一種基于遠紅外的電風扇節能優化設計

高志寬+張宗義+文偉松

摘要在這個越來越提倡節能的時代，“節能”已經成為時代的熱點詞，然而通過一段時間市場調研和查閱資料發現，作為散熱必備的電風扇在性能上有很大的優化空間，當外界溫度變化時，其轉速和朝向卻不變，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，不僅可以節約大量電能，還會讓使用者感到更加舒適。由此，提出一種設計思想：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，節約能源。

關鍵詞電風扇；節約能源；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設計背景

能源的短缺，消費者要求的不斷提高，促使產品不斷向節能化、智能化的方向發展。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，電風扇的發展歷經了近兩個世紀。然而僅僅改變風扇的形狀、大小顯然已經不能滿足現今社會的需求，電風扇的智能化得以發展。

2設計思路

本文僅就電風扇中感知裝置傳感器選擇、控制系統設計思路及執行裝置控制進行優化。

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。溫度的測量方式通常可以分為兩大類：接觸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，適宜于動態溫度的測量。室內溫度是不斷變化的，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

光學系統對被測物體的熱輻射進行聚焦，光柵盤將其調制成一定頻率的光能，熱敏電阻探測器接受光能后經電橋轉換為交流電壓信號，經放大后輸出。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。動板受光柵調制電路控制，按一定頻率正、反向轉動，實現開（透光）、關（不透光）之間的轉換，使入射線變為一定頻率的能量作用到探測器上。這種紅外測溫儀可測0~600℃范圍內的物體表面的溫度，時間常數為4~10 ms。

將上述紅外測溫設備安裝于電風扇作用半徑內，實時采集風扇作用半徑內的溫度信號。如果是搖頭扇或者轉頁扇，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中。

2）控制系統程序設計思路。在接收到感知系統反饋的電信號后，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，預設每變化一個單位（單位可按風扇工作環境情況設定）的溫度，風扇轉速相應增加一個單位，溫度不變化時，轉速恒定。當溫度降低時，風扇默認為低轉速或者自動關閉，具體溫度設定可參照表1中風扇種類和轉速范圍來設定。

表1常用電扇的轉速范圍

同理，單片機對不同方位測溫裝置反饋回來的溫度數據之間進行比較，判斷某個方位的溫度高于其他方位，則依據預設算法公式求出所需轉過的角度。利用這兩組信號控制步進電機和舵機以控制風扇轉速和朝向。

為了便于控制，可加裝控制面板和顯示屏。控制面板設有電源開關、手動調速檔、舵機開關等。顯示屏顯示風扇當前轉速、朝向角度，電源通斷等。

一般室內（例如商店、辦公室、醫院等公共場所）會裝多個電扇，為了節省費用，可用一個控制系統同時對多個電扇進行控制。

3）執行裝置。電風扇結構較為簡單，一般主要由風葉、扇頭、網罩和控制裝置等組成。主要驅動部件為電動機。電風扇一般采用單相交流電動機或罩極式電動機。罩極式電動機結構簡單、維修方便、成本低廉，但啟動轉矩小、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。電容運轉式電動機功率因數大、啟動性能高、過載能力強、運轉平穩，市場上目前多數電扇都采用電容運轉式電動機。

電容運轉式電動機由定子、鼠籠式轉子、端蓋、軸承、運轉電容器等組成。定子由互成90°的主繞組和副繞組組成，副繞組與運轉電容器串聯后與主繞組并聯接入電路。由兩個脈動磁場合成的旋轉磁場推動轉子運轉。電動機轉速控制可采用H橋式電動機驅動電路。

此設計的關鍵技術在于PLC程序設計、控制電路設計和傳感器的選擇。不同工況環境對電扇的使用要求也不同，具體設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結束語

由于空調的發展和普及，電風扇逐漸淡出人們的視線，一度被認為是“夕陽產業”。然而近來，歐美等發達國家的消費者突然對擁有獨特韻味和金屬質感的“金屬風扇”備受青睞，電風扇逐步演變為高級家居裝飾品，并逐漸影響到國內家居產業的消費觀念，電風扇的銷量有所上升。但由于電扇本身結構簡單，與空調相比性能上毫無優勢。該設計旨在提升電風扇在節能上的長處，使其更加智能化，增加使用者的舒適感。

參考文獻

[1]王啟廣，等.測試技術與實驗方法[M].江蘇：中國礦業大學出版社，2009.

[2]秦增煌，等.電工學[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]劉建明.物聯網與智能電網[M].北京：電子工業出版社，2012.

[4]張弓.紅外測溫基本原理及注意問題[J].計量天地，2008.

[5]Tokunaga，T.A method for accurate temperature measurement using infrared thermal camera[J].Journal of Electron microscopy，2012.

[6]葉錫康.家用電風扇用電動機[J].機電技術，1986.

[7]An ultra-low-power CMOS temperature sensor for RFID applications[N].Xu Conghui.Shanghai：Journal of Semiconductors，2012：03.

[7]Barber，M. The Making of the 1944 Education Act[M].Guildford and Kings Lynn：Biddles Ltd.1994.

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