無電力式節能智慧型水閘門之研製與開發
翁永進*、陳宏毅**、翁永春**、翁永承**、陳志嘉***、鄧佳茜**** *開南大學通識教育中心 專任助理教授 **開南商工實驗研究組 專任教師 ***高雄師範大學工業科技教育學系 兼任助理教授 ****高雄師範大學工業科技教育學系 博士 壹、前言 由於社會的轉型，而使鄉村的人口大量的遷往都會，在土地資源無法增加下，為了在有 限的土地上容納更多人居住，因此建築物轉往高樓設計為必然之趨勢，則每一棟大樓皆會有 不同層數的地下室，以供作為停車位及各種機電設備之擺設，一般而言，在地下道入口皆有 警衛、閘欄及鐵捲門，來作為人員及車輛進入的管制措施，但不論是閘欄或鐵捲門等裝置， 並無法阻止水由地下道進入地下室，雖然地下道都有排水措施，惟因公得心不彰，除了在街 道亂丟擲垃圾外，有的家庭更讓廚餘隨水一併排出，而容易在地下排水道形成堆積阻塞的現 象，以致當遇到連續性的大雨時，就無法順利的將下水道的雨水排出，因而容易發生積水之 情事，因此每次發生豪雨時，都市的低窪區都會有下水道淹水，乃致於一般的住家及商店亦 會因路面及排水系統無法及時發揮排水之作用，導致地下室停放的汽、機車及發電機等機電 設備，或是住家、商店內的家俱、電氣用品及各種商品，就會因浸水而損毀，對居民造成財 物的損失，雖然目前市面上已有防水閘門，但多數需要靠人力來組裝，而且在組裝上也費時 費力，這樣的方式只適用於在有預警的豪大雨警報，對於突如其來的水災，如臨時的豪大雨、 抽水站的水門未關、自來水管破裂等，都無法作有效的防止，有鑑於此，本研究利用水本身 的重量，再配合機點整合之相關原理，設計出智慧型防水閘門，此防水閘門能自動依水位高 低來做適當的調整以防止水的入侵，這樣不僅能 24 小時全天候防水，也能減少人力的浪費以 及人為疏失所造成的損害。貳、製作方法及系統說明探討 一、系統分析 (一) 由於本創作是依照雨量的多寡來調整防水閘門的高低，所以需要一個雨量模擬裝置。 (二) 為了避免浪費水資源，所以我們必須讓水不斷連續循環，所以需要一個抽水馬達。 (三) 為了能控制抽水設備及步進馬達，所以我們需要一個微電腦來做為主控制器。 (四) 由於我們是利用閘門的升起來防止水的流入，所以我們需製作一個防水閘門。 (五) 閘門拉起的動力來源，即是水本身的重量，所以需要一個儲水桶來盛裝雨水。 (六) 由儲水桶至閘門之門主要是由繩索來拉動，但是我們必須透過機構來改變機械利益，以 達到「省 力費時」或「省時費力」的結果，所以需要一個機構來做力量的轉換。 二、系統方塊圖 圖 1 系統方塊圖 機構 閘門升降
雨量模擬 (抽水馬達及步進馬達) 主控制器
儲水桶 水
三、製作過程 圖 2 製作流程圖 (一) 雨量模擬 1. 雨量標準 我們常在氣象報告中聽到[豪雨特報]、[陰有小雨],.那麼雨量大小要如何區分呢? 小雨:24 小時內,降雨量小於 10 公釐(或 12 小時內,降雨量小於 5 公釐)。 中雨:24 小時內,降雨量介於 10~25 公釐(或 12 小時內,降雨量達 5~15 公釐)。 功能分析 電子部分 功能決定 元件製作 設計、繪圖 機構部分 材料選購 修改 書面資料撰寫 測試 成品 程式燒錄 程式撰寫 焊接電路 IC元件選購 系統整合 測試 測試
大雨:24 小時內,降雨量介於 25~50 公釐之間(或 12 小時內,降雨量達 15~30 公釐)。 豪雨:24 小時內,降雨量大於 50 公釐以上的(12 小時內,降雨量達 30 公釐以上)。 雨從含有數百萬小水滴的雲層滴落，當這些小水滴聚集在一起，就形成雨水降落到地面。 所謂＜降雨量＞是指一段時間內，天空所降下的雨水總量。 根據中央氣象局訂定的標準，如果 1 小時的雨量達到 15 公釐，而一天的雨量達 50 公厘， 稱為＜大雨＞。如果某地１小時下的雨量達１５公厘，而且１天的雨量達到１３０公釐，就 稱為＜豪雨＞ 2.設計簡介 為了模擬雨量，所以我們做了一個雨量模擬水值，利用步進馬達透過定時皮帶帶動螺桿， 使放水閘門上升或下降來改變雨量的大小。 動作流程如圖 3 所示，圖 4 為放水閘門之設計圖； 圖 3 放水閘門動作流程圖 原點復歸 等待輸入 使閘門停止D1 使閘門往下 使閘門往上 判斷是否開關 下極限S4 判斷是否到達度 上極限S5 使閘門停止D1
皮帶輪 放水閘門 螺桿 上極線開關 下極線開關 連接抽 水馬達 步進馬達 皮帶輪 定時皮帶 水箱 閘 門 出 水 口 水 面 圖 4 放水閘門設計圖 3.理論計算 水在 20℃的比重量 r=998kgf/m3 =998×1000×110-6g/cm3=0.998 g/cm3 柏努利方程式 g V Z r P g V Z r P 2 2 2 2 2 2 1 1 + = + + + V:水流速度 P:壓力 r:比重量 Z:水面高度 g:重力加速度 Θ 同一大氣壓 P1 = P2 水面初速度為 0 V1 = 0 以放水閘門出水口為高度基準 Z2=0 Z1 = 12cm = 0.12m g = 9.8 m/s2 ∴ 0 + 0.12 + 0 = 0 + 0 + g V 2 2 2 V2 = 2×9.806×0.12=1.53 m/s BQ：流量 A：閘門開啟面積 V：流速 Y：閘門開啟高度 門寬=7.8m=0.078cm Q=A×V A=(0.078×Y) m2 Q=(0.078×Y)×1.53 m/s 理論值和實驗值的誤差如下圖 5 所示：
圖 5 放水閘門理論與實驗值比較 經由實驗後發現，理論值與實際值有所差異，經思考及查閱相關書籍後，將可能的原因 歸納如下： (1) 在理論計算時，水的高度 z 值是固定的，但是在實際狀況下，水的高度是會隨者水的 流失而下降，所以會造成理論與實際的差異。 (2) 為了方便計算，將水跟接觸面的流體摩擦力忽略不計，但是在實驗時，摩擦力是存 在的，所以會影響到水的流速也會影響到流量。 (3) 實驗時在計算時間及流量上的誤差會影響到結果。 (4) 當閘門緊閉時門縫中的膠條被壓迫，使其不至於漏水，而當閘門開啟時，膠條逐漸 恢復至原本大小，所以會影響閘門開啟之高度，因而影響到其流水量。 4.極限開關電路 由於必需知道閘門是否關閉或是開到極限，所以我們在閘門的上下極限裝上極限開關， 如圖 6 所示，常開(N.O)極限開關，當上、下極限開關動作後，會將 8051 的輸入腳短路到地， 此時 8051 偵測到 Lo 信號，即輸出訊號使步進馬達停止。 流量 cm3 /s 閘門高度 cm 實際值 理論值 0.5 134.4 596.70 0.6 410 716.04 0.7 612 835.38 0.8 612 954.72 0.9 656 1074.06 1.0 697 1193.40 1.1 706 1312.74 1.2 915 1432.08 兩 值誤差 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 高度 流量 實驗值 理論值
圖 6 極限開關電路 5.步進馬達 在適當的控制下，步進馬達能迅速的啟動與停止。就步進馬達之結構與轉動的原理來說， 步進馬達之內部可分為定子(STATOR)、線圈與轉子。轉子通常便用永久磁鐵當磁極，而定子 上繞了數組線圈，控制定子上線圈的電流，即可在不同的極上產生磁極。一個永磁式步進馬 達之結構如圖 7 所示，其中，A、A、B、B 為定子上線圈之控制端，而 AC 與 BC 分別為 A 繞 組與 B 繞組之中心抽頭共用線，定子與轉子之極數可決定步進馬達每輸入一個脈波，其轉子 所能轉動的角距離。圖 7 中若 AC 與 BC 端接到 l2V 之電壓源，再依一定的順序將線圈控制端 接地，即可令步進馬達運轉。如圖 7 所示，即是將 A 接地後定子所產生的磁場變化，此時轉 子之磁極 1 對正定子之磁極 1。接著若將 B 接地而 A、A、B 保持開路狀態，則定子之磁極 2、 6 接近轉子端為 N 極，而磁極 4、8 為 s 極，因此，轉子被向右推進一個角度後達磁力平衡停 止下來。
(a)永磁式步進馬達 (b)A 接地 (c)B 接地 (d)A’接地 圖 7 步進馬達
(二) 抽水馬達 為了在實驗過程中，能讓水循環再利用，所以我們用了一個抽水馬達來將水抽回雨量模 擬水箱，其動作流程如圖 8 所示。 圖 8 抽水馬達動作流程圖 (三) 主控制器 由於抽水馬達及步進馬達需要額外的訊號來做控制，所以必需要有一個控制器來控制這 些設備，因此我們採用 89C51 來做為主控制器。 8051 功能簡介： (1) 專為控制應用所設計之八位元 CPU (2) 加強了布林代數（單一位元的邏輯）之運算 功能 (3) 32 條雙向且可被獨立定址之 I/O (4) 晶片內部有 128 位元組可供儲存資料的 RAM (5) 內部有兩個 16 位元計時器 (6) 具全雙工 UART (7) 5 個中斷源，且具有兩層（高/低）優先權順序之中斷 判斷開關 是否為1 停止抽水馬達 判斷開關 是否為1 啟動抽水馬達
89C51
89C51 31 19 18 9 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 37 36 35 34 33 32 21 22 23 24 25 26 27 28 17 16 29 30 11 10 20 38 39 40 EA/VP X1 X2 RESET INT0 INT1 T0 T1 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7 RD WR PSEN ALE/P TXD RXD GND P0.1 P0.0 VCC (a) (b) 圖 9 89C51 控制器 從圖 9(b) EA 連接 +5V，表示是使用 89C51 內部的 EPROM 作為程式記憶體。12MHz 的 石英晶體配合兩個 20p F 的電容連接到 89C51 的第 18、19 腳，讓內部時脈產生器能正常工作。 89C51 的第 18、19 腳的內部是一個反相放大電路，當第 18、19 腳連接石英晶體及電容，即構 成了一個標準的石英晶體振盪器，振盪器的輸出信號就提供給 89C51 使用。從圖中 10u F 電 容及 8.2K 電阻組成了 89C51 的開機自動重置(POWER-ON Reset) 電路。只要保持 Reset 接腳兩 個機械週期的”Hi”信號，即可重置 89C51。當電源打開，電容在瞬間視為短路，故 RST 的 接腳信號是高電位。隨著時間增加，10uF 電容慢慢充電，當充電時間經過 5 個 RC 時間常數 後，RST 接腳信號降為低電位，系統隨即開始正常動作。(四) 防水閘門
(a)下雨時 (b)雨停時 圖 10 防水閘門動作流程圖 (五) 機構 本研究採用滑輪組來改變機械利益，其尺寸如圖 11 所示，其中 F 是指儲水桶、W 是閘門， 使用滑輪組的原因在於，滑輪組可以很容易的改變機械利益的大小，其機械利益的計算如下：
F R = 0 . 5 RW
F
C
滿 水
4 .8
kg
W
B
空 箱
0 .8
kg
1. 5kg
(a) (b) 圖 11 滑輪組 雨量模擬 閘門開啟 經由滑輪組拉動閘門 水流至儲水桶 閘門上升 儲水桶積水增加 水流至 下水道 正常雨量 雨量過大 雨量模擬 閘門關閉 儲水桶上升 閘門下降 儲水桶中的水減少 排出 水流至 下水道由公式：W ×AC =F ×BC 其中：AC=滑輪直徑 BC=滑輪半徑 Θ AC =2BC 又 AC BC F W = = 2 1 2 = BC BC ∴ 2 1 = = F W MA 所以機械利益小於 1，故屬於費力省時機構，之所以將機械利益設計小於 1，主要的目的 在於縮短儲水桶下降的行程，使放置儲水桶的凹槽不用太深，另外一個因素是，F 的力量是 來自於雨水的重量，所以只要將儲水桶加大，就有足夠的水量使閘門升起。 F=2×W W：門重=1063g F：儲水桶 F=2×1063=2126g ， 若不計摩擦損失，則儲水槽必需於 2 倍的閘門重量才能將門拉起 若將滑輪及儲水桶重量加入計算，則如下： 滑輪重 140g 、 儲水桶 2022g F=儲水桶空重 2022g + 滑輪組重 140g = 2162g W=1063g F（2162g）>2W（2126g） 故理論上已可將閘門拉起，但實際測試 W 必需為 5162 g，才能將門拉起，因為必須加上 過程中的摩擦損失。
參、結果與討論 圖 12 自動防水閘門立體圖 由 8051 控制步進馬達將放水閘門升起，使水流入室外馬路， 在正常雨量時，水會由儲 水桶直接流至下水道，不會使防水閘門升起。當雨量過大時，會使儲水桶內的水量開始累積， 使儲水桶的重量增加，因而帶動滑輪組來拉動防水閘門，使閘門升起，當雨量減少時，儲水 桶的水繼續排至下水道，使儲水桶重量減輕，閘門彈簧會使閘門下降，形成自動防水系統。 雨量模擬水箱 防水閘門 滑輪組 抽水馬達 步進馬達 定時皮帶輪 室外馬路 儲水桶 室內 放水閘門 下水道
未下雨狀態
雨量過大狀態
A:儲水桶 B:排水溝 C: 繩索 D:滑輪組 E:防水閘門 F:室內 G:馬路 H:雨水 圖 13 防水設計 經實驗後，將雨量對閘門上升時間關係做圖，如圖 14 所示，由圖中可清楚看出，當雨量 小於 98 cm3 /s 時，閘門不會上升，而當雨量到達 112 cm3 /s 時，閘門上升的時間為 378 秒，而 且雨量越大，閘門上升的時間越快，當雨量到達 280cm3 /s 時，上升時間縮短為 33 秒。 雨量 cm3 /s 上升時間 sec 14 0 28 0 42 0 56 0 84 0 98 0 112 378 126 318 140 199 154 122 168 97 182 87 196 57 210 51 224 47 238 42 圖 14 雨量與閘門上升時間關係圖 252 39 266 38 280 33肆、結論 在未來的發展中，此系統可運用在停車場、辦公大樓、政府機關、堤防等重要的設施， 因為目前所用的自動閘門，大多是以電力做為動力來源，一但停電或是發電機發生故障，閘 門就無法啟動，就會發生淹水的狀況，我們的自動防水閘門因為是以水做為動力來源，當水 量過大時才會啟動，所以不怕停電及人為疏失所造成的誤動作，其設計如圖 15 所示。 為了能應應各種建築物的情況，其儲水槽可移至地下室，只要將水導引到水槽中即可， 機構則可改用液壓的方式，來使閘門升起，這樣一來可以運用的地方就更為廣泛了。
未 下 雨 狀 態
改 用 液 壓 裝 置 (a)未下雨狀態雨 量 過 大 狀 態
(b)雨量過大狀態 A:儲水桶 B:排水溝 C:液壓系統 D:防水閘門 E:室內 F:馬路 G:雨水 圖 15 未來發展圖參考文獻 王千億、王俊傑(1998)。機械製造(I)。台北市：全華書局。 江元壽(2001)。機械材料（II）。台北縣：台科大圖書股份有限公司。 吳清炎(2002)。機械製圖與實習（I、II）。台北市：華興書局。 汪元生(2000)。職業物理。台北市：華興書局。 凌飛龍(2001)。機械力學（II）。台北縣：台科大圖書股份有限公司。 陳天寶、蔣志鵠、柴昌維(2002)。機件原理(I、II)。台北市：恆山書局。 謝澄漢、馬嘉宏(1997)。8051 單晶片原理與實作。台北縣：宏友圖書開發股份有限公司。
