近年來由於科技的進步，很多電器設備分別以微電腦可調式或類比旋鈕控制式的方式，分別成功應用於設備功能的開發設計，例如：冷氣機、電冰箱、涼風扇、吹風機、鑽孔機等，這對於我們日常生活及工業需求具有很大的幫助與功能的提升。

由於這些電器設備中有的是以加裝變頻器的方式完成功率變動的需求，而有的仍然是以多線圈纏繞變壓器方式或以按鈕改變方式完成功能的切換，更有的是以微電腦控制方式設計軟體配合完成功能的切換;對於功率變化的控制方法有很多種，例如控制市電的電壓大小、頻率的改變、驅動電流的改變、或是採用工作週期時間比例的控制等。

其中以工作週期時間比例的控制方式最常被採用，主要因素是電路設計簡單、經濟。而此種控制方式有兩種方式：一種是利用一固定之週期內，控制交流電的開與關的時間比例。另一種方式則是以控制交流電壓的導通角度。[1][2]

一般對於工業設備或電器設備要改變其輸出特性功能，如轉速變動、風量的改變、溫度的升降、或是排氣量的變化，都是與功率消耗的改變有關。因此若能掌握對功率消耗的切換變化， 即可改變上述各項電器設備之性能。

另外，由於智慧型手機的問市，以及網路的進步，在在都對於人類的生活有著很大的影響。舉凡智慧型手機都可利用藍牙裝置與設備溝通，甚至利用手機上網透過無線網路(Wi-Fi)的連接，都可做到遠端網 路無線調整設備開關之功能，這對於人類日常生活的品質提升有著很重大的貢獻。對此，運用無線網路或透過無線藍牙裝置控制家電設備，或是工業設備，目前都有很多專家學者投入很多心力進行相關的研究。

本作品主要是探討家用電器設備之功率控制，使得家用電器設備透過微控制器進行功率調整，進而可控制設備功率的輸出，再透過無線裝置的連結，而達到遠端無線遙控家電設備的功能需求。對於家電設備的功率控制，則是採用控制交流電壓的導通角度的方式，以自製零交叉感知電路，產生120Hz的基準脈波，透過取率擬合方式找尋觸發相角與功率之間的關係[3][4]，再以微控制器HT66F70A進行脈寬調變[5][6]，控制交流電壓導通的角度，完成功率無段調變的控制目的。

對於無線裝置的控制，本作品則選擇兩種方式來完成。首先是以智慧型手機設計APP程式，經由藍牙裝置與微控制器的藍牙模組進行配對，可由手機無線調整家用設備的功率調整。另外也經由無線裝置XBee透過網路介面Raspberry Pi控制器[7][8]，及透過PHP網頁設計與路由器連接，可完成無線網路調整家用設備的功率調整。經由實際的電器設備如：鑽孔機、電風扇、吹風機、台燈與加熱器等功能測試，證明本作品所製作的無線遙控功率控制器不論是轉速、風量、光的量度及熱量的產生均可經由無線控制方式，達到無段切換功率調整功能的實現。

系統架構

無線功率調整器的系統架構圖

圖1-1所示為無線功率調整器的系統架構圖，以盛群的微控制器-HT66F70A為控制核心，透過手機 APP或電腦、平板、手機的網頁端進行監控，並傳送設定值給HT66F70A進行家電設備的功率調整。同時家電設備也經由控制核心，將目前的功率調整值傳給手機 APP 或電腦、平板、手機的網頁端，顯示目前家電用品的功率百分比與相位角度，達到遠端無段式功率控制家電用品與監視的效果。

無線遙控萬用型功率調整器外觀設計圖

圖1-2為無線遙控萬用型功率調整器外觀設計圖，A區是總開關、B區是LCM顯示旋鈕百分比功率與按鍵百分比功率於相位角度、C區是可變電阻、D區是可變電阻與按鍵的切換開關、E區是加與減按鍵、F區是110V家電用品的插座、G區是保險絲座、H區是110V總電壓。

圖1

無線遙控萬用型功率調整器硬體結構

無線遙控萬用型功率調整器之方塊圖

圖2-1為功率調整器之硬體方塊圖，當功率調整器啟動時，零交叉電路產生 120Hz 的脈波觸發波形，使 HT66F70A 接收到脈波讓 TIMER 啟動， 產生一個調整觸發波型脈寬給 TRIAC 電路，觸發波型脈寬可透過外面的按鈕、可變電阻與遠距離傳輸去改變波型脈寬，波型脈寬值會顯示在 LCM 上面與送到手機 APP 或電腦、平板、手機的網頁端。

零交叉電路設計

圖2-2示為120Hz的零交叉電路，當正半波時U3光耦合器CE腳導通接地，Q1電晶體不導通，其C極接地。當正半波要轉換成負半波時， 在電壓差零點附近時，因為兩顆光耦合器CE皆不導通，所以Q1導通C極電壓為5V。當負半波時U4光偶合器CE腳倒通，電壓差為零而接地，

Q1電晶體不導通，其C極接地。當負半波要轉換成正半波時，在電壓差零點附近時，因為兩顆光耦合器 CE皆不導通，又使Q1導通C極電壓為5V。此現象一直重複，圖2-3為市電波形與零交叉脈波輸出波形圖。[3]

圖2

TRIAC 觸發電路設計

圖3-1所示為光耦 TRIAC 觸發電路，MOC

3020 光耦合器輸入端二極體導通是在輸入為

High 時觸發 TRIAC 為導通狀態。當輸入為Low時 TRIAC為不導通狀態。如圖3-2與圖3-3 所示為功率最大與功率最小的波形。本TRIAC電路所採用之元件為BTA40A700V交流整流器。[3]、[11]

圖3

HT66F70A 電路設計

圖4-1為無線遙控萬用型功率調整器主控核心電路。本作品使用HT66F70A為主控核心，控制TRAIC 觸發電路達到控制家電用品。圖4-2 的電源轉換電路是供應電源給主控核心與周邊設備。圖4-3使用 HT66F70A內部AD轉換器AN4通道與I/O接腳 PE6 與 PE7 做為按鈕接腳，來調變波形的頻寬觸發 TRAIC 電路的功率大小與相位角度，並且顯示在LCM上。另外也使用兩組外部中斷模擬串列傳輸UART，讀取與寫入藍牙與XBee的發送端，進行無線傳輸通訊，經由TRAIC電路之觸發相位角度來調整波形的功率大小。更透過藍牙與XBee的接收端，讀取目前家電的功率大小與相位角度顯示在手機APP與網頁端上[1] [2]。

圖4

無線遙控萬用型功率調整器軟體流程圖

圖 5 為主程式流程圖是判別硬體上的轉扭與按鈕是否已被轉動與按住，或 UART已接收到資料。當轉扭已被轉動時，會讀取ADC值換算為佔空比參數並設為TM2A，ADC 值轉換成百分比與角度傳給手機APP 與網頁端做顯示。當按鈕被按下時，再判別是按增加鍵或是減少的按鈕，按鈕被按下時，判別按鈕是否被長時間按住或是按一下，當按鈕被按住不放時就執行加或減持續加減下去。之後再判別值是否有大於100值，則數值將維持在100，若數值小於0時，數值維持在0。

將輸入數值換算為佔空比參數並設為 TM2A。數值轉換成百分比與角度值再傳給手機 APP 與網頁端做顯示。當按鈕被按一下時就做加減一次，再把數值換算為佔空比參數並設為TM2A。數值轉換成百分比與角度傳給手機APP網頁端做顯示。當UART外部中斷成立把RX_DATA 值存放在陣列裡，再判斷陣列裡資料是否正確，若正確實則把資料換算為佔空比參數 並設為 TM2A，並將資料轉換成百分比與角度值顯示在 LCM 上。[1][2][4]

圖5 : 主程式流程圖

相位控制原理與功率之計算

相位控制原理

本作品的相位控制元件是使用TRIAC來完成，TRIAC又稱為三極交流開關(Tri-electrode Ac

Switch)，共有三極G、T1、T2接腳，其中G為觸發閘極，T1,T2為接往負載之接腳，具有雙向導電功能。當TRIAC處於截止狀態時時，不論外加電壓極性為何，兩主端點T1及T2都無電流流動，當TRIAC 處於導通狀態時，兩主端點T1及T2構成一電阻極低之電流通路，其電流流向，視外加於兩端點上的電壓極性。如圖所示α為激發角，當TRIAC被觸發時，兩端電壓降低，而負載兩端則因負載電流流過，故其兩端電壓升高。因TRIAC正負半週均可觸發，所以其正負半週各有一個觸發角α和導通角θ。

在使用時，只要改變觸發角度，如圖中的α1和α2所示，即可控制TRIAC導通時所送至負載的平均功率。TRIAC的閘極控制電路，通常採用脈波激發或相移激發方式。在這裡是用零交叉電路，是利用市電110V 60HZ來完成觸發閘極的電路。

圖6 : TRIAC 觸發原理

功率和觸發相角的關係

一般來說，電器設備以60Hz，電壓110V交流電通過時，所消耗的瞬時功率為時間的函數，但在實際應用上以平均功率來描述電器設備的功率消耗則較為適切。因此電器設備的功率消耗當然會影響或改變其運作性能，例如會改變輸出的轉速或其加熱性能。

當平均功率在2%以下時觸發角以180度全關閉視之，而平均功率在98%以上時觸發角則以0度全開視之。至於平均功率與相角的實際關係，功率以百分率來表示，而觸發相角則以角度來表示。

手機APP 程式設計

手機 APP 程式介紹

先來介紹手機APP 開發程式。App Inventor 原是 Google 實驗室（Google Lab）的一個子計畫，由一群 Google 工程師與勇於挑戰的 Google 使用者共同參與。Google App Inventor 是一個完全線上開發的 Android 程式環境，拋棄複雜的程式碼而使用樂高積木式的堆疊法來完成Android 程式。除此之外，它也正式支援樂高 NXT 機器人，對於 Android 初學者或是機器人開發者來說是一大福音。因為對於想要用手機控制機器人的使用者而言，他們不大需要太華麗的介面，只要使用基本元件例如按鈕、文字輸入輸出即可。[10][11]

手機端通訊介紹

至於手機APP 和HT66F70A 的通信方式，手機 APP 利用手機本身的藍牙和藍牙模組HC-05 利用 URAT 和 FT66F70A 進行溝通。

手機 APP 介面

接著介紹手機APP 人機介面，在手機 APP 上面提供兩種控制方式分別為拉桿式和鍵盤式。當鍵盤輸入的時候，拉桿會自動跑到所設定的數值，當接收到數據時，收到的資料則會顯示在下方黃色的部分。

網頁端通訊設計

Raspberry Pi 介紹

Raspberry Pi是一款基於Linux的單板機電腦。它是由英國的樹莓派基金會所開發，目的是以低價硬體及自由軟體促進學校的基本電腦科學教育。Raspberry可分成幾大功能，如圖7-1。[7-9]

網頁端網路架構

圖7-2為網路架構圖，使用者除了可以在區域網路內作控制，也可以在網際網路下進入到網頁內做數據的監控或是功率的調整。

網頁端系統架構

圖7-3 為網頁端的系統架構圖，Raspberry Pi 的系統為 Linux 作業系統，裡面安裝了APACHE 這一套為伺服器軟體，PHP 為動態網頁軟體負責執行我們網頁的部分。RaspberryPi 是透過 Wi-Fi 與無線分享器做連線，XBee的部分則是與HT-66F70A的XBee 連線作為傳輸資料使用。

網頁端網頁流程

圖7-4為網頁端的執行流程構圖，當開啟PHP 網頁時，網頁會透過 CGI(通用閘道器介面) 執行 PaspberryPi 裡面所寫的Python 程式腳本，腳本主要的功能是經由XBee跟HT66F70A 通訊。

圖7

實驗結果

作品實際測驗家電功率調整

圖8-1為功率調整器成品外觀，圖8-2、圖8-3分別對檯燈輸出功率 95%、5%的實驗成果對照。

圖8

示波器測試 TRIAC 相位角度觸發實驗

為了得知TRIAC是否有成功觸發，所以我們將零交叉的120Hz的脈波，TRIAC觸發的脈波和最終的輸出接到式波器上觀察，如圖9-1、圖9-2 所示，左邊是 TRIAC 控制交流電壓波型，右邊是零交叉脈波與觸發TRIAC 脈寬圖。

圖9

無線網路與手機 APP 之遠端無線控制實驗

圖10-1、圖10-2 分別為手機APP 遠端控制對檯燈輸出功率70%、20%的實驗成果。圖10-3、圖10-4

分別為無線網路遠端控制對檯燈輸出功率100%、50%的實驗成果。

圖10

結論

本作品無線遙控萬用型功率調整器的主要目的，在於研究如何以最經濟的方式完成一般電器設備的功率控制器設計與搭配手機APP 物聯網遠距離控制，使其能以無段式的控制方式達到負載的運轉控制功能。經由實際接上負載設備的測試，例如電風扇、吹風機、檯燈及鑽孔機等，均顯示出本研究成功的控制電器設備，達到無線遠端功率切換控制之效果。

以下列出本作品的特色與未來展望：

(1) 無線遙控萬用型功率調整器運用光耦合器等元件成功的發展出零交叉電路的設計與製作。

(2) 無線遙控萬用型功率調整器成功的設計出硬體式、手機 APP 與網頁端之三種功率控制器，經由測試結果證明其控制功率的有效性。

(3) 針對各種不同的電器功能測試，只要切換元件 TRIAC 的耐流功率量足夠，無線遙控萬用型功率調整器所提出的功率控制器足可完成不同性能的需求。

(4) 無線遙控萬用型功率調整器所開發出的功率控制器的控制技術，未來可以被充分應用在各種交流設備的伺服驅動器設計，以達到遠端系統無線精密的控制效果。

(本文作者陳宏明1、余啟正2、施韋捷2為建國科技大學電子工程系1教授及2學生)

參考文獻

[1] 王群英，加熱程序之線外識別與PID控制，逢甲大學自動控制工程研究所，碩士論文，1984年。

[2] 郭俊明，加熱程序之線上識別與PID控制之研究，逢甲大學自動控制工程研究所，碩士論文，1986年。

[3] 陳宏明、徐依平、陳承宏、陳培賢、籃旺坤、蔡宗憲，電器設備之零交叉脈寬調變功率控制器設計與實現2007年國際安全和安保管理與工程技術會議，建國科技大學電子工程系。

[4] 鍾啟仁，微處理機應用實習邁向AMA中級先進微控制器應用認證-使用Holtek 8位元晶片，新北市，台灣，台科大圖書股份有限公司，2014年6月初版。

[5] 鍾啟仁，微處理機應用實習邁向AMA高級先進微控制器應用認證-使用Holtek 8位元晶片，新北市，台灣，台科大圖書股份有限公司，2014年5月初版。

[6] 鍾啟仁，HT66Fxx Flash MCU原理與實務-C語言，全華書局，新北市，2011 年 9 月。

[7] 柯博文，Raspberry Pi 超炫專案與完全實戰，碁峰，2016年3月第二版。

[8] 柯博文，Raspberry Pi 最佳入門與實戰應用，碁峰，2015年12月第二版。

[9] 張元翔，Raspberry Pi 嵌入式系統入門與應用實作，碁峰，2016 年 8 月。

[10] 王安邦，MIT App Inventor 2 易學易用開發Android 應用程式，上奇資訊，2014年02月第二版。