CN104791282A - 一种红外温控电扇调速方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外温控电扇调速方法，包括：***初始化，设定理想热舒适指标PMV值和PMV上下限阈值，控制器实时监测当前人体温度与环境温度，所测温度通过PMV简化模型计算人体当前PMV值，并计算人体当前值与理想值的差值，对所述差值进行温控阈值判别，根据判别情况设定PMV调节量，所述PMV调节量通过PMV转速模型计算当前所需电机转速值，计算所述转速值占电机最大转速值的百分比，并将该百分比作为PWM占空比输出PWM波形，从而控制风扇电机转数，实现温控调速。本发明建立了用于调速PMV转速模型，能够以人体最佳舒适度为目标进行调速。

Description

一种红外温控电扇调速方法

技术领域

本发明涉及一种电扇电机调速方法，具体涉及一种红外温控电扇调速方法。

背景技术

目前存在的温控风扇调速方法，一般都具备根据人体温度自动调节风扇转速或者根据环境温度自动调节风扇转速的功能，但在调节方法中均未对调节依据进行说明，即如何调节、调节量的大小以及如何调节使人体舒适度高等问题未作说明；并且，调速方法还存在温度阈值调控弊端，即当人体温度下降到设置阈值时电扇关闭，高于该阈值时电扇开启。若人体温度在该阈值附近波动时，则电扇会频繁启停，影响电机寿命，且不能根据人体区间热舒适度情况进行调速。

  如申请号为200910193968，申请日为2009年11月17日，授权公告日为2012年5月23日的中国发明专利公开了一种多模式温控电风扇调速器，包括工作模式选择开关、人体热释电红外探测模块、温度采集模块、电源模块、控制处理模块、固态继电器、电风扇及温度显示模块，该温控调速方法为：将温度采集模块输入的温度信息与温度预设值进行对比，当所述输入的温度信息大于或等于控制处理模块的温度预设值时，根据所述对比值输出相应占空比的PWM波给固态继电器，固态继电器根据该相应占空比的PWM波开启电风扇并确定其转速，否则，输出占空比为0的PWM波给固态继电器，使电风扇处于关闭状态。虽然该方法可以实现温控调速功能，但是缺乏电扇转速调节依据，调节步骤中不能根据人体区间热舒适度情况进行调速的问题。

  如申请号为200620014446，申请日为2006年08月30日，授权公告日为2007年09月05日的中国实用新型专利公开了一种自动温控电风扇，包括电机控制电路、风扇、电机、人体感应装置、双向可控电路和温度传感器电路，该温控调速方法为：双向可控电路用于在人体感应装置输出有效信号且温度传感器电路感应到的温度大于或等于第一设定值时输出开控制信号至电机控制电路，在人体感应装置未输出有效信号或温度传感器电路感应到的温度小于第一设定值时输出关控制信号至电机控制电路，电机控制电路用于在响应到开控制信号后控制电机转动，在响应到关控制信号后控制电机停止转动。该调速方法仅依据一设定值控制电机启停，不能根据人体热区间舒适度情况进行调速的问题。

  以上两种电扇温控调速方法均缺乏调速依据，不能以人体最佳舒适度为目标进行调速，也没有解决根据人体区间热舒适度情况进行调速的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种一种红外温控电扇调速方法。本温控调速方法始终以人体最佳舒适设定值为目标，采用PMV转速模型进行调速，使人体舒适值始终保持在最佳水平；在风扇电机调速中加入了阈值判别步骤，设定开机条件的上限阈值与停机条件的下限阈值，可以实现电扇停机后再次启动温控调速的问题，避免了检测值在阈值附近波动时，电扇会频繁启停的问题。

  为解决上述技术问题，本发明提供一种红外温控电扇调速方法，包括：

  如图1所示，S1.初始化理想PMV值I_PMV、热舒适指标PMV上限阈值ε₊和下限阈值ε_-。

  S2.控制器通过人体红外温度传感电路、环境红外温度传感电路进行红外测温，实时监测当前人体温度t_h与环境温度t_e。

 建立热舒适指标PMV简化模型，已知人体热舒适指标模型为：

    (1)

其中，M为人体能量代谢率(W/m2)，W为人体所做的机械功(W/m2)，P_a为人体周围空气的水蒸气分压力(kPa)，h_c为人体表面对流换热系数(W/m2·K)，t_a为人体周围空气温度(℃)，t_r为房间的平均辐射温度(℃)，f_cl为穿衣服覆盖人体外表面积与未覆盖人体表面积之比，t_cl为人体衣服外表面温度(℃)。

  将模型进行简化，令人体能量代谢率M=58.18 W/m2，人体所做的机械功W=0，表面积比f_cl=1.1，水蒸气分压力P_a=1.5kPa，对流换热系数h_c=4.84 W/m²·K，人体周围空气温度t_a与房间的平均辐射温度t_r、所测环境温度t_e相等，人体衣服外表面温度t_cl与红外传感器所测人体温度t_h相等；因此，可得热舒适指标PMV简化模型：

      (2)

其中，t_h为红外传感器所检测人体温度(℃)，t_e为红外传感器所检测环境温度(℃)。

S3.根据所检测当前人体温度t_h与环境温度t_e通过PMV简化模型式(2)计算人体当前热舒适指标PMV值C_PMV，并计算C_PMV与所设定理想热舒适指标PMV值I_PMV的差值E_PMV。

S4.进行温控阈值判别，如图1所示，对热舒适指标PMV差值E _PMV 与所设定的温控阈值大小进行判断，判断人体热舒适指标差值是否超出阈值上限，即判断E_pmv>ε₊是否成立，若E_pmv>ε₊成立则进入步骤S5，设定所述PMV调节量A _PMV =E _PMV ，若不成立则判断人体热舒适指标差值是否超出阈值下限，即E_pmv≤ε_-判断是否成立，若E_pmv≤ε_-成立则转到步骤S8，风扇电机停转，否则转到步骤S2。

建立用于调速的PMV转速模型，电扇电机选取家用电扇中的单相三速电机，其有效转数值范围为366-1200r/min，用于散热的热舒适取值范围为：-1≤PMV≤3，将单相三速电机有效转数范围与热舒适取值范围对应如表1：

表1    单相三速电机有效转数范围与热舒适取值范围对应表

  采用径向基神经网络函数对上表进行拟合，输入为热舒适PMV值调节量A _PMV ，输出为电机转数S₀，导入径向基神经网络函数进行训练，得PMV转速模型为：

                    (3)

其中：‖A _PMV －c _i ‖为输入量A _PMV 与权值量c _i 的欧氏距离，w _i 为隐层到输出层之间的权值，w _i =[w ₁   w ₂   w ₃ ．．．w ₁₉ ]^T=[0 0.050 0.125 0.175 0.25 0.325 0.375 0.425 0.475 0.575 0.625 0.675 0.7245 0.775 0.8245 0.875 0.925 0.975 1]^T，c _i =[ c ₁   c ₂   c ₃ ．．．c ₁₉ ]^T=[0 0 0 0 0 0 0.3050 0.3833 0.4508 0.5917 0.6583 0.7111 0.7900 0.8083 0.8583 0.8917 0.9167 0.9867 1.0000]^T。

S5.设定热舒适指标PMV调节量A _PMV =E _PMV ，进入步骤S6。

S6.根据所得PMV调节量A _PMV 通过PMV转速模型式(3)计算当前以人体最佳舒适度为目标的风扇电机转速值S ₀ ，并计算所述转速值S ₀ 占最大转速值S _max 的百分比η，进入步骤S7。

S7.将所得百分比η作为PWM占空比σ进行输出，进入步骤S9。

S8.设置PWM占空比σ=0，风扇电机停转，进入步骤S9。

S9.驱动器根据控制器输出的PWM波形控制功率管的通断，达到控制风扇电机转数的目的，风扇电机作用于人体及环境，构成闭环温控调速。

S10.判断是否关机，若不关机则转到步骤S2，重复步骤S2-S9实现风扇温控调速；若关机则结束。

 为解决上述技术问题，本发明采用的一种红外温控电扇调速装置，如图2所示，其结构是由单片机控制器电路（1）、人体红外温度传感电路（2）、环境红外温度传感电路（3）、按键显示电路（4）、MOSFET驱动电路（5）、电机电路（6）组成，单片机控制器电路（1）与，人体红外温度传感电路（2）、环境温度传感电路（3）、按键显示电路（4）、MOSFET驱动电路（5）通过电源线、信号控制线相接，MOSFET驱动电路（5）与电机电路（6）通过电源线、信号控制线相接。

  如图3所示，单片机控制器电路（1）是由集成电路U1、石英晶体XTAL、电容C1、电容C2、电容C3、电阻R1组成，石英晶体XTAL与集成电路U1的第7角、第8角相接，电容C1、C2分别接在集成电路的7、8脚与地线之间，电阻R1一端接地，一端与电容C3、集成电路U1的第9脚相接，电容C3的另一端与集成电路U1的第10脚、VCC相接；人体红外温度传感电路（2）是由集成电路U2组成，集成电路U2的第1脚与VCC相接，集成电路U2的第2脚与集成电路U1的第2脚相接，集成电路U2的第3脚接地；环境温度传感电路（3）是由红外接收管RHW、电阻R2组成，红外接收管RHW的正极与电阻R2、集成电路U1的第1脚相接，红外接收管的负极与VCC相接；按键显示电路（4）是由按键开关K1-K4、集成电路U4组成，按键开关K1-K4的一端分别与集成电路U1的3、4、5、6脚相接，按键开关K1-K4的另一端接地，集成电路U4的1-11脚分别与集成电路U1的11-21脚相接，集成电路U4的12脚与滑动变阻器R3的一端、地线相接，集成电路U4的13脚与滑动变阻器R3的滑动端相接，集成电路U4的14脚与滑动变阻器R3的另一端、VCC相接，集成电路U4的15、16脚悬空；MOSFET驱动电路（5）是由集成电路U3、MOSFET功率管NMOS、稳压管WZ组成，集成电路U3的第1脚与功率管NMOS的第2脚相接，集成电路U3的第2脚与功率管NMOS的第3脚、稳压管WZ的第一脚、地线相接，集成电路U3的第3脚与VCC相接，集成电路U3的第4脚与集成电路U1的第22脚相接，稳压管WZ的第2脚与功率管NMOS的第1脚相接；电机电路（6）是由220V单相三速电机组成，单相三速电机一端与市电电源220V相接，单相三速电机的高速抽头H端与功率管NMOS的第1脚、稳压管WZ的第2脚相接，单相三速电机的中速抽头M端与单相三速电机的低速抽头L端悬空。

附图说明

  图1为本发明的***工作流程图；

        图2为***硬件结构框图；

        图3为***硬件电路图。

具体实施方式

  下面结合附图给出本发明实施例的一种红外温控电扇调速方法做进一步说明。

  如图1所示，步骤S1，首先初始化理想PMV值I _PMV =0，热舒适指标PMV上限阈值ε₊=0.5和下限阈值ε_-=－0.5，进入步骤S2。

  步骤S2，控制器通过人体红外温度传感电路、环境红外温度传感电路实时监测当前人体温度t _h 与环境温度t _e ，进入步骤S3。

  步骤S3，根据所检测当前人体温度t _h 与环境温度t _e 通过PMV简化模型式(1)计算人体当前热舒适指标PMV值C _PMV ，并计算C _PMV 与所设定理想热舒适指标PMV值I _PMV 的差值E _PMV ，进入步骤S4。

     (1)

其中，t _h 为红外传感器所检测人体温度(℃)，t _e 为红外传感器所检测环境温度(℃) ；

 步骤S4，对热舒适指标PMV差值E _PMV 与所设定的温控阈值大小进行判断，判断人体热舒适指标差值是否超出阈值上限，即判断E_pmv>ε₊是否成立，若E_pmv>ε₊成立则进入步骤S5，设定所述PMV调节量A _PMV =E _PMV ，若不成立则判断人体热舒适指标差值是否超出阈值下限，即判断E_pmv≤ε_-是否成立，若E_pmv≤ε_-成立则进入步骤S8，否则转到步骤S2。

  步骤S5，设定热舒适指标PMV调节量A _PMV =E _PMV ，进入步骤S6。

  步骤S6，根据所得PMV调节量A _PMV 通过PMV转速模型式(2)计算当前以人体最佳舒适度为目标的风扇电机转速值S ₀ ，并计算所述转速值S ₀ 占最大转速值S _max 的百分比η，进入步骤S7。

PMV转速模型为：

    (2)

其中：‖A _PMV －c _i ‖为输入量A _PMV 与权值量的欧氏距离，w _i 为隐层到输出层之间的权值，w _i =[w ₁   w ₂   w ₃ ．．．w ₁₉ ]^T=[0 0.050 0.125 0.175 0.25 0.325 0.375 0.425 0.475 0.575 0.625 0.675 0.7245 0.775 0.8245 0.875 0.925 0.975 1]^T，c _i =[ c ₁   c ₂   c ₃ ．．．c ₁₉ ]^T=[0 0 0 0 0 0 0.3050 0.3833 0.4508 0.5917 0.6583 0.7111 0.7900 0.8083 0.8583 0.8917 0.9167 0.9867 1.0000]^T。

  步骤S7，将所得百分比η作为PWM占空比σ，控制器根据占空比σ输出PWM波形，进入步骤S9。

  步骤S8，PWM占空比，风扇电机停转进入步骤S9。

  步骤S9，驱动器根据控制器输出的PWM波形控制功率管的通断，达到控制风扇电机转数的目的，风扇电机作用于人体及环境，实现温控调速。

步骤S10，判断是否关机，若不关机则转到步骤S2，重复步骤S2-S9实现循环在线监测的风扇温控调速；若关机则结束。

  本发明采用的一种红外温控电扇调速装置，其加工制作简单方便，按说明书附图所示加工即可。各电路中的集成电路和其他元件均为市售产品，电路中各芯片之间的连接都是标准的单片机控制连接方式，只要按电路图安装无误即可工作。电路中所使用的集成电路型号分别为：U1为单片机控制器，型号为SST89E516RD；U2为人体红外传感器型号为D205B；U3为MOSFET驱动芯片型号为 MIC5104；U4为LCD显示屏型号为LCD1602。

  本发明采用的一种红外温控电扇调速装置工作过程如下：

 接通电源后，单片机控制器进行初始化，LCD显示屏进行初始化，然后单片机对按键进行检测，并实施监测人体红外传感器和红外接收管的数据，将所监测数据进行显示，并根据监测数据设置风扇电机转速，通过按键可设置温控模式与手动档位模式。

  本发明可进行区间温控判别，可以解决仅依据某一设定值控制电机启停时，温度在该设定值附近波动引起电机频繁启停的问题；建立有转速调节模型，使温空调节有据可循。

Claims (5)

1.一种红外温控电扇调速方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.***初始化，设定理想PMV值I_PMV、热舒适指标PMV上限阈值ε₊和下限阈值ε_-；

S2.控制器通过人体红外温度传感电路、环境红外温度传感电路实时监测当前人体温度与环境温度；

S3.根据所测当前人体温度值与环境温度值通过热舒适指标PMV简化模型计算人体当前热舒适指标PMV值C_PMV；并计算所述人体当前热舒适指标PMV值C_PMV与所设定理想热舒适指标PMV值I_PMV的差值E_PMV；

S4.对所述差值E_PMV进行温控阈值判别，判断人体热舒适指标差值是否超出阈值上限，即判断E_pmv>ε₊是否成立，若E_pmv>ε₊成立则进入步骤S5，若不成立则判断人体热舒适指标差值是否超出阈值下限，即判断E_pmv≤ε_-是否成立，若E_pmv≤ε_-成立则进入步骤S8，否则转到步骤S2；

S5.设定热舒适指标PMV调节量A _PMV =E _PMV ；

S6.热舒适指标PMV调节量A_PMV通过PMV转速模型计算当前以人体最佳舒适度为目标的风扇电机转速值S₀，并计算所述转速值S₀占最大转速值S_max的百分比η；

S7.将百分比η作为PWM占空比σ输出PWM波形，转到步骤S9；

S8.设置PWM占空比σ=0，风扇电机停转，转到步骤S9；

S9.驱动器根据控制器输出的PWM波形来控制功率管的通断，从而控制风扇电机转数，实现温控调速；

S10.判断是否关机，若不关机则转到步骤S2；若关机则结束。

2.根据权利要求1所述的红外温控电扇调速方法，其特征在于步骤S6中所述PMV转速模型为PMV值与所对应风扇电机转速值通过函数映射形成。

3.根据权利要求2所述的红外温控电扇调速方法，其特征在于：步骤S6中所述PMV转速模型中的函数映射为径向基神经网络函数映射。

4.根据权利要求3所述的红外温控电扇调速方法，其特征在于：所述的径向基神经网络函数映射是指：输入为热舒适PMV值调节量A _PMV ，输出为电机转数S₀，导入径向基神经网络函数进行训练，得PMV转速模型如下：

  

 其中：‖A _PMV －c _i ‖为输入量A _PMV 与权值量c _i 的欧氏距离，w _i 为隐层到输出层之间的权值。

5.根据权利要求1所述的红外温控电扇调速方法，其特征在于：所述步骤S3中，人体当前热舒适指标PMV值是通过以下公式计算的：

 

其中，其中，t_h为红外传感器所检测人体温度(℃)，t_e为红外传感器所检测环境温度(℃)。