电风扇 机械创新设计课程设计概述

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 曹源文教授
指导教师： 成 绩：
日期：2015 年 6 月
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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
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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
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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。
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2. 设计方案 2.1 电风扇控制面板的设计
冷风
慢
中
快
定时
30min
60min
制热
开‖关
电风扇控制面板简易图
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 时 定时转换
30 min
冷 风
开‖关
制热 60min
电风扇运行状态图
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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 001
中 010
停止 000
快 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
n Q2
Q1n
0 1 0
Q0n
1 0 0
n ?1 Q2
Q1n?1
1 0 0
n ?1 Q0
0 0 1
0 1 0
0 0 1
n?1 n?1 由状态表可得 Q2 的卡诺图，如下所示 、Q1n?1、Q0
Q0n
0 1
n n Q2 Q1
00 x 0
01 0 x x x
11
10 1 x
n ?1 的卡诺图 Q0
n n Q2 Q1
Q0n
0 1
00 x 1
01 0 x
6
11 x x
10 0 x

Q1n?1 的卡诺图
n n Q2 Q1
Q0n
0 1
00 x 0
01 0 x
n ?1 的卡诺图 Q2
11 x x
10 1 x
由卡诺图可得的表达式如下： n ?1 Q2 ? Q1n
n Q1n?1 ? Q0 n Q0n?1 ? Q1n ? Q0
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 中（Q1) 0 0 1 0 慢(Q0) 0 1 0 0 S 0 1 1 1
用 D 触发器实现风速状态锁存器的电路
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。
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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
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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
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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
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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
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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
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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。
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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
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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。
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