高志寬+張宗義+文偉松

摘要在這個(gè)越來(lái)越提倡節(jié)能的時(shí)代，“節(jié)能”已經(jīng)成為時(shí)代的熱點(diǎn)詞，然而通過(guò)一段時(shí)間市場(chǎng)調(diào)研和查閱資料發(fā)現(xiàn)，作為散熱必備的電風(fēng)扇在性能上有很大的優(yōu)化空間，當(dāng)外界溫度變化時(shí)，其轉(zhuǎn)速和朝向卻不變，這無(wú)疑造成了電能浪費(fèi)，對(duì)使用者而言也不能滿足需求。就同一臺(tái)電風(fēng)扇而言，最快檔與最慢檔耗電量一般會(huì)相差40%。很明顯，改進(jìn)這種不足，不僅可以節(jié)約大量電能，還會(huì)讓使用者感到更加舒適。由此，提出一種設(shè)計(jì)思想：在電風(fēng)扇上加裝感知裝置和控制裝置，使電風(fēng)扇智能化運(yùn)行，節(jié)約能源。

關(guān)鍵詞電風(fēng)扇；節(jié)約能源；智能化

中圖分類號(hào)：TM925 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）11-0038-02

1設(shè)計(jì)背景

能源的短缺，消費(fèi)者要求的不斷提高，促使產(chǎn)品不斷向節(jié)能化、智能化的方向發(fā)展。電風(fēng)扇作為一種清涼解暑和流通空氣的電器，為廣大消費(fèi)者所接受。從1830年詹姆斯?拜倫的第一臺(tái)機(jī)械風(fēng)扇起，電風(fēng)扇的發(fā)展歷經(jīng)了近兩個(gè)世紀(jì)。然而僅僅改變風(fēng)扇的形狀、大小顯然已經(jīng)不能滿足現(xiàn)今社會(huì)的需求，電風(fēng)扇的智能化得以發(fā)展。

2設(shè)計(jì)思路

本文僅就電風(fēng)扇中感知裝置傳感器選擇、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及執(zhí)行裝置控制進(jìn)行優(yōu)化。

基本思路為：以搖頭風(fēng)扇為例，通過(guò)安裝在風(fēng)扇作用范圍內(nèi)的溫度傳感器感應(yīng)外界溫度，并把采集到的溫度信息實(shí)時(shí)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)在接收到溫度信號(hào)后，通過(guò)固定算法對(duì)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速和朝向進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

1）感知裝置傳感器選擇。溫度的測(cè)量方式通常可以分為兩大類：接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫。

接觸式測(cè)溫是使被測(cè)物體與溫度計(jì)的感溫元件直接接觸，通過(guò)溫度相同的原理測(cè)量物體的溫度。接觸式測(cè)溫滯后性較大，一般不適宜動(dòng)態(tài)溫度的測(cè)量。非接觸式測(cè)溫即溫度計(jì)的感溫元件不直接與被測(cè)物體相接觸，而是利用物體的熱輻射原理或電磁原理測(cè)得物體的溫度。非接觸式測(cè)溫滯后性較小，適宜于動(dòng)態(tài)溫度的測(cè)量。室內(nèi)溫度是不斷變化的，所以可采用非接觸式測(cè)溫方法。

非接觸式測(cè)溫的應(yīng)用大致分為輻射溫度計(jì)和紅外測(cè)溫。輻射溫度計(jì)的工作原理是基于全輻射定律（即黑體的全輻射和它的絕對(duì)溫度的四次方成正比），多用于800℃以上的高溫和可見(jiàn)光范圍。紅外測(cè)溫的工作原理與輻射溫度計(jì)相同，都是基于熱輻射原理。工作原理圖如圖1。

圖1一種紅外測(cè)溫傳感器原理方框圖

光學(xué)系統(tǒng)對(duì)被測(cè)物體的熱輻射進(jìn)行聚焦，光柵盤將其調(diào)制成一定頻率的光能，熱敏電阻探測(cè)器接受光能后經(jīng)電橋轉(zhuǎn)換為交流電壓信號(hào)，經(jīng)放大后輸出。光柵盤由兩片扇形光柵板組成，其中一塊為定板，一塊為動(dòng)板。動(dòng)板受光柵調(diào)制電路控制，按一定頻率正、反向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)（透光）、關(guān)（不透光）之間的轉(zhuǎn)換，使入射線變?yōu)橐欢l率的能量作用到探測(cè)器上。這種紅外測(cè)溫儀可測(cè)0~600℃范圍內(nèi)的物體表面的溫度，時(shí)間常數(shù)為4~10 ms。

將上述紅外測(cè)溫設(shè)備安裝于電風(fēng)扇作用半徑內(nèi)，實(shí)時(shí)采集風(fēng)扇作用半徑內(nèi)的溫度信號(hào)。如果是搖頭扇或者轉(zhuǎn)頁(yè)扇，可在不同方位安裝多個(gè)測(cè)溫裝置。將采集到的信息反饋到控制系統(tǒng)中。

2）控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)思路。在接收到感知系統(tǒng)反饋的電信號(hào)后，以搖頭扇為例。先將采集到的溫度信號(hào)與上一個(gè)溫度信號(hào)進(jìn)行比較，預(yù)設(shè)每變化一個(gè)單位（單位可按風(fēng)扇工作環(huán)境情況設(shè)定）的溫度，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速相應(yīng)增加一個(gè)單位，溫度不變化時(shí)，轉(zhuǎn)速恒定。當(dāng)溫度降低時(shí)，風(fēng)扇默認(rèn)為低轉(zhuǎn)速或者自動(dòng)關(guān)閉，具體溫度設(shè)定可參照表1中風(fēng)扇種類和轉(zhuǎn)速范圍來(lái)設(shè)定。

表1常用電扇的轉(zhuǎn)速范圍

同理，單片機(jī)對(duì)不同方位測(cè)溫裝置反饋回來(lái)的溫度數(shù)據(jù)之間進(jìn)行比較，判斷某個(gè)方位的溫度高于其他方位，則依據(jù)預(yù)設(shè)算法公式求出所需轉(zhuǎn)過(guò)的角度。利用這兩組信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)以控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和朝向。

為了便于控制，可加裝控制面板和顯示屏?？刂泼姘逶O(shè)有電源開(kāi)關(guān)、手動(dòng)調(diào)速檔、舵機(jī)開(kāi)關(guān)等。顯示屏顯示風(fēng)扇當(dāng)前轉(zhuǎn)速、朝向角度，電源通斷等。

一般室內(nèi)（例如商店、辦公室、醫(yī)院等公共場(chǎng)所）會(huì)裝多個(gè)電扇，為了節(jié)省費(fèi)用，可用一個(gè)控制系統(tǒng)同時(shí)對(duì)多個(gè)電扇進(jìn)行控制。

3）執(zhí)行裝置。電風(fēng)扇結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，一般主要由風(fēng)葉、扇頭、網(wǎng)罩和控制裝置等組成。主要驅(qū)動(dòng)部件為電動(dòng)機(jī)。電風(fēng)扇一般采用單相交流電動(dòng)機(jī)或罩極式電動(dòng)機(jī)。罩極式電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、成本低廉，但啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小、過(guò)載能力差、效率較低，故常用于尺寸相對(duì)較小的臺(tái)式電風(fēng)扇上。電容運(yùn)轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)大、啟動(dòng)性能高、過(guò)載能力強(qiáng)、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，市場(chǎng)上目前多數(shù)電扇都采用電容運(yùn)轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)。

電容運(yùn)轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)由定子、鼠籠式轉(zhuǎn)子、端蓋、軸承、運(yùn)轉(zhuǎn)電容器等組成。定子由互成90°的主繞組和副繞組組成，副繞組與運(yùn)轉(zhuǎn)電容器串聯(lián)后與主繞組并聯(lián)接入電路。由兩個(gè)脈動(dòng)磁場(chǎng)合成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)推動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制可采用H橋式電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

此設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)在于PLC程序設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)和傳感器的選擇。不同工況環(huán)境對(duì)電扇的使用要求也不同，具體設(shè)計(jì)方法需要具體討論。一種樣機(jī)模型如圖2所示。

圖2樣機(jī)

3結(jié)束語(yǔ)

由于空調(diào)的發(fā)展和普及，電風(fēng)扇逐漸淡出人們的視線，一度被認(rèn)為是“夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè)”。然而近來(lái)，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的消費(fèi)者突然對(duì)擁有獨(dú)特韻味和金屬質(zhì)感的“金屬風(fēng)扇”備受青睞，電風(fēng)扇逐步演變?yōu)楦呒?jí)家居裝飾品，并逐漸影響到國(guó)內(nèi)家居產(chǎn)業(yè)的消費(fèi)觀念，電風(fēng)扇的銷量有所上升。但由于電扇本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與空調(diào)相比性能上毫無(wú)優(yōu)勢(shì)。該設(shè)計(jì)旨在提升電風(fēng)扇在節(jié)能上的長(zhǎng)處，使其更加智能化，增加使用者的舒適感。

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