高志寬+張宗義+文偉松
摘要在這個越來越提倡節(jié)能的時代,“節(jié)能”已經(jīng)成為時代的熱點詞,然而通過一段時間市場調(diào)研和查閱資料發(fā)現(xiàn),作為散熱必備的電風扇在性能上有很大的優(yōu)化空間,當外界溫度變化時,其轉(zhuǎn)速和朝向卻不變,這無疑造成了電能浪費,對使用者而言也不能滿足需求。就同一臺電風扇而言,最快檔與最慢檔耗電量一般會相差40%。很明顯,改進這種不足,不僅可以節(jié)約大量電能,還會讓使用者感到更加舒適。由此,提出一種設(shè)計思想:在電風扇上加裝感知裝置和控制裝置,使電風扇智能化運行,節(jié)約能源。
關(guān)鍵詞電風扇;節(jié)約能源;智能化
中圖分類號:TM925 文獻標識碼:A 文章編號:1671-7597(2014)11-0038-02
1設(shè)計背景
能源的短缺,消費者要求的不斷提高,促使產(chǎn)品不斷向節(jié)能化、智能化的方向發(fā)展。電風扇作為一種清涼解暑和流通空氣的電器,為廣大消費者所接受。從1830年詹姆斯?拜倫的第一臺機械風扇起,電風扇的發(fā)展歷經(jīng)了近兩個世紀。然而僅僅改變風扇的形狀、大小顯然已經(jīng)不能滿足現(xiàn)今社會的需求,電風扇的智能化得以發(fā)展。
2設(shè)計思路
本文僅就電風扇中感知裝置傳感器選擇、控制系統(tǒng)設(shè)計思路及執(zhí)行裝置控制進行優(yōu)化。
基本思路為:以搖頭風扇為例,通過安裝在風扇作用范圍內(nèi)的溫度傳感器感應外界溫度,并把采集到的溫度信息實時反饋給單片機,單片機在接收到溫度信號后,通過固定算法對風扇的轉(zhuǎn)速和朝向進行實時控制。
1)感知裝置傳感器選擇。溫度的測量方式通??梢苑譃閮纱箢悾航佑|式測溫和非接觸式測溫。
接觸式測溫是使被測物體與溫度計的感溫元件直接接觸,通過溫度相同的原理測量物體的溫度。接觸式測溫滯后性較大,一般不適宜動態(tài)溫度的測量。非接觸式測溫即溫度計的感溫元件不直接與被測物體相接觸,而是利用物體的熱輻射原理或電磁原理測得物體的溫度。非接觸式測溫滯后性較小,適宜于動態(tài)溫度的測量。室內(nèi)溫度是不斷變化的,所以可采用非接觸式測溫方法。
非接觸式測溫的應用大致分為輻射溫度計和紅外測溫。輻射溫度計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溫度的四次方成正比),多用于800℃以上的高溫和可見光范圍。紅外測溫的工作原理與輻射溫度計相同,都是基于熱輻射原理。工作原理圖如圖1。
圖1一種紅外測溫傳感器原理方框圖
光學系統(tǒng)對被測物體的熱輻射進行聚焦,光柵盤將其調(diào)制成一定頻率的光能,熱敏電阻探測器接受光能后經(jīng)電橋轉(zhuǎn)換為交流電壓信號,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,一塊為動板。動板受光柵調(diào)制電路控制,按一定頻率正、反向轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)開(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器上。這種紅外測溫儀可測0~600℃范圍內(nèi)的物體表面的溫度,時間常數(shù)為4~10 ms。
將上述紅外測溫設(shè)備安裝于電風扇作用半徑內(nèi),實時采集風扇作用半徑內(nèi)的溫度信號。如果是搖頭扇或者轉(zhuǎn)頁扇,可在不同方位安裝多個測溫裝置。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)計思路。在接收到感知系統(tǒng)反饋的電信號后,以搖頭扇為例。先將采集到的溫度信號與上一個溫度信號進行比較,預設(shè)每變化一個單位(單位可按風扇工作環(huán)境情況設(shè)定)的溫度,風扇轉(zhuǎn)速相應增加一個單位,溫度不變化時,轉(zhuǎn)速恒定。當溫度降低時,風扇默認為低轉(zhuǎn)速或者自動關(guān)閉,具體溫度設(shè)定可參照表1中風扇種類和轉(zhuǎn)速范圍來設(shè)定。
表1常用電扇的轉(zhuǎn)速范圍
同理,單片機對不同方位測溫裝置反饋回來的溫度數(shù)據(jù)之間進行比較,判斷某個方位的溫度高于其他方位,則依據(jù)預設(shè)算法公式求出所需轉(zhuǎn)過的角度。利用這兩組信號控制步進電機和舵機以控制風扇轉(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)有電源開關(guān)、手動調(diào)速檔、舵機開關(guān)等。顯示屏顯示風扇當前轉(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)院等公共場所)會裝多個電扇,為了節(jié)省費用,可用一個控制系統(tǒng)同時對多個電扇進行控制。
3)執(zhí)行裝置。電風扇結(jié)構(gòu)較為簡單,一般主要由風葉、扇頭、網(wǎng)罩和控制裝置等組成。主要驅(qū)動部件為電動機。電風扇一般采用單相交流電動機或罩極式電動機。罩極式電動機結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、成本低廉,但啟動轉(zhuǎn)矩小、過載能力差、效率較低,故常用于尺寸相對較小的臺式電風扇上。電容運轉(zhuǎn)式電動機功率因數(shù)大、啟動性能高、過載能力強、運轉(zhuǎn)平穩(wěn),市場上目前多數(shù)電扇都采用電容運轉(zhuǎn)式電動機。
電容運轉(zhuǎn)式電動機由定子、鼠籠式轉(zhuǎn)子、端蓋、軸承、運轉(zhuǎn)電容器等組成。定子由互成90°的主繞組和副繞組組成,副繞組與運轉(zhuǎn)電容器串聯(lián)后與主繞組并聯(lián)接入電路。由兩個脈動磁場合成的旋轉(zhuǎn)磁場推動轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)。電動機轉(zhuǎn)速控制可采用H橋式電動機驅(qū)動電路。
此設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)在于PLC程序設(shè)計、控制電路設(shè)計和傳感器的選擇。不同工況環(huán)境對電扇的使用要求也不同,具體設(shè)計方法需要具體討論。一種樣機模型如圖2所示。
圖2樣機
3結(jié)束語
由于空調(diào)的發(fā)展和普及,電風扇逐漸淡出人們的視線,一度被認為是“夕陽產(chǎn)業(yè)”。然而近來,歐美等發(fā)達國家的消費者突然對擁有獨特韻味和金屬質(zhì)感的“金屬風扇”備受青睞,電風扇逐步演變?yōu)楦呒壖揖友b飾品,并逐漸影響到國內(nèi)家居產(chǎn)業(yè)的消費觀念,電風扇的銷量有所上升。但由于電扇本身結(jié)構(gòu)簡單,與空調(diào)相比性能上毫無優(yōu)勢。該設(shè)計旨在提升電風扇在節(jié)能上的長處,使其更加智能化,增加使用者的舒適感。
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