电风扇的环境可靠性设计及实现

毛慧凤

（长春工程学院理学院，长春 130000）

电风扇的环境可靠性设计及实现

毛慧凤

（长春工程学院理学院，长春 130000）

电风扇是炎热天气重要的电器，传统电风扇功能单一，容易引起风湿、感冒等不良症状，本文利用模糊控制技术设计了一种智能电风扇，能够根据人的状态、和环境温度自动调整电风扇，给人最佳享受。具有自主、节能、投资少等特点。

模糊控制；脉宽调制（PWM）；电风扇；传感器

引言

电风扇以其功率低，价格便宜而深受用户的信赖，是居民夏季的主要纳凉、通风电器，传统的电风扇多采用机械按键方式进行控制（包括遥控），功能少、耗电多，自主性差。本文设计的模糊电风扇能够根据周围环境（比如环境的温度、人员状态……），采用更为人性化的全自主控制，只要将设置调节到“模糊控制模式”，就可以享受炎热夏天里模糊电风扇带来的舒适。根据周围环境电风扇可以产生不同的风速。

1 模糊输入项的选定

电风扇较多情况是在温度较高的环境中，因此温度应该做为模糊控制的一个输入量；此外将噪声做为另一个模糊输入量，构成两输入模糊控制模型。之所以考虑噪声是因为：

1)当人准备睡眠的到熟睡的过程，环境里的噪声会有明显的下降，因为人清醒的时候，在高温环境里保持一点声音没有是很难的。当熟睡的后，环境里面的噪声很小，这时候就可以采用较低转速模式，这样即可以达到节能、省电的目的，又可以减少熟睡中过度吹风扇引起的疾病。

2)在主人忘记关掉电风扇时，如果室内没有人，环境噪音必然非常低，这时候就系统自动关掉风扇。

3)在会议室、餐厅、教室……等公众场所里面，在相同的温度下，人越多噪声就越大，电风扇的转速越快；人少的时候降低转速达到节能的目的。人多少的判别是完全可以通过判断噪声大小来确定。

考虑上述因素，本文采用模糊控制技术来设计模糊电风扇，模糊电风扇采用温度T和噪声N作为模糊输入量，能够有效的检测周围环境的特点，采用相应的控制方法，效果比较理想。

2 模糊控制方法

电风扇的模糊控制系统的实现是通过检测温度变化和噪声变化作为模糊输入，经由模糊控制器变成控制电流的输出，构成双输入单输出的控制系统模型，如图1所示。

其中：G1、G2是噪声和温度变换时的量化因子，G3是控制量Y的比例因子。根据模糊控制理论，分别对温度T、噪声N进行模糊化，各量的模糊划分方法如下：

将输入量T分为5个模糊状态：VS（非常小）、S（小）、M（中）、L（大）、VL（非常大）；对应的模糊化论域为温度值，其值：t0、t0＋1、t0＋2、t0＋3、t0＋4、t0＋5、t0＋6、t0＋7、t0＋8。t0表示电风扇能够应该工作的最低温度（阀值温度），由于不同的地区对这个温度的要求有些差异，这里就没有取确定的值；＋1、＋2、……＋9表示温度高于阀值温度1个单位、2个单位……9个单位，其中1个单位代表1.5℃，也可以根据具体要求改变。

将输入量N分为5个模糊状态：VS（非常小）、S（小）、M（中）、L（大）、VL（非常大）；对应的模糊化论域为噪声值，其值：10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110表示噪声是10dB、20dB……110dB，其中10dB是环境中的最小噪声电平；110 dB是听觉能够容忍的最高噪声。

将输出量Oi分成5个模糊状态：VS（非常小）、S（小）、M（中）、L（大）、VL（非常大）；对应的模糊化论域为用PWM控制的电流的输出比例值，其值为：0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1，也可以根据具体要求划分的更细致。

控制规则表的制定，为了使得对电流控制的更好的适应环境要求，根据实践经验制定的规则表，表1所示。

图1 电风扇模糊控制系统

上述规则控制表的原则是温度很高、噪声很大的时候，增大电流的分频输出时间；当温度很低、噪声很小时，减少电流的分频输出时间。

根据Mamdani法则，推理可以求出模糊量C'：

其中Ai，Bi表示输入的噪声和温度模糊量，Ci是通过Ai，Bi的规则控制表查找得到的输出模糊量；μAi(x),μBi (y),μCi则是Ai(x),Bi(y),Ci的隶属度。

利用重心法可以把模糊量C转变成C*：

通过表2的对应关系，把N和T的值做成U的对应关系，在单片机进行中进行查表输出。从而实现模糊的控制输入和输出的闭环控制策略。

表1 控制规则表

表2 模糊控制表

用PWM法控制电流的示意图如图2所示。

图2中T是循环周期，t是周期内电流有效输出的时间，满足t∈[0,T]，设备运行功率为P设备运行功率为设备运行功率为P*t/T。当t=T时，则此时满负荷高速运转。

3 电风扇的电路系统结构

为了保证改进后电风扇的价格优势，本设计采用PIC16F873，PIC16F873拥有28个引脚，192bytes的数据存储区，3个定时（计数）器，13个中断源，可以实现模糊控制的同时增加多种声光提示，提升产品卖点。产品因硬件电路改进所需增加费用不超过10元，但是所带来的附加价值却远高于此。

电风扇的硬件结构如图3所示。

其中温度检测用以及噪声监测的传感器要远离电机，以免电机发热及风早影响测量输入，修改模糊控制模型也可以达到舒适条件的目的。

噪声检测是通过MIC将噪声转换为电压信号经过钳位和限幅电路将电压值转换到0～5V之间，然后送入PIC16F873的A/D口，通过查电压和噪声对应表得到噪声值。

图2 PWM电流控制示意图

图3 电风扇的系统结构

4 软件流程图

模糊控制的软件实现是通过采集温度和及噪声值，然后进行查表后输出控制信号，为了提高人机交互速度，将输入设置及显示输出放置在中断执行，其余实际放置主程序中循环执行，这样既保证了程序的流畅性，也保证人机交互的实时性。流程如图4和图5所示。

5 应用场景说明

图4 软件流程图

根据不同的使用场所及用户特点，可以设置不同的模式，如“商场模式”、“居家模式”、“健康模式”、“学习模式”等等以适应不同人群，不同场所的需求。比如在商场中可以设置成“商场模式”，那么风扇将以温度为主要关注点，当温度高时加大空气流通量，当温度低时降低或关闭风扇。又比如在家庭里使用可以使用“健康模式”，此时以声音为关注点，当环境的噪声呈现规律变化或者噪声很小，则此时可以降低甚至关闭风扇。如果觉得标准控制策略还不能适应实际需要，那么用户可以自定义模糊控制表中输入输出规则，表中其余状况则自动生成。

图5 软件流程图

[1] 赫明山,黄雯清. 微电子技术在电风扇中的开发与应用[J].电机电器技术, 1990(01).

[2] 王建宏.基于先进辨识的控制策略研究及其应用[D].南京：南京航空航天大学, 2011.

[3] 陈明杰.“温柔电扇”与跟踪开发术[J]. 发明与创新, 2005(09).

[4] 熊志利. 智能节能电风扇系统的设计[J].硅谷, 2011(03).

[5] 李浚泉.智能控制发展过程综述[J]. 工业控制计算机, 1999(03).

毛慧凤，女，1979.8，吉林省辽源市，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..

fuzzy control; pulse width modulation (PWM); fans; sensors

TP23

B

1004-7204（2014）03-0043-04