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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