一种基于远红外的电风扇节能优化设计

高志宽+张宗义+文伟松

摘要在这个越来越提倡节能的时代，“节能”已经成为时代的热点词，然而通过一段时间市场调研和查阅资料发现，作为散热必备的电风扇在性能上有很大的优化空间，当外界温度变化时，其转速和朝向却不变，这无疑造成了电能浪费，对使用者而言也不能满足需求。就同一台电风扇而言，最快档与最慢档耗电量一般会相差40%。很明显，改进这种不足，不仅可以节约大量电能，还会让使用者感到更加舒适。由此，提出一种设计思想：在电风扇上加装感知装置和控制装置，使电风扇智能化运行，节约能源。

关键词电风扇；节约能源；智能化

中图分类号：TM925 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）11-0038-02

1设计背景

能源的短缺，消费者要求的不断提高，促使产品不断向节能化、智能化的方向发展。电风扇作为一种清凉解暑和流通空气的电器，为广大消费者所接受。从1830年詹姆斯•拜伦的第一台机械风扇起，电风扇的发展历经了近两个世纪。然而仅仅改变风扇的形状、大小显然已经不能满足现今社会的需求，电风扇的智能化得以发展。

2设计思路

本文仅就电风扇中感知装置传感器选择、控制系统设计思路及执行装置控制进行优化。

基本思路为：以摇头风扇为例，通过安装在风扇作用范围内的温度传感器感应外界温度，并把采集到的温度信息实时反馈给单片机，单片机在接收到温度信号后，通过固定算法对风扇的转速和朝向进行实时控制。

1）感知装置传感器选择。温度的测量方式通常可以分为两大类：接触式测温和非接触式测温。

接触式测温是使被测物体与温度计的感温元件直接接触，通过温度相同的原理测量物体的温度。接触式测温滞后性较大，一般不适宜动态温度的测量。非接触式测温即温度计的感温元件不直接与被测物体相接触，而是利用物体的热辐射原理或电磁原理测得物体的温度。非接触式测温滞后性较小，适宜于动态温度的测量。室内温度是不断变化的，所以可采用非接触式测温方法。

非接触式测温的应用大致分为辐射温度计和红外测温。辐射温度计的工作原理是基于全辐射定律（即黑体的全辐射和它的绝对温度的四次方成正比），多用于800℃以上的高温和可见光范围。红外测温的工作原理与辐射温度计相同，都是基于热辐射原理。工作原理图如图1。

图1一种红外测温传感器原理方框图

光学系统对被测物体的热辐射进行聚焦，光栅盘将其调制成一定频率的光能，热敏电阻探测器接受光能后经电桥转换为交流电压信号，经放大后输出。光栅盘由两片扇形光栅板组成，其中一块为定板，一块为动板。动板受光栅调制电路控制，按一定频率正、反向转动，实现开（透光）、关（不透光）之间的转换，使入射线变为一定频率的能量作用到探测器上。这种红外测温仪可测0~600℃范围内的物体表面的温度，时间常数为4~10 ms。

将上述红外测温设备安装于电风扇作用半径内，实时采集风扇作用半径内的温度信号。如果是摇头扇或者转页扇，可在不同方位安装多个测温装置。将采集到的信息反馈到控制系统中。

2）控制系统程序设计思路。在接收到感知系统反馈的电信号后，以摇头扇为例。先将采集到的温度信号与上一个温度信号进行比较，预设每变化一个单位（单位可按风扇工作环境情况设定）的温度，风扇转速相应增加一个单位，温度不变化时，转速恒定。当温度降低时，风扇默认为低转速或者自动关闭，具体温度设定可参照表1中风扇种类和转速范围来设定。

表1常用电扇的转速范围

同理，单片机对不同方位测温装置反馈回来的温度数据之间进行比较，判断某个方位的温度高于其他方位，则依据预设算法公式求出所需转过的角度。利用这两组信号控制步进电机和舵机以控制风扇转速和朝向。

为了便于控制，可加装控制面板和显示屏。控制面板设有电源开关、手动调速档、舵机开关等。显示屏显示风扇当前转速、朝向角度，电源通断等。

一般室内（例如商店、办公室、医院等公共场所）会装多个电扇，为了节省费用，可用一个控制系统同时对多个电扇进行控制。

3）执行装置。电风扇结构较为简单，一般主要由风叶、扇头、网罩和控制装置等组成。主要驱动部件为电动机。电风扇一般采用单相交流电动机或罩极式电动机。罩极式电动机结构简单、维修方便、成本低廉，但启动转矩小、过载能力差、效率较低，故常用于尺寸相对较小的台式电风扇上。电容运转式电动机功率因数大、启动性能高、过载能力强、运转平稳，市场上目前多数电扇都采用电容运转式电动机。

电容运转式电动机由定子、鼠笼式转子、端盖、轴承、运转电容器等组成。定子由互成90°的主绕组和副绕组组成，副绕组与运转电容器串联后与主绕组并联接入电路。由两个脉动磁场合成的旋转磁场推动转子运转。电动机转速控制可采用H桥式电动机驱动电路。

此设计的关键技术在于PLC程序设计、控制电路设计和传感器的选择。不同工况环境对电扇的使用要求也不同，具体设计方法需要具体讨论。一种样机模型如图2所示。

图2样机

3结束语

由于空调的发展和普及，电风扇逐渐淡出人们的视线，一度被认为是“夕阳产业”。然而近来，欧美等发达国家的消费者突然对拥有独特韵味和金属质感的“金属风扇”备受青睐，电风扇逐步演变为高级家居装饰品，并逐渐影响到国内家居产业的消费观念，电风扇的销量有所上升。但由于电扇本身结构简单，与空调相比性能上毫无优势。该设计旨在提升电风扇在节能上的长处，使其更加智能化，增加使用者的舒适感。

参考文献

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