114 高普考高考三級 農業機械 農業機電與控制 考古題詳解
第 一 題15 分
自我保持電路在控制系統上常被使用，請利用繼電器（Relay）設計一個自我保持電路。
當電源開關按下後，系統電源導通，電源燈亮；當停止開關按下後，系統電源切除，電源燈熄。
請說明自保電路之用途，並試述其作動方式。
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核心觀念
自我保持電路（self-holding circuit）利用繼電器的常開輔助接點，在啟動按鈕放開後，仍讓繼電器線圈持續通電。停止按鈕則以常閉接點串接在線圈控制回路中；按下時切斷線圈電流，使繼電器釋放，系統電源隨之關閉。
本題考查繼電器線圈、常開接點（NO）、常閉接點（NC）與自保持控制的基本接線及作動順序。
解題方法
將停止按鈕的常閉接點串聯在線圈回路中，再把啟動按鈕的常開接點與繼電器的一組常開輔助接點並聯。繼電器線圈得電後，輔助接點閉合，形成不必持續按住啟動按鈕的旁路。
控制回路
+V ──[停止 SB0：NC]──┬──[啟動 SB1：NO]──┬──(繼電器線圈 K)── 0V
│ │
└──[K 輔助接點：NO]─┘
電源燈回路
+V ──[K 主接點：NO]──(電源燈 PL)── 0V
其中，SB0 為停止按鈕，SB1 為啟動按鈕，K 為繼電器線圈，PL 為電源指示燈。K 的主接點可用來接通系統電源，指示燈則隨 K 主接點的閉合而點亮。
自保電路的用途
自保電路使繼電器在啟動訊號短暫消失後仍維持吸合，讓系統保持運轉狀態，直到操作停止按鈕或控制電源中斷。這種控制方式常用於馬達啟停、設備電源控制及一般機械控制回路。
作動方式
第 二 題15 分
運算放大器常應用於訊號處理及控制系統之設計，在回饋控制中扮演相當重要的角色。
請問圖（a）和圖（b）分別為哪一種放大器？若 時，則 和 之關係為何？若 為 、、，則 各為多少？
圖（a）、圖（b）請參考原卷圖示。
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核心觀念
本題考查理想運算放大器的兩種基本負回授電路：
- 圖（a）：反相放大器
- 圖（b）：非反相放大器
理想運算放大器在負回授且未飽和時，具有：
- 輸入端電流近似為零：
- 虛短路：
圖（a）：反相放大器
圖（a）中，輸入訊號經由 接至反相端， 為輸出至反相端的回授電阻，非反相端接地，因此：
由虛短路可得：
反相端沒有電流流入運算放大器，因此流經 與 的電流相同：
整理得：
因此圖（a）為反相放大器，輸出電壓與輸入電壓反相。
圖（b）：非反相放大器
圖（b）中，輸入訊號直接接至非反相端，輸出端經由 、 分壓後回授至反相端，因此為非反相放大器。
由於：
分壓支路中的電流為：
同一電流流經 ，因此：
代入 ：
所以：
因此圖（b）為非反相放大器，輸出電壓與輸入電壓同相。
時的關係
圖（a）
因此：
圖（b）
因此：
第 三 題15 分
有一農場新購入了一個使用 Modbus ASCII 通訊的溫濕度感測器，感測器預設站號為 。為使用感測器接入智慧環控系統，需對感測器位址 使用單一變數寫入方式，寫入資料 。
請寫出 Modbus ASCII 標準寫入封包的組成，並計算該封包的縱式餘數查核法 LRC 值，以 16 進制表示。
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核心觀念
本題考查 Modbus ASCII 的封包格式、單一暫存器寫入功能碼，以及 LRC（縱式餘數查核法）的計算。
Modbus ASCII 封包以冒號 : 作為起始字元，接著是站號、功能碼、資料欄位與 LRC；最後以 CR、LF（回車、換行）結束。除起始字元與結尾字元外，封包中的每個位元組以兩個 ASCII 十六進位字元表示。
解題方法
單一暫存器寫入使用功能碼 06H。本題各欄位為：
- 站號：
01H - 功能碼：
06H - 暫存器位址：
0012H，依高位元組在前排列為00H 12H - 寫入資料：
80D0H，依高位元組在前排列為80H D0H
LRC 的計算方式是將站號、功能碼及資料欄位中的所有位元組相加，取總和的低 8 位元，再以二補數取負：
先加總：
取低 8 位元仍為 69H，再取二補數：
第 四 題15 分
農業機電控制中，常需較高的致動精度，而螺桿搭配步進馬達是精度需求的好選擇。
請問一長度為 、外徑為 、導程為 之螺桿，透過剛性聯軸器連結一 2 相 60 框、 步進馬達：
- 每轉一圈需要多少步數？
- 當此步進馬達走 1200 步後，螺桿致動器之螺帽移動多少距離？
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核心觀念
步進馬達每收到一個脈波，就轉動一個固定步距角。題目給定步距角為 ，因此馬達轉一圈所需步數為 除以步距角。
螺桿的導程是螺帽隨螺桿轉一圈所前進的距離。本題導程為 ，且馬達與螺桿以剛性聯軸器連接，視為兩者轉角相同、無傳動比。
解題方法
1. 每轉一圈所需步數
一圈為 ，每步轉動 ：
因此，步進馬達每轉一圈需要 步。
2. 馬達走 步時的螺帽移動距離
先求馬達轉數：
第 五 題20 分
三相 交流馬達在農業系統驅動上應用廣泛。
試問有一個三相四極 同步交流馬達，使用電源頻率為 ，如何改變此交流馬達的轉向？請計算出馬達的同步運轉速度。
另馬達正反轉控制常被使用，請設計出三相交流馬達之正反轉控制電路。當正轉開關按下後，馬達正轉；當反轉開關按下後，馬達反轉。
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核心觀念
本題考查三相同步馬達的轉向與同步速度，以及三相馬達正反轉控制的基本電路。
三相電源的相序決定旋轉磁場的方向。交換任意兩條電源相線即可改變相序，使旋轉磁場反向，馬達也隨之反轉。同步速度由電源頻率與磁極數決定：
其中 為同步速度（轉／分，rpm）、 為電源頻率（Hz）、 為磁極數。
解題方法
本題為四極馬達，故 ；電源頻率 。代入同步速度公式：
因此，同步運轉速度為每分鐘 轉。題目未提供負載及控制方式等資訊；同步馬達穩態運轉時轉速與同步速度相同。
正反轉控制採用兩只接觸器：正轉接觸器 依正常相序接線，反轉接觸器 將任意兩相交叉，使相序反轉。控制迴路以各自的停止按鈕及啟動按鈕控制線圈，並用自保持接點維持運轉；再以對方接觸器的常閉輔助接點串入線圈迴路，形成電氣互鎖，避免兩只接觸器同時吸合。接觸器還須配置機械互鎖。
第 六 題20 分
因應極端氣候，溫室作物生產已普及，且朝向栽培自動化監控與管理。
請舉例說明五種溫室水耕栽培使用之感測器種類及說明其用途。
又國內因暑熱環境，常使用風扇水牆（Fan and Pad）蒸發冷卻降溫方式，請繪出溫室之風扇水牆配置圖並標註空氣流向。
又請以乾球溫度、濕球溫度、相對濕度等三者關係，說明系統之降溫效果。
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核心觀念
本題考查溫室水耕栽培的環境與養液監測，以及風扇水牆蒸發冷卻的配置和原理。作答要能指出感測器測量什麼、資料如何用於管理，並說明空氣通過濕潤水牆後，乾球溫度、濕球溫度與相對濕度如何改變。
解題方法
一、五種水耕栽培感測器及用途
可從「養液、作物周遭環境、作物生長狀態」三個面向列舉；每種都要說明監測參數及控制用途。
| 感測器 | 監測參數 | 用途 |
|---|---|---|
| pH 感測器 | 養液酸鹼值 | 監測養液酸鹼變化，供酸液或鹼液添加控制使用，使養分維持適宜的溶解與吸收條件。 |
| 電導度感測器（EC） | 養液導電度，反映溶解離子總量 | 估計養液濃度，供補水、補肥或換液控制使用；EC 過高可能表示養液過濃，過低則可能表示養分不足。 |
| 水溫感測器 | 養液溫度 | 監測根域水溫，供循環、冷卻或加熱控制使用，避免水溫過高或過低影響根系與養分吸收。 |
| 空氣溫濕度感測器 | 溫室空氣乾球溫度與相對濕度 | 作為風扇、水牆、遮陰及通風控制依據，維持適合作物生長的環境。 |
| 光照感測器 | 光照強度或光合有效光量 | 監測作物受光量，供遮陰、補光或栽培管理使用。 |
其他合理例子包括二氧化碳感測器、溶氧感測器、液位感測器及葉面濕度感測器。考試作答宜明確列足五種，並各自寫出用途。
二、風扇水牆配置及空氣流向
風扇與水牆設於溫室相對兩端，水牆側為進氣端，排風扇側為抽氣端。風扇運轉造成溫室內負壓，外界空氣經濕潤水牆進入，穿越作物區後由風扇排出。