I

修平科技大學機械工程學系

實務專題論文

自動化垃圾桶

指導教授： 周志忠

班 級： 四機四丙

組 長： 鄭智嶸 BA99127

組 員： 黃祐詮 BA99103

張安棋 BA99133

郭韋廷 BA99115

中華民國一○三年 六月十二日

II

修平科技大學實務專題論文全文電子檔著作權授權

書

本授權書所授權之實務專題論文為授權人於修平科技大學 機械工程學

系 系(科)學年度第 102 學期修習實務專題課程之論文。

題 目_____自動化垃圾桶_____________________________________

指導教師：_____周志忠________

同意 □不同意(僅開放專題典藏資料表內相關資訊)

本人茲將本著作，以非專屬、無償授權修平科技大學圖書館；基於推動

讀者間「資源共享、互惠合作」之理念，與回饋社會與學術研究之目的，修

平科技大學圖書館得不限地域、時間與次數，以紙本、光碟或數位化等各種

方法收錄、重製與利用；於著作權法合理使用範圍內，讀者得進行線上檢索、

閱覽、下載或列印。

指導教師：___周志忠_______________(請親筆正楷簽名)

授 權 人

學號：__BA99127______ 學生姓名：_____鄭智嶸_________(請親筆正楷簽名)

學號：__BA99103______ 學生姓名： ____黃祐詮_________(請親筆正楷簽名)

學號：__BA99133______ 學生姓名：_____張安棋_________(請親筆正楷簽名)

學號：__BA99115______ 學生姓名： ____郭韋廷_________(請親筆正楷簽名)

中華民國一○三年 六月十二日

III

修平科技大學專題報告典藏資料表

題 目 自動化垃圾桶

作 者 鄭智嶸、黃祐詮、張安棋、郭韋廷

發表日期

103 年 6月 12 日

所屬系科

機械系

語 言

中文

關鍵字

詞 自動化垃圾桶

摘 要：目前，垃圾桶在日常生活中廣泛應用，種類也越來越多，隨著目前世界的科技不斷的進步與更新發展,使得人類生活也變得更加人性，以往垃圾桶為了衛生而加了蓋子，現今我們將可以靠學校所學技能和電子零件、機械機構的機電整合改善以往不便，因此我們將製作一個人性化的！自動感應垃圾桶作為我們本次專題。 紅外線感應器(sensor)是未來自動化技術的主要支柱之一，因此頗受注目。用來捕捉外界狀況的感測器，為自動控制所不可缺少的元件。致使我們更有興趣製作語言就簡單型的紅外線感測器。

指導教

師 周志忠

（一）本表所有欄位請務必確實填寫完整。

（二）填寫完成後請列印一份，並將本表電子檔案一併置於專題全文電子檔案光碟內。

（三）請將本表、授權書、全文電子檔案光碟與書面報告兩份，送交系科助理。

填表人： 鄭智嶸 系科辦公室： 圖書館版組：

IV

摘 要

目前，垃圾桶在日常生活中廣泛應用，種類也越來越多，隨著目前世界

的科技不斷的進步與更新發展,使得人類生活也變得更加人性，以往垃圾桶為

了衛生而加了蓋子，現今我們將可以靠學校所學技能和電子零件、機械機構

的機電整合改善以往不便，因此我們將製作一個人性化的！自動感應垃圾桶

作為我們本次專題。

紅外線感應器(sensor)是未來自動化技術的主要支柱之一，因此頗受注目。

用來捕捉外界狀況的感測器，為自動控制所不可缺少的元件。致使我們更有

興趣製作語言就簡單型的紅外線感測器。

V

致 謝

我們經過了三年在修平科技大學所學到的知識，在大四我們有了一門課

叫實務專題，專題這門課就是要我們把這三年所吸收的知識做一個整理，在

這次專題裡，我們發揮了所謂的團隊合作，共同想了一個題目，我們的題目

是感應式垃圾桶﹐在此先謝謝我們這組的組員讓我學到所謂團隊是甚麼，在

來是要感謝各位老師，我們在這次題目中問了楊伯華老師有關紅外線的一些

基本常識，讓我也學到了跟課程以外的東西﹐再來是要感謝我們專題的指導

老師周志忠老師，我們問了他有關此輪作動的原理和機構的問題，讓我們有

所方向，也謝謝周志忠老師陪伴我們做了一年的專題，同時也謝謝我們這組

的組員讓我們彼此學會了團隊合作和默契。

VI

目 錄

摘 要 ......................................................................................................................... I

致 謝 ........................................................................................................................ V

目 錄 ...................................................................................................................... VI

圖目錄 ................................................................................................................. VIII

表目錄 .................................................................................................................... IX

第 1 章 緒論 ............................................................................................................. 1

1.1 前言 ................................................................................................................ 1

1.2 研究動機 ........................................................................................................ 1

1.3 研究方向 ........................................................................................................ 1

1.4 研究目的 ........................................................................................................ 1

第 2 章 紅外線感測器元件原理 ............................................................................. 2

2.1 前言 ................................................................................................................ 2

2.2 自動化之功能 ................................................................................................ 2

2.3 紅外線感測器之原理 .................................................................................... 2

第 3 章 馬達與齒輪機構元件介紹 ......................................................................... 6

3.1 馬達 ................................................................................................................ 6

3.2 齒輪 ................................................................................................................ 7

3.3 齒輪做動的原理 ............................................................................................ 9

第 4 章 製作流程 ................................................................................................... 10

4.1 設計目的 ...................................................................................................... 10

4.2 設計流程 ...................................................................................................... 11

4.3 加工程序 ...................................................................................................... 11

第 5 章 結果與討論 ............................................................................................... 16

5.1 實驗之結果與討論 ...................................................................................... 16

5.2 建議及注意事項 .......................................................................................... 16

5.2.1 附件一 ................................................................................................... 16

5.2.2 附件二 ................................................................................................... 16

VII

參考文獻 ................................................................................................................. 18

VIII

圖目錄

圖 2.2 焦電型紅外線感測器電路符號 .................................................................... 3

圖 2.3 紅外線感測器的理論 .................................................................................... 4

圖 2.4 感應器與開關 ............................................................................................... 5

圖 2.5 電路板 ........................................................................................................... 5

圖 3-1 馬達的分解.................................................................................................... 6

圖 3-2 馬達的組裝.................................................................................................... 6

圖 3-3 專題製作減速正齒輪 ................................................................................... 8

圖 3-4 直齒輪............................................................................................................ 8

圖 3-5 斜齒輪............................................................................................................ 8

圖 3-6 蝸桿................................................................................................................ 9

圖 4.3-1 製作材料................................................................................................... 11

圖 4.3-2 製作材料................................................................................................... 12

圖 4.3-3 製作過程................................................................................................... 12

圖 4.3-4 製作半成品............................................................................................... 13

圖 4.3-5 完成品中期............................................................................................... 13

圖 4.3-6 完成品中期 2(包膜) ................................................................................. 14

圖 4.3-7 完成品中期 3 測試成品作動(開) ............................................................ 14

圖 4.3-8 完成品中期 4 測試成品作動(關) ............................................................ 15

圖 4.3-9 最後完成品............................................................................................... 15

IX

表目錄

表 2.1 紅外線輻射源的種類 .................................................................................... 3

表 5.2.1.1 各零件及其特性 .................................................................................... 16

表 5.2.2.2 紅外線規格表 ........................................................................................ 17

1

第1章 緒論

1.1 前言

在這個便利的社會環境下，為了讓一些生活中不起眼的家俱更加便利，

所以我們選者製作一項既衛生又方便的感應式自動掀蓋垃圾桶，除了要讓加

上蓋子的垃圾桶不會有異味跑出來之外，也多一項不用去觸碰垃圾桶就會自

動打開跟關上，這樣是不是方便許多了。

1.2 研究動機

(1) 過內之生產濟促將走向自動控制時代。

(2) 利用紅外線感測器來輔助自動控制的作業。

(3) 藉此了解紅外線感測器的技術。

(4) 提升紅外線與警報系統的應用。

1.3 研究方向

(1) 簡單的自製紅外線感測器，可降低成本且使用上級維護上也比較方

便。

(2) 可係用紅外線感測器控制可降低人力管理的麻煩，且提高作業時的方

便性，同時作業程序能簡單化讓錯誤率降至最低，如此可降低成本並

提高經濟效益。

(3) 利用紅外線感測器控制，可提醒作業人員使用狀況，可降低作業之危

險性。

1.4 研究目的

(1) 一個物品的設計機構如何達到理想的運作。

(2) 運用多種齒數的齒輪如何達到減速與加速。

2

第2章 紅外線感測器元件原理

2.1 前言

圖表可讓論文內容生動活潑，然需注意，論文中任何圖表均需用文字加

以敘述說明，不可以僅放置圖、表而無任何文字敘述。圖、表均需有圖表標

題，此標題（圖、表樣式）同時亦用於自動產生圖目錄與表目錄。

本章說明紅外線感應之基本理論及一般之紅外線感測器之種類。

2.2 自動化之功能

1.不需要用手就能自動掀蓋。

2.可以切換自動或手動開關功能，長期不用時就可以關掉自動感應。

3.當站在前方會一直感應不會有蓋下的危險。

2.3 紅外線感測器之原理

一般光感測器通常都是利用光敏元件，將光的訊號轉換成電的訊號之感

測器。而常用之光敏元件的感應波長都是在可見光的波長附近（如紫外線波

長和紅外線波長）。光感測器的運用不只是在於光源之測量﹐更被用於探測元

件之使用﹐進而組成其它類型的感測器﹐針對非電量（如流量、溫度等）進

行檢測，只要能將這些非電量之訊號轉換為光的訊號﹐便可完成這些有關非

電量的偵測。自然界中一切溫度高於絕對審度(- 273℃)的物體都不斷的輻射著

紅外線，這種現象稱為熱輻射。而紅外線也是一種我們人類的眼睛所看不見

的波長，它是由物質內部的分子進行運動所產生的電磁波之輻射，是電磁頻

譜的一部分，其波段介於可見光與微波波段之間(0.761~1﹐000 微米)。

紅外線通常可依波長的範圍和紅外線輻射源來分類：

1、波長範圍：依波長範圍可分為三個部份

（1）、近紅外線(Near Infra-red, NIR) ：（700 奈米 ~ 4,000 奈米）

（2）、中紅外線(Middle Infra-red, MIR) ：（4 ~ 40 微米）

（3）、遠紅外線|(Far Infra-red, FIR) ：（40 微米 ~ 1,000 微米或 1 毫米）

3

2、紅外線輻射源：依紅外線輻射源可分為四個部份，如下表2.1

表 2.1 紅外線輻射源的種類

紅外線感測器採用熱電型紅外線光敏元件和量子型紅外線光敏元件來製

作。常被我們用來作為來店告知、非接觸開關和防盜報警器等。常見的紅外

線感測器有（一）熱電型紅外線感測器，（二）焦電型紅外線感測器兩種，電

路符號如圖2.2：

圖 2.2 焦電型紅外線感測器電路符號

4

在熱釋電紅外線感測器就是採用熱電型型紅外線光敏元件來製作。它採

用的基本原理是熱釋電效應﹐即當一些晶體受熱時﹐在晶體的兩端將會產生

數量相等的但正負相反的電荷﹐產生電極化現象。在熱電型紅外線光敏元件

兩端並聯上電阻﹐當元件受熱時﹐電阻上就有電流通過﹐在電阻的兩端就能

得到電壓訊號。

本專題是屬於焦電型人體紅外線感測器。主要由是利用溫度變化產生電

荷現象。此人體紅外線感測器是以TGG（三甘氨酸硫酸鹽或）PZT（汰酸系壓

電材料）等強介質所作成的光感測器，電源電壓為3~15VDC，使用溫度範圍

在-10℃~+50℃，源極的輸出信號極小，僅有數mV到數十mV，能接受所有熱

體所輻射出來的紅外線（包括人體）。

紅外線感測器理論操作：人體或其他動物都會散發一種紅外線，而焦電

型的紅外線感測器能感測到這種紅外線的變化。當人體經過感測器時，感測

器會產生一個微小的信號變化，再利用OP 放大器將微小的電壓變化放大成觸

發信號，去觸IC 555 控制繼電器開始動作，讓COM 和ON 兩端導通，同時IC

555 開始倒數計時時間，當倒數時間到了，而感測器沒有在感測到紅外線的

變化時，IC 555 會使繼電器截止，讓COM 和ON 兩端停止導通。(如圖2.3)、

(圖2.4)、(圖2.5)

圖 2.3 紅外線感測器的理論

5

圖 2.4 感應器與開關

圖 2.5 電路板

6

第3章 馬達與齒輪機構元件介紹

3.1 馬達

馬達的構造與原理

(一)原理：當在磁場中放置導體，並導入電流時，該導線會受力並產生運

動，若將導線繞在一電樞上，則電樞會產生轉動，此為馬達的基本原理。而

馬達受力的方向、磁力線的方向以及電流的方向可由佛萊明左手定則來判

別 。

(二)構造：馬達是四驅車的動能主要來源如圖3-1，一般馬達採用銅片導

電，每分鐘迴轉數(R.P.M)俗稱「轉數」是馬達齒輪轉動速度的單位。馬達的

分解（如圖3-1）、組合（如圖3-2），每分鐘迴轉數越高，馬達所帶動齒輪轉動

得越快馬達扭力越強上坡和過彎性能就越好，這樣馬達轉速越高車速也就越

快。

圖 3-1 馬達的分解

圖 3-2 馬達的組裝

7

3.2 齒輪

齒輪在日常生活中扮演重要的角色，例如汽車的引擎透過變速箱從起步

到高速就是透過齒輪比的不斷變化來達成高扭力的起步，以及高轉速的高速

行駛。

齒輪比又稱為減速比，在遙控模型中的傳動結構加入齒輪結構是再正常

不過的事情，以直升機為例透過齒輪比的搭配可以讓小小一個馬達帶動巨大

的主旋翼，而經過齒輪比的調整可以讓轉速和扭力特性改變，讓馬達或者引

擎的最高效率轉速剛好轉化為最常用的主旋翼轉速。

齒輪的簡單介紹:

齒輪有很多種類分類來說都是以齒輪軸性來區分

分類有: 平行軸、相交軸及交錯軸三大類型

平行軸齒輪有:正齒輪、螺旋齒輪、內齒輪、齒條及螺旋齒條等

相交齒輪有:直齒傘形齒輪、彎齒傘形齒輪、零度傘形齒輪等

交錯軸齒輪有:交錯軸螺旋齒輪等

而我們這次使用的是平行軸齒輪的正齒輪

如何算出轉速比:

ω1 H/ω2

H = N2 / N1 或 (ω1 -ωH)/ (ω2 -ωH) = N2 / N1

8

圖 3-3 專題製作減速正齒輪

正齒輪是一種普遍的齒輪。當一對直齒輪正確地齧合在一起時，它們的

安裝軸線是相互平行的如圖 3-4

圖 3-4 直齒輪

斜齒輪是兩軸相交者，由圓錐形磨擦輪演變而成，兩軸相交之齒輪如圖

3-5

圖 3-5 斜齒輪

9

齒數較少呈螺旋狀的一方稱之為蝸桿，而和蝸桿箱咬合的另一方稱之為

蝸輪如圖 3-6

圖 3-6 蝸桿

3.3 齒輪做動的原理

齒輪的傳動是利用輪齒相互接觸來傳達動力齒輪曲線必須滿足齒輪的基

本定律齒輪傳動之角速比才能維持恆定。

兩機件間的傳動可以直接接觸或間接接觸的方式來傳動，其中選用的考

量因素有兩軸心間的距離長短，傳動的轉速比例是否要精確，傳動的動力大

或小，還有機件外形尺寸均列入考量。

磨擦輪、齒輪的傳動都是以直接接觸的方式來傳達機件間的預期功能，

磨擦輪較早被使用於機件間的傳動。由於傳送動力受到限制及傳動速率較難

精確控制，故逐漸被齒輪傳動所取代。

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第4章 製作流程

4.1 設計目的

在資訊科技日新月異的今天，致使資訊的知識進步真是太快了，而我們

學生能在學校裡所學的技能，日後出社會可能根本無法應付這快速變遷的科

技，所以我們未來畢業後只能以自我學習的方式來提升自己的專業技能與常

識。我們高職學生，若未來能快速地進入到電子資訊職場中，所以學校特別

以專題製作學習的概念，進行同學與同學之間的小組合作。（專題製作）的課

程是給我們同學經小組討論出一個主題，學生以小組方式彼此合作，可以在

網站留言板或 MSN 來進行問題之討論與研究，當然老師一定會加入我們討論

之行列，進而完成老師交代給我們的問題與主題。

整個專題製作的課程，完全讓我們學生做我們想做的題目，而且在我們

所學的專業課程範圍內，讓我們主動去學習有興趣的領域，再加上小組同學

合作學習的方式，使我們學生真正學到分工合作與彼此討論。如此一來，我

們吸收了很多不同的意見與建議，讓有相關專業的問題能更快解決，而且當

同組組員若有不同的問題產生時，能透過熱烈討論後，更加深我們學生學習

之印象，而留下深刻記憶。我們小組成員確定後，即開始進行報告資料整理、

選購相關專業書籍來參考及詢問相關的專業任課教師，經小組一再地提出問

題討論及溝通後，訂下了此次專題製作的題目。題目確定後，我們小組便開

始思考如何去完成紅外線感測器的電路。

首先，畫出電路圖與焊接的 Layout 電路圖，反覆確認無誤後，便在電路

模擬器(麵包板)上進行模擬，待測試完成即開始進行焊接工作；在整個專題應

用過程中，如發現錯誤，即會與相關教師進行討論，想辦法如何去補救，且

了解程式是否能夠運用自如。電路零組件部份，則會要多買一份當備用零件，

假如一次就可成功則算多買；如不行，需要用到第二份時，就少買一些可以

重複使用的零件，藉此可控管專題製作成本。

11

4.2 設計流程

實驗前及實驗後之各注意事項討論：

(1) 經討論後製定題目。

(2) 分配項目及收集資料。

(3) 討論報告、使用工具、定工作時間。

(4) 使用工具之收集。

(5) 檢查電路板是否有缺陷。

(6) 檢查零件是否有缺少。

(7) 綜合分析與討論。

(8) 檢驗各零件是否正常運作。

4.3 加工程序

步驟 1:一開始先把我們所需的材料準備好(如圖 4.3-1)和(圖 4.3-2)

圖 4.3-1 製作材料

12

圖 4.3-2 製作材料

(1) 粗砂紙 (8)白膠

(2)黑色膠帶 (9)鐵絲

(3)滾輪 (10)透明墊板

(4)手工鋸 (11)木條

(5)螺絲

(6)刷子

(7)大頭針

步驟 2:先將量測好的尺寸畫在木條上，在一一鋸下。(如圖 4.3-3)

圖 4.3-3 製作過程

13

步驟 3:將鋸好的木條黏上，等他風乾固定之後組裝成我們設計的外型。

(如圖 4.3-4)

圖 4.3-4 製作半成品

圖 4.3-5 完成品中期

14

圖 4.3-6 完成品中期 2(包膜)

圖 4.3-7 完成品中期 3 測試成品作動(開)

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圖 4.3-8 完成品中期 4 測試成品作動(關)

圖 4.3-9 最後完成品

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第5章 結果與討論

5.1 實驗之結果與討論

本專題之測試做動所示。在測試感測器之距離時，感測器之感應會有漂

浮之現象，且也會有誤動作之現象。而經組員討論之結果可能為焦電型感測

器之零件有其溫度之限制或各零件間有接觸不良之現象，但經使用三用電表

一一量測後還是沒有查出不良的現象。其中困難點在於把東西整合再一起，

必須配合馬達跟齒輪，這是比較困難的。

5.2 建議及注意事項

以後如果有人認為此作品感到有興趣，想重新製作一個建議可以增加垃

圾桶蓋起來之後還可以噴芳香劑，自保持著不斷電系統之功能來達到作品之

全模組，並請注意以下幾個注意事項：

(1) 先辨別各零件及其特性。(附件一 5.2.1.1)

(2) 注意各零件之正負極性。

(3) 注意紅外線感測器之規格。(附件二 5.2.2.1)

(4) 做動時需量測距離提高開闔的功能。

(5) 馬達之正逆轉之線要接正確。

5.2.1 附件一

表 5.2.1.1 各零件及其特性

直流整反轉馬達 紅外線熱感應線圈

配速齒輪組 按鈕開關

5.2.2 附件二

1. 依紅外線的波長範圍和紅外線輻射源可區分為 。

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2. 近紅外線(Near Infra-red, NIR)；780~2,000nm。

3. 中紅外線(Middle Infra-red, MIR)；2,000~6,000nm。

4. 遠紅外線(Far Infra-red, FIR)；6,000~14,000nm。

表 5.2.2.2 紅外線規格表

波長(nm) 應用範圍

近紅外線 940 遮斷器模組, 光偶合器, 滑

鼠, 電話... 等等

近紅外線 940 遙控器，接收模組,

家電用品: 電視, 空調, 音

響, 照相機, ...., 等等.

近紅外線 850 無線耳機, 無線滑鼠, CCD

光源,...等等

近紅外線 870 IrDA 模組

18

參考文獻

1. 紅外線技術的基本概念，維基百科。2009 年 12 月 15 日 。

2. 睿意科技股份有限公司：www.avisosys.com.tw 。

3. http://tw.knowledge.yahoo.com/question/ question?qid=1007112805820 。

4. 電子電路。黃慶璋。編著 台科大。

5. Protel Schematic 99 SE。柯南。編著 台科大。