基于紅外感應的電風扇自動尋蹤系統的研究

湖北工業大學機械工程學院 鄔文俊 方軍

0 引言

電風扇作為一種常用的電器，因其方便和低耗的特性，普遍應用于工業和家用領域。目前，電風扇的搖頭機構絕大部分采用的是定軌跡循環搖頭的模式。然而，目標人群往往僅分布在電風扇搖頭軌跡有效區域中的某一小范圍內，在無人空白區域內的送風是對風力資源的浪費。因此，研究基于人體尋蹤的電風扇可控搖頭系統在提高送風效率和人體舒適度方面具有必要的實際意義。

未來必定是智能化物聯網的世界，對電風扇的智能化而言，自動尋蹤技術也是智能電風扇研究最關鍵的問題。

1 傳統電風扇的擺頭原理

傳統定軌跡循環搖頭機構如圖1所示，電機轉動時，電機后軸上的蝸桿帶動蝸輪，蝸輪與小齒輪空套在同一根軸上，再由小齒輪帶動大齒輪，而大齒輪與曲柄連桿固定，大齒輪轉動帶動曲柄連桿繞大齒輪中心點作整周轉動，從而使通過鉸鏈與曲柄連桿連接的搖桿作往復擺動，達到風扇搖頭的目的。

圖1 電風扇的搖頭機構

離合器主要運用滑銷的上下運動，使得渦輪與蝸桿脫離或嚙合，從而實現搖頭的控制（如圖2所示）。

這種搖頭機構實現的是固定軌跡的循環連續搖頭運動，無法滿足需要在任意角度區域實現小區域掃描搖頭的自動尋蹤的目標。因此，自動尋蹤系統不能采用傳統電扇的搖頭機構。

圖2 離合器結構

2 自動尋蹤系統實現方式研究

電風扇自動尋蹤系統的設計目標是通過檢測有效工作區域內人群的范圍和位置，實現電風扇在對應的角度范圍內的可控搖頭送風。

其主要功能如下：

（1）感應人體位置和范圍；

（2）實時檢測電風扇的當前方向；

（3）在可控角度范圍內搖頭。

為了實現對人體的感應尋蹤，系統采用多個紅外光電開關來監控各個方向人體的存在；采用接近開關組來實時檢測電風扇當前運行方向；采用獨立雙向電動機來實現任意角度范圍內的搖頭。

因此，自動尋蹤系統由基于紅外接近開關的人體位置感應裝置、單片機控制裝置、雙向電動機及電風扇實時角度檢測裝置等構成。

3 自動尋蹤系統的硬件實現

3.1 人群范圍的邊界確定

對目標人群的位置和范圍邊界的確定，需要能智能識別人體的接近。漫反射型紅外光電開關集光發射器和光接受器于一體，光發射器發出的光線經目標人體表面反射，并可由光電傳感器接受和轉換為電信號。因此可采用紅外光電開關檢測目標人體的存在。而目標人群的位置和范圍則需要多個光電開關的分布和組合共同實現。

在電風扇的座體支架上，7個漫反射型光電開關呈弧形分布，同時對應7個信號燈D1～D7，分布如圖3所示。當在感應范圍內有多人存在時，多個光電開關被同時觸發，通過單片機編程，運用軟件實現相距最遠的2個有信號的紅外光電開關位置作為搖頭范圍的邊界，并點亮相對應的燈，標示人群范圍。

圖3 光電開關分布示意圖

圖4 接近開關與定位桿分布示意圖

3.2 電風扇扇頭當前對準方向判定

如圖4所示，7個呈弧形分布的反射型光電接近開關對稱分布于電風扇的座體支架靠近扇頭的部位，每個接近開關對應一個相應的指示燈d1～d7；扇頭下面，有一根固定在扇頭上的定位桿，搖頭時，定位桿隨著扇頭繞中心點擺動。定位桿在擺動時，觸動其正下方的接近開關，并使相應的燈點亮，以顯示當前對準方向。有序排列的接近開關便可反饋實時運行位置及對準方向。

3.3 可控角度范圍內的搖頭控制

在主軸電動機的后面，用一個獨立的雙向電機代替傳統主電機的后軸，來實現可控角度的搖頭動作，如圖5所示：

圖5 雙向電機控制示意圖

（1）當控制端1得電（高電平），控制端2失電（低電平）時，電動機正轉；

（2）當控制端1失電（低電平），控制端2得電（高電平）時，電動機反轉；

（3）當控制端1與控制端2都失電（低電平）時，電動機停止轉動；

因此，協調控制端1和控制端2的得電與失電的時間，便能有效地控制電風扇搖頭的方向與角度。

4 自動尋蹤系統的控制算法

假設：（1）由光電開關確定的人群范圍為Dmin、Dmax；

（2）初始扇頭的方向為dn；

（3）電動機正轉是扇頭向燈號增大的方向搖動。

①智能電風扇自動開啟處時刻，與n、min、max的關系未知：

a.當n＜min時，扇頭當前方向在人群范圍之外，故用單片機控制使雙向電動機上控制端1得電（高電平），控制端2失電（低電平），電動機正轉；

b.當n＜max時，扇頭當前方向在人群范圍之外，故用單片機控制使雙向電動機上控制端1失電（低電平），控制端2得電（高電平），電動機反轉；

c.當min＜n＜max時，即扇頭當前方向在人群范圍之內，所以不管向哪個方向搖頭都是合適的，因此，人為設置雙向電動機初始狀態為正轉。在此情況下，控制端1與控制端2不做任何改變。

②當智能電風扇開啟之后，隨著扇頭的搖動，也隨之不斷地變化，并且必定會向其中之一趨近。

a.當n=min時，需要使扇頭向max方向轉動，即雙向電動機正轉；

b.當n=max時，需要使扇頭向min方向轉動，即雙向電動機反轉。

圖6 雙向電動機控制框圖

在多人自動尋蹤系統下，若只有單一紅外接近開關有信號時，設置min=0，并通過搖頭控制使n=max（此時扇頭對準唯一的人），設置控制端1與控制端2都失電（低電平），此時雙向電動機停止轉動，即扇頭停止搖動，進行對準送風。

由此，多人自動尋蹤系統也兼容單人自動尋蹤對準系統。

5 結束語

本文所述的電風扇自動尋蹤系統通過采用紅外感應技術，確定目標人群的范圍；采用接近開關組，實時判斷電風扇當前方向；并利用單片機控制雙向電機，實現可控角度范圍內的送風，最終實現自動尋蹤，使電風扇的送風系統更加的智能化和人性化。

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