电风扇 机械创新设计课程设计

机械创新设计课程设计

2014-2015第 2 学期

姓 名： 杨富文、何文波、王健、 张晗迪、陈辰 班 级： 2012级装备1班 指导教师： 曹源文教授 成 绩：

日期：2015 年 6 月

1

摘 要

在目前各种智能电风扇的前提下，我们加入了电风扇制热这项功能。我们主要采用石英管发热原理来进行导热，达到在冬季使用电风扇来取暖的目的。应用单片机原理来控制电风扇各项指令，采用拨式摇头装置来进行摇头，而且还能执行电风扇的无极调速。

关键词：制热、石英管发热原理、单片机、无极调速

In the current under the premise of all kinds of intelligent electric fans, we joined the fan heating this feature. We mainly adopts quartz tube heating principle to heat conduction, achieve the purpose of using the electric fan to keep them warm in winter. Each instruction principle of application of single chip microcomputer to control the electric fan, using dial type shook his head, shaking his head device and also can perform infinitely adjustable-speed electric fans.

Keywords: heating, quartz tube heating principle, single-chip microcomputer, the infinite speed

2

目 录

1. 设计目的 ...................................................................................................................................... 4 2. 设计方案 ...................................................................................................................................... 5

2.1电风扇控制面板的设计 .................................................................................................... 5

2.1.1状态锁存电路 .......................................................................................................... 6 2.1.2 消抖电路 .............................................................................................................. 7 2.1.3脉冲触发电路 ........................................................................................................ 9 2.2 电风扇制热原理 ............................................................................................................... 9

2.2.1电热丝发热 .................................................................................................... 10 2.2.2 石英管发热 .................................................................................................. 10 2.2.3卤素管发热 .................................................................................................... 10 2.2.5碳素纤维体发热 .......................................................................................... 11 2.3电风扇调速原理 .............................................................................................................. 12

2.3.1 电抗器法 ............................................................................................................... 12 2.3.2 抽头法 ................................................................................................................... 12 2.4 电风扇摇头机构的设计 ................................................................................................. 14

2.4.1 离合式 .................................................................................................................. 14 2.4.1 拨式 ..................................................................................................................... 16 2.4 电风扇整体设计 ............................................................................................................. 17 2.4 详细的设计功能 .............................................................................................................. 18 3. 设计总结 ................................................................................................................................... 19 参考文献......................................................................................................................................... 20

3

1.设计目的

家用电器已经变得极为普遍，成了人们生活中不可或缺的生活用品。而在现代，人们对家用电器的要求也随着社会的发展越来越高。人们希望家用电器能够实现智能化及人性化。而作为人们生活中最为普遍的家用电器，家用电风扇的智能化及人性化的设计就显得更为重要。

夏天来了，烈日当空，人们总是向往呆在凉爽的地方，这是电风扇、空调等制冷设备就备受人们的欢迎了。电风扇相对于空调而言，具有价格便宜、摆放随意、体积不大、可随时移动等特点，受到普通家庭级追捧，而且长期处在空调的低温下又容易得空调病，电风扇就成为了人们选择夏季乘凉的必备之一。

在冬天的严寒下，人们常喜欢在取暖设备周围取暖，经济富裕的家庭还会开空调的制热功能来制热。为什么我们不能将电风扇设计出取暖这项功能来取代价格昂贵的空调在冬夏两季使用？于是我们小组在这样的思考后决定做一款这样冷热两用的电风扇。

4

2. 设计方案

2.1电风扇控制面板的设计

冷风 慢 中 快

30min 60min 制热

电风扇控制面板简易图

定时 开‖关 上面有9个指示灯，分别为“冷风”状态下“慢”、“中”、“快”3种不同风速，以及“定时”状态下“30min”、“60min”两种不同定时，还有“制热”和“开‖关”按钮，以便我们选取适合的工作状态。

电扇处于停转状态时，所有指示灯不亮。此时只有按“开‖关”键电扇才会响应，其初始工作状态为“冷风”－慢，且相应的指示灯亮。

电扇一经启动后，再按动“冷风”键可循环选择慢、中或快三种状态中的一种状态。

还可按动“制热”来进行制热，方便冬天使用。

按下“定时”键可循环选择“30min”、“60min”中的一种状态。

在电扇任意工作状态下，按“开‖关”键电扇停止工作，所有指示灯熄灭。 慢 中 快 非定 30 时 min 定时转换 冷 制热 风

60min 开‖关

电风扇运行状态图

5

2.1.1状态锁存电路

可以使用三个D 触发器来锁存状态，其中“冷风”、”制热”这两种操作各有三种工作状态和一种停止状态需要保存和指示。同时为了简化电路，采用了 家用电风扇控制逻辑电路设计带有清零端的4D触发器74ls175，可以使用开关控制清零端以便实现停机功能。设计原理为当触发器输出1 时表示工作状态有效，0 表示无效，当三个输出全为0 则表示停止状态，风扇风速、风种的简单状态转移如下图所示。

慢 中 001 010

停止 快

000 100

根据状态转换图，可得到的状态表（表3-1）， “冷风”电路都满足状态表所示

状态表 Q2 0 0 1 n Q1 0 1 0 nn Q0 Q2 0 1 0 n1 Q1n1 n1 Q0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 n1、Q1n1、Q0n1的卡诺图，如下所示 由状态表可得Q2

nnn Q0 Q2Q1 00 01 11 10 0 x 0 x 1 1 0 x x x

n1 Q0的卡诺图

Q2Q1

n Q0 00 01 11 10

nn 0 1

x 1 0 x x x 6

0 x Q1

Q2Q1 nnn1 的卡诺图

n Q0 00 01 11 10 0 1 x 0 0 x x x 1 x Q2n1的卡诺图

由卡诺图可得的表达式如下： n1Q2Q1nQ1n1Q0nQ0n1Q1n•Q0n

由上述表达式可得状态所存电路中电风扇的工作状态。（S=0 停，S=1 运转）

快(Q2) 0 0 0 1

用D触发器实现风速状态锁存器的电路

中（Q1) 0 0 1 0 慢(Q0) 0 1 0 0 S 0 1 1 1

2.1.2 消抖电路

消抖电路的加入是为了能够产生稳定的单次脉冲信号。由拨动开关再经过74LS00芯片之后就组成了消抖电路。其中的消抖方式是利用了RS触发器。

7

基本RS触发器的原理图

基本RS触发器的波形

消消抖电路的电路图

8

2.1.3脉冲触发电路

利用D触发器组成的状态锁存电路的输出信号状态的变化必须有脉冲信号对其进行触发。因此采用按键循环开关产生脉冲信号，并通过与非门电路达到所要求的结果、与非门芯片为74LS00。

脉冲触发器电路图

特定脉冲状态控制LED灯状态

2.2 电风扇制热原理

现在市场上的电取暖器品种比较多，从基本发热原理上可分为五

9

类：电热丝发热体、石英管发热体、卤素管发热体、金属管发热和碳素纤维发热体。 2.2.1电热丝发热

以电热丝发热体为发热材料的取暖器主要是市场上见较多和较传统的暖风机。它的发热体为电热丝，利用风扇将电热丝产生的热量吹出去。再有就是现在市场上的新产品：酷似电扇外型，由电热丝缠绕在陶瓷绝缘座上发热，利用反射面将热能扩散到房间。这种取暖器同电扇一样，可以自动旋转角度，向整个房间供暖，适合在8平米以下的小房间使用。新款产品还具有超声波加湿、释放携氧负离子、宽频谱等功能。缺点是停机后温度下降快，供范围小，且消耗氧气，长期使用电热丝容易发生断裂。由于电热丝本身成本较便宜，所以出现丝体断裂的情况，维修方面不会负担过重。一般消耗功率在800~1000W左右。

2.2.2 石英管发热

该类产品主要由密封式电热元件、抛物面或圆弧面反射板、防护条、功率调节开关等组成。它是由石英辐射管为电热元件，利用远红外线加热节能技术，使远红外辐射元件发出的远红外线被物体吸收，直接变为热能而达到取暖目的，同时远红外线又可对人体产生理疗作用。该取暖器装有2~4支石英管，利用功率开关使其部分或全部石英管投入工作。石英管由电热丝及石英玻璃管组成。石英管取暖器的特点是升温快，但供热范围小，易产生明火，且消耗氧气，虽然既往因价格较低销售不错，但已明显呈下降趋势。 2.2.3卤素管发热

卤素管是一种密封式的发光发热管，内充卤族元素惰性气体，中间有钨丝分白、黑两种（由于白钨丝造价要比黑钨丝高的多，所以市场上没有普及）。卤素管具有热效率高、加热不氧化、使用寿命长等优点，而且有些机型还附加有定时、旋转、加湿等功能。卤素管取暖器是靠发光散热的，一般采用2~3根卤素管为发热源，消耗功率在900~1200W左右，较适用于面积为12平方米左右的房间。现在一些

10

比较先进的产品具跌倒自动断电、自动摇头等功能，设计简单实用。2.2.4金属管发热

此类产品外型同前面提到的电热丝取暖器一样，酷似电扇。采用金属管发热，利用反射面将热能扩散到房间。具有防跌倒开关、自动摇头、手动调节俯抑角度，取暖范围大，而且表面防护罩对人体不会造成烫伤。采用这种设计避免了电热丝取暖器的电热丝容易断裂和卤素管电暖器中卤素管易损耗的弊病，但同电热丝取暖器一样，缺点是停机后温度下降快，须持续工作。功率在800~1000W左右。 2.2.5碳素纤维体发热

此类产品是采用碳素纤维为发热基本材料制成的管状发热体，利用反射面散热。整体成立式直桶型和长方型落地式：直通式一般采用单管发热，机身可自动旋转，为整个房间供暖。打开电源后升温速度奇快，在1~2秒时机体已经感到烫手，5秒钟表面温度可达300-700度，功率在600~1200W可调节。长方型落地式采用双管发热，可以落地或壁挂使用，功率相对较大，在1800~2000W左右。除了供暖功能外，该类产品还能起到保健理疗的功效。当发热体加热时能够产生765.9W/M的红外线辐射，相当于一部频谱理疗仪。

以上所介绍五种发热原理的取暖器外观都极为近似，内部结构略有不同，使用方法上都基本相同。从工作表现上看，卤素管取暖器采用发光散热，所以当开启开关后，在2秒左右，距离机体10厘米处就能感觉到温度猛增，升温十分迅速。碳素纤维发热取暖器同卤素管取暖器近似，升温速度极快，瞬间可感觉到热量。而且还具有保健理疗的功效。电热丝电暖器、石英管取暖器和金属管发热取暖器相对来说升温速度要稍慢一些，由于它们都同样需要电热转换成热能，当发热介质产生足够的高温后，再由反射板将热量扩散。当开启开关后，在6~10秒左右，距离机体10厘米处就能感觉到热浪袭来，升温也比较迅速。从使用效果来看，体积小巧、重量轻、移动方便、升温迅速是这几款取暖器的显着特点；但是都有着共同的缺点，就是方向性非常强，在所照射的方向热量传播到位，一旦离开照射角度，温度下降

11

快，而且热能的穿透力差，几乎在机体与人体之间隔一张纸，就感受不到温度的变化。总体来说，这几款产品主要针对6~10平米面积较小的居室，为达到室内升温的目的需要长时间开启。

综上所诉。我们决定选择石英管发热原理来进行制热。采用平板式-整体采用板式设计，接触空气面积大，厚度极小，节省空间。

2.3电风扇调速原理

2.3.1 电抗器法

电容式电动机串联电抗器的调速原理图

2.3.2 抽头法

1）L型抽头法

2）T型抽头法

12

2.3.3 无级调速法

无级调速一般采用双向晶闸管作为风扇电动机的开关．利用晶闸管的可控特

性，通过改变晶闸管的控制角α，使晶闸管输出电压发生改变，达到调节电动机转速的目的。在电源电压每个半周起始部分，双向晶闸管VS为阻断状态，电源电压通过电位器RP，电阻R向电容C充电，当电容C上的充电电压达到双向触发二极管VD 的触发电压时，VD导通，C通过VD向VS的控制极放电，使VS导通，有电流流过电机绕组。通过调节电位器RP的阻值大小，可调节电容C的充电时间常数，也就调节了双向晶闸管VS的控制角α，RP越大，控制角α越大，负载电动机M上电压变小，转速变慢。

综上，我们决定选取无极调速原理来进行电风扇调速。风扇电子调速器电

路由电源电路、可控振荡器和控制执行电路组成，如图所示。

13

电源电路由降压电容器Cl、整流二极管VDl、VD2、滤波电容器C2、电源指示发光二极管VL和稳压二极管VS组成。 可控振荡器由时基集成电路IC、电阻器RI、R2、电容器C3、电位器RP和二极管VD3、VD4组成。 控制执行电路由风扇电动机M、晶闸管VT、电阻器R3和IC第3脚内电路组成。 交流220V电压经Cl降压、VDl和VD2整流、VL和VS稳压及C2滤波后，为IC提供约8V的直流电压。 可控振荡器振荡工作后，从IC的3脚输出周期为105、占空比连续可调的振荡脉冲信号，利用此脉冲信号去控制晶闸管VT的导通状态。 调节RP的阻值，即可改变脉冲信号的占空比(调节范围为1%-99%)，控制风扇电动机M转速的高低，产生模拟自然风 (周期为10s的阵风)。

2.4 电风扇摇头机构的设计

摇头机构由减速机构、连杆机构、控制机构与过载保护装置组成，形式有两种:离合式与拨式。

2.4.1 离合式

此方案的特点是它采用两对普通的直齿圆柱齿轮机构就实现了减速作用，圆柱直齿轮易于制造，有确定的传动比等优点。其次，采用滑销离合器实现是否摇头控制，结构比较简单，使用方便，经济又实惠，还有制作起来也比较的简单。而且

14

圆弧轨道的制造也很容易。

图 a

如上图a所示的方案中它最大的特点是它只采用一对锥齿轮机构就实现了改变和减速作用。采用锥齿轮机构可以使扇头结构紧凑，有确定的传动比等优点。其次，采用滑销离合器实现是否摇头控制，结构比较简单，使用方便，经济又实惠，还有制作起来也比较的简单。同时，采用双摇杆机构实现扇头的左右摆动，可以实现较大范围的转动。制作起来经济且精度要求不是很高便于制造。

缺点：不能实现自动上下俯仰运动。

15

2.4.1 拨式

图 b

如图b：仰俯运动机构：同步电动机带动曲柄旋转，曲柄拉动风扇电机座所在的摇杆做上下15°的仰俯运动。为了使同步电机能够轻松地带动风扇的机头做上下仰俯运动，减小电机磨损和能量的消耗，在设计时应使风扇机头的重心落在摇杆与机架相连的铰链处。同时使用胶状固体润滑剂，减小噪音，减小零件磨损，延长零件使用寿命。在使用过程中，通过开关控制同步电机的运动即可实现打开或关闭仰俯运动。 左右摇头机构：风扇主电动机的轴后部是蜗杆，通过蜗杆带动偏心轮常生活中所见电风扇一样。

综上:选用如图b的方案为我们小组的方案。

16

2.4 电风扇整体设计

1、前网罩，2、发热扇叶，3、电热丝罩，4、扇头，5、连接头，6、底座，7、按键

一种新型多功能电风扇，主要是由前网罩1、发热扇叶2、电热丝罩3、扇头4、连接头5、底座6、按键7等组成，并且按照图示所示顺序进行安装，其特征在于：扇头4通过销轴与连接头5连接在一起，连接头5通过销轴与底座6连接在一起，在底座上设置“制热”、“冷风”、“定时”、“快”、“中”、“慢”、“定时”、“30min”、“60min”和“开‖关”等9个按键7，电热丝罩3与扇头4通过螺栓连接在一起，发热扇叶2通过销轴与扇头4连接，并且将发热扇叶2放置于散热器3前一段距离但仍处于电热丝罩3笼罩范围内，前网罩1与散热器3通过螺栓连接，将发热扇叶2罩在中间。

按下“开‖关”键，电风扇启动，当天气闷热时，按下“冷风”键7，电风扇开始转动，但电热丝罩3、发热扇叶2不发热，并且可以按调速按键7调节风扇的转速，已达到乘凉的目的；当天气寒冷需要热量时，按下“制热”键7，风扇开始缓慢转动，并且电热丝罩3和发热扇叶2同时发热，当按下调速按键7时，电热丝罩3和发热扇叶2散发的热量增加但发热扇叶2的转速始终以一定的速度转动，不再变速；按下“开‖关”键7，电风扇停止工作。

本实用新型的有益效果是：节能，环保，经济适用，能够取代空调的部分功能。

17

2.4 详细的设计功能

本新型多功能电风扇主要由前网罩、发热扇叶、电热丝罩、扇头、连接头、底座、按键等几部分组成。

1. 前网罩

前网罩采用特殊钢制结构，并且涂有耐高温烤漆，以及耐高温把手。它主要是起到保护作用，防止高温扇叶飞出。

2. 发热扇叶

发热扇叶采用的是石英管发热原理，电热丝加热后，经由石英管激发远红外线发出热量。其优点在于式样轻巧，容易安装，并且升温较快，散热均匀，且防水防爆，维修方便。当多功能电风扇处于档位处于发热挡时，石英管电热丝产生热量，当其处于凉风挡时，电热丝不通电不产生热量。

3. 电热丝罩

电热丝罩主要起到固定电热丝的作用，其材料为耐高温的导体，这样有利于热量的传播还不至于损毁原件。

4. 扇头

扇头内部设有单相交流电动机、摇头机构和前后端盖。单相交流电动机通过转动带动发热扇叶转动，摇头机构是当多功能风扇开始工作是摇头，这样有利于热量或凉风的传播，前后端盖起到保护作用。

5. 连接头

连接头部分主要用于和底座的连接支撑扇头作用，其材料为硬质钢，有利于支撑，防止原件的损坏。

6. 底座

底座部分设计，在底座内部设计控制电动机和电热丝的电路，控制电动机的转动和电热丝的发热。底座部分材料主要是由塑料制成，这样有利于隔热和防止导电。

7. 按键

按键部分设计在底座下体表面，材料为塑料，以利于隔热和防止导电。按键一共有六个，分别为“制热”、“冷风”、“慢”、“中”、“快”、“定时”、“30min”、“60min”、“开‖关”，分别控制着其功能。

18

3.设计总结

通过对冷热两用电风扇的设计，我深刻认识到了“理论联系实际”的重要性与真实性。这是一次比较系统的电路设计，是一次将理论与实践相结合的实践。其中包括了电路的设计，资料的查找，分析问题解决问题的能力，甚至还是对焊接技术及审美观念的一个考验。通过这次考验，我懂得了很多，如果不能以一种认真的态度去面对这次实践，而只是简简单单的在书本之中寻找到一个电路图，并将其简单的焊接起来的话，那就失去了本次电子设计课程的意义了。本次设计中给我最深的理解与认识就是，在遇到问题时我们要做的是去分析问题解决问题，而不是气愤，埋怨。虽然最终比较好的将电路完成了，但是我们还是发现存在着一些问题。比如我们的动手能力不够强，因此在这方面必须要加强锻炼。必须培养分析问题和解决问题的能力，在电路设计中必须有替代的思想。明。在今后的学习中必须注意将理论与实践相结合，再好的理论，都必须由实践去证

一个巴掌拍不响，一个人的力量是有限的，想像力、创新力也如此。小组成员通过分析思考、查找资料、再分析思考、小组讨论、确定初步方案、分工协作、组织成型、改进和确定最终方案。“书上得来终觉浅，需知事事要躬行”。书本的知识不可能面面具到，而又由于在学习过程中的不慎不断遗失，使我们的知识结构十分不完整。于是系统地进行实践操作对我们完善知识体系有莫大的帮助。

与此同时，在具体实践时，往往会遇到很多事先没预测到的困惑，这成为我们完成设计的一大障碍，但最终还是通过求教和自己摸索中解决了。从这些过程中我们又锻炼了自己遇到问题，分析问题，解决问题的能力。同时也感受到了群众的智慧是不可估量的。“三人行则必有我师焉。”

在此设计中，小组各成员之间积极配合、共同奋斗，在加深了对专业理解掌握的同时，也加深了我们的友谊。

19

参考文献

【1】 康华光.电子技术基础（包括摸拟和数字两部分）.北京：高等教育出版社.2005. 18

【2】 孙肖子.电子设计指南.北京：高等教育出版社.2004. 【3】 庄俊华. MULtisim 9入门与应用.北京：机械工业出版社.2003.

【4】社.2000. 【5】社.2006. 【6】 【7】

姚褔安.电子电路设计与实践.山东：山东科学技术出版

陈梓城.家用电子电路设计与调试.北京：中国电力出版

王 远.数字电子技术(第二版).北京：机械工业出版社.2000. 路 勇.电子电路实验及仿真.北京：清华大学出版社.2003.

20

21