陽能反射器相比，較不容易完全反射，也可能本太陽能

鍋之反射面積不夠大及沒有將焦距調整好，

故上升之溫度較不顯著，因此必須要再做

調整改善。另外，由於冬天能量測的好天

氣不夠多，多少也會有失真情況。表 1 所示為本太陽能鍋之實測數據。

表 1 本太陽能鍋之實測數據 時間 水溫

11:10 19 11:40 26 11:50 35

六、結論

現在的世界可用的資源所剩無幾，因

此各國都提倡環保的概念，只要好好利用

太陽能源就能烹煮食物，或者是利用風力、

水力及海洋等等自然能源，就能夠達到環

保與發電。利用太陽能鍋烹煮食物的好處

是在它不需要燃燒瓦斯，也不會排放二氧

化氮，這樣即使是落後國家也能好好的利用，

而且使用太陽能也不會造成地球上的汙染

與破壞，對於環保及節能而言是具有不錯

的貢獻。

圖 6 太陽能鍋完成圖 參考資料

[1]http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1510100408422 [2]http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1508122910072

[3]http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1609012206629 [4]http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1009051501725 [5] 大地旅人環境教育工作室。

24

http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1510100408422http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1510100408422http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1508122910072http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1508122910072http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1609012206629http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1609012206629http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1009051501725http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1009051501725

LabVIEW溫度監控感測系統

組員：李雨潤 A9902023 陳志銘 A9902011 沈瑞宏 A9902014

顏志瑋 A9902008 指導老師 :陳清華

夜四技電機四 A 摘要

本專題以 LabVIEW 圖控軟體撰寫程式，並製作溫度監控感測電路，完

成溫度感測監控系統。利用 DAQ 資料擷取卡進行 I/O 控制，以電源供應器達成、風扇與發熱機的運作與停止的功能，並可

透過 DAQ 資料擷取卡的類比輸出功能，完成整套的電路運作。

關鍵詞：LabVIEW 圖控軟體、資料擷取。

一、前言

隨著個人電腦的普及，電腦的價格也

降至大多數人可以負擔的地步，因此利用

電腦來作控制也漸漸盛行起來，以

LabVIEW 作為控制器已成為一種趨勢

[1-5]。

由於隨著Windows 作業系統的改版，

LABVIEW圖控軟體也常隨之改版升級，每次

的改版升級，就提供使用者更多的功能及

更人性化的操作與設定。故本文研究的目

的是採用系上所購買的LabVIEW軟體來

撰寫圖控程式，以LabVIEW軟體之虛擬儀

表的概念與技術，利用基本指令，及其新

提供之 Express VI，來設計PWM程式，並

可控制脈波之工作週期，同時製作溫度感

測電路，利用 DAQ資料擷取卡進行電源供

應器輸出控制，以達到控制風扇與發熱機

啟動的功能，實際完成一套溫度監控感測

系統。本文將詳細說明程式的設計過程，

並針對相關之指令操作與DAQ小幫手的設

計過程，一步一步說明，以使讀者能了解

相關設定。

二、系統硬體介紹

本專題共製作兩個溫度控制電路，並

做相關 LabVIEW 的程式來控制，其中之一是做溫度升溫動作，另一個

是做溫度降溫動作，溫度感測控制

電路如圖 1 所示。

圖 1.溫度感測控制電路圖

25

我們由電腦軟體產生之類比輸

出電壓，由 DAQ 卡之 AO0 與 AO1 輸

出，接線至圖 1 中之 AO0 與 AO1 接

腳，當作固態繼電器之輸入電壓，進而

控制固態繼電器負載端之開關導通與否。

其中 AO0 是控制風扇的固態繼電器開關

動作，作為升溫作用；而 AO1是控制吹風

機的固態繼電器開關動作，作為降溫作用。

另外只要控制開關導通，就可控制系統溫

度的升溫、降溫。

三、系統軟體程式介紹

(一 )人機介面：

主控端的人機介面如圖 2 所示，

透過電腦主機的人機介面，去設定

溫度上限、溫度下限、最高溫度、

最低溫度，與溫度過高警示、溫度

過低顯示，還有抓三次的溫度做為

一次的平均溫度，還有現在溫度，

人機介面上同時顯示 PWM 波形及三

角波波形，以讓使用者了解目前輸

出之脈波工作週期。最後在人機介

面上設計一停止按鍵，按下就停止

程式執行。

圖 2.主控端人機介面

(二 )主程式設計：

主程式如圖 3 所示，設定擷取三

次的溫度作為平均溫度來判斷溫度

是否超過上限、下限，要不要溫度

過高過低警示取代。另外，還有判

斷目前溫度是否大於歷史最高溫度

或最低溫度，要不要取代。

圖 3.主程式

(三)溫度過高、過低控制程式設計 控制程式如圖 4 所示，當溫度過

高時，程式送出五伏特的電壓，由

DAQ 卡的類比輸出通道輸出給控制

風扇的固態繼電器的輸入端 AO0，固

態繼電器輸出端導通，進而啟動風

扇進行降溫動作。

當溫度過低時，程式送出五伏特

的電壓，由 DAQ 卡的類比輸出通道

輸出給控制吹風扇的固態繼電器的

輸入端 AO1，固態繼電器輸出端導通，

進而啟動吹風機進行升溫動作。

圖 4.溫度控制程式

我們曾測試選取程式結束鍵 Power

26

Off 時程式已經停止，但吹風機或電風扇

卻依然繼續轉動，因此我們必須使用順序

控制指令 sequence，要新增一個順序 1，

在此順序1時執行將0伏特送出給風扇和

吹風機的固態繼電器的輸入端，將

此兩個固態繼電器的輸出端 Off 掉。

當正常結束程式時順序 0完成，就會執行

順序 1來把風扇或吹風機停掉。

(四)資料擷取指令設定

如圖 5，在程式視窗的空白處點滑鼠

右鍵，選取 Measurement I/O，會出現選

取框。再去點選 NI-DAQmx出現新視窗選取

DAQ Assist(DAQ小幫手)，如圖 6。

圖 5.選取 Measurement I/O

圖 6.選取 DAQ小幫手

接著會出現 Create New Express Task新

視窗進行交談式的設定，如圖 7 選取

Generate Signals(產生輸出)，再選取

Analog Output中的 Voltage，代表要輸出

類比電壓。之後再選取 DAQ卡片及輸出通

道 ao0，如圖 8，代表由此張 DAQ卡的 ao0

輸出類比電壓，用來控制風扇開關，而控

制吹風機的開關需設定為 ao1。

圖 7.設定 Generate Signals

圖 8.設定由 ao0 輸出類比電壓 接著如圖 9所示，設定輸出電壓輸出的值

最高(Max)為5伏特，最低(Min)為0伏特。

在生成方式Genertion mode下拉式選項選

擇 1 Sample(On Demand)，代表輸出此值

後就一直維持此值直到改變其輸出值為止。

最後按下 OK鍵，完成設定。

圖 9.類比電壓的輸出設定 依次完成如圖 3 及圖 4 程式所需的

DAQ 小幫手設定，並完成連線。最後在順

序 1仍需再拉兩個 DAQ小幫手將其值輸出

為 0，以作為程式結束時將風扇與吹風機

的開關 Off掉，將風扇與吹風機關掉。所

以切換至 Sequence 1的程式視窗中，在空

白處按滑鼠右鍵，選取 Measurement I/O，

27

會出現選取框，再去點選 NI-DAQmx出現新

視窗選取 DAQ Assist(DAQ小幫手)，再繼

續剛才的設定。

完成後，再於此兩個 DAQ 小幫手的

data左方輸入端，按滑鼠右鍵，選 Creat

Constant(建立常數)，將此常數值設定為

0，代表輸出類比電壓 0，將此兩開關 Off

掉，即可將風扇與吹風機關掉。

圖 10. 選擇 Create Constant

四、結果與討論

我們先測試硬體電路的動作情形，測

試結果確實可以啟動風扇或吹風機，代為

電路正確。 另外以程式輸出類比電壓時，也能正

常啟動風扇或吹風機，代表此 DAQ 卡確能啟動此電路開關。

當配合感測電路時，發現所擷取到的

溫度值會一直亂跑，感覺受到很大的雜訊

影響。後來檢查發現是 LM35 感測器的第1 與第 3 接腳接錯所致。改正後，發現所擷取到的訊號依然是雜訊，但以三用電錶

量測，則其溫度感測的電壓值是正常的，

因此感測電路也查不出問題。之後雖然設

定為差動輸入模式，並加入 100KΩ的偏壓電阻(bias resistor)於輸入接腳與AIGND的接腳間，但擷取到的信號仍是雜訊。若使

用 Aeecssory 上的感測器，則可擷取到正確的溫度訊號，因此程式的部分沒有問題，

溫度感測電路的部份仍需進一步探討其原

因予以改進。

五、結論

這次專題的題目以 LabVIEW 圖

控 軟 體 設 計 PWM 程 式 ， 並 利 用

LabVIEW 圖控程式的 DAQ 小幫手進行

設定，達成風扇與吹風機動作來控

制系統溫度，並在程式結束後停止

運轉。

未來，建議應將溫度感測電路所擷

取到的訊號為何是雜訊的原因予以查出；

另外，也建議加入 PWM 控制，配合

現在溫度與設定溫度的差距大小，

配定風扇與吹風機的運轉速度控制；

也可將相關部份建成子 VI 的形式來

使用，大大降低程式的複雜性，提

高程式的可讀性。未來我們可以利

用這電路在實際系統上，來搭配實

際溫度感測電路，來達成溫度控制

的效果。 參考文獻 [1] 惠汝生 , “LabVIEW 8.X”, 全華書局,

2011/01. [2] 謝岱凌、張家維、徐如欣、蕭子

健 , “LabVIEW 201X 虛擬儀控程式設計 ”, 高立圖書 , 2011/07.

[3] 徐瑞隆 , “LabVIEW 程式設計入門 ”, 文京書局 , 2007/05 .

[4] 周靜娟、吳明瑞、顏培仁 , “圖控程式與自動量測 -使用 LabVIEW

7.X”, 全華圖書 , 2004/09 . [5] 陳瓊興 , “LabVIEW2010 與 ZigBee

感 測 電 路 ”, 台 科 大 圖 書 公 司 , 2011/09 .

28

LED 商業廣告燈

指導老師：張文成

專題學生：何士玄(49902016)

蔡鐙興(49902085)

班級:日四技電機四 B 摘要

本專題系根據商業廣告燈原理而開發

之數位電路，其中主要 IC4017 最多可接

10組迴路，本機僅使用 4組迴路以紅、黃、

綠、橙四種顏色 LED組成混合變化的跑馬

燈，經連續不斷地變換輸出順序來產生閃

爍效果，進而達到廣告的目的。

一、前言

LED商業廣告燈是一種很常見的 LED

應用，在我們生活週遭隨處可見。其耀眼

的燈光效果非常引人注目，又因那多樣化

的燈光效果而成為引領商業廣告燈潮流的

新寵產品。現今大多跑馬燈都使用 8051

等單晶片編寫程式來控制。而本專題是使

用較簡單的 IC4017本身提供的多組脈波

迴路來製作。

二、系統架構

本專題主要區分為三大部份：(1)電源

電路，如圖(一)，(2)IC控制電路，如圖(二)，

(3)LED輸出電路，如圖(三)，其中控制電

路是利用IC4017來產生四組所需之脈波，

其閃爍順序為Q0(第3腳)→Q1(第2腳)→

Q2(第4腳)→Q3(第7腳)→Q4(第10腳)，最

後Q4接到15腳來產生清除訊號，使電路由

Q0開始依序重新動作。可變電阻用來控制

輸出頻率，進而控制LED的閃爍速度。完整

的電路圖，如圖(四)。

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三、實驗步驟

本電路在進行實際接線前，先把分別

確認電晶體的接腳和IC4017各接腳之功能

[1,2,3]。其中利用三用電表簡單地測出電

晶體的基極（B）、集極（C）、和射極（E）

三支接腳。

IC4017的接腳則是由缺口朝上，左邊方第

一隻腳就是接腳一，右邊上方第一隻腳則

是接腳十六。IC主要功能和接腳功能如圖

(五)。

IC4017是CMOS IC，主要工作原理是產

生方波Clock IN,Clock Enable接Low，0~ 9

Pin輪流輸出High，有Carry輸出可串級，

各接腳波形如圖(六)，此IC是一顆除10 IC，

將I/O 推動LED就成為又簡單且實用的跑

馬燈。

在各元件接腳確後，接著先從最簡單

的電源電路開始接線，實際完成電路如圖

(七)。

圖(七) 電源電路實際接線圖

之後再接IC控制電路，如圖(八)。

圖(八) IC控制電路實際接線圖

最後接LED輸出電路。在接線過程中，

因看錯電路圖之接腳，導致電路輸出動作

錯誤，如圖(九)、圖(十)。

圖(九) 錯誤接線圖(LED完全不亮)

圖(十) 錯誤接線圖(LED完全不閃爍)

最後經重新對照電路圖與實際接線，才發

現有部份接線錯誤，將錯誤地方重新接線

後，才完成本專題的製作，正確接線圖如

圖(十一)、圖(十二)、圖(十三) 、圖(十

四)。[4.5.6]

圖(十一) 正確接線圖(第一組LED亮)

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圖(十二) 正確接線圖(第二組LED亮)

圖(十三) 正確接線圖(第三組LED亮)

圖(十四) 正確接線圖(第四組LED亮)

最後將其銲在電路板上如圖(十五)、

圖(十六)。

圖(十五) 正面插件圖

圖(十六) 背面銲接圖

四、結論

經過這學期的努力，我們終於完成了

本專題的製作，最初從完全沒有功能，修

改到LED不會閃爍，後來到LED會閃爍，雖

然最後成品的功能仍未臻完整，因為LED

不會自動閃爍，只能在可變電阻調到某個

位置時才會瞬間閃爍，且其頻率無法改變，

這些部份仍有待改正。(正常的電路功能是

LED會自動閃爍，可以用可變電阻來控制閃

爍頻率。)在製作的過程中，我們雖然也想

過改用其他的控制電路，如利用單晶片或

可程式控制器來製作，但在考慮到程式撰

寫之複雜度和PLC的價格與體積等問題後，

所以就放棄了。僅管本專題的功能還有一

段落差，但從整個製作過程中，無論是元

件的認識、實際電路接線還有電路的除錯

等方面，我們確實學到許多知識。

五、參考資料

[1].http://sun.cis.scu.edu.tw/~lab/k

nowledge/t.htmCMOS 數位IC資料手

冊

[2].http://www.nkhs2.nkhs.tp.edu.tw/

ICDATA/CMOS/main.htm

[3].高敏雄 ”最新CMOS IC規格表

-0325001”，全華 1999/10/20

[4].賴柏州”基本電學”，全華圖書

2011/04/28

[5].黃俊達、鄔文杰、陳森元”電子學“，

全威圖書 2010/04/01

[6].曲毅民”電路學” ，全華圖書

2009/06/22

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