毛慧鳳

（長(zhǎng)春工程學(xué)院理學(xué)院，長(zhǎng)春 130000）

電風(fēng)扇的環(huán)境可靠性設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

毛慧鳳

（長(zhǎng)春工程學(xué)院理學(xué)院，長(zhǎng)春 130000）

電風(fēng)扇是炎熱天氣重要的電器，傳統(tǒng)電風(fēng)扇功能單一，容易引起風(fēng)濕、感冒等不良癥狀，本文利用模糊控制技術(shù)設(shè)計(jì)了一種智能電風(fēng)扇，能夠根據(jù)人的狀態(tài)、和環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)整電風(fēng)扇，給人最佳享受。具有自主、節(jié)能、投資少等特點(diǎn)。

模糊控制；脈寬調(diào)制（PWM）；電風(fēng)扇；傳感器

引言

電風(fēng)扇以其功率低，價(jià)格便宜而深受用戶的信賴，是居民夏季的主要納涼、通風(fēng)電器，傳統(tǒng)的電風(fēng)扇多采用機(jī)械按鍵方式進(jìn)行控制（包括遙控），功能少、耗電多，自主性差。本文設(shè)計(jì)的模糊電風(fēng)扇能夠根據(jù)周圍環(huán)境（比如環(huán)境的溫度、人員狀態(tài)……），采用更為人性化的全自主控制，只要將設(shè)置調(diào)節(jié)到“模糊控制模式”，就可以享受炎熱夏天里模糊電風(fēng)扇帶來的舒適。根據(jù)周圍環(huán)境電風(fēng)扇可以產(chǎn)生不同的風(fēng)速。

1 模糊輸入項(xiàng)的選定

電風(fēng)扇較多情況是在溫度較高的環(huán)境中，因此溫度應(yīng)該做為模糊控制的一個(gè)輸入量；此外將噪聲做為另一個(gè)模糊輸入量，構(gòu)成兩輸入模糊控制模型。之所以考慮噪聲是因?yàn)椋?/p>

1)當(dāng)人準(zhǔn)備睡眠的到熟睡的過程，環(huán)境里的噪聲會(huì)有明顯的下降，因?yàn)槿饲逍训臅r(shí)候，在高溫環(huán)境里保持一點(diǎn)聲音沒有是很難的。當(dāng)熟睡的后，環(huán)境里面的噪聲很小，這時(shí)候就可以采用較低轉(zhuǎn)速模式，這樣即可以達(dá)到節(jié)能、省電的目的，又可以減少熟睡中過度吹風(fēng)扇引起的疾病。

2)在主人忘記關(guān)掉電風(fēng)扇時(shí)，如果室內(nèi)沒有人，環(huán)境噪音必然非常低，這時(shí)候就系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)掉風(fēng)扇。

3)在會(huì)議室、餐廳、教室……等公眾場(chǎng)所里面，在相同的溫度下，人越多噪聲就越大，電風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速越快；人少的時(shí)候降低轉(zhuǎn)速達(dá)到節(jié)能的目的。人多少的判別是完全可以通過判斷噪聲大小來確定。

考慮上述因素，本文采用模糊控制技術(shù)來設(shè)計(jì)模糊電風(fēng)扇，模糊電風(fēng)扇采用溫度T和噪聲N作為模糊輸入量，能夠有效的檢測(cè)周圍環(huán)境的特點(diǎn)，采用相應(yīng)的控制方法，效果比較理想。

2 模糊控制方法

電風(fēng)扇的模糊控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是通過檢測(cè)溫度變化和噪聲變化作為模糊輸入，經(jīng)由模糊控制器變成控制電流的輸出，構(gòu)成雙輸入單輸出的控制系統(tǒng)模型，如圖1所示。

其中：G1、G2是噪聲和溫度變換時(shí)的量化因子，G3是控制量Y的比例因子。根據(jù)模糊控制理論，分別對(duì)溫度T、噪聲N進(jìn)行模糊化，各量的模糊劃分方法如下：

將輸入量T分為5個(gè)模糊狀態(tài)：VS（非常?。（?。?、M（中）、L（大）、VL（非常大）；對(duì)應(yīng)的模糊化論域?yàn)闇囟戎?，其值：t0、t0＋1、t0＋2、t0＋3、t0＋4、t0＋5、t0＋6、t0＋7、t0＋8。t0表示電風(fēng)扇能夠應(yīng)該工作的最低溫度（閥值溫度），由于不同的地區(qū)對(duì)這個(gè)溫度的要求有些差異，這里就沒有取確定的值；＋1、＋2、……＋9表示溫度高于閥值溫度1個(gè)單位、2個(gè)單位……9個(gè)單位，其中1個(gè)單位代表1.5℃，也可以根據(jù)具體要求改變。

將輸入量N分為5個(gè)模糊狀態(tài)：VS（非常小）、S（小）、M（中）、L（大）、VL（非常大）；對(duì)應(yīng)的模糊化論域?yàn)樵肼曋?，其值?0、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110表示噪聲是10dB、20dB……110dB，其中10dB是環(huán)境中的最小噪聲電平；110 dB是聽覺能夠容忍的最高噪聲。

將輸出量Oi分成5個(gè)模糊狀態(tài)：VS（非常?。（?。?、M（中）、L（大）、VL（非常大）；對(duì)應(yīng)的模糊化論域?yàn)橛肞WM控制的電流的輸出比例值，其值為：0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1，也可以根據(jù)具體要求劃分的更細(xì)致。

控制規(guī)則表的制定，為了使得對(duì)電流控制的更好的適應(yīng)環(huán)境要求，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)制定的規(guī)則表，表1所示。

圖1 電風(fēng)扇模糊控制系統(tǒng)

上述規(guī)則控制表的原則是溫度很高、噪聲很大的時(shí)候，增大電流的分頻輸出時(shí)間；當(dāng)溫度很低、噪聲很小時(shí)，減少電流的分頻輸出時(shí)間。

根據(jù)Mamdani法則，推理可以求出模糊量C'：

其中Ai，Bi表示輸入的噪聲和溫度模糊量，Ci是通過Ai，Bi的規(guī)則控制表查找得到的輸出模糊量；μAi(x),μBi (y),μCi則是Ai(x),Bi(y),Ci的隸屬度。

利用重心法可以把模糊量C轉(zhuǎn)變成C*：

通過表2的對(duì)應(yīng)關(guān)系，把N和T的值做成U的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在單片機(jī)進(jìn)行中進(jìn)行查表輸出。從而實(shí)現(xiàn)模糊的控制輸入和輸出的閉環(huán)控制策略。

表1 控制規(guī)則表

表2 模糊控制表

用PWM法控制電流的示意圖如圖2所示。

圖2中T是循環(huán)周期，t是周期內(nèi)電流有效輸出的時(shí)間，滿足t∈[0,T]，設(shè)備運(yùn)行功率為P設(shè)備運(yùn)行功率為設(shè)備運(yùn)行功率為P*t/T。當(dāng)t=T時(shí)，則此時(shí)滿負(fù)荷高速運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 電風(fēng)扇的電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了保證改進(jìn)后電風(fēng)扇的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，本設(shè)計(jì)采用PIC16F873，PIC16F873擁有28個(gè)引腳，192bytes的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，3個(gè)定時(shí)（計(jì)數(shù)）器，13個(gè)中斷源，可以實(shí)現(xiàn)模糊控制的同時(shí)增加多種聲光提示，提升產(chǎn)品賣點(diǎn)。產(chǎn)品因硬件電路改進(jìn)所需增加費(fèi)用不超過10元，但是所帶來的附加價(jià)值卻遠(yuǎn)高于此。

電風(fēng)扇的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

其中溫度檢測(cè)用以及噪聲監(jiān)測(cè)的傳感器要遠(yuǎn)離電機(jī)，以免電機(jī)發(fā)熱及風(fēng)早影響測(cè)量輸入，修改模糊控制模型也可以達(dá)到舒適條件的目的。

噪聲檢測(cè)是通過MIC將噪聲轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)經(jīng)過鉗位和限幅電路將電壓值轉(zhuǎn)換到0～5V之間，然后送入PIC16F873的A/D口，通過查電壓和噪聲對(duì)應(yīng)表得到噪聲值。

圖2 PWM電流控制示意圖

圖3 電風(fēng)扇的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 軟件流程圖

模糊控制的軟件實(shí)現(xiàn)是通過采集溫度和及噪聲值，然后進(jìn)行查表后輸出控制信號(hào)，為了提高人機(jī)交互速度，將輸入設(shè)置及顯示輸出放置在中斷執(zhí)行，其余實(shí)際放置主程序中循環(huán)執(zhí)行，這樣既保證了程序的流暢性，也保證人機(jī)交互的實(shí)時(shí)性。流程如圖4和圖5所示。

5 應(yīng)用場(chǎng)景說明

圖4 軟件流程圖

根據(jù)不同的使用場(chǎng)所及用戶特點(diǎn)，可以設(shè)置不同的模式，如“商場(chǎng)模式”、“居家模式”、“健康模式”、“學(xué)習(xí)模式”等等以適應(yīng)不同人群，不同場(chǎng)所的需求。比如在商場(chǎng)中可以設(shè)置成“商場(chǎng)模式”，那么風(fēng)扇將以溫度為主要關(guān)注點(diǎn)，當(dāng)溫度高時(shí)加大空氣流通量，當(dāng)溫度低時(shí)降低或關(guān)閉風(fēng)扇。又比如在家庭里使用可以使用“健康模式”，此時(shí)以聲音為關(guān)注點(diǎn)，當(dāng)環(huán)境的噪聲呈現(xiàn)規(guī)律變化或者噪聲很小，則此時(shí)可以降低甚至關(guān)閉風(fēng)扇。如果覺得標(biāo)準(zhǔn)控制策略還不能適應(yīng)實(shí)際需要，那么用戶可以自定義模糊控制表中輸入輸出規(guī)則，表中其余狀況則自動(dòng)生成。

圖5 軟件流程圖

[1] 赫明山,黃雯清. 微電子技術(shù)在電風(fēng)扇中的開發(fā)與應(yīng)用[J].電機(jī)電器技術(shù), 1990(01).

[2] 王建宏.基于先進(jìn)辨識(shí)的控制策略研究及其應(yīng)用[D].南京：南京航空航天大學(xué), 2011.

[3] 陳明杰.“溫柔電扇”與跟蹤開發(fā)術(shù)[J]. 發(fā)明與創(chuàng)新, 2005(09).

[4] 熊志利. 智能節(jié)能電風(fēng)扇系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].硅谷, 2011(03).

[5] 李浚泉.智能控制發(fā)展過程綜述[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 1999(03).

毛慧鳳，女，1979.8，吉林省遼源市，本科，助教。

Reliability Design and Realization of Smart Fan

MAO Hui-feng
（Changchun Insti tute of Technology, Changchun 130000）

Fan is important electronic products in hot weather. The fun of traditional fan is simple, and this fun is easy to cause rheumatism, colds and other diseases. Using the fuzzy cont rol technology, a smart fan which can automatically adjust the fan according to the temperature and noise was designed. This design has the characteristic of low-power, low investment, etc..

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1004-7204（2014）03-0043-04