多功能电风扇设计论文

1、 1 引言1.1 电风扇概述1.1.1 电风扇的概念风扇又称电扇，用于散热，夏天用它来清凉为好,还可用来驱散室内热气。每年进入5月份,天气越来越炎热,尤其到了盛夏,那更是酷热难挡。如何才能给人带来清凉的感觉呢? 目前可供选择的“纳凉”工具主要有:空调、普通电风扇、冷风机以及蒲扇、纸扇等等。空调使用方便,且越来越智能化,但它使用费用高,常常给人带来新的疾病“空调病”;电风扇以其低廉的价格使它的使用极为普遍,人们常常通宵达旦的使用,一旦气温稍有变化,感冒的人数就会急剧增加;冷风机能增强空气的湿度,但使用久了,家里电器会受潮,同时也会让使用者长期裸露在外的关节受到危害;蒲扇和纸扇虽然价格低廉，但由于

2、“不自动”性,目前使用者微乎其微。在这种情况下,温控智能电风扇应运而生。1.1.2 电风扇的发明电风扇究竟是谁发明的，现在已经很难找到相关的资料了。据说，1882年，美国纽约的克罗卡日卡齐斯发动机厂的主任技师休伊斯卡茨霍伊拉，最早发明了商品化的电风扇。第二年，该厂开始批量生产，当时的电扇，是只有两片扇叶的台式电风扇。1908年，美国的埃克发动机及电气公司，研制成功世界上最早的齿轮驱动左右摇头的电风扇。这种电风扇防止了不必要的三百六十度转头送风，而成为以后销售的主流。 1.1.3 电风扇的种类根据使用环境选择风扇种类。常用的电风扇有吊扇、落地扇、壁扇、台扇、转页扇。其中吊扇、壁扇为固定安装式，落

3、地扇、台扇、转页扇移动方便，送风范围广。按电动机的结构形式分：有单相电容式、单相罩极式、三相感应式、直流及交直流两用串激整流子式电风扇，按用途可分为家用电风扇和工业用排风扇。家用电风扇有台扇、落地扇、壁扇、顶扇等；台扇中又有摇头的和不摇头之分，也有的转页扇；落地扇中有摇头、转页的。还有一种微风小电扇，是专门吊在蚊帐里的，夏日晚上睡觉，一开它顿时就微风习习，可以安稳地睡上一觉，还不会生病。工业用的排风扇主要用于强迫空气对流之用。电风扇用久以后，扇叶的下面很容易沾上很多灰尘。这是电风扇在工作时，由于扇叶和空气相互摩擦而使扇叶带上了静电，带电的物体能够吸引轻小物体的性质，从而能够吸收室内飘浮的细小灰

4、尘造成的。 1.1.4 电风扇的构造转子：由磁铁、扇叶及轴组成；定子：由硅钢片、线轴及轴承组成；控制电路：由ic感应磁铁n.s.极经由电路控制其线圈导通而产生内部激磁使转子旋转。1.1.5 电风扇的工作原理通电线圈在磁场中受力而转动。能量的转化形式是：电能主要转化为机械能，同时由于线圈有电阻，所以不可避免的有一部分电能要转化为内能。电风扇工作时（假设房间与外界没有热传递）室内的温度不仅没有降低，反而会升高。让我们一块来分析一下温度升高的原因：电风扇工作时，由于有电流通过电风扇的线圈，导线是有电阻的，所以会不可避免的产生热量向外放热，故温度会升高。但人们为什么会感觉到凉爽呢？因为人体的体表有大量

5、的汗液，当电风扇工作起来以后，室内的空气会流动起来，所以就能够促进汗液的急速蒸发，结合“蒸发需要吸收大量的热量”，故人们会感觉到凉爽。 当电风扇转动起来以后，扇叶把空气推向下方。即扇叶对其下方的空气有向下的力，根据“物体间力的作用是相互的”可知：空气对扇叶同时也有向上的力，明确这一点以后，再对电风扇进行受力分析，电风扇在竖直方向上受到3个力的作用，即：竖直向下的重力；竖直向上的竖杆对电风扇的拉力和空气对电风扇的向上的力。由此可知：此时竖杆对电风扇的拉力一定要比静止的时候减小。因此，我们完全没有必要担心电风扇转动起来以后会因为承受的力增大而掉下来。 1.1.6 新颖独特的电风扇时控电风扇只需要设

6、置好电扇工作的时间，它就会根据你的设置，按时开、按时关。声控电风扇美国通用电器公司研制出的这种用声控电风扇装有微型电子接收器，只需在不超过3米的地方连续拍手2次，电风扇就会自动运转；若再连续拍手3次，电风扇又会自动停转。冷气风电风扇欧洲市场上推出了一种风扇与冰箱相结合的新型电风扇，其风扇有一个制冷机芯，机芯的中心圆筒中有混合液体，将此机芯置于冰箱中3个小时后取出配用，即可吹出冷风，给人以有冷气吹来的感觉。无噪声电风扇日本三菱公司开发的这种几乎没有噪声的电风扇，装有特制的鸟翅状叶片，可产生一股涡动气流，且采用直流电机，不加防护罩，很适合有微机、文字处理机、复印机的场所使用。灯头电风扇美国发明的这

7、种可安装在灯泡灯头上的电风扇，小巧玲珑，只要有安装灯泡的灯头就可使用，不仅安装简便，而且能节省能源。四季电风扇德国生产出的这种四季都能用的电风扇，配有远红外线加热器和负离子发生器，能夏季送凉风、冬季送热风，一年四季送负离子风，具有送凉取暖，净化空气，防病保健功效。1.2 电风扇在中国的发展状况1.2.1 电风扇目前的发展状况我国电风扇市场从80年代末开始形成规模, 经过整个年代的迅猛发展, 在短短十余年时间里, 就完成了产品生命周期的几个阶段。电风扇产量从80年的20万台增至08年的9000万台, 增幅达450倍多，社会零售量从80年的100万台, 经过08年的峰值9000万台, 达到目前的平

8、稳值每年一亿万台, 增幅也在900倍以上。社会拥有量则从80年的3万台增至2008年的3000万台, 增长近千倍。这表明在城镇电风扇市场已进人饱和期, 而农村电风扇市场也迈入成长中期首先，由于电风扇在价格、耗电量等方面的优势, 它在市场上的地位不可能速然被空调器大量替代。尽管其饱和期较长, 社会零售量和用户人均拥有量将仍维持一段时间的平衡。据测算, 去年城镇居民百户电风扇拥有量将达7000万台,比上年增长50%。再次, 农村电风扇市场处于成长中期, 亦即扩容速度最快的时期, 同时鉴于农村总体市场发展水平缓慢及其市场覆盖范围广大两种因素, 今后较长的一段时间内, 农村居民应是电风扇的主要消费者。

9、1.2.2 电风扇的未来在空调热的情况下, 电风扇没有被冷落的主要原因, 一是电风扇的性能改进后, 新型电风扇吹来的风是模拟自然风, 使人感觉清爽舒服, 没有骤变和空气污浊的感觉。二是电风扇价格较低, 与空调相比, 其价格只及空调机的十分之一至二十分之一。三是耗电量小, 比较适合缺电少电的地区。四是居民生活和居住条件改善情况下, 空调机通常固定安装在主要活动的房间内, 其他居室仍需使用电风扇降温。目前我国电风扇市场总的来说是供过于求, 市场竞争相当激烈, 而外商企业也开始把目光投向国内电风扇市场。从目前电风扇行业的发展趋势看, 今后电风扇仍将是人们消暑的主体, 但随着外资在电风扇行业的投资,

10、将会使我国电风扇市场的竞争更加剧烈, 只有质量好、样式新的电风扇才能在激烈的市场竞争中占有一席之地。2 电风扇的设计2.1 设计任务和要求用中规模数字集成电路实现电风扇控制器的控制功能，具体要求如下：1、用四个按键分别选择“风速”、“风种”、“定时”、“停止”四种操作功能。2、用九个发光二极管分别指示“风速”和“风种”的六种状态以及三种定时状态。3、电扇在停转状态时，只有按“风速”键才能启动电扇，按其余键无响应。4、优化设计方案，使整个电路采用的集成块尽可能少。2.2 家用电扇的状态转换图以前的台式电风扇和落地式电风扇都采用机械控制，主要控制风速和风向。然而随着电子技术的发展，目前的家用电风扇

11、大多采用电子控制线路取代了原来的机械控制器，使电扇的功能更强，操作也更为简便。图1为电扇操作面板的示意图。风速k1定时k3风种k2弱正常强中自然睡眠停止 k4124图1 电扇操作面板示意图面板上有九个指示灯，分别指示三种风速：弱、中、强；指示风种的三种形式：正常、自然、睡眠；指示预定电扇运转的三种时间：1小时、2小时和4小时。面板上还有四个按键开关k1、k2、k3、k4，分别控制电扇的风速、风种、定时和停止。风速的弱、中、强对应电扇的转动速度慢、中、快。风种在“正常”位置是指电扇连续运转；在“自然”位置是指电扇以运转4秒、间断4秒的方式工作，表示电扇模拟产生自然风；在“睡眠”位置，电扇运转8秒

12、，间断8秒，产生轻柔的微风。电扇的所有操作转换过程如图2：定时器的操作转换图非定时2小时4小时1小时 图2 家用电扇的操作转换图电扇处于停转状态时，所有指示灯不亮。此时只有按“风速”键，电扇才会启动运转，其初始工作状态为“风速”处于“弱”档，“风种”处于“正常”位置，且相应的指示灯亮，定时器处于非定时状态，即电扇处于长时间连续运转状态。电扇一经启动后，按动“风速”键可循环选择弱、中或强三种状态中的任一种状态；按动“风种”键可循环选择正常、自然或睡眠三种状态的某一种状态。按动“定时”键可循环选择非定时或1小时、2小时、4小时的任一种定时工作状态。在风扇任意工作状态下，按“停止”键，风扇停止工作，

13、所有指示灯熄灭。2.3 设计方案2.3.1 状态锁存器“风速”“风种”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，因而对于每种操作都可采用三个触发器来锁存状态，触发器输出1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。为简化设计，可以采用带有直接清零端的触发器，这样将“停止”键与清零端相连就可实现停止的功能，简化后的状态转换图如图3所示。图中横线下的数字为q3、q2、q1的输出信号。停止000中0100弱001强100风速正常001停止000睡眠100自然010风种图3 风速、风种简化操作的状态转换图风速风种卡诺图 q1q3 q2010000101001100111

14、0001卡诺图分解 q1q3 q201001001011101 q1q3 q201000101011100 q2=d2=q1 q1q3 q201000001111100 q3=d3=q2根据图3状态转换图，利用卡诺图简化后，可得到用于控制“风速”和“风种”的输出信号逻辑表达式： q2n+1=d2=q1n q3n+1=d3=q2n可选用4d上升沿触发器74ls175构成。定时器工作于非定时、定时1小时、2小时或4小时四种状态之一，也可采用三个触发器来锁存这四种状态，其状态转换图如图4所示。非定时0004小时1002小时0101小时001 图4 定时器的状态转换图定时器卡诺图 q1q3 q2010

15、0001010011001110000卡诺图分解 q1q3 q201001001011100 q1q3 q201000101011100 q2=d2=q1 q1q3 q201000001111100 q3=d3=q2三个触发器的输出逻辑表达式为：q2n+1=d2=q1nq3n+1=d3=q2n2.3.2 触发脉冲形成电路 根据前面的逻辑表达式，可利用触发器构成“风速”、“风种”和“定时”状态的锁存电路，但这三部分锁存电路的输出信号状态的变化还有赖于各自的触发脉冲。在“风速”状态的锁存电路中，可以利用“风速”按键k1所产生的脉冲信号作为d触发器的触发脉冲。在“定时”状态的锁存电路中，可利用“定时

16、”按键k3所产生的脉冲信号作为d触发器的触发脉冲。而“风种”状态锁存器的触发脉冲cp则应由“风速”k1、“风种”k2按键的信号和电扇工作状态信号（设st为电扇工作状态，st=0停，st=1运转）三者组合而成。当电扇处于停止状态st=0时，按k2键无效，cp信号将保持低电平；只有按k1键后，cp信号才会变成高电平，电扇也同时进入运转状态st=1。进入运转状态后，cp信号不再受k1键控制，而是由k2键所控制。由此可列出如表1所示的cp信号状态表，并可得到其输出逻辑表达式： (式中k1为风速键的状态，k2为风种键的状态)表2列出了电扇工作状态st与“风速”状态锁存器输出的三个信号的关系，当q3、q2

17、、和q1全为零时，电扇停转，st=0，否则电扇运转于弱、中、强任一状态，即st=1，由此可得到st信号的逻辑表达式：st=q1+q2+q3 表1 cp信号状态表 表2 st信号状态表k2k1stcp00000010010101101000101111011111强q3中q2弱q1st0000001101011001011未使用101110111 最终得到“风种”状态锁存器的触发脉冲cp的逻辑表达式：2.3.3 电机运转控制端 电扇电机的转速通常是通过电压来控制的，而这里要求有弱、中、强三种转速，因而在电路中需要考虑三个控制输出端（弱、中、强），以控制外部强电线路（如可控硅触发电路）。这三个输出

18、端与指示电扇转速状态的三个端子不同，除了要控制电机分别按弱、中、强三种转速运转外，还必须能控制电机连续运转或间断运转，以与“风种”的不同选择方式相对应。如果用1表示某档速度的选通，用0表示某档速度的关断，那么“风种”信号的输入就使得某档电机速度被连续或间断地选中。例如风种选择“睡眠”，风速选择“弱”时，电机将运行在慢速并开关8秒停8秒，表现在电机运转控制端“弱”上就是出现间断的1和0状态（交替出现8秒钟的1状态和8秒钟的0状态）。2.4 器材的的选用1、实验设备：数字逻辑实验箱；直流稳压电源。2、集成电路：d型触发器74ls175； 数据选择器74ls151； 555定时器及门电路等。3、发光

19、二极管、按键开关、电阻、电容等。2.5 整机电路2.5.1 状态锁存器电路下图为电扇的“风速”k1、“风种”k2的参考电路：图中，按键k1、k2、k3平时为低电平，实验时可选用实验箱中的单次脉冲开关。对这两部分电路简要说明如下：“风速”、“风种”两组状态锁存器电路各用一片4d触发器74ls175构成，片中的三只d触发器的输出端分别与三个状态指示灯相连。每片74ls175的清零端r均与停止键k4相连，利用k4按下时产生的低电平信号将所有触发器清零，从而使电扇停转。2.5.2 触发脉冲电路键k1按动后形成的脉冲信号作为“风速”状态锁存器电路的触发信号。键k1、k2及部分门电路7400、7408构成

20、了“风种”状态锁存电路的触发信号cp0电扇停转时，st=0，k1=0，故图中与非门u2输出为高电平，u3输出也为高电平，因而u4输出的cp信号为低电平。当按下k1键后，u2输出为低电平，使u4输出的cp信号变为高电平，并使d触发器翻转，“风种”处于“正常”状态。同时，由于k1键输出的上升沿信号，也使“风速”电路的触发器输出处于“弱”状态，电扇开始运转，st1。电扇运转后，u2输出始终为高电平，这样使“风种”状态锁存电路的触发信号cp与k2的状态相同。每次按下k2 并释放后，cp信号上就会产生一个上升沿使“风种”状态发生变化。在工作过程中，cp的波形图如图5所示: 图5 cp的波形图2.5.3

21、“风种”、“风速”三种方式的控制电路 在“风种”的三种选择方式中，在“正常”位置时，风扇为连续运行方式，在“自然”和“睡眠”位置时，为间断运行方式。参考电路中，采用74ls151(8选1数据选择器)作为“风种”方式控制器，由74ls175的三个输出信号选中75ls151的一种方式。间断工作时，电路中用了一个8秒周期的时钟信号作为“自然”方式的间断控制；二分频后再作为“睡眠”方式的控制输入。如图6所示:图6 “风种”三种工作方式波形2.5.4电扇的定时控制电路下图为电扇的“定时”k3部分参考电路: 定时器的状态锁存电路用一块4d触发器74ls175构成，其中三只触发器的输出端q1、q2、q3通过控制与门u3、u4、u5，分别选通单稳态触发器（555）dw1、dw2、dw3产生的1小时、2小时和4小时的定时信号。当q1、q2、q3全为零时，或非门u7和或门u9输出高电平，使电机处于非定时运行状态。而仅当q1输出高电平时，利用其上升沿信号触发单稳dw1进入暂稳态，并通过与门u3、或门u9输出，控制电机进入1小时的运行状态。同样，仅当q2或q3输出高电平后，将选通2小时或4小时的定时信号。定时器工作波形图如图7所示：图