CN110630545B - 一种摆头角度自适应的智能风扇 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种摆头角度自适应的智能风扇，属于智能风扇结构技术领域。包括用于带动扇叶旋转及左右摆动的摇摆机构、用于将扇叶调节至朝向人体所处空间内的调节机构，用于控制扇叶左右摆动幅度的摆幅控制机构，摇摆机构、调节机构、摆幅控制机构均安装于立柱上，立柱底部安装于圆柱形支撑杆上，支撑杆外壁上安装有四个处于同一水平面上的热释人体红外传感器，支撑杆内部安装有与热释人体红外传感器相通讯的单片机，摇摆机构、调节机构、摆幅控制机构均受控于单片机。本发明结构设计简捷，能耗低，能根据用户所处范围的变化来自动调节风扇角度。

Description

一种摆头角度自适应的智能风扇

技术领域

本发明涉及一种摆头角度自适应的智能风扇，属于智能风扇结构技术领域。

背景技术

随着近年来空调行业的发展，电风扇一度被看作“夕阳产业”，然而近十年的风扇产量数据资料显示，近十年的风扇的出货量和销量却不减反增，主要由于风扇与空调存在性质的差异，风扇相比空调具有以下优点：

1、通过加速空气流动，促进汗液的快速蒸发，使身体感受到凉快，不具

有降温效果；

2、价格相对空调较便宜（通常千元以内）；

3、功率小，耗电少；

4、老少皆宜。

风扇与空调的对比可知，风扇与空调在工作原理、能耗、健康环保等方面存在显著差异，因此空调的出现并不能对风扇的产量产生实质性的影响，所以风扇仍旧占据着大量的市场份额。

目前国内外常见和常用的风扇主要分为：传统风扇、塔扇、无扇叶风扇、空调扇、传统风扇基础上进行一定创新的风扇，除了以上五种类型，国内也有很多人提出了模块化的智能风扇，主要可以实现风速设置、类型设置、停止设置、无极调速等功能，但功能类似于市面上的智能风扇。

上述不同种类的风扇各有优缺点，若不考虑价格，塔扇和无叶风扇更为安全，且送风更加平稳、柔和，并且外观更加美观、占地面积更小，可能会存在噪音大、送风效率低的缺点，但是就其昂贵的价格和功能而言，显得有些性价比较低。尤其是价格因素扮演着更为重要的作用，是目前家庭普遍使用的是稍微进行过一些创新的智能风扇的原因。在传统风扇基础上进行创新的智能风扇，适用范围更加广泛，可以根据家庭的需要购买具有特定附加功能的风扇，例如：定时控制，温度感应，风速自动调节，睡眠模式，远程控制等。

国内也有人提出了可调电风扇转角的机构，它是通过改变曲柄销的偏心距，一定程度上实现了风扇摇头范围的调整，但是每次必须人工手动调整，类似于重新组装风扇，非专业人士不能完成。

国外也在智能风扇上做了很多的尝试，有利用C8051 F05单片机进行控制，主要实现根据温湿度的自动调节风速和远程遥控功能。还有利用太阳能为动力的智能风扇来实现节能减排。也有近几年比较流行的智能家居模式的智能风扇，它是通过手机来控制家里的风扇，以实现超远程控制。但是这些仅仅局限于功能方面的拓展，可以归类于目前市场上的智能风扇。

虽然目前风扇的功能、外形、作用多种多样，但是目前仍然尚未出现风扇的摆头范围可以根据用户所处范围变化的、更加智能的智能风扇。目前风扇普遍存在且使用户普遍觉得不方便且尚未解决的问题是“风扇的摆头角度固定不变”。

因此，亟待出现一种能解决上述技术问题的智能风扇。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的不足之处，提供一种结构设计简捷，能耗低，能根据用户所处范围的变化来自动调节风扇角度的摆头角度自适应的智能风扇。

一种摆头角度自适应的智能风扇，其特殊之处在于包括用于带动扇叶1旋转及左右摆动的摇摆机构、用于将扇叶1调节至朝向人体所处空间内的调节机构，用于控制扇叶1左右摆动幅度的摆幅控制机构，摇摆机构、调节机构、摆幅控制机构均安装于立柱21上，立柱21底部安装于圆柱形支撑杆15上，支撑杆15外壁上安装有四个处于同一水平面上的热释人体红外传感器14，支撑杆15内部安装有与热释人体红外传感器14相通讯的单片机7，摇摆机构、调节机构、摆幅控制机构均受控于单片机7；

优选的，所述摇摆机构包括一端与扇叶1相连接的扇叶转轴25，扇叶转轴25另一端通过滑块联轴器24与电机13相连接，扇叶转轴25上套设有两个安装座6，安装座6底部安装有第一连杆9，第一连杆9上安装有蜗轮12，扇叶转轴25的部分轴体设计为蜗杆17，旋转的蜗杆17带动蜗轮12转动，蜗轮12中心轴上安装有与蜗轮12联动的第四连杆16，第四连杆16长度方向上开设有滑动槽4，第一推杆18顶部设有与其为一体结构的轴，轴上安装有能沿滑动槽4左右滑动的滑块，第二连杆10一端轴接于第一推杆18的轴上，第二连杆10另一端轴接于第三连杆8的一端，第三连杆8安装于立柱21上，第三连杆8另一端与第一连杆9相轴接；

优选的，所述第一连杆9包括安装于安装座6底部的一字型上连接板9-1，一字型连接板9-1一端设有垂直向下延伸的垂直连接板9-2，垂直连接板9-2底部连接有一字型下连接板9-3，一字型上连接板9-1与一字型下连接板9-3相平行，垂直连接板9-2上设有与其为一体结构且相垂直的一字型中间板9-4，一字型中间板9-4一端安装有电机13，另一端与第三连杆8相轴接；

优选的，所述调节机构包括安装于支撑杆15上的调节电机22，调节电机22连接有减速器23，减速器23带动第一齿轮3转动，第一齿轮3带动第二齿轮2转动，第二齿轮2带动立柱21转动；

优选的，所述摆幅控制机构包括安装于一字型下连接板9-3上的推杆电机5，推杆电机5的输出轴能上下升降，推杆电机5的输出轴上安装有第二推杆20，第二推杆20一端铰接有第三推杆19，第三推杆19一端与第一推杆18相铰接；

优选的，所述第二连杆10、第三连杆8、第四连杆16、第三推杆19均呈一字型，第一推杆18呈L型。

优选的，所述单片机7与红外遥控器11相通讯；

优选的，所述热释人体红外传感器14的型号为HC-SR501 RD-624。

本发明的摆头角度自适应的智能风扇主要是为了使人们感到更加舒适、贴心而设计的。通过红外遥控器11可以远程控制风扇，把风扇的最大摇头范围120度分为4个30度区域，在每个区域内有一个人体红外传感器29检测对应区域30度内是否持续有人，并把检测结果以高低电平的形式发送给51单片机7，51单片机7通过预定的规则处理数据并向推杆电机5发送相应的指令，推杆电机5通过第二推杆20、第三推杆19改变第一推杆18在第四连杆16内的位置从而使四杆机构中一根杆变为指定长度，于是四杆的相对长度就发生了变化，风扇的摇头极限角度也随之发生改变。最后再通过调节电机22改变风扇的初始位置就实现了风扇的摆头角度随人所处的最小范围和位置的改变而变化。

本发明解决了传统风扇的摆头范围固定的问题，可以根据人所在的位置自动调节摆头范围，使人们能够在相同的时间内接受到更多的吹拂，提高了风扇产生风能的使用率。并且采用遥控器11操控，使人可以仅仅动一动手指就可以实现风扇模式和风扇角度的控制。比目前市场上的普通风扇更加智能、高效，使用起来更加方便，可以更加有效地提高能量利用率。

本发明的智能风扇可以利用人体红外传感器来自动扫描人所处的位置，并且自动计算出人所处的最小区间，根据人所处的最小范围改变风扇摆头的最小范围，即实现了风扇摆头范围的变小变大的自动调控，这样避免了风扇长时间的直吹给人带来的不适，同时也避免了风扇一直在一个大的角度范围内转动，使风扇产生的风能在很大范围内不被用户使用，造成了不必要的浪费，本发明改变了风扇中普遍使用的四杆机构，加入摆幅控制机构，使得风扇摇头范围不再是一成不变的，而是根据不同的情况在不同的范围内转动，既可以实现对四杆机构相对长度的实时控制，又不会导致推杆电机跟随滑块转动从而产生绕线问题。

未来的市场产品都是以科技化、智能化为主导的产品，面对日益提高的智能家居要求，摆头角度自适应的智能风扇的设计必然会产生一定的价值。

附图说明

图1：本发明一种摆头角度自适应的智能风扇的结构示意图；

图2：图1的A处放大图；

图3：调节机构的结构示意图；

图4：热释人体红外传感器与单片机、电机的结构框图。

图中： 1、扇叶； 2、第二齿轮； 3、第一次齿轮； 4、滑动槽；5、推杆电机；6、安装座；7、单片机； 8、第三连杆；9、第一连杆；9-1、一字型上连接板；9-2、垂直连接板；9-3、一字型下连接板；9-4、一字型中间板；10、第二连杆； 11、遥控器；12、蜗轮；13、电机； 14、热释人体红外传感器；15、支撑杆；16、第四连杆；17、蜗杆；18、第一推杆；19、第三推杆；20、第二推杆；21、立柱；22、调节电机；23、减速器；24、滑块联轴器；25、扇叶转轴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供一摆头角度自适应的智能风扇，包括用于带动扇叶1旋转及左右摆动的摇摆机构、用于将扇叶1调节至朝向人体所处空间内的调节机构，用于控制扇叶1左右摆动幅度的摆幅控制机构，摇摆机构、调节机构、摆幅控制机构均安装于立柱21上，立柱21底部安装于圆柱形支撑杆15上，支撑杆15外壁上安装有四个处于同一水平面上的热释人体红外传感器14，支撑杆15内部安装有与热释人体红外传感器14相通讯的单片机7，摇摆机构、调节机构、摆幅控制机构均受控于单片机7，单片机7与红外遥控器11相通讯；

摇摆机构的具体结构为：摇摆机构包括一端与扇叶1相连接的扇叶转轴25，扇叶转轴25另一端通过滑块联轴器24与电机13相连接，扇叶转轴25上套设有两个安装座6，安装座6底部安装有第一连杆9，第一连杆9上安装有蜗轮12，扇叶转轴25的部分轴体设计为蜗杆17，旋转的蜗杆17带动蜗轮12转动，蜗轮12中心轴上安装有与蜗轮12联动的第四连杆16，第四连杆16长度方向上开设有滑动槽4，第一推杆18顶部设有与其为一体结构的轴，轴上安装有能沿滑动槽4左右滑动的滑块，第二连杆10一端轴接于第一推杆18的轴上，第二连杆10另一端轴接于第三连杆8的一端，第三连杆8安装于立柱21上，第三连杆8另一端与第一连杆9相轴接；

第一连杆9的具体结构为：第一连杆9包括安装于安装座6底部的一字型上连接板9-1，一字型连接板9-1一端设有垂直向下延伸的垂直连接板9-2，垂直连接板9-2底部连接有一字型下连接板9-3，一字型上连接板9-1与一字型下连接板9-3相平行，垂直连接板9-2上设有与其为一体结构且相垂直的一字型中间板9-4，一字型中间板9-4一端安装有电机13，另一端与第三连杆8相轴接；

调节机构的具体结构为：调节机构包括安装于支撑杆15上的调节电机22，调节电机22连接有减速器23，减速器23带动第一齿轮3转动，第一齿轮3带动第二齿轮2转动，第二齿轮2带动立柱21转动；

摆幅控制机构的具体结构为：摆幅控制机构包括安装于一字型下连接板9-3上的推杆电机5，推杆电机5的输出轴能上下升降，推杆电机5的输出轴上安装有第二推杆20，第二推杆20一端铰接有第三推杆19，第三推杆19一端与第一推杆18相铰接；

第二连杆10、第三连杆8、第四连杆16、第三推杆19均呈一字型，第一推杆18呈L型。

工作原理：假定风扇目前的摆头范围为90度。此时当风扇上的四个热释人体红外传感器14只有一个传感器检测到人，则四个传感器会把信号发送给单片机7，单片机7得知只有一个传感器检测到人，单片机7知道要控制风扇摆头范围变为30度，于是单片机7向推杆电机5发送信号，实现推杆电机5的推杆缩短，带动第三推杆19下端下降，第三推杆19上端左移，带动第一推杆18左移，实现了第一推杆18在第四连杆16内部左移一定距离，改变了四杆的相对长度，也就改变了风扇的摆头范围为30度。但是这个摆动范围的30度并非是人所处的30度，于是单片机7再控制调节电机22实现转动，实现上端整体产生一定角度的转动，转动到人所处的30度。最后单片机7再发信号给电机13控制电机转动，带动扇叶转轴25转动，扇叶转轴25带动蜗杆17转动，蜗杆17带动蜗轮12转动，蜗轮12和第四连杆16一起转动，从而产生第一连杆9绕着第三连杆8的左端的摆动，也就是风扇的摆动。最终实现风扇在人所处的30度范围内持续转动，在持续转动过程中第三连杆8固定不动，第二连杆10绕着第三连杆8的右端转动，第二连杆10也和第四连杆16有相对转动，第一推杆18和第三推杆19在随着第一连杆9摆动的过程中，绕着推杆轴转动。

第一连杆9、第二连杆10、第三连杆8、第四连杆16为四杆机构，分别用a、b、c、d进行表示，风扇的摇头范围由四杆机构的相对长度唯一决定，改变风扇的摆头范围也就可以通过改变摆头机构中四杆的相对长度来实现。

通过UG对铰链四杆机构建模，并逐个依次改变第一连杆9、第二连杆10、第三连杆8、第四连杆16的长度并分别仿真可以清晰的看出在满足机械原理杆长条件下各种组合都可以实现摆头范围的改变，但是还要考虑尽量是结构小巧、美观、调节方便、和变化范围等因素。综上考虑对第四连杆16进行杆长调整更为方便合理。为对此杆进行设计计算，首先测量所拆解风扇的各个杆的实际长度，进而分别参考实际近似选取另外的三根长度不变的杆的杆长如下：第一连杆9：40mm；第二连杆10：70mm ；第三连杆8：65mm。

设第四连杆16杆长d为未知数，结合实际需要，拟定风扇的摆头范围有30度，60度，90度，120度四种变化方案。对上述方程式（1）、（2）、（3），其中杆长d、最大极限位置θmax和最小极限位置θmin为位置变量，而风扇的摆头范围Δθ、杆长a、杆长b、杆长c为已知量。所以只需分别带入所需的风扇的摆头范围Δθ等于30度、60度、90度、120度和a、b、c的值，联立方程式（1）、（2）、（3），就可以求解到四种摆头范围下的所需的黄色杆（d杆）的长度d，最大极限位置θmax和最小极限位置θmin同样也可以求出，但对设计没有实际意义，就不再列出。在a、b、c杆长度已经的情况下，求解得风扇的摆头范围Δθ和对应的杆长d对应关系如下表1所示。

表1摆头范围与杆长的对照表

前面已经计算出了所需风扇摆头范围对应的d杆的实际长度，但是如何实现改变d杆到所需要的长度， 通过以下方案解决：

可以通过控制滑块距离d杆旋转中心的距离，来实现d杆长度(d杆长度实际就是滑块距离d杆旋转中心的距离)的变化。本发明通过第四连杆16（连杆d）结构改进，可以轻松实现d杆长度的变化，不会产生电线缠绕的问题，也不会使连杆d的重量过大给铰接点带来过大的压力。

采用以推杆电机5为动力的滑块机构，通过控制推杆电机5的推杆的长度进而控制d杆上滑块的位置。运动过程中1、推杆电机的推杆轴线和d杆的旋转中心时刻保持同轴，即在风扇摆头过程中滑块相对推杆电机推杆轴线仅有以其为轴线为圆心的转动，可以时刻进行滑块位置的控制，且推杆电机随着摇杆a做摆动，并不会使推杆电机产生周转运动，从而巧妙避免了电机做周转运动带来的电线的缠绕问题。除此之外，把曲柄杆（d杆）的长度控制，转变到摇杆（a杆）上来，降低了对机构的强度要求。

热释人体红外传感器14的型号为HC-SR501 RD-624。该传感器价格低廉，，控制方便，仅有三个I/O口，分别为GND、VCC（直流5V到20V之间都可以）和一根信号线，也就是说仅仅占用单片机的一个I/O口，四个传感器也就占用四个I/O而已，可以很方便的把信号传输给单片机，而且能耗也很低。除此之外，此传感器上还有两个独立的旋钮和一个触发方式的跳线帽。两个独立的旋钮分别可以很方便的对此传感器的检测灵敏度和传感器的间隔检测时间进行调节。而触发方式跳线帽可以方便的切换检测到是否可以重复检测人的位置（摆头角度自适应的智能风扇采用的是可以重复检测人的位置，这种模式更加符合想要实现的全智能实时控制改变风扇摆头角度的预期）。

摆头角度自适应的智能风扇选用这种传感器而不是采用超声波传感器或者一般的红外传感器的原因为：首先超声波传感器和一般的红外传感器不能区别人和不发热物体，若用后两种传感器很容易造成传感器像单片机传输错误信号，导致写入单片机的算法对人所处最小范围的计算错误，最终使风扇的摆头范围错误；其次超声波传感器主要用于距离的检测，并且写入程序的算法相对热释人体红外传感器复杂、程序处理速度慢、硬件响应速度慢，完全不适合需快速检测人所处位置并且快速动作的情况；而一般的红外传感器，通常是点射，通过光的反射检测物体的存在与否，并不像热释人体红外传感器是范围的检测，这样必然会导致需要更多的一般的红外传感器，这样不仅会占用更多的I/O口（因为每多一个红外传感器至少占用一个I/O口）资源，还会增加硬件的成本；若还采用四个一般的红外传感器，显然会因为其点射检测方式导致检测时的漏检测，不能准确的回馈信号，从而不能准确的得出人所处位置的最小范围和调节风扇的最笑摆头范围。

摆头角度自适应的智能风扇主要是为了使人们感到更加舒适、贴心而设计的。通过红外遥控器11可以远程控制风扇为完全智能感应模式、手动遥控模式和传统风扇模式。手动遥控模式：此部分主要由直流减速电机和以一定传动比啮合的一对齿轮组成，可通过遥控器11远程控制位于下端的直流减速电机转动相应的时间，从而实现风扇头部转动到摇头范围120度内任一位置持续吹拂。传统风扇模式：固定摆头范围持续吹拂，不会根据人所处的位置自动调节摆头范围。完全智能感应模式：此部分主要由推杆电机、直流减速电机、多杆机构（由机械部分设计的滑块机构和四杆机构组成），其中滑块机构以推杆电机为动力，可以实现滑块位置的改变。完全智能感应模式的实现过程：把风扇的最大摇头范围120度分为4个30度区域，在每个区域内有一个人体红外传感器检测对应区域30s内是否持续有人，并把检测结果以高低电平的形式发送给51单片机，51单片机通过预定的规则处理数据并向推杆儿电机发送相应的指令，推杆儿电机通过连杆机构改变滑块儿的位置从而使四杆机构中一根杆变为指定长度，于是四杆的相对长度就发生了变化，风扇的摇头极限角度也随之发生改变。最后再通过直流减速电机改变风扇的初始位置就实现了风扇的摆头角度随人所处的最小范围和位置的改变而变化。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种摆头角度自适应的智能风扇，其特征在于包括用于带动扇叶（1）旋转及左右摆动的摇摆机构、用于将扇叶（1）调节至朝向人体所处空间内的调节机构，用于控制扇叶（1）左右摆动幅度的摆幅控制机构，摇摆机构、调节机构、摆幅控制机构均安装于立柱（21）上，立柱（21）底部安装于圆柱形支撑杆（15）上，支撑杆（15）外壁上安装有四个处于同一水平面上的热释人体红外传感器（14），支撑杆（15）内部安装有与热释人体红外传感器（14）相通讯的单片机（7），摇摆机构、调节机构、摆幅控制机构均受控于单片机（7）；

所述摇摆机构包括一端与扇叶（1）相连接的扇叶转轴（25），扇叶转轴（25）另一端通过滑块联轴器（24）与电机（13）相连接，扇叶转轴（25）上套设有两个安装座（6），安装座（6）底部安装有第一连杆（9），第一连杆（9）上安装有蜗轮（12），扇叶转轴（25）的部分轴体设计为蜗杆（17），旋转的蜗杆（17）带动蜗轮（12）转动，蜗轮（12）中心轴上安装有与蜗轮（12）联动的第四连杆（16），第四连杆（16）长度方向上开设有滑动槽（4），第一推杆（18）顶部设有与其为一体结构的轴，轴上安装有能沿滑动槽（4）左右滑动的滑块，第二连杆（10）一端轴接于第一推杆（18）的轴上，第二连杆（10）另一端轴接于第三连杆（8）的一端，第三连杆（8）安装于立柱（21）上，第三连杆8另一端与第一连杆（9）相轴接。

2.按照权利要求1所述的一种摆头角度自适应的智能风扇，其特征在于所述第一连杆（9）包括安装于安装座（6）底部的一字型上连接板（9-1），一字型连接板（9-1）一端设有垂直向下延伸的垂直连接板（9-2），垂直连接板（9-2）底部连接有一字型下连接板（9-3），一字型上连接板（9-1）与一字型下连接板（9-3）相平行，垂直连接板（9-2）上设有与其为一体结构且相垂直的一字型中间板（9-4），一字型中间板（9-4）一端安装有电机（13），另一端与第三连杆（8）相轴接。

3.按照权利要求1所述的一种摆头角度自适应的智能风扇，其特征在于所述调节机构包括安装于支撑杆（15）上的调节电机（22），调节电机（22）连接有减速器（23），减速器（23）带动第一齿轮（3）转动，第一齿轮（3）带动第二齿轮（2）转动，第二齿轮（2）带动立柱（21）转动。

4.按照权利要求2所述的一种摆头角度自适应的智能风扇，其特征在于所述摆幅控制机构包括安装于一字型下连接板（9-3）上的推杆电机（5），推杆电机（5）的输出轴能上下升降，推杆电机（5）的输出轴上安装有第二推杆（20），第二推杆（20）一端铰接有第三推杆（19），第三推杆（19）一端与第一推杆（18）相铰接。

5.按照权利要求2所述的一种摆头角度自适应的智能风扇，其特征在于所述第二连杆（10）、第三连杆（8）、第四连杆（16）、第三推杆（19）均呈一字型，第一推杆（18）呈L型。

6.按照权利要求1所述的一种摆头角度自适应的智能风扇，其特征在于所述单片机（7）与红外遥控器（11）相通讯。

7.按照权利要求1所述的一种摆头角度自适应的智能风扇，其特征在于所述热释人体红外传感器（14）的型号为HC-SR501 RD-624。

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