湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 鄔文俊 方軍

0 引言

電風(fēng)扇作為一種常用的電器，因其方便和低耗的特性，普遍應(yīng)用于工業(yè)和家用領(lǐng)域。目前，電風(fēng)扇的搖頭機(jī)構(gòu)絕大部分采用的是定軌跡循環(huán)搖頭的模式。然而，目標(biāo)人群往往僅分布在電風(fēng)扇搖頭軌跡有效區(qū)域中的某一小范圍內(nèi)，在無人空白區(qū)域內(nèi)的送風(fēng)是對風(fēng)力資源的浪費(fèi)。因此，研究基于人體尋蹤的電風(fēng)扇可控?fù)u頭系統(tǒng)在提高送風(fēng)效率和人體舒適度方面具有必要的實(shí)際意義。

未來必定是智能化物聯(lián)網(wǎng)的世界，對電風(fēng)扇的智能化而言，自動(dòng)尋蹤技術(shù)也是智能電風(fēng)扇研究最關(guān)鍵的問題。

1 傳統(tǒng)電風(fēng)扇的擺頭原理

傳統(tǒng)定軌跡循環(huán)搖頭機(jī)構(gòu)如圖1所示，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)后軸上的蝸桿帶動(dòng)蝸輪，蝸輪與小齒輪空套在同一根軸上，再由小齒輪帶動(dòng)大齒輪，而大齒輪與曲柄連桿固定，大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)曲柄連桿繞大齒輪中心點(diǎn)作整周轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使通過鉸鏈與曲柄連桿連接的搖桿作往復(fù)擺動(dòng)，達(dá)到風(fēng)扇搖頭的目的。

圖1 電風(fēng)扇的搖頭機(jī)構(gòu)

離合器主要運(yùn)用滑銷的上下運(yùn)動(dòng)，使得渦輪與蝸桿脫離或嚙合，從而實(shí)現(xiàn)搖頭的控制（如圖2所示）。

這種搖頭機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的是固定軌跡的循環(huán)連續(xù)搖頭運(yùn)動(dòng)，無法滿足需要在任意角度區(qū)域?qū)崿F(xiàn)小區(qū)域掃描搖頭的自動(dòng)尋蹤的目標(biāo)。因此，自動(dòng)尋蹤系統(tǒng)不能采用傳統(tǒng)電扇的搖頭機(jī)構(gòu)。

圖2 離合器結(jié)構(gòu)

2 自動(dòng)尋蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式研究

電風(fēng)扇自動(dòng)尋蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過檢測有效工作區(qū)域內(nèi)人群的范圍和位置，實(shí)現(xiàn)電風(fēng)扇在對應(yīng)的角度范圍內(nèi)的可控?fù)u頭送風(fēng)。

其主要功能如下：

（1）感應(yīng)人體位置和范圍；

（2）實(shí)時(shí)檢測電風(fēng)扇的當(dāng)前方向；

（3）在可控角度范圍內(nèi)搖頭。

為了實(shí)現(xiàn)對人體的感應(yīng)尋蹤，系統(tǒng)采用多個(gè)紅外光電開關(guān)來監(jiān)控各個(gè)方向人體的存在；采用接近開關(guān)組來實(shí)時(shí)檢測電風(fēng)扇當(dāng)前運(yùn)行方向；采用獨(dú)立雙向電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)任意角度范圍內(nèi)的搖頭。

因此，自動(dòng)尋蹤系統(tǒng)由基于紅外接近開關(guān)的人體位置感應(yīng)裝置、單片機(jī)控制裝置、雙向電動(dòng)機(jī)及電風(fēng)扇實(shí)時(shí)角度檢測裝置等構(gòu)成。

3 自動(dòng)尋蹤系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

3.1 人群范圍的邊界確定

對目標(biāo)人群的位置和范圍邊界的確定，需要能智能識別人體的接近。漫反射型紅外光電開關(guān)集光發(fā)射器和光接受器于一體，光發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)目標(biāo)人體表面反射，并可由光電傳感器接受和轉(zhuǎn)換為電信號。因此可采用紅外光電開關(guān)檢測目標(biāo)人體的存在。而目標(biāo)人群的位置和范圍則需要多個(gè)光電開關(guān)的分布和組合共同實(shí)現(xiàn)。

在電風(fēng)扇的座體支架上，7個(gè)漫反射型光電開關(guān)呈弧形分布，同時(shí)對應(yīng)7個(gè)信號燈D1～D7，分布如圖3所示。當(dāng)在感應(yīng)范圍內(nèi)有多人存在時(shí)，多個(gè)光電開關(guān)被同時(shí)觸發(fā)，通過單片機(jī)編程，運(yùn)用軟件實(shí)現(xiàn)相距最遠(yuǎn)的2個(gè)有信號的紅外光電開關(guān)位置作為搖頭范圍的邊界，并點(diǎn)亮相對應(yīng)的燈，標(biāo)示人群范圍。

圖3 光電開關(guān)分布示意圖

圖4 接近開關(guān)與定位桿分布示意圖

3.2 電風(fēng)扇扇頭當(dāng)前對準(zhǔn)方向判定

如圖4所示，7個(gè)呈弧形分布的反射型光電接近開關(guān)對稱分布于電風(fēng)扇的座體支架靠近扇頭的部位，每個(gè)接近開關(guān)對應(yīng)一個(gè)相應(yīng)的指示燈d1～d7；扇頭下面，有一根固定在扇頭上的定位桿，搖頭時(shí)，定位桿隨著扇頭繞中心點(diǎn)擺動(dòng)。定位桿在擺動(dòng)時(shí)，觸動(dòng)其正下方的接近開關(guān)，并使相應(yīng)的燈點(diǎn)亮，以顯示當(dāng)前對準(zhǔn)方向。有序排列的接近開關(guān)便可反饋實(shí)時(shí)運(yùn)行位置及對準(zhǔn)方向。

3.3 可控角度范圍內(nèi)的搖頭控制

在主軸電動(dòng)機(jī)的后面，用一個(gè)獨(dú)立的雙向電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)主電機(jī)的后軸，來實(shí)現(xiàn)可控角度的搖頭動(dòng)作，如圖5所示：

圖5 雙向電機(jī)控制示意圖

（1）當(dāng)控制端1得電（高電平），控制端2失電（低電平）時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；

（2）當(dāng)控制端1失電（低電平），控制端2得電（高電平）時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；

（3）當(dāng)控制端1與控制端2都失電（低電平）時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)；

因此，協(xié)調(diào)控制端1和控制端2的得電與失電的時(shí)間，便能有效地控制電風(fēng)扇搖頭的方向與角度。

4 自動(dòng)尋蹤系統(tǒng)的控制算法

假設(shè)：（1）由光電開關(guān)確定的人群范圍為Dmin、Dmax；

（2）初始扇頭的方向?yàn)閐n；

（3）電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)是扇頭向燈號增大的方向搖動(dòng)。

①智能電風(fēng)扇自動(dòng)開啟處時(shí)刻，與n、min、max的關(guān)系未知：

a.當(dāng)n＜min時(shí)，扇頭當(dāng)前方向在人群范圍之外，故用單片機(jī)控制使雙向電動(dòng)機(jī)上控制端1得電（高電平），控制端2失電（低電平），電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；

b.當(dāng)n＜max時(shí)，扇頭當(dāng)前方向在人群范圍之外，故用單片機(jī)控制使雙向電動(dòng)機(jī)上控制端1失電（低電平），控制端2得電（高電平），電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；

c.當(dāng)min＜n＜max時(shí)，即扇頭當(dāng)前方向在人群范圍之內(nèi)，所以不管向哪個(gè)方向搖頭都是合適的，因此，人為設(shè)置雙向電動(dòng)機(jī)初始狀態(tài)為正轉(zhuǎn)。在此情況下，控制端1與控制端2不做任何改變。

②當(dāng)智能電風(fēng)扇開啟之后，隨著扇頭的搖動(dòng)，也隨之不斷地變化，并且必定會向其中之一趨近。

a.當(dāng)n=min時(shí)，需要使扇頭向max方向轉(zhuǎn)動(dòng)，即雙向電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；

b.當(dāng)n=max時(shí)，需要使扇頭向min方向轉(zhuǎn)動(dòng)，即雙向電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。

圖6 雙向電動(dòng)機(jī)控制框圖

在多人自動(dòng)尋蹤系統(tǒng)下，若只有單一紅外接近開關(guān)有信號時(shí)，設(shè)置min=0，并通過搖頭控制使n=max（此時(shí)扇頭對準(zhǔn)唯一的人），設(shè)置控制端1與控制端2都失電（低電平），此時(shí)雙向電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，即扇頭停止搖動(dòng)，進(jìn)行對準(zhǔn)送風(fēng)。

由此，多人自動(dòng)尋蹤系統(tǒng)也兼容單人自動(dòng)尋蹤對準(zhǔn)系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

本文所述的電風(fēng)扇自動(dòng)尋蹤系統(tǒng)通過采用紅外感應(yīng)技術(shù)，確定目標(biāo)人群的范圍；采用接近開關(guān)組，實(shí)時(shí)判斷電風(fēng)扇當(dāng)前方向；并利用單片機(jī)控制雙向電機(jī)，實(shí)現(xiàn)可控角度范圍內(nèi)的送風(fēng)，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋蹤，使電風(fēng)扇的送風(fēng)系統(tǒng)更加的智能化和人性化。

[1]修建國.紅外光電開關(guān)的原理及其應(yīng)用.甘肅.電子工業(yè)專用設(shè)備，1996（1）.

[2]張凱.基于紅外感應(yīng)技術(shù)的風(fēng)扇裝置設(shè)計(jì).武漢.電腦知識與技術(shù)，2011（5）.

[3]申忠宇、汪倩倩.基于紅外感應(yīng)技術(shù)的風(fēng)扇裝置設(shè)計(jì).南京.單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用，2007（1）.

[4]張迎新.單片微型計(jì)算機(jī)原理、應(yīng)用及接口技術(shù)[M].北京.國防工業(yè)出版社，1998.