1

實實務務專專題題報報告告書書

智智 慧慧 型型 晾晾 衣衣 架架 製製 作作

指 導 老 師：陳正宗

專題製作學生：四技電四乙 張建發 BD97132

四技電四乙 林佳鵬 BD97097

修 平 科 技 大 學 電 機 工 程 系

DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING

HSIU-PING UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

2

中 華 民 國 一 百 年 十 二 月 七 日

摘要

近年來人們對於環境品質的要求已逐漸提高，講求舒適的生活條

件儼然成為必要考慮之因素。人類對能源的大規模開發利用是在工業

革命以後，起初主要是煤碳，以蒸汽機、煤碳和鋼鐵為主導因素的技

術革命推動了社會生產，從依靠人力、畜力到依靠機器的變革；其實

直到 20世紀中期，煤碳依然是世界上最重要的燃料，但石油的消耗

量也迅速增加。特別是近半個世紀以來，石油化工和交通業的發展使

石油對世界經濟和日常生活的影響越來越大，並開始成為影響國際關

係和世界格局的主要因素之一。因此若考慮以太陽能方式造就電力系

統的應用，更具有環保、節能方面的優越性。

3

目錄

第一章 緒論

1-1研究動機．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4

1-2研究方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4

1-3專題架構圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4

第二章 器件介紹

2-1電動機

(1)直流馬達介紹．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

(2)直流馬達工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6

(3)直流馬達的用途與優缺點．．．．．．．．．．．．．．．．7

2-2繼電器

(1)繼電器介紹．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8

(2)繼電器動作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8

(3)繼電器接腳與外觀介紹．．．．．．．．．．．．．．．．．9

2-3微動開關

(1)微動開關介紹．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10

(2)微動開關接點符號．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10

(3)微動開關動作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11

4

2-4光感測器

(1)光感測器介紹．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12

(2)光感測器動作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12

2-5雨滴感測器

(1)雨滴感測器介紹．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13

(2)雨滴感測器動作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．13

2-6太陽能板

(1)太陽能原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14

(2)太陽能光發電與發電原理．．．．．．．．．．．．．．．．15

第三章 動作原理

3-1動作說明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18

3-2動作流程圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19

3-3電路圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20

3-4製作過程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21

3-5完成圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22

第四章 結果與討論

參考文獻

作者簡介

5

第一章 緒論

1-1研究動機

1.為了避免晾曬衣物時，由於人為疏失，忘了收拾導致衣物淋濕。

2.下雨時，若能配合風扇吹乾衣物，更可達到乾衣的效果。

1-2研究方法

以自動化的方式替代人工處理，不但規劃了陰雨和晴天的交替運

作，也同時考慮晾曬的最佳效果。在此利用光感測器，使其能正確的

判斷陽光之有效時機；雨滴感測裝置則是能適時將衣物收入，回收時

且自動啟動風扇加強乾衣效果。

1-3專題架構圖

柱子

滾輪

太陽能板

雨滴感測器

馬達

金屬架桿

移動桿

吊衣架鉤子

伸

縮

線

遮雨的屋頂

風扇

電路板

光感測器

柱子

滾輪

太陽能板

雨滴感測器

馬達

金屬架桿

移動桿

吊衣架鉤子

伸

縮

線

遮雨的屋頂

風扇

電路板

光感測器

6

第二章 器件介紹

2-1電動機

(1)直流馬達介紹

直流馬達(direct current, DC motor)是最早發明能將電力轉換為

機械功率的裝置，它可追溯到Michael Faraday 所發明的碟型馬達。

法拉第(Faraday)的原始設計其後經過不斷的改良，到了1880 年代已

成為主要的電能機械能轉換裝置，但之後由於交流電的使用日趨普

及，而發明了感應馬達與同步馬達，直流馬達的重要性亦隨之降低。

直到約1960 年，由於SCR 的發明、磁鐵材料、碳刷、絕緣材料的改

良，以及變速控制的需求日益增加，再加上工業自動化的發展，直流

馬達驅動系統再次得到了發展的契機，到了1980 年直流伺服驅動系

統成為自動化工業與精密加工的關鍵技術。雖然交流伺服馬達應用於

精密的定位控制已是未來的發展趨勢，但直流馬達有良好的線性特

性，具有簡單易於控制的優點，所以仍是目前最常應用於變速控制的

馬達，同時瞭解直流馬達的特性與控制也是進入交流伺服控制的必要

途徑。

7

(2) 直流馬達工作原理

馬達的工作原理如圖2 可以用「弗萊明左手定則」如下頁圖3 來

說明，弗萊明左手定則可用來判斷一根載有電流的導線置於磁場中時

其受力的方向。若以左手之食指表示磁場方向，中指表示電流方向，

則大姆指表示此導線受力的方向，如下頁圖3 所示之電流方向，則環

狀線圈受磁場之作用，將順正時鐘方向旋轉，產生之扭矩T 可以下式

表示T=KIB〔N･m〕其中K 為比例常數，I 為流經線圈之電流，B 為

永久磁鐵所造成之磁場強度。

8

(3)直流馬達的用途與優缺點

(一)用途:

● 造紙機械

● 車床

● 起重機

● 升降機

(二)直流馬達的優點:

一般而言同樣的體積直流馬達可以輸出較大功率，直流馬達轉速

不受電源頻率限制可以製做出高速馬達，速度控制只要控制電壓比較

簡單容易。

(三)直流馬達的缺點:

碳刷使用一段時間會磨損須更換,電樞會磨損。

9

2-2 繼電器

(1)繼電器介紹

繼電器(Relay)，也稱電驛，是一種常用控制元件，通常應用於

自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種

「自動開關」。在電路中擔負著自動調節、安全保護、轉換電路等任

務，它具有控制系統（又稱輸入迴路）和被控制系統（又稱輸出迴路）

之功能。

(2)繼電器動作原理

繼電器的動作原理是以小電流去激發線圈產生磁場進而導通接

點而拉動大電流。繼電器在使用上有各種不同的耐壓規格可供選用，

使用繼電器的優點是其有絕對的隔離效果，實際使用時可允許使用兩

組不同的電源，例如可使用直流 24V的電壓去激發線圈，以驅動交流

110V的電壓。

10

(3)繼電器接腳與外觀介紹

11

2-3 微動開關

(1)微動開關介紹

極限開關又稱限動開關，接點引動方式為機械觸動。利用外界之

物體動作的碰觸，令內部接點受制而接通或斷開，如此將機械性的信

號，轉換為電氣性的信號，間接地控制電器負載。

(2)微動開關接點符號

12

(3)微動開關動作原理

乃是一般常用之微動開關內部結構。當外界之機械性動作觸及⑥

引動鈕(柱塞)時，可動彈片①即受制而引動③可動接點(共通接點)脫

離上方之④固定接點 b，同時迅速地往下方之⑤NO固定接點 a 貼合。

若外界之機械性動作消失時，可動彈片隨即彈返，令可動接點回復原

位置。此時可動接點與固定接點 a 脫離，而再度與固定接點 b 貼合。

13

2-4 光感測器

(1)光感測器介紹

光感測器是利用光之投射信號，轉換為內部電驛接點之電氣信

號，屬光→電磁引動，不需要與被檢出物體碰觸，故無機械磨損。

(2) 光感測器動作原理

光感測器檢出方式有透射型及反射型兩種，反射型又分復歸反射

型、擴散反射型及限定反射型。透射型須有一組相對之投光器及受光

器，而反射型之投光器係合併裝置。

14

2-5 雨滴感測器

(1)雨滴感測器介紹

雨滴感測器是激光雨珠粒，使用了投射傳感器與光吸收劑傳感器

的對傳。當雨珠通過激光光學部分時，激光被切除，並且在輕的吸收

劑部分減退被接受激光的光强度，使在激光吸收劑端輸出的電壓減

少。

(2)雨滴感測器動作原理

雨滴感測器只要在感應的 SENSOR 偵測到有雨水反應，會依據

SENSOR 所計算判定的雨水量，啟動馬達，提供最適當的最適當的收

衣效果。

15

2-6 太陽能板

(1) 太陽能原理

太陽能電池板正好是應用光電效應原理於電力生產上。陽光照射

到金屬的表面上時，部份光子會擊中金屬原子，光子的部份能量轉化

為提升原子外層電子的位能，使該電子從原子中遊離出來，另一部份

能量則轉化為該電子從原子中飛脫出來的動能。遊離出來的電子具有

負電場，在導體之內形成負電壓，故此會流向電位相對較高(又即負

值較低)的區域，若能夠適當地將之加以調控，即可以做成供人類應

用的電能。

非晶體太陽能電池板的構造和工作原理：

在玻璃片上塗上兩層薄薄的半導體塗層，一層為 N 型半導體，

另一層為 N 型半導體，此兩半導體層各自接上導線，即成為非晶體

太陽能電池板。 N 型半導體混入了最外層有五顆電子的雜質原子於

最外層有四顆電子的矽或硅半導體之內，此種安排令到雜質原子的最

外層電子的狀況與金屬的最外層電子的狀況相近似，在光子的撞擊之

下會遊離出來；但它與金屬不同的地方，是它不可以讓外來的電子在

N 型半導體之內自由走動。P 型半導體則混入了最外層只有三顆電子

16

的雜質原子於最外層有四顆電子的矽或硅半導體之內，此種安排令到

雜質原子的最外層電子與絕緣體的最外層電子的狀況相近似，在光子

的撞擊之下也不會遊離出來，但 P 型半導體與絕緣體不同的地方，是

它可以讓外來的電子在 P 型半導體之內自由走動。結果，在光線照射

之下，N 型半導體之內的電子被擊出，但都馬上跳到 P 型半導體之內

而不可以退回，形成單向導電，令到 N 型半導體一面構成正電壓，P

型半導體一面構成負電壓，於是乎發揮出與電池一樣的功能。

晶體與非晶體太陽能電池板：

在猛烈陽光底下，單晶體式太陽能電池板較非晶體式能夠轉化多

一倍以上的太陽能為電能，但可惜單晶體式的價格比非晶體式的昂貴

兩三倍以上，而且在陰天的情況下非晶體式反而與晶體式能夠收集到

差不多一樣多的太陽能。所以，除非受到每單位面積產電功率的限

制，否則的話，使用非晶體式太陽能電池板為更加化算的投資。尤其

是在香港，空氣污染正日趨嚴重，令到本港陰天的時間逐年增加。

(2)太陽能光發電與發電原理

在這所謂的電池（Cell）並不同於我們想像的 "蓄電池"（Battery）

因為它的結構只有薄薄的一片 "矽晶片" (約 0.3mm)，比一張名片

還要薄，也可說是一片超薄的玻璃片似的，在這些商品化的太陽能電

17

池中，(其實應該稱為太陽能晶片)可分為（1）單結晶矽太陽電池

Singlecrystal （2）多結晶矽太陽電池 Polycrstal（3）非結晶矽太陽電

池 Amorphous 等三大類

單晶矽太陽電池：

發電力與電壓範圍廣，轉換效率高，使用年限長(一般保證可達

20-25年)製作成本較高，及製作時間冗長。

1. 高效率大面積之 PERL 結構

2. 增加可利用的光波長範圍的新結構

3. 提昇安定性

多結晶矽太陽電池：

製程步驟較簡單，不須使用 CZ 法或 FZ 法成長的單晶圓，故成

本較單晶矽太陽電池低約便宜 20%，可用於陸上電力等應用，效率較

單晶矽低。

1. 新材料的製造

2. 大面積、高效率、安定性提昇

3. 新結構

18

非結晶矽太陽電池：

非結晶矽電池為目前成本最低的商業化太陽能電池，且無需封

裝，生產也最快，產品種類多，使用廣汎，多用於消費性電子產品，

且新的應用產品不斷在開發中。 a-Si 戶外設置後輸出功率減少

15~20%的光劣化現象 。

1. 改善光劣化(安定性)

2. 低成本化

3. 採用 tandem cell 結構、薄層化層

4. 透明 a-Si 太陽電池

太陽電池種類及材料

種類 半導體材料 Cell 轉換效率

Module 轉換效

率

矽

結晶矽

單晶矽(晶圓

型)

15-24% 10-14%

多晶矽

(晶圓型、薄膜

型)

10-17% 9-12%

19

非晶矽

a-Si(薄膜型) 8-13% 6-9%

化合

物半

導體

二元素

GaAs(晶圓型)

18-30%

CdTe(薄膜型) 10-12%

三元素

CuInSe2(薄膜

型)

10-12%

有機半導體 1%以下

第三章 動作原理

20

3-1動作說明

本裝置系規劃太陽能電力供應，平常電能經太陽能板收集電力至

充電電池備用。白天由光感測器來偵測陽光，當衣物妥善掛上衣架後

操作開關送電，衣物立即自動送出晾曬，假如碰上陰天或者天色昏暗

時，衣物則自動收入屋內，並啟動風扇運轉；晾曬中若遇下雨，經雨

滴感測器檢知後衣物亦將自動收入屋內，此時風扇立刻運轉，輔助其

達到乾衣效果，當雨過天晴時，衣物則再自動送出晾曬直至黃昏收衣。

3-2動作流程圖

21

3-3電路圖

22

DCM

F F

RR

X1

F

R

R

F

RX1

X1

Fan

雨

光

外

內

3-4製作過程

23

衣架滑軌 雨滴檢知裝置

模型屋 零件介紹

木頭加工 固定支架

建構房子 電路檢測

24

雨滴感測器製作

光感測器製作

固定電路板

雨滴檢知裝置

3-5完成圖

25

第四章 結果與討論

在實作的過程中我們遭遇了一些困難，當時因為經費不足，無法

使用減速馬達，若能搭配減速馬達調整適當的移動速度，即可避免送

出與收入之快速移動所造成的衣物掉落現象;另外在測試光感測器的

過程中，發現繼電器一送電即刻動作、可變電阻接觸不良…等瑕疵，

於是我們把這兩個元件換過，但還是不行，最後我門修正電路重做

後，終於完成了光感測器。

本專題尚有許多待改進的地方，為了讓系統的判斷更加準確，也

能配合實際上的需求，更因為天氣是無法預測的，所以必須多花一些

心思。畢竟一項小發明就能改變人的生活，但其間辛苦的過程若非親

身體驗是他人無法理解的。

26

參考文獻

1.2009年南台科技大學機械工程系專題製作

2.楊燕堂自動曬衣架在 2006年台北國際發明獲得金牌獎

27

作者介紹

組镸：張建發

學號：BD97132

資料收集:雨滴感測器資料、光感測器資料

實作部份:雨滴感測器製作、光感測器製作、太陽能充電器製作

組員：林佳鵬

學號：BD97097

資料收集:雨滴感測器電路、光感測器電路

資料整理:雨滴感測器、光感測器

實作部份:固定衣架、模型屋、太陽能板固定。