下雨自动关窗器

下雨自动关窗器 中三级 基本科技科 设计习作二 下雨自动关窗器 设计习作二 下雨自动关窗器 设计习作指引 目的 同学们在中二时, 已学会透过设计及制作一个简单的气动操作玩具模型系统，从而了解和运用简单的气动组件及自动化电子操作系统的知识。 学生完成设计习作后应能掌握 1. 了解基本的气动组件的操作原理。 2. 运用适合的气动组件，制作一个简单的气动下雨自动关窗系统。 处境 在这讲求自动化控制的年代，家居生活亦趋向电子化及自动化。由于雨季来得特别长, 市民经常受到雨水的影响，香港人也特别善忘，经常因为忘记关窗令窗台的漆油或墙纸剥落。所以陈氏夫妇希望改用一种下雨自动关窗器系统。你可以提供意见吗,你会怎样设计这个系统呢, 设计大纲 学生设计及制作一个简单的气动下雨自动关窗的系统。 制作时限 12堂 (共660分钟)。 所需物料 1. 气动教具套，包括:单作用气缸、三路二位方向控制阀(常闭式)及接驳用气喉。 2. 制作材料可利用铝槽、亚加力胶片或咭纸。 安全要点 遵守气动工具及工场的使用安全守则(见1.3安全指引)。 DF3–1 中三级 基本科技科 设计习作二 下雨自动关窗器 相关知识 1.1 使用气动系统的优点 气动系统是利用大气中的空气加以压缩，提高空气压力，将动力输送到较远距离的气动组件来进行操作。由于气动组件操作简单，只靠压缩气体推动，可进行直线、曲线和往复运动，所以活动零件较少。而受压缩空气的气动组件，在全密封的情况下操作，故此不受外间任何环境影响，所以气动组件的工作寿命很长，系统的可靠性也很高。 1.2 气动组件的选用 由于下雨自动关窗器采用宜线运动，因此可选用单作用气缸作为这系统的操作组件之一。 (a) 单作用气缸的功能 单作用气缸(图1.1)可从两端进给压缩空气，因此它有两个方向的推力。双作用气缸有「推」或「拉」两种形式，主要在夹压、压入、举起、打印、推动等操作中应用。 图1.1 单作用气缸 图1.2 单作用气缸符号 为使下雨自动关窗器能正常操作，必须使用一个方向控制阀，推动单作用气缸以作预期的操作。 (b) 方向控制阀的功能 方向控制阀可以影响压缩空气流经的路径，主要是控制气流的通过、切断或流动方向的装置。 作为信号及控制使用的方向控制阀，可分为二、三、四、五个接口通路。 为配合下雨自动关窗的操作，可选用三通二路手动控制弹簧复位方向阀(常闭式)。 DF3–2 中三级 基本科技科 设计习作二 下雨自动关窗器 (c) 三路二位手动控制弹簧复位方向阀(常闭式) 手动按钮 复位弹簧 图1.3 (a) 三路二位方向阀 (b) 三路二位方向阀(常闭式)气动符号 (常闭式)实物图 (d) 气动回路图 图1.4 单作用气缸控制气动回路图 绘画气动图回路图时，方向控制阀是控制气缸操作的，因此控制阀会位于气缸的下方。 1.3 安全指引 (a) 接驳或拆除气动组件喉管时，必须关闭压缩空气供应阀或关闭压缩机，以确保没有 压缩气体残留于系统内。 (b) 切勿将压缩空气喷向自己或同学身体任何部位。 (c) 切勿将压缩空气吹动桌上或地面尘垢、垃圾或其它对象。 (d) 应选用合规格的压缩气喉。 (e) 检查压力喉管接驳在正确位置上，才可开启气压供应阀或压缩机。 (f) 发现压力喉管或气动组件泄漏压力气体时，须立刻关闭气体供应阀或压缩机，并立 刻通知老师。 DF3–3 中三级 基本科技科 设计习作二 下雨自动关窗器 电子控制系统 2.1 控制系统 人类使用各种的器具时，都要作适当的控制，否则失控的机器可能会引致意 外和损失，例如:失去控制的巴士可能会撞伤行人和损坏财物。我们需要控制系统 来操控各种工具和机器。控制系统可以分为两大类:开环式系统和死循环式系统。 我们可以利用多种方法来制作控制系统，例如:机械控制系统、电子控制系 统、计算机控制系统和气动控制系统等。在现代科技中、许多器具都利用电子和计 算机控制系统来操作，所以本章会重点介绍这两种系统。 (a) 开环式控制系统 下图显示一个简单的开环式控制系统。它的操作非常简单，控制系统会处理 输入的的信号，然后再输出结果。简单的电灯开关电路就是一个开圈式控制系统的 例子。 输入 输出 处理 图 2.1(a) 开环式控制系统 (b) 死循环式控制系统 输入 输出 处理 回输 图 2.1(b) 死循环式控制系统 如果我们把控制系统的输出来调校输入的信号，就会组成一个死循环式控制 系统。调校输入的信号称为回输。回输是的一个特性，它把输出与预期的效果或指 令状态作比较，然后作出适当的控制行动，以更正输入的信号。因此，死循环式控 制系统中必须包括一个侦察器，以监察输出的结果，并把它与预期的效果作比较。 回输可以分为正回输和负回输两种。 现代的电器和机器，不少都是用死循环式控制系统来作自动控制。例如:家 庭式自动电熨斗、电冰箱(俗称雪柜)、自动电饭煲和空气调节系统等。 DF3–4 中三级 基本科技科 设计习作二 下雨自动关窗器 4.1 电子控制系统 (a) 输入、处理和输出 电子操控系统与其它操控系统一样，是由输入、处理和输出所组成。假如一 个电子感应器包括多个部份，如图2.2所示，它的模块方块图可以简化成输入、处 理、输出三部份。 2 图2. (b) 输入及感应器 光敏感应器 光敏感应器(LDR)是一种可变电阻，它的电阻值会根据光线的强弱程度而改变 (图2.3)。当光线暗淡时，电阻值增大;光线强度增加时，它的电阻值会减少。所以， 它可以通过光敏感应电路来把光暗变化(光信号)转换为电流或电压的变化(电信 号)。光敏感应器主要用在自动控制、红外线探测等。 图 2.3 (a) 光敏感应器 (b)光敏感应器电路符号 DF3–5 中三级 基本科技科 设计习作二 下雨自动关窗器 (i) 温度感应器 温度感应器或热敏感应器利用温度改变来影响电阻值，常用于温度感应开关电路。常用的热敏感应器在低温时电阻值较大;在高温时电阻值则减少。热敏感应器有许多用途，例如:在火灾警报器中用来探测高温，在电子温度计中用来测量人体温度(图2.4)等。 图 2.4 (a) 电子温度计 (b) 热敏电阻电路符号 (ii) 按钮和开关掣 开关掣的主要用途是让电路的电流流通或切断，也可以用来切换电路。图2.5显示一些开关掣的电路符号。开关掣的种类繁多，包括:按扭式、游戏杆式、滑动式、转动式、感应式(图2.6a和图2.6b)等。设计电子系统时可按实际情况选择合适的开关掣。 (a) 一般符号 (b) 按钮开关掣 图2.5 开关掣的电路符号 图2.6 (a) 按扭开关掣 (b) 滑动式开关掣 DF3–6 中三级 基本科技科 设计习作二 下雨自动关窗器 (c) 输出及控制装置 (i) 发光二极管 发光二极管(LED)是一种发光输出组件，但它只让电流沿一个方向流通(图 2.7b)。只有当电源的正极接到发光二极管的长接脚时，电流才可以流通而令它发光。 相反，假如正极接到短接脚时，电流不可以流通，发光二极管也不会发光。发光二 极管体积较细小，容易被收藏在电器内作为指示灯。它还有不少的优点，例如:耗 电量低、发热量低和安全等。 图2.7 (a) 发光二极管(LED) (b) 电路符号 (ii) 继电器 继电器是一种用较小电流来接通或切断较大电流的装置。由于大功率的电动机操作时会使用较大电流，使用者直接按动开关易生危险。如果使用继电器，便可以安全地用电磁力来启动或停止机器。继电器由电磁铁、衔铁、弹簧及触点等组件组成(图2.8)。当开关未接通时，弹簧拉着衔铁，使弹簧片和接触点断开，形成开路。当开关闭合时，电流通过螺丝管，铁心被磁化而吸引衔铁，使接触点闭合，形成闭路。利用继电器，一个电子电路可以控制电动机、电器等的开关。 图2.8 (a) 继电器 (b) 电路符号 DF3–7 中三级 基本科技科 设计习作二 下雨自动关窗器 工作进度表 在下列中加上 ‘,’号，以表示该项工作完成。 时间 第 第 第 第 第 第 1 2 3 4 5 6 工作 周 周 周 周 周 周 内容 1. 列出难题 2. 列出所有 解决 3. 工序 (1) 工序 (2) 工序 (3) 工序 (4) 工序 (5) 工序 (6) 工序 (7) 工序 (8) 4. 测试 5. 评估 DF3–8 中三级 基本科技科 设计习作二 下雨自动关窗器 评鉴表 1. 请观赏其它组别的模型和报告，然后填写下列评鉴 1 2 3 4 5 表。 注:同学必须诚实及认真地评估。 最低被评鉴的组别:最低高分 低分 ______________________________________ 分 分 最最 1 2 3 4 5 (a) 下雨自动关窗器外型设计的创新性 ? ? ? ? ? (b) 下雨自动关窗器能否操作正常, ? ? ? ? ? (c) 气喉接驳是否稳妥, ? ? ? ? ? (d) 下雨自动关窗器是否操作时是否快慢适宜, ? ? ? ? ? (e) 气动组件的使用是否正确, ? ? ? ? ? (f) 选择材料是否正确, ? ? ? ? ? (g) 设计图的绘制 ? ? ? ? ? (h) 气动图的绘制 ? ? ? ? ? (i) 报告的准确性及美观性 ? ? ? ? ? 2. 试提议该作品需要改善的地方: DF3–9 中三级 基本科技科 设计习作二 下雨自动关窗器 练习1A 根据下雨自动关窗器制作的模型，解答以下各题: 1. 这台自动系统是怎样操作的,下雨自动关窗器在晴天时作出甚么动作, ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ 2. 当雨点打在接触开关片时, 系统会作出甚么的反应, ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ 3. 甚么原因使单作用气缸产生动作，将门窗关上, ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ 4. 甚么情况使单作用气缸回复原位，将门窗打开, ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ 5. 填写以下单作用气缸控制气动图内的各部份名称。 (a) (b) (e) (d) (c) DF3–10 中三级 基本科技科 设计习作二 下雨自动关窗器 练习1B 1. 就处境中，同学思考下雨自动关窗器的设计优点及其限制。 ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ 练习1C 1. 同学讨论如何将下雨自动关窗器的概念，改良为其它自动控制系统，并评估改善工 作的可行性，并以简图略述设计初稿。(提示建议 : 雨天自动收衣架、窗帘自动开 合系统。) 2. 加装甚么控制组件, 便能实现上述构想, DF3–11