崑 山 科 技 大 學 機 械 工 程系 學 生 專 題 製 作 報 告

25  Download (0)

Full text

(1)

崑 山 科 技 大 學 機 械 工 程系

學 生 專 題 製 作 報 告

太陽能 LED 警示燈

Solar powered LED traffic cone

指導教授:朱紹舒 副教授

專題組員:曹仁豪 學號:4960H149 盧姵娟 4960H107 陳宣孝 4960H143

許敬瑋 4960H189

中華民國 100 年 05 月

(2)

崑 山 科 技 大 學 機 械 工 程系

學 生 專 題 製 作 報 告

太陽能 LED 警示燈

Solar powered LED traffic cone

指導教授:朱紹舒 副教授

專題組員:曹仁豪 學號:4960H149 盧姵娟 4960H107 陳宣孝 4960H143 許敬瑋 4960H189

中華民國 100 年 05 月

(3)
(4)

LED 太陽能警示燈

Solar powered LED traffic cone

曹仁豪 盧姵娟 陳宣孝 許敬瑋

崑山科技大學機械工程系

摘要

警示燈常見於普通道路或是施工道路與工地等等區域之上,此燈 具往往扮演著警告用路人或是通過車輛的警示重要角色,傳統的警 示燈通常是利用鎢絲燈炮,並配合旋轉機構使其達到閃爍警示之功 能,而傳統的警示燈有著眾多不便,例如笨重、安裝不易等,這些 不便間接增加施工的成本以及難度,若是施工區在偏遠山區,為了 警示燈供電還需要特別佈線或尋找外部電源來配合,間接增加了施 工的難度與複雜程度。

近年來交通安全以及工安觀念越來越普及,許多公司寧願多加幾 個警示燈障礙,以增加保護工地施工的安全性,也不願意冒險讓自 己的員工或是一般民眾暴露在危險的狀況之下,以減少意外災害或 成為訴訟的對象。目前由於地球暖化與能源危機加劇,大眾在提倡 環保與節能減碳的觀念下,LED 漸漸取代傳統鎢絲燈炮或是照明元 件,而警示燈使用的照明元件也不例外,LED 警示燈也日益普及,

但卻也有傳統警示燈少數的問題,雖 LED 取代傳統燈泡而體積變 小,卻須依賴外部電源供應,或單靠一次性的乾電池推動也不具綠 色環保的觀念。

警示燈如何藉由自身儲備的電力,不需長期仰賴外部電源運作,

且能克服嚴酷的環境狀況達到長時間的連續作用且達到良好的警 示作用,太陽能板就成為了一個選擇,而市面上的太陽能 LED 警示 燈雖有太陽能板,但太陽能板的功能卻未能達到設計需求,而如何 將太陽能板的功用發揮到最大以及如何改良傳統警示燈便成為了 我們的研究動機與目的。

I

(5)

誌謝誌謝 誌謝誌謝

小組組員十分感謝指導老師 朱紹舒副教授的指導,從一開始的構 想到草圖繪畫出來再到成品製作,朱老師無不給予支援與指導,在 面臨許多製作上的困難時,老師總是耐心指導以及給予建議,本項 專題能順利完成皆感謝朱老師的指導與支援。

另一感謝的對象為微觀力學實驗室的碩士生江春鍠學長,春鍠 學長總是給予實驗上的指導以及製作成品時耐心的在旁給予建 議、並事實給予技術上的支援,而在繪畫技術上有問題時春鍠學長 也總是給予我們技術上的支援,且耐心的給予我們鼓勵與建議。

專題能順利完成還要感謝崑山科技大學機械工程系的支援,加 工階段時常需要使用加工機,而係上總是不吝嗇的給予支援,並給 予各式各樣不同的資源以利其專題製作。

II

(6)

目錄目錄 目錄目錄

中文摘要 ---Ⅰ 誌謝 ---Ⅱ 目錄 ---Ⅲ 表目錄 ---Ⅳ 圖目錄 ---Ⅴ

一、緒論

1.1 創作動機--- 1

二、研究內容與方法 2.1.1 創作時所運用之技術範圍--- 2

2.1.2 創作時所運用之技術範圍解說 --- 2

2.3 傳統警示燈與創作差異--- 2

2.4 創作專題各原件說明--- 4

2.5 詳細作動方法 --- 7

2.6 作品與現有產品之比較 --- 9

2.7 作品相關說明--- 9

三、實驗部分 3.1 實驗介紹 --- 11

3.2 實驗目的設計 --- 11

四、結果與討論 4.1 實驗結果 --- 12

五、結論 5.1 作品特色與現有產品比較之優缺--- 13

(7)

表目錄表目錄表目錄 表目錄

表 2.4 標示號碼與對應名稱--- 7 表 5.1 1 作品材料說明--- 13

IV

(8)

圖目錄圖目錄圖目錄 圖目錄

圖 2.3.1 傳統警示燈示意圖--- 3

圖 2.4.1 LED 警示燈至於障礙錐上剖面示意圖--- 4

圖 2.4 2 太陽能示意圖--- 5

圖 2.4 3 太陽能警示燈爆炸分解圖--- 6

圖 2.8 1 控制電路設計圖--- 10

圖 5.1 1 電腦繪圖太陽板張展開意圖---14

圖 5.1 2 電腦繪圖太陽能板收納時示意圖---15

圖 5.1 3 電腦繪圖太陽能與卡榫配合示意圖(太陽能板展開)---16

圖 5.1 4 電腦繪圖太陽能板與卡榫配合示意圖(太陽能板收納)---17

(9)

一、緒論 1.1 創作動機

警示燈常見於普通道路或是施工道路與工地等等區域之上,此燈 具往往扮演著警告用路人或是通過車輛的警示重要角色,傳統的警 示燈通常是利用鎢絲燈炮,並配合旋轉機構使其達到閃爍警示之功 能,而傳統的警示燈有著眾多不便,例如笨重、安裝不易等,這些 不便間接的增加施工的成本以及難度,若是施工區在偏遠山區,為 了警示燈供電還需要特別佈線或尋找外部電源來配合,間接的增加 了施工的難度與複雜程度。

近年來交通安全以及工安觀念越來越普及,許多公司寧願多加幾 個障礙警示燈,以增加保護工地施工的安全性,也不願意冒險讓自 己的員工或是一般民眾暴露在危險的狀況之下,以減少意外災害或 成為訴訟的對象。目前由於地球暖化與能源危機加劇,大眾在提倡 環保與節能減碳的觀念下,LED 漸漸取代傳統鎢絲燈炮或是照明元 件,而警示燈使用的照明元件也不例外,LED 警示燈也日益普及,

但卻也有傳統警示燈少數的問題,雖 LED 取代傳統燈泡而體積變 小,卻須依賴外部電源供應,或單靠一次性的乾電池推動也不具綠 色環保的觀念。

警示燈如何藉由自身儲備的電力,不需長期仰賴外部電源運作,

且能克服嚴酷的環境狀況達到長時間的連續作用且達到良好的警 示作用,太陽能板就成為了一個選擇,而市面上的太陽能 LED 警示 燈雖有太陽能板,但太陽能板的功能卻未能達到設計需求,而如何 將太陽能板的功用發揮到最大以及如何改良傳統警示燈便成為了 我們的研究動機與目的。

1

(10)

二、研究內容與方法

2.1.1 創作時所運用之技術範圍 本創作運用之技術範圍為:

1. 基礎元件設計與製造 2. 電腦輔助立體繪圖 3. 實物測繪

4. 基本電學 5. 基本力學 6. 基本圖學

7. 機械加工與製造

2.1.2 創作時所運用之技術範圍解說 創作時所運用之技術範圍解說 1. 基礎元件設計與製造

專題中所有元件的運作方式皆為此技術範圍

2. 電腦輔助立體繪圖

專題中所有元件之繪圖皆為電腦輔助利體會圖之技術範圍 3. 實物測繪

將現有產品繪製成電腦繪圖之技術 4. 基本電學

計算基本之電力消耗、電力推動 LED、太陽能回充之效率 5. 基本力學

以基本力學解釋本創作之所有作用力 6. 基本圖學

各個零件圖、組合圖繪製皆按照基本圖學之規範 7. 機械加工與製造

本專題創作與加工皆為此技術範圍

2.3 傳統警示燈與創作差異

傳統的警示燈通常藉由一旋轉機構配合透鏡,置於鎢絲燈炮之 上,而本專題之創作是利用 LED 燈分散以及電路控制使其成為 10 個面間歇閃爍達到傳統警示燈的警示功能。

2

(11)

2.3.1 傳統警示燈示意圖

3

(12)

2.4 創作專題各原件說明

2.4.1 LED 警示燈至於障礙錐上剖面示意圖

4

(13)

2.4 2 太陽能示意圖

5

(14)

2.4 3 太陽能警示燈爆炸分解圖

標號與對應名稱請參閱下頁表 2.4

6

(15)

標示號碼與對應名稱

標號 對應名稱

1 本體

11 穿孔

12 凹室

13 容置部

131 框架

14 突體

141 中心柱

142 凹環

143 通孔

15 卡榫

16 彈性元件

17 電力容室

2 LED 單元

2a 電源開關

21 LED 組件

211 座板

212 LED 燈源

3 儲能裝置

4 主軸

41 連桿組

5 太陽能裝置

51 太陽能板

6 障礙錐

表 2.4 標示號碼與對應名稱

2.5 詳細作動方法

本創作「太陽能 LED 警示燈裝置」,其係由一本體 1、一 LED 單元 2、一儲能裝置 3、一主軸 4 及一太陽能裝置 5 所組成。

本體 1,中央具有一向上貫穿之穿孔 11,穿孔 11 上方具有一凹 室 12,而本體 1 之周邊另設有複數容置部 13,容置部 13 設有框架 131,又,本體 1 之底端向下設有一突體 14,突體 14 設有向上穿入 該穿孔 11 之一中心柱 141,而中心柱 141 之底端周邊為一凹

7

(16)

環 142,而凹環 142 設有一對向外貫通之通孔 143,且通孔 143 各 樞接一卡榫 15,而卡榫 15 內端底部與凹環 142 底部之間設置一彈 性元件 16,使常態上該卡榫 15 之外側被彈性元件 16 向上彈頂而向 外突出突體 14,而於卡榫 15 內端被下壓時,該卡榫 15 即又縮入突 體 14。再者,本體 1 具有一電力容室 17。

LED 單元 2,其係電性連接於一電源開關 2a,該電源開關 2a 設置於本體1,該 LED 單元 2 具有複數 LED 組件 21,每一 LED 組件 21 具有一座板 211,座板 211 組接有複數 LED 燈源 212,而座 板 211 係可組裝於該本體 1 之容置部 13(組入框架 131 內),以及 能自容置部 13 拆下,且每一 LED 燈源 212 亦能自座板 211 單獨取 出。

儲能裝置 3,係設置於本體 1 之電力容室 17,且能自電力容室 17 取出,且儲能裝置 3 係電性連接至該 LED 單元 2,以構成傳輸。

主軸 4,為管狀體,其能上、下移位而樞組於該本體 1 之穿孔 11,主軸 4 之上方係具有能折收、展開之複數連桿組 41,又主軸 4 下移後該連桿組 41 係容置於凹室 12 內;此外,主軸 4 套設於該中 心柱 141 之外側,並於向下移位後適能下壓該該卡榫 15 之內側而 致該卡榫 15 向內縮入該突體 14。

太陽能裝置 5,其具有複數太陽能板 51,如第二、三圖所示,

每一太陽能板 51 係分別組接於連桿組 41 而使太陽能裝置 5 組裝於 該主軸 4 之上方,且每一太陽能板 51 板係電性連接至該儲能裝置 3,且主軸 4 向下移位後,太陽能板 51 即由連桿組 41 之折收而納 置於凹室 12 內(如第六圖),而主軸 4 向上移位且連桿組 41 展開 後,太陽能板 51 即展開卡定於該本體 1 之頂面。

承上裝置組成,而將本創作卡定於障礙錐 6 之頂端,待實施時,

而將主軸 4 向上移位且連桿組 41 展開,使太陽能板 51 展開卡定於 該本體 1 之頂面時,此時即可由太陽能板 51 吸收太陽能而將電能 蓄電至儲能裝置 3,且控制電源開關 2a,即可使複數 LED 燈源 212 亮燈,而構成警示效果,且主軸 4 向上移位後,卡榫 15 因由彈性 元件 16 上頂而向外突出,故可由卡榫 15 卡定於障礙錐 6 之頂端,

而構成交通警示照明之輔助裝置,且若任一 LED 組件 21 或 LED 燈 源 212 損壞時,均可單獨取下,並不妨害其他 LED 組件 21 或 LED 燈源 212 之實施,可說極為方便實用。而若不使用時,則可使主軸 5 稍向上提,且使連桿組 41 折收,而太陽能板 51 亦隨之收合,之 後使主軸 4 向下移位,而使太陽能板 51、連桿組 41 收合納置於凹 室 12 內,且此時主軸 4 向下移位壓掣該彈性元件16,而使卡榫 15被縮入突體14內,此時即可自障礙錐 6 之頂端拔出。

8

(17)

2.6 作品與現有產品之比較

本作品是利用 LED 元件取代傳統鎢絲燈炮,改善傳統警示燈鎢 絲燈泡壽命不佳與耗能的部分,且利用 LED 配合電路設計,可控制 LED 規則的閃爍以達到傳統警示燈旋轉機構的作用,也可減輕不必 要的重量,且利用電路控制及外部隔板可以提供使用者更多閃爍模 式的選擇。

太陽能板亦為本作品另一特色,相較於其他太陽能 LED 警示燈,

本作品具有較大且較好的日曬角度,因為本作品有設計機構可使太 陽能板做簡易的展開,並且固定於某個角度,故只要擺放東西向,

雙面太陽能板的設計便能達到最大的日曬效益,這是與市售太陽能 LED 警示燈差異最大之地方,而市面上的 LED 警示燈可以置於障 礙錐之上,而安裝方法卻只是簡單的緊密配合,只要施加外力便會 脫落,而本作品也針對這一點有其創新的設計,配合上述的太陽能 板收納之機構,可連動於本作品錐形上的卡榫,當太陽能板閉合收 納時,卡榫自動收起,以利於抽離障礙錐,而當太陽能板張開時,

卡榫自動張開,使其除了緊密配合外,更有另外一道防線保護裝置 不脫落,而該項設計也是作品與市售不同的地方。

而作品另一特色為固定 LED 的 PCB 板為開放式設計,當單一 LED 故障時可以將燈罩打開針對故障的 LED 單獨更換,使維護的 成本可以降低,不需因為一顆壞掉而換掉 PCB 板。

本作品還有另一特色,因為本作品為 10 面體,故燈罩也具有十 個面,可以在燈罩上加註簡單的文字以及符號提是用路人,並可配 合閃爍模式的不同達到不同的效果。

2.7 作品相關說明

本作品具另一設計為連續開關,可依不同環境狀況決定使用哪種 模式,而開關三種模式如下:

模式一 模式一模式一

模式一:作品上之 LED 全部作用。

狀況:當路面狀況惡劣時,可以用模式一使所有 LED 作用,告 知用路人本路段或該區域路面有所狀況(如凹陷或施工中),以達到 警示之作用

模式二 模式二模式二

模式二:作品上之 LED 全部間斷閃爍作用。

狀況:施工單位可以藉由模是二提醒用路人該路段施工中,以 利其用路人警覺並減速慢行,小心通過該區域

模式三 模式三模式三

模式三:作品上之 LED 循一定方向作用,形成跑馬燈。

狀況:車速極慢時,利用 LED 循環跑馬並配合燈罩顯示字樣,

9

(18)

提醒用路人前方之狀況,如前方有臨檢,則可將字樣顯是為”

停車受檢”

而作品上之燈罩部分,可以製作不同的圖示或警語,提醒用路人 須注意之事項,而燈罩可卸除,以利 LED 損壞時之簡易更換,而具 有一組內部電源(電池模組),目前原型機是使用八顆 AA 電池(1.5V 2800MA)組成,若以商品建議將可改為鋰鐵電池,更可縮減整體體 積;如電池用盡之時,可以利用本體下方之一插頭,並配合變壓器 連接外部電源,可以對電池模組進行充電,不須再將電池模組卸 下,而此功能主要是針對連續天候不佳之必要設計。

當本作品不使用之時,將太陽能板收納後,下方卡榫因支柱(圖 1-5)之重量,抵抗彈簧(圖 1-4)而向內收起,便可以將作品輕鬆的從 障礙錐上卸除,而無須擔心作品從障礙錐上掉落。

2.8 作品電路設計

作品的控制電路電路設計如下

2.8 1 控制電路設計圖 10

(19)

三、實驗部分 3.1 實驗介紹

本專題有三項實驗,以實驗方法檢視本專題之問題並改進,以下 為實驗項目介紹

1. 支柱與太陽能板卡榫之間運作與否 2. LED 消耗之電力狀況

3. 太陽能板回充作用與否

3.2 實驗目的設計

針對上述之三項實驗設計實驗,並簡事實驗時的變因條件與外在條 件

1. 支柱與太陽能板卡榫之間運作與否 實驗目的:

為確定本作品設計之機構是否可以順利作動 實驗設計:

1.將本體固定,太陽能板呈現收納狀態,將支柱往下收,收到底部 之後,去除支柱外力檢視其卡榫是否能收回。

2.將本體固定,太陽能板呈現張開狀態,將支柱外力去除,檢視太 陽能板是否能因支撐力而固定且卡榫受彈簧之力張開。

2. LED 消耗之電力狀況 實驗目的:

為了推測本作品無太陽能板回充之狀況最常作用時間,其目的為環 境狀況為連續陰天無太陽可使太陽能板作動之狀況

實驗設計:

將本作品之 LED 板固定於一平面之上,其 LED 面向亮度計發射光 源,啟動電力之後靜置,並將亮度計之數據紀錄並分析

3. 太陽能板回充作用與否 實驗目的:

本實驗之目的為檢視太陽能在一正常光源下是否有能力回充電力 至電池

實驗設計:

將太陽能板與控制模組至於光源之下並利用亮度計檢測光源之亮 度,再利用三用電表監測電池所受之電流與電壓

11

(20)

四、結果與討論 4.1 實驗結果

下為上述四項實驗結果:

實驗 1.1 結果

當支柱去除外力後,受到太陽能板之重量,故支柱藉由卡榫抵抗彈 簧之力

實驗 1.2 結果

太陽能板張開時,其太陽能板邊緣置於本體上,使太陽能板與支柱 部分機構因外力成為固定機構,故能置於本體之上抵抗重力

實驗 2 結果

LED 靜置至電力完全消耗為止,並分析亮度計之紀錄數值,其數值 顯示在電力充足之狀況,可運作 28 小時左右

實驗 3 結果

當太陽能板置於一光源下,太陽能板作用後能將電力順利回充至電 池

12

(21)

五、結論

5.1 作品特色與現有產品比較之優缺

作品與市面上許多類似的產品相較之下其優點:

一般市售之警示燈不利固定於障礙錐之上,或固定於障礙錐上僅 利用圓柱部分之緊密配合,無法確定警示燈得以確實固定在障礙錐 之上,而本作品具有太陽能板連動機構,當太陽能板張開時卡榫張 開,而卡榫張開之時可以確實扣住市售各種不同之障礙錐,而太陽 能板收納之時可以將卡榫關閉,以利其抽取離開障礙錐之上,而太 陽能板之收納可以保護太陽能板不受外來因素破壞,且張開時太陽 能板之照射面積也大於市售太陽能 LED 之面積。

本作品與市面上許多類似的產品相較之下其缺點:

本作品相較於外面市售產品比較後,其體積與重量皆較為市售產 品大且重,且太陽能板非固定式也無防竊之措施,如有心人士欲竊 取太陽能板只要將支柱升到最高後並利用斜口鉗將其連接之電線 剪斷破壞即可竊走,且本作品雖利用太陽能板以及充電電池較為環 保,但太陽能板與充電電池造價昂貴,間接提升製作成本,且本作 品如無外部電源供養時無法連續運作超過四天,與市售只使用電池 之警示燈比較雖然較長,但仍無法滿足現階段施工單位之需求。

設計外觀與內部結構圖,如圖 1~圖 5 所示;各元件材料列於表 2。

表 5.1 1 作品材料說明 13

材質 作品元件名稱

ABS(塑鋼) 本體、太陽能座、卡榫、

支柱 氫鎳電池(1.5V

2800mA)

電池模組

壓克力 燈罩

LED 3020 LED

PCB 控制電路、LED 版

鐵 支柱上之圓環

電路控制元件 控制模組

太陽能板 (3V 800mA) 太陽能板

(22)

圖 5.1 1 電腦繪圖太陽板張展開意圖

14

(23)

圖 5.1 2 電腦繪圖太陽能板收納時示意圖

15

(24)

圖 5.1 3 電腦繪圖太陽能與卡榫配合示意圖(太陽能板展開)

16

(25)

圖 5.1 4 電腦繪圖太陽能板與卡榫配合示意圖(太陽能板收納)

17

Figure

Updating...

References

Related subjects :