亞太科學教育論壇,第五期,第三冊,專題版二 (二零零四年十二月)
主編︰蘇詠梅
小學科學專題研習 - 衣、食、住、行
火車到站提示器

學校:馬鞍山靈糧小學  
組員:許家豐同學、李寧峰同學、李子康同學、翁嘉爵同學、朱煒燊同學

教師:陶國耀老師、吳細嬋老師

 
意念
 

很多人都試過穿褲子的時候忘記拉上褲鏈,尤其是男孩子,處境實在令人尷尬

 
目的
 

我們便構思一個裝在褲子上的提示器,當忘記拉褲鏈的時候,提示器便會立刻提醒你,實在是一項又有趣又實用的發明。

 
原理
 

火車到站提示器是由兩組電路所組成。以一組電路來控制另一組電路:當一組電路通電時,另一組便不通電;相反,當一組電路不通電時,另一組便通電。

我們在一組電路上接駁磁控管及電池,在另一組電路上接駁震動馬達(構思來自門窗防盜器)。當磁控管受磁,電路接通,另一組接駁馬達的電路便不通電;相反,當磁控管遠離磁場,電路中斷,另一組電路便通電,馬達震動,造成提示的效果。

要做到一組電路通電控制另一組不通電這效果,我們使用了繼電器(Relay),繼電器的原理是這樣的:

繼電器是一種電門,但與一般的開關不同,繼電器並非以機械方式控制,而是一種以電磁力來控制切換方向的電門。繼電器內有線圈,當線圈通電時,會產生磁力(電的磁效應),把橫向的擺臂吸下,令另一組電路的電力中斷;相反,當線圈不通電,磁力消失,擺臂回到原來位置,另一組電路便通電。

 
材料
 

水銀電池盒兩個、水銀電池兩枚、磁控管一個、磁鐵數粒、繼電器(3V)一個、震動馬達一個、開關掣一個、電線若干條。

 
設計
 
設計圖 電路圖

 
過程
 
初期構思

要提示人記得拉褲鏈,提示器必須在拉鏈離開頂部時產生作用。我們初期的構思,是在拉鏈頂部安裝兩塊銅片,當拉鍊拉到頂時,銅片被頂開,電路中斷,提示器便不會發出聲響;相反,當拉鏈未到頂時,兩塊銅片疊在一起,電路通電,提示器便發出聲響。 (圖1)

經實驗後,我們發現此設計有若干問題:

  1. 以聲響作為提示並不恰當,應改為震動。(提示自己,並非提示別人。)
  2. 脫掉褲子再穿回後,銅片可能移位,導致接觸不良。

圖1

中期構思

有同學發現一些門窗防盜器的設計可能適用於我們的設計上,我們便買一個門窗防盜器,把�堶悸犒s件拆下來研究,發現防盜器用磁控原理發聲,我們可於拉鏈頭上裝上磁石,把磁控管放在拉鏈頂部,當拉鏈拉上頂時,磁石影響磁控管,蜂鳴器便不響;當拉鏈沒拉好時,磁石離開磁控管,蜂鳴器便會響(圖2)。

經實驗後,我們發現此設計亦有問題:

  1. 我們把防盜器上的蜂鳴器拆掉,換上震動馬達,馬達卻不震動,我們以為電壓不夠推動馬達,於是用一個大些的電池盒,放多些電池加大電壓,結果卻把防盜器的電路板燒壞了。
  2. 經老師解釋,原因可能是防盜器電路板輸出的電壓不穩定,它能使蜂鳴器發出大小交替的Beep聲,卻不能提供穩定電壓令馬達震動。結果我們這構思亦告失敗。

圖2

後期構思

我們始終認為門窗防盜器的設計非常適用於我們的拉鍊提示器上,只是如何解決令電路板的電壓穩定,足以推動馬達呢?這問題太複雜,我們不懂解決,我們與老師一起商討,結果我們知道可利用繼電器代替防盜器的電路板,老師亦向我們清楚解釋了繼電器的操作原理,於是我們終於成功設計了這個拉鍊提示器(圖3)。


圖3

 
用途
 

火車到站提示器可安裝於一般褲子的褲頭位置。由於所使用的零件不多,體積亦很小,裝置可藏於褲頭內,只需把電池位置稍為外露,方便更換電池。我們亦在震動器旁加上一開關掣,方便脫下褲子清洗或掛起時可把裝置關掉。

 
改良
 

由於裝置要藏於褲頭內,所以所有零件的體積必須盡量縮小。因此,我們選擇材料時亦會選體積最小的:以水銀電池代替電芯、磁控管及震動馬達只有一厘米長、開關掣只有一粒米般大小、磁石很小卻有很強磁力、選最幼的電線等。

繼電器有很多不同類型,由於我們選用的水銀電池電壓是3V,因此我們選用適合3V電壓的繼電器。

 
建議
 

雖然我們已成功設計了火車到站提示器,可是仍有一些問題未能妥善解決:

  1. 褲子清洗多次後,零件可能因水洗或洗衣機攪動導致失靈;
  2. 關掉開關掣後,善忘的人可能在下次穿褲子時忘記把開關掣啟動,提示器便不能發揮功效;
  3. 震動馬達耗電量頗大,可能要經常更換電池。
 
總結
 

總括來說,火車到站提示器是採用了門窗防盜器的原理,加以改良,再加上繼電器的幫助,便能成功達到提示人忘記拉褲鏈的效用。我們經過多次設計,克服重重困難,終於有了成果,實在令人鼓舞。希望此設計能幫助那些善忘的人,減少他們出洋相的機會。

 
感想
 

許家豐:在完成了整個實驗、製作和報告之後,我不但多了一個生活體驗,還學會了一個新的科學原理。我十分喜歡這類活動,它總是能給我一個美好的回憶。我感到十分高興,因為我認識了很多朋友。而這活動學到的知識亦與我們的生活息息相關。我們感到十分榮幸能設計這產品,真是獲益良多。

李子康:在這次設計�堙A我獲益良多,不單學到一些關於電的知識,又結交到一些好友,而且我學到的知識又對我將來讀中學時有幫助,能參與這個設計,真感到榮幸。

朱煒燊:當我做完這份作品後,我很開心,我竟然能夠和一群小學生做出一樣這樣實用的作品。我還認識了不少朋友,我很榮幸能參與這次設計。

翁嘉爵:在這次設計中,我感到十分開心,因為我認識了很多朋友,我還學懂了很多東西,例如:怎樣把兩條電線相連、怎樣使震動器震動、怎樣畫電路圖、怎樣接駁繼電器、怎樣能把電線接實一點等等,真是非常有意義。

李寧峰:我覺得這活動很有意義,又十分好玩,我在這活動中學到怎樣與人相處和很多關於電的知識。有一次,我和媽媽到鴨寮街買零件,這經驗十分特別,原來這條街有很多形形色色的電器及零件出售,更有一些供人試玩的攤檔,我因此認識很多零件的名稱及用途。

 
參考
 

1. 門窗防盜器
(Door/Window Entry Alarm)Model:RL-9805 購自鴨寮街

2. 繼電器原理
http://designer.mech.yzu.edu.tw/articles/course/

 
鳴謝
 

這次設計得以完成,要多謝吳細嬋老師、陶國耀老師一直從旁指導,又幫助我們焊接電路、縫紉等工作。多謝李寧峰同學家長向我們提供門窗防盜器的構思、借出門窗防盜器供我們研究及幫助我們購買部分零件。亦多謝我們的資訊科技技術員雷奕亮先生向我們提供繼電器的構思,亦要多謝曾經給予我們寶貴意見的區偉成老師及工友黃文泰先生。

 
編者及評判的話
 
研習報告清晰,並詳盡交代整個研習歷程及製成品的巧妙設計。很欣賞同學們鍥而不捨,
力求改進的精神。
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