逢 甲 大 學

自動控制工程學系專題製作

專 題 論 文

超音波震盪起霧器

Design of A Fog Producer using the Ultrasonic Transducer

指導教授：張興政

學生 : 王思翰

熊家生

馬尉強

中華民國九十七年五月二十二日

1

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the Ultrasonic Transducer

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誌 謝

承蒙指導老師-張興政教授，在製作專題的過程中，給予正確的研究觀念與

方向，使其專題逐步完成。除了在專業知識的傳授外，更在待人處世的方法和態

度上給予學生許多的建議與啟示，讓我們對日後的人生有正確的看法與態度。

除了師長們的關懷鼓勵外，實驗室的學長姐亦是良師益友。感謝微機電與自

動化量測實驗室學長們給予研究及生活上多方面的協助與指導。最後，感謝我的

父母在這段期間的鼓勵與關懷，讓我在課業之餘無後顧之憂。

i

中文摘要

本專題以研發超音波震盪起霧器為核心，設計一個方型的操作平台，設計驅

動電路，使在平台的水面上利用震盪器使水面起霧，並藉由操作震盪器的開關控

制，再透過水位感測器的回授，達到控制超音波震盪起霧器的效果。並加上 LED

閃爍控制，使其霧化效果更加美觀。

ii

abstract

This special topic regards researching and developing ultrasonic wave and

shaking the hazing device as the core, design a square operating platform, is it urge

circuit to design, make on surface of water of platform utilizing person who shake

make surface of water haze, and control with the switch which operate the shaking

device, and then through the feedback of the detecting device of water level, get the

result of controlling ultrasonic wave and shaking the hazing device. And in addition,

LED glimmers and controls, make its atomized result more beautiful.

iii

目錄

中文摘要........................................................................................................................ii

abstract........................................................................................................................ iii

目錄...............................................................................................................................iv

圖目錄...........................................................................................................................vi

表目錄 ……………………………………………………………………………vii

第一章 緒論................................................................................................................1

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

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

1.3 研究目標.......................................................................................................2

第二章 操作原理與規劃............................................................................................3

2.1 操作原理.......................................................................................................3

2.2 系統架構.......................................................................................................3

第三章 模組功能分析與製作 ...................................................................................6

3.1震盪晶片 ……………………………………………………………………6

3.2 震盪控制電路...............................................................................................7

3.2.1 水位感測............................................................................................7

3.2.2 橋式整流............................................................................................7

3.2.3 2SC5242 電晶體................................................................................7

3.3 LED燈控制電路...........................................................................................8

3.3.1 555 震盪器.........................................................................................9

3.3.2 74LS193........................................................................................... 11

3.3.3 74LS154........................................................................................... 11

3.4 電源供應模組.............................................................................................13

第四章 系統整合與測試…………………………………………………… 15

4.1 實驗過程.....................................................................................................15

iv

4.2 實驗結果.....................................................................................................16

第五章 結論 ……………………………………………………………… 19

參考文獻……………………………………………………………………… 21

v

圖目錄

圖 2.1 檢測與系統架構圖.............................................................................4

圖 2.2 超音波震盪起霧器系統製作流程圖.................................................5

圖 3.1震盪晶片實體圖..................................................................................6

圖 3.2震盪控制電路圖..................................................................................7

圖 3.3震盪控制電路實體圖..........................................................................8

圖 3.4 LED燈控制電路圖...............................................................................9

圖 3.5 LED燈控制實體圖...............................................................................9

圖 3.6 555 震盪器接腳圖............................................................................10

圖 3.7 74LS193 接腳圖................................................................................ 11

圖 3.8 74LS154 接腳圖................................................................................12

圖 3.9電源供應器設計圖............................................................................13

圖 3.10電源供應器實體圖..........................................................................14

圖 3.11 (a)穩壓IC 78 系列，(b)穩壓IC 79 系列。....................................14

圖 4.1電源與震盪控制電路連接。............................................................15

圖 4.2震盪晶片未作動前............................................................................15

圖 4.3震盪晶片作動中................................................................................16

圖 4.4霧化量達最大值................................................................................16

圖 4.5 控制模組實體圖...............................................................................17

圖 4.6水位高低感測....................................................................................17

圖 4.7 LED燈閃爍情形...............................................................................18

圖 4.8系統實體架構圖................................................................................18

vi

表目錄

表 3.1 74LS154 真值表...............................................................................12

vii

第一章 緒論

1.1 前言

應用現代超音波霧化技術，使水在超聲空化作用下，產生大量負氧離子和微

粒的水霧，他能使房間增加溼度，消除靜電。現今大多用於醫學上，利用震波將

藥液物化成微小粒子，使其藥液能更好的被吸收。除此之外，霧化技術也能應用

在娛樂方面，例如：pub 裡的舞池外圍放上超音波霧化器，配上霓虹燈的效果，

可以產生不錯視覺上的聲光效果。也可裝在山水盆景和魚缸內，產生霧氣環繞的

景色。

1.2 研究動機

隨著科技的日益進步，很多現代科技可以應用於醫學方面。以前醫生開給

病人的藥物，多是以口服、體內注入，或是外部塗抹，來達到醫療的效果。然而

這些會根據病人吸收程度的好壞，而影響病情的恢復快慢。然而人體吸收藥物的

快慢，絕大部分跟藥品的分解速率有關，故而若能使藥品的分子更加細小，且不

被破壞，將能使病人得到更好的治療效果。以氣喘而言，一般是用粉末式吸入治

療，然而若是將藥品霧化再吸入，因其分子較小，所以更易被吸收，來減少治療

的時間與藥品的消耗。

1

1.3 研究目標

本專題研究內容待執行的問題，重點歸納如下述幾點：

1. 設計震盪控制電路由橋式整流與 2SC5242 電晶體組合而成。

2. 設計震盪控制電路。

3. 設計 LED 跑馬燈電路配合震盪電路，形成較好的視覺享受。

4. 設計機構使得水位在一定高度以下，系統停止作用。

5. 取得在某水位下有最大的霧化量。

在本專題中，我們以震盪起霧器為操作核心，建構出震盪控制電路，並設計出水

位回授，使其達到我們所希望的控制目的。

2

第二章 操作原理與規劃

本章針對本專題研究的操作原理、系統架構、製作流程及各種功能逐一介

紹，詳細描述本專題的研製概念及架構模型。

2.1 操作原理

1. 透過電源供應器的操作，使震盪電路運作，來使震盪晶片以及 LED 燈閃爍

電路的開始作動。

2. 震盪之後，由於水位會慢慢下降，所以當水位下降到某一程度之後，回授系

統便會作用讓整個電路停止作用。

3. 透過機構所設不同高度的水位，水由不同高度開始霧化，可得知霧化量與水

位高度的關係。

2.2 系統架構

本系統是由震盪電路與 LED 跑馬燈電路，並經由水位感測回授至控制電路，

透過水位的感測，得知目前系統是否繼續運作，系統架構與製作流程圖，如圖

2.1 和圖 2.2 所示

本系統共分為四個部分，分別為：

1. 震盪控制電路：藉由 2SC5242 電晶體，與水位感測來控制本專題的核心震

盪晶片。

2. LED 跑馬燈控制電路：包含了 74LS154、74LS193、NE555、74LS00 等電

路設計，為此電路之核心。

3. 電壓源供應器：提供本專題所有硬體設備的電源。

3

圖 2.1 檢測與系統架構圖

4

圖 2.2 超音波震盪起霧器系統製作流程圖

5

第三章 模組功能分析與製作

3.1 震盪晶片

(1)耐空化腐蝕：銀面附著強度:≧500g(水平方向) ， ≧250g(垂直方向)

超薄不銹鋼膜取代傳統電鍍

(2)高轉換效率

.機械品質因素(Qm)：≧1200

.機電偶合係數(Kp)：≧60%；(Kt)：≧46%

.介質損耗(tgδ)：≦0.5%

.諧振阻抗(Ro)：2Ω以下

.適當水位 5cm，霧化量大

(3)實用性強

.使用溫度範圍： 5 ℃ ~ 60 ℃

.工作電壓： 24 V ~ 48 V

.工作電流： 450 mA ~ 650 mA

圖 3.1 震盪晶片實體圖

6

3.2 震盪控制電路

本專題的震盪控制電路板包含三個部份，如圖 3.7 所示，實體圖如圖 3.8 所

示分別為水位感測、橋式整流、2SC5242 電晶體，其功能說明如下：

1. 水位感測：利用 2 條導線放入水裡，藉由水會導電的原理，如果水位不夠覆

蓋 2 條導線，則無法通電。使 2 條導線高低不同，便可量測水位的高低。

2. 橋式整流：電流轉換，將交流電(AC)換成所需的直流電(DC)。

3. 2SC5242 電晶體：為本專題的核心，震盪子是由此電晶體來控制。

圖 3.2 震盪控制電路圖

7

圖 3.3 震盪控制電路實體圖

3.3 LED 燈控制電路

本控制電路包含３個部份，如圖 3.4 示，實體圖如圖 3.5 示分別為５５５震

盪器、74LS154、74LS193，其功能說明如下：

8

圖 3.4 LED 燈控制電路圖

圖 3.5 LED 燈控制實體圖

3.3.1 ５５５震盪器

５５５的內部是由一大堆電晶體、二極體及電阻起所組成。但欲應用積體電

路並不需浪費精神去詳究其內部電路之動作原理，只需了解其各接腳之公用即可

9

應用自如。

圖 3.6 555 震盪器接腳圖

（１）第一腳（接地；ground）：接至電源之負極。

（２）第二腳（觸發；trigger）：當第２腳之電壓低於 1/3Vcc 時會令第 3 腳輸出

高態，且對第 7 腳對地開路。

（３）第三腳（輸出；output）：555 的輸出腳，輸出電壓到底是高態或低態，完

全受第 2；4、6 腳控制。

（４）第四腳（重置；reset）：第 4 腳之電壓小於 0.4 伏特時，會令第三腳之輸

出成為低態，同時令第 7 腳對地短路。不讓第 4 腳發生作用時，應接於 1 伏特以

上之電壓。

（５）第五腳（控制電壓；control voltage）：這一腳直接與比較器的參考電壓點

相通，允許由外界電路改變第 2 腳及第 6 腳之動作電壓。平時大多接一個 0.01

Μf 以上之電容器接地，已免 555 受到雜訊干擾。

（６）第六腳（臨界；threshold）：當第６角的電壓高於 2/3Vcc 時，會令第３

腳輸出低態，同時令第７腳對地短路。

（７）第七腳（放電；discharge）：與第３腳同步動作。當第３腳輸出高態時，

第７腳對地開路；在第３腳輸出低態時，第７腳對地短路。

（８）第八腳（＋Vcc）：接電源之正極。第８腳對地１腳之電壓可以是 4.5~16

10

伏特。

3.3.2 74LS193

本元件是一個非同步式可預設的 4 位元二進制上\下計數器。同時具備了非

同步式主重置的功能，此外也具有並行載入和同步式上數\下數的能力。在重置

或載入的過程中或過程之後，假如 2個時脈中有任何一個進入低狀態，那麼當下

次時脈發生正緣變化時，該時脈視為有效，而計數器開始計數。

圖 3.7 74LS193 接腳圖

3.3.3 74LS154

本元件的輸入端接受的是 4 條高態動作的二進定址線，而後在輸出端提供

16 個彼此互斥的低態動作輸出。2-輸入的致能閘可作為解碼器的閃控脈衝以消

除輸出端可能出現的解碼突波；此外，輸入致能閘還可以用於解碼器的擴充。輸

入致能閘為韓兩個輸入端的及閘，必須 2個輸入端同時為低狀態，輸出才被致能。

此元件可視為一個“16 取 1 的反多工器＂只要將致能線中的一個是為多工

資料輸入即可。當吝一個致能端處於低狀態時，被定址的輸出將跟隨輸入資料的

11

狀態而變化。

圖 3.8 74LS154 接腳圖

表 3.1 74LS154 真值表

12

3.4 電源供應系統

本專題所有電路及硬體設備所利用的電源，採用交流電源 110V 經由 PT-24

變壓器變壓後，再透過橋氏整流電路處理，提供直流電源。為因應各個電路所需

不同的電壓，並且考慮空間問題，因此，我們將多組輸出變壓電壓直接設計在同

一塊電路板上，其電源供應器設計圖如圖 3.23 所示，實體圖如圖 3.24 所示，其

電壓供應說明如下：

1. 電壓源 DC +24V：我們選用 7824、7924 穩壓 IC 搭配濾波電容，78 系列

為正電源穩壓器，79 系列為負電源穩壓器，其腳位圖 3.25 所示，並將輸入

交流電壓換為 24V 經由橋式整流及穩壓 IC 處理後，得到+24V、-24V 的直

流電壓源，提供 LED 燈控制電路之使用。

2. 電壓源 DC +18V：將 7824、7924 代換成 7818、7918 的穩壓 IC，其電路

結構如同上述 1，而得到+18V、-18V 的直流電源。此一設計乃是緩衝變壓

電壓由+24V、-24V 直接降至+15V、-15V 降幅太大，導致穩壓 IC 受熱過

度因而損壞甚至於燒毀整個電源供應器。

3. 電壓源 DC +15V：將 7818、7918 代換成 7815、7915 的穩壓 IC，其電路

結構如同上述 1，得到了+15V、-15V 的直流電壓源。

1

2

3

4

D1

BRIDGE1

Vin1

GN

D2

+12V 3

U1MC7812

Vin2

GN

D1

-12V 3

U4MC7912

Vin2

GN

D1

-5V 3

U6MC7905

Vin1

GN

D2

+5V 3

U3MC7805

C10.01uf

C50.01uf

C20.01uf

C60.01uf

C30.01uf

C70.01uf

C40.01uf

C80.01uf

C91000uf

C131000uf

C101000uf

C141000uf

C111000uf

C151000uf

C121000uf

C161000uf

S1

SW-SPSTF1

12

J1

CON2

1234567

J2

CON7

Vin1 +9V 3

U2MC7809

+12+9+5GND-5-9-12

Vin2

GN

D1

-9V 3

U5MC7909

GN

D2

123

J3

CON3

12

J4

CON2

圖 3.9 電源供應器設計圖

13

圖 3.10 電源供應器實體圖

(a) (b)

圖 3.11 (a)穩壓 IC 78 系列，(b)穩壓 IC 79 系列。

14

第四章 系統整合與測試

4.1 實驗過程

（1）電壓為交流電 48V，經由震盪控制電路使震盪晶片開始作動，並經由

水位量測來決定模組中水位是否足夠使晶片繼續震盪!!

圖 4.1 電源與震盪控制電路連接

（2）將震盪晶片擺入容器中，在放入水位感測的 2條電線，如圖 4.6。

圖 4.2 震盪晶片未作動前

15

（3）將所有電路接妥，啟動電源後開始作動電路，約 3秒後產生如圖 4.3的霧氣範圍。

圖 4.3 震盪晶片作動中

（4）震盪晶片開始震盪後，產生如圖 4.4 的霧氣範圍。

圖 4.4 霧化量達最大值

4.2 實驗結果

經由實驗多次試驗得知約在 5秒左右，可得最大起霧值與範圍。震盪時間若

16

過久會造成震盪控制電路中的 2SC5242 過熱，導致電路燒毀；而須有間歇性的震

盪，讓電晶體 2SC5242 能得到充分的散熱，使系統工作時效能更有效的延長。

由於不斷的霧化會使水位下降，導致水位不足，經由水位量測，一但水位

不足則電路斷路，使整個模組停止運作。

圖 4.5 控制模組實體圖

圖 4.6 水位高低感測

17

圖 4.7 LED 燈閃爍情形

圖 4.8 系統實體架構圖

18

第五章 結論

5.1 成果檢討

從一開始的 110V 的交流電輸入，經由電源供應器的轉換，輸出 24V 的交流

電供震盪控制電路所使用；再由橋式整流把 24V 交流電轉直流電，藉由穩壓 IC

逐漸降壓，變成提供 LED 燈的控制電路所需的 5V 直流電。

24V 交流電通過震盪控制電路的處理，使震盪起霧晶片產生 1.65MHz 的震盪頻

率，並藉由其高頻震盪破壞水的表面張力，造成霧化效果。並用 LED 跑馬燈的閃

爍，使霧化產生更好的視覺效果。

1. 由於電晶體 2SC5242 容易過熱，所以必須以間歇性的方式來驅動其霧化晶

片。是否可以透過更好的散熱效果，或是更換具有更好耐熱效果的電晶體，使其

工作時間能更加的延長。

2. 本專題的 LED 燈是以跑馬燈方式閃爍，可透過 8051 單晶片的操作，使其閃爍

的方式產生更多變化，來達到更好的視覺效果。

3. 本專題的電源供應器，是採用 78 和 79 系列的 24、18、15 穩壓 IC。可更改為

24、12、05 穩壓 IC，使 LED 燈控制電路不需另外接上 08、05 穩壓 IC，可使此電

路的製作更簡潔。

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5.2 感想

藉由本次專題，我們 3個人學到了許多！一開始到圖書館找尋資料，找到可

以用的東西之後，就一起到電子材料行去採買需要的元件：IC、單心線、電路板

以及一些週邊的用品等一切東西都準備妥當後，就開始到資電 5樓的公用實驗室

去洗電路板。這時候就可以把以前在電子學實習所學的知識用上洗好板子後，也

還要鑽洞，然後就可以開始把電路元件接到板子上，再開始焊接。由於焊接這方

面我們比較少接觸所以一開始進度有點慢，因為有時候會沒有焊到，或是焊 IC 時

有可能因為焊的時間太久，會造成 IC 的過熱而燒壞，所以還滿常跑電子器材行去

採購新的電子元件，只是在焊接過程中真的要小心焊接槍！不小心可能會被焊接

槍燙傷。所有的電路板都焊好之後，們就開始進行整合。程倒是沒有什麼問題，

只是目前還沒找到適合的外圍板子，找到後就完成了。

起初是為了應用在醫療上，藉由震盪起霧，使得藥品能成霧化狀態，用吸入

的方式達成醫療效果。實際由於設備的不足與經驗的欠缺，轉而應用在美化環境

之上，可以用於假山造景之上，已達成雲煙裊裊的效果，或是可以運用於家庭之

中，可以於冬天增加溼氣，增加皮膚保濕的效果。

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參考文獻

[1] 藍樵寧譯，常用 IC 規格大全， 儒林圖書公司，1996 年。

[2] 蔡朝洋編著，電子學實驗，全華科技圖書股份有限公司，2005

年。

[3] 蘇奕肇編譯，感測器應用電路精選 ，全華科技股份有限公司，1994

年。

[4] 盧明智、盧鵬任編著，感測器應用與線路分析，全華科技股份有限公司

，1990 年。

[5] 無線電界月刊編，電晶體電路製作集錦，無線電界雜誌社，1991 年。

[6] 蔡朝洋編譯，電子電路實作技術 ，全華科技股份有限公司，1994 年。

[7] 許書務編譯，數位邏輯，全華科技股份有限公司，1985 年。

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