實務專題報告書

煙 霧 排 除 系 統 製 作

指 導 老 師：謝承達 主任

專題製作學生：日四技電機四乙 莊皓宇 BD102106

日四技電機四乙 沈凱傑 BD102076

中華民國 106 年 6 月 7 日

修 平 科 技 大 學 電 機 工 程 系

DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING

HSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

修 平 科 技 大 學 電機工程系

HSIU-PING UNIVERSITY OF SCIENCE

AND TECHNOLOGY

DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING

指導老師:謝承達

專題製作學生:莊皓宇、沈凱傑

製作日期:106 年 6 月 7 日

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摘要

對餐廳和住宅而言，過去幾年因火災而損失慘重，對業者和生命，都是

慘痛的經驗。而火場中最恐怖的殺手是濃煙，因內含一氧化碳及有毒微粒，

「人只要吸了 3口就會昏倒，昏倒後超過 7分鐘，就可能喪命」。為了防止

發生不幸的意外，本專題所製作的智慧型排風扇，可在火災發生期間所產

生的煙，將其排出。

本系統所搭配的感應器會偵測煙霧密度多寡，間接來控制排風扇轉速快

慢，讓使用者能不被濃煙影響視線所困，看清逃生路線，更快逃出火場。

使消防人員進入火場中能明確撲滅起火點且順利搶救受困人員。

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目錄

摘要 .............................................................................. 1

目錄 .............................................................................. 2

圖目錄........................................................................... 4

第一章 緒論 .............................................................. 6

1.1 研究動機 .............................................................................................. 6

1.2 研究目的 .............................................................................................. 6

第二章 硬體介紹 ...................................................... 7

2.1 Arduino UNO 板 .................................................................................. 7

2.2 MQ-2 煙霧 SENSOR 模組................................................................. 9

2.3 直流馬達驅動 IC(L298N) ................................................................. 11

2.4 FAN 4Pin 風扇 .................................................................................. 13

2.5 方形 LED 指示燈 .............................................................................. 14

2.6 單音 附線 電磁式 蜂鳴器 .............................................................. 15

2.7 彩色 40P 公母頭杜邦 附線連接器 20cm...................................... 16

2.8 單面 FRP 纖維鍍錫萬用電路板 ...................................................... 17

2.9 保鮮盒容器 ........................................................................................ 18

3

第三章 軟體介紹 .................................................... 19

3.1 Arduino 軟體介紹 ............................................................................. 19

第四章 硬體配線圖與電路圖 ................................ 23

4.1 硬體配線圖 ........................................................................................ 23

4.2 電路圖 ................................................................................................ 24

第五章 程式、流程解說 ........................................ 25

5.1 功能性需求 ........................................................................................ 25

5.2 PWM 三階段排煙控制說明 ............................................................. 26

5.3 動作流程圖 ........................................................................................ 28

5.4 程式設計 ............................................................................................ 29

5.5 成品展示 ............................................................................................ 32

第六章 結論 ............................................................ 33

參考文獻 ..................................................................... 34

4

圖目錄

圖 1: Arduino UNO 板圖 ...................................................................... 7

圖 2: Arduino 特殊腳位功能 ................................................................ 7

圖 3: Arduino 類比輸入說明 ................................................................ 8

圖 4:Arduino 其他功能 ......................................................................... 8

圖 5:MQ-2 煙霧感測模組圖 ................................................................ 9

圖 6:直流馬達驅動 IC(L298N)圖 ...................................................... 11

圖 7:4Pin 風扇圖 ................................................................................. 13

圖 8:LED 指示燈圖 ............................................................................ 14

圖 9:蜂鳴器圖 ..................................................................................... 15

圖 10:杜邦線圖 ................................................................................... 16

圖 11:電路板圖 ................................................................................... 17

圖 12:保鮮盒容器 ............................................................................... 18

圖 13:安裝畫面 ................................................................................... 20

圖 14:選擇要安裝的組件 ................................................................... 20

圖 15:選擇所要安裝的目標文件夾 ................................................... 21

圖 16:安裝完成 ................................................................................... 21

5

圖 17:Arduino 環境介面圖 ................................................................. 22

圖 18: Arduino 功能鍵說明圖 ........................................................... 22

圖 19:硬體配線圖 ............................................................................... 23

圖 20:電路圖 ....................................................................................... 24

圖 21:PWM 三階段轉速控制過程實驗畫面 ..................................... 27

圖 22:動作流程圖 ............................................................................... 28

圖 23:程式設計畫面 ........................................................................... 29

圖 24:程式設計畫面 ........................................................................... 30

圖 25:程式設計畫面 ........................................................................... 30

圖 26:程式設計畫面 ........................................................................... 31

圖 27:程式設計畫面 ........................................................................... 31

圖 28:成品圖 ....................................................................................... 32

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第一章 緒論

1.1 研究動機

火災發生前期會產生大量的濃煙，為了避免人體吸入大量濃煙以及濃

煙影響視線而遮蔽逃生路線導致火災發生未能及時逃脫，造成人員傷亡。

我們必須想出一個辦法，能夠在火災發生時不被濃煙影響且逃生成功。

1.2 研究目的

我們利用煙會因為熱空氣上升，冷空氣下降的原理，設計一個能夠自

動排煙的系統。我們能夠在住宅及餐廳的天花板裝上一個煙霧偵測器。

當偵測到煙霧時，警報器會響起且排風扇會自動開啟，達成排煙的功能。

讓人們有充足的時間及清楚的視線能夠逃離火災現場。

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第二章 硬體介紹

2.1 Arduino UNO 板

圖 1: Arduino UNO 板圖

功能說明：

數位 I/O 接腳:

14 支數位 I/O 接腳可以當作 input 使用，也可以當作 output 使用，

使用方法是透過 pinMode(), digitalWrite(), anddigitalRead() 這幾個函式。

這 14 支數位 I/O 接腳，其中幾支腳有特殊的功能:

圖 2: Arduino 特殊腳位功能

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類比輸入 接腳:

Arduino Uno 有 6 支類比輸入腳，標記為 A0 到 A5，每支腳都可提

供 10 位元的解析 (即 1024 種不同的數值)。這些腳位所用的參考電壓

預設為 0 到 5V，不過參考電壓也是可以更改的，方法是透過 AREF

腳和 analogReference()

圖 3: Arduino 類比輸入說明

其它:

圖 4:Arduino 其他功能

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2.2 MQ-2 煙霧 SENSOR 模組

圖 5:MQ-2 煙霧感測模組圖

MQ-2 氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二

氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率

隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的

變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ-2 氣體傳感器對液化

氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。

這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感

器。

產品規格:

採用優質雙面設計，具有電源指示和 TTL 信號輸出指示

具有 DO 開關信號(TTL)輸出和 AO 模擬信號輸出

模擬量輸出的電壓，濃度越高電壓越高

對液化氣、丙烷、氫氣檢測有較好的靈敏度

尺寸:32(L)*20(W)*22(H)

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具有長期的使用壽命和可靠的穩定度、快速的響應恢復特性

電氣性能 : 輸入電壓 : DC5V

功耗(電流) : 150mA

DO 輸出 : TTL 數字量 0 和 1(0.1 和 5V)

AO 輸出 : 0.1~0.3V ，最高濃度電壓 4V 左右

特別提醒 : 傳感器通電後，需要預熱 20 秒左右，測量的數值才穩

定，傳感器發熱屬於正常現象，因為內部有電熱絲，如果燙手就不

正常了。

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2.3 直流馬達驅動 IC(L298N)

圖 6:直流馬達驅動 IC(L298N)圖

L298N 是 ST 公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動晶片。該晶片採用

15 腳封裝。

主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達 46V；輸出電流大，瞬間

峰值電流可達 3A，持續工作電流為 2A；額定功率 25W。內含兩個 H 橋的

高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流馬達和步進馬達、繼電器

線圈等感性負載；採用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在

不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，

使內部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋

給控制電路。使用 L298N 晶片驅動馬達，該晶片可以驅動一台兩相步進馬

達或四相步進馬達，也可以驅動兩台直流馬達。

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產品規格:

主控晶片 : L298N

電壓 : 5V

驅動電壓 : 5V~35V

電流 : 0mA~36mA

驅動電流 : 2A

工作溫度 : -20Oc~135Oc

最大功率 : 25W

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2.4 FAN 4Pin 風扇

圖 7:4Pin 風扇圖

產品規格:

Size : 8x8cm

電壓: DC12V

電源線接頭 4Pin

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2.5 方形 LED 指示燈

圖 8:LED 指示燈圖

產品規格:

Size : 15x15mm ; 高 11mm(不含腳)

顏色 : 紅色

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2.6 單音 附線 電磁式 蜂鳴器

圖 9:蜂鳴器圖

產品規格:

額定電壓 : DC12V

操作電壓 : VDC 5~16V

Max.Rated 電流 : 40Ma

Min.Sound Pressure Level(dB) : 90dB/20cm

共振頻率 : 400±100Hz

操作溫度 : -20oc ~ +70oc

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2.7 彩色 40P 公母頭杜邦 附線連接器 20cm

圖 10:杜邦線圖

產品規格:

顏色 : 彩色/棕、紅、橘、黃、綠、藍、紫、灰、白、黑 十色組成

(可撕開單獨使用)

線長 : 約 20cm

型式 : 公母雙頭帶線 2.54mm 杜邦頭

線材 : 外徑 1.36mm

線徑 1.0mm

銅絲 7x0.1mm

耐溫 105oc

耐壓 300V

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2.8 單面 FRP 纖維鍍錫萬用電路板

圖 11:電路板圖

產品規格:

尺寸 : 100x160mm

材質 : 玻璃纖維 單面鍍錫

採 2mm/2.54mm 腳距

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2.9 保鮮盒容器

圖 12:保鮮盒容器

產品規格:

材質 : PP(聚丙烯)

尺寸 : 23 x 17 x 13cm

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第三章 軟體介紹

3.1 Arduino 軟體介紹

Arduino 是一種開放授權的互動環境開發技術，互動裝置其實無所不

在，像是冷氣的恆溫裝置，便是使用感測器偵測環境溫度，進行室內溫

度的自動調節；還有汽車使用的倒車雷達，過於靠近物體便會發出聲音

警告駕駛者。這些裝置為生活增加不少安全及便利，互動能帶給使用者

驚喜，有時會以藝術品的方式呈現在生活當中。

以往要處理相關的電子設備時，需要透過工程師，逐一由單一小元件

拼湊出整個電路。大多數的設計工具都是為了工程師設計，除了電路外

還需要廣泛的知識，才有辦法完成電路。還好微處理器有了長足的進步，

除了在使用上變得更為容易，價格上的減少更降低了學習的門檻。

一、 軟體取得：

需要開發環境、編譯器、連結器、開發工具鏈、燒錄程式、板子

與電腦連接所需要的驅動程式、等等，這些通通都已經準備好、打

包好了，到 Arduino 官方網站的下載頁面 http://arduino.cc/en/Main/Software

即可下載。

http://arduino.cc/en/Main/Software

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二、 安裝步驟:

圖 13:安裝畫面

圖 14:選擇要安裝的組件

21

圖 15:選擇所要安裝的目標文件夾

圖 16:安裝完成

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三、 安裝完成後，即可開啟軟體。

圖 17:Arduino 環境介面圖

四、 Arduino 功能鍵說明:

圖 18: Arduino 功能鍵說明圖

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第四章 硬體配線圖與電路圖

4.1 硬體配線圖

圖 19:硬體配線圖

24

4.2 電路圖

圖 20:電路圖

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第五章 程式、流程解說

5.1 功能性需求

1. 此系統會將偵測到的煙霧密度，藉由 PWM 控制功能來改變風扇轉

動速度。

2. 當火勢撲滅、煙霧散去，排風扇及警報器會自動關閉。

3. 各類場所可因室內空間大小不同來選擇此系統所搭配的排風扇尺

寸大小。

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5.2 PWM 三階段排煙控制說明

我們在長寬高 23 x 17 x 13cm 容器中模擬室內空間發生火災的情境，利用香

製造煙幕，藉由感應器偵測煙霧密度多寡，再由從Arduino序列埠監控視窗，

觀察因煙霧密度不同時，數值所產生的變化來定義三種不同的排煙速度。

經過實驗之後，我們將程式定義出三個數值階段以示說明:

1. 當 sensor 數值小於 10 以內，此時代表無煙霧，所以排煙風扇不轉。

2. 當 sensor 值為 : 10＜sensor＜15，煙霧為低密度，pwm 值設為 150，風

扇低速運轉。

3. 當 sensor 值為 : 15＜sensor＜35，煙霧為中密度，pwm 值設為 200，風

扇中速運轉。

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4. 當 sensor 數值大於 35 時，煙霧為高密度，pwm 值設為 255，風扇全速

運轉。

圖 21:PWM 三階段轉速控制過程實驗畫面

由Arduino序列埠

監控視窗中可得

知現階段感測器

所偵測到的煙霧

密度數值。

當啟動排煙風扇

後，可看出煙霧密

度數值逐漸降低

的效果。

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5.3 動作流程圖

圖 22:動作流程圖

29

5.4 程式設計

圖 23:程式設計畫面

30

圖 24: 程式設計畫面

圖 25: 程式設計畫面

31

圖 26: 程式設計畫面

圖 27: 程式設計畫面

32

5.5 成品展示

圖 28:成品圖

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第六章 結論

本專題讓我們了解到火災係指「火」違反正常的用途，因燃燒作用

而生獨立延燒之狀態，而火災中最致命的就是濃煙，我們藉由煙霧感測

sensor，再由 Arduino 控制器自動來驅動排煙裝置，讓火場濃煙能第一時間

排除，增加人員的生存率，雖然製作專題過程中，設計程式帶給我們許多

瓶頸，但經由老師指導下，令我們能突破每個關卡，希望未來建築空間內

都能有一套自動排煙系統，這樣不僅能增加逃生機率，更能保障突發狀況

來臨時人員的生命安全。

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參考文獻

社團法人台灣災害管理學會 Disaster Management Society of Taiwan:

http://www.dmst.org.tw/e-paper/13/13/001a.html

台灣省政府 火災防救基本常識:

http://www.tpg.gov.tw/Ethi/ethidata.php?G=A20&PG=0&ID=80

Arduino基本介紹:

http://newsletter.ascc.sinica.edu.tw/news/read_news.php?nid=2782

火災探測器的種類和基本原理〈煙霧探測篇〉:

https://kknews.cc/zh-tw/science/6l883p.html

火警警報機與火災探測器說明:

https://www.youtube.com/watch?v=GnSk2FTC8pA

http://www.dmst.org.tw/e-paper/13/13/001a.htmlhttp://www.tpg.gov.tw/Ethi/ethidata.php?G=A20&PG=0&ID=80http://newsletter.ascc.sinica.edu.tw/news/read_news.php?nid=2782https://kknews.cc/zh-tw/science/6l883p.htmlhttps://www.youtube.com/watch?v=GnSk2FTC8pA