電風扇的環境可靠性設計及實現

毛慧鳳

（長春工程學院理學院，長春 130000）

電風扇的環境可靠性設計及實現

毛慧鳳

（長春工程學院理學院，長春 130000）

電風扇是炎熱天氣重要的電器，傳統電風扇功能單一，容易引起風濕、感冒等不良癥狀，本文利用模糊控制技術設計了一種智能電風扇，能夠根據人的狀態、和環境溫度自動調整電風扇，給人最佳享受。具有自主、節能、投資少等特點。

模糊控制；脈寬調制（PWM）；電風扇；傳感器

引言

電風扇以其功率低，價格便宜而深受用戶的信賴，是居民夏季的主要納涼、通風電器，傳統的電風扇多采用機械按鍵方式進行控制（包括遙控），功能少、耗電多，自主性差。本文設計的模糊電風扇能夠根據周圍環境（比如環境的溫度、人員狀態……），采用更為人性化的全自主控制，只要將設置調節到“模糊控制模式”，就可以享受炎熱夏天里模糊電風扇帶來的舒適。根據周圍環境電風扇可以產生不同的風速。

1 模糊輸入項的選定

電風扇較多情況是在溫度較高的環境中，因此溫度應該做為模糊控制的一個輸入量；此外將噪聲做為另一個模糊輸入量，構成兩輸入模糊控制模型。之所以考慮噪聲是因為：

1)當人準備睡眠的到熟睡的過程，環境里的噪聲會有明顯的下降，因為人清醒的時候，在高溫環境里保持一點聲音沒有是很難的。當熟睡的后，環境里面的噪聲很小，這時候就可以采用較低轉速模式，這樣即可以達到節能、省電的目的，又可以減少熟睡中過度吹風扇引起的疾病。

2)在主人忘記關掉電風扇時，如果室內沒有人，環境噪音必然非常低，這時候就系統自動關掉風扇。

3)在會議室、餐廳、教室……等公眾場所里面，在相同的溫度下，人越多噪聲就越大，電風扇的轉速越快；人少的時候降低轉速達到節能的目的。人多少的判別是完全可以通過判斷噪聲大小來確定。

考慮上述因素，本文采用模糊控制技術來設計模糊電風扇，模糊電風扇采用溫度T和噪聲N作為模糊輸入量，能夠有效的檢測周圍環境的特點，采用相應的控制方法，效果比較理想。

2 模糊控制方法

電風扇的模糊控制系統的實現是通過檢測溫度變化和噪聲變化作為模糊輸入，經由模糊控制器變成控制電流的輸出，構成雙輸入單輸出的控制系統模型，如圖1所示。

其中：G1、G2是噪聲和溫度變換時的量化因子，G3是控制量Y的比例因子。根據模糊控制理論，分別對溫度T、噪聲N進行模糊化，各量的模糊劃分方法如下：

將輸入量T分為5個模糊狀態：VS（非常小）、S（小）、M（中）、L（大）、VL（非常大）；對應的模糊化論域為溫度值，其值：t0、t0＋1、t0＋2、t0＋3、t0＋4、t0＋5、t0＋6、t0＋7、t0＋8。t0表示電風扇能夠應該工作的最低溫度（閥值溫度），由于不同的地區對這個溫度的要求有些差異，這里就沒有取確定的值；＋1、＋2、……＋9表示溫度高于閥值溫度1個單位、2個單位……9個單位，其中1個單位代表1.5℃，也可以根據具體要求改變。

將輸入量N分為5個模糊狀態：VS（非常小）、S（小）、M（中）、L（大）、VL（非常大）；對應的模糊化論域為噪聲值，其值：10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110表示噪聲是10dB、20dB……110dB，其中10dB是環境中的最小噪聲電平；110 dB是聽覺能夠容忍的最高噪聲。

將輸出量Oi分成5個模糊狀態：VS（非常小）、S（小）、M（中）、L（大）、VL（非常大）；對應的模糊化論域為用PWM控制的電流的輸出比例值，其值為：0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1，也可以根據具體要求劃分的更細致。

控制規則表的制定，為了使得對電流控制的更好的適應環境要求，根據實踐經驗制定的規則表，表1所示。

圖1 電風扇模糊控制系統

上述規則控制表的原則是溫度很高、噪聲很大的時候，增大電流的分頻輸出時間；當溫度很低、噪聲很小時，減少電流的分頻輸出時間。

根據Mamdani法則，推理可以求出模糊量C'：

其中Ai，Bi表示輸入的噪聲和溫度模糊量，Ci是通過Ai，Bi的規則控制表查找得到的輸出模糊量；μAi(x),μBi (y),μCi則是Ai(x),Bi(y),Ci的隸屬度。

利用重心法可以把模糊量C轉變成C*：

通過表2的對應關系，把N和T的值做成U的對應關系，在單片機進行中進行查表輸出。從而實現模糊的控制輸入和輸出的閉環控制策略。

表1 控制規則表

表2 模糊控制表

用PWM法控制電流的示意圖如圖2所示。

圖2中T是循環周期，t是周期內電流有效輸出的時間，滿足t∈[0,T]，設備運行功率為P設備運行功率為設備運行功率為P*t/T。當t=T時，則此時滿負荷高速運轉。

3 電風扇的電路系統結構

為了保證改進后電風扇的價格優勢，本設計采用PIC16F873，PIC16F873擁有28個引腳，192bytes的數據存儲區，3個定時（計數）器，13個中斷源，可以實現模糊控制的同時增加多種聲光提示，提升產品賣點。產品因硬件電路改進所需增加費用不超過10元，但是所帶來的附加價值卻遠高于此。

電風扇的硬件結構如圖3所示。

其中溫度檢測用以及噪聲監測的傳感器要遠離電機，以免電機發熱及風早影響測量輸入，修改模糊控制模型也可以達到舒適條件的目的。

噪聲檢測是通過MIC將噪聲轉換為電壓信號經過鉗位和限幅電路將電壓值轉換到0～5V之間，然后送入PIC16F873的A/D口，通過查電壓和噪聲對應表得到噪聲值。

圖2 PWM電流控制示意圖

圖3 電風扇的系統結構

4 軟件流程圖

模糊控制的軟件實現是通過采集溫度和及噪聲值，然后進行查表后輸出控制信號，為了提高人機交互速度，將輸入設置及顯示輸出放置在中斷執行，其余實際放置主程序中循環執行，這樣既保證了程序的流暢性，也保證人機交互的實時性。流程如圖4和圖5所示。

5 應用場景說明

圖4 軟件流程圖

根據不同的使用場所及用戶特點，可以設置不同的模式，如“商場模式”、“居家模式”、“健康模式”、“學習模式”等等以適應不同人群，不同場所的需求。比如在商場中可以設置成“商場模式”，那么風扇將以溫度為主要關注點，當溫度高時加大空氣流通量，當溫度低時降低或關閉風扇。又比如在家庭里使用可以使用“健康模式”，此時以聲音為關注點，當環境的噪聲呈現規律變化或者噪聲很小，則此時可以降低甚至關閉風扇。如果覺得標準控制策略還不能適應實際需要，那么用戶可以自定義模糊控制表中輸入輸出規則，表中其余狀況則自動生成。

圖5 軟件流程圖

[1] 赫明山,黃雯清. 微電子技術在電風扇中的開發與應用[J].電機電器技術, 1990(01).

[2] 王建宏.基于先進辨識的控制策略研究及其應用[D].南京：南京航空航天大學, 2011.

[3] 陳明杰.“溫柔電扇”與跟蹤開發術[J]. 發明與創新, 2005(09).

[4] 熊志利. 智能節能電風扇系統的設計[J].硅谷, 2011(03).

[5] 李浚泉.智能控制發展過程綜述[J]. 工業控制計算機, 1999(03).

毛慧鳳，女，1979.8，吉林省遼源市，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