模糊控制全自動(dòng)洗衣機(jī)

1、模糊控制全自動(dòng)洗衣機(jī)論文2013-5-21模糊控制全自動(dòng)洗衣機(jī)摘 要：本文介紹模糊控制在全自動(dòng)洗衣機(jī)中的應(yīng)用，包括模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)的模糊推理、物理量檢測(cè)以及它的洗衣過(guò)程和控制電路。其中控制電路是以單片機(jī)為控制電路核心，其主要由電源電路、狀態(tài)檢測(cè)電路、顯示電路和輸出控制電路組成，分別介紹了各控制電路的工作原理和控制元件的組成。關(guān)鍵詞：模糊控制；全自動(dòng)洗衣機(jī)；單片機(jī)；傳感器；檢測(cè)；隸屬函數(shù)；前言開(kāi)發(fā)最早的模糊家電產(chǎn)品是洗衣機(jī)，洗衣機(jī)一般要根據(jù)洗衣量的大小、衣物的污垢程度、衣物的質(zhì)量性質(zhì)、水溫的高低來(lái)決定洗滌的時(shí)間、水流的強(qiáng)弱、洗滌劑的用量等。一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的家庭主婦能夠把衣物洗得干干凈凈又不損壞衣料而

2、且又節(jié)水、電，這并不是任何人都能夠做到的。因此設(shè)計(jì)一個(gè)“按鈕”洗衣機(jī)，它能夠根據(jù)具體的洗滌情況去調(diào)節(jié)洗滌水流、洗滌時(shí)間等，把衣物洗得干凈清爽是人們所向往的。日本松下、日立、三洋、東芝、夏普等電器公司競(jìng)相占領(lǐng)了這個(gè)市場(chǎng)，先后推出了多種智能的模糊洗衣機(jī)。據(jù)說(shuō)，這些洗衣機(jī)在其他相同的情況下，可以比普通洗衣機(jī)提高洗凈度20%，幾乎可以達(dá)到一個(gè)有洗衣經(jīng)驗(yàn)的主婦的水平。下面以一種模糊控制洗衣機(jī)為例，來(lái)分析其實(shí)現(xiàn)的原理和方法。1 洗衣條件要把衣服洗干凈，去除污垢，與如下一些因素有關(guān):衣服的質(zhì)料、水的硬度、水的多少和溫度、洗滌劑的性能和多少、機(jī)械力的大小和作用時(shí)間等。 衣服的質(zhì)料一般衣服質(zhì)料纖維可分為兩大類(lèi)：

3、自然纖維的棉制品和人造化學(xué)纖維織品。棉制品的污垢不僅在表面上，而且還滲透纖維內(nèi)，所以棉制品要比化學(xué)纖維織品難洗。 水水可以帶走一般的灰塵和水溶性污垢，所以不用洗滌劑也可以洗去部分污垢。但是由于表面張力的緣故，水不能溶去和分解油脂類(lèi)污垢。水的硬度在用肥皂時(shí)也會(huì)影響洗滌效果，但影響最大的還是水的溫度，在一定的范圍內(nèi)溫度越高洗滌效果越好。下圖是水溫和洗凈力之間的關(guān)系曲線，然而溫度不能太高，否則高溫會(huì)把附在衣服上的蛋白質(zhì)凝固，反而會(huì)影響洗滌效果。 圖1 水溫與洗凈力之間的關(guān)系曲線 洗滌劑洗滌劑的成分主要以烷基苯活性劑為主，不同的洗滌劑還會(huì)調(diào)加各種不同的輔助劑、酵素、熒光增白劑、香料等。2 模糊洗衣機(jī)的

4、結(jié)構(gòu)和檢測(cè)1) 結(jié)構(gòu)圖2是一種模糊控制洗衣機(jī)的結(jié)構(gòu)。它由洗滌缸、電動(dòng)機(jī)、攪拌輪、給水閥、排水閥和各種傳感器構(gòu)成。要對(duì)洗衣機(jī)進(jìn)行控制，首先要用各種傳感器不斷地檢測(cè)相關(guān)的狀態(tài)，以作為控制的依據(jù)。這些都是模糊洗衣機(jī)實(shí)用化需要解決的重要相關(guān)工程問(wèn)題。下面介紹模糊控制洗衣機(jī)中所用到的各種參數(shù)的檢測(cè)原理和技術(shù)，在檢測(cè)中要用到負(fù)載傳感器、水位傳感器、水溫傳感器和光電傳感器等。 圖2全自動(dòng)洗衣機(jī)的結(jié)構(gòu)2) 檢測(cè) 負(fù)載檢測(cè) 它主要用來(lái)檢測(cè)所洗衣服的重量。以決定水位。這可以用不同的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。最容易想到的方法是用靜態(tài)的壓力傳感器直接測(cè)量，但從成本和結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，它并不實(shí)用。目前一般用動(dòng)態(tài)的間接測(cè)量方法，這是通過(guò)檢測(cè)

5、電動(dòng)機(jī)的負(fù)載來(lái)實(shí)現(xiàn)的，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載可用正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流來(lái)計(jì)量，也可用電動(dòng)機(jī)斷電后的反電動(dòng)勢(shì)的大小以及波形來(lái)計(jì)量。以計(jì)量斷電后反電動(dòng)勢(shì)為例，其檢測(cè)的原理是：在桶內(nèi)加衣服的同時(shí)，放少量的水至負(fù)載量檢測(cè)水位，然后脈動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)以0.3sON（接通）、0.7sOFF（斷開(kāi)）總共32s重復(fù)進(jìn)行工作。由于慣性的作用，當(dāng)電源切斷時(shí)，電動(dòng)機(jī)還會(huì)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)一段時(shí)間，此時(shí)，在電動(dòng)機(jī)兩端就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（反電動(dòng)勢(shì)）。當(dāng)洗衣機(jī)內(nèi)布量少時(shí)，攪拌輪停止得慢，而當(dāng)布量多時(shí)，電動(dòng)機(jī)較快就停止了。根據(jù)電動(dòng)機(jī)兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)持續(xù)時(shí)間，就可測(cè)量布量的多少。將電動(dòng)機(jī)兩端產(chǎn)生的反向電壓，經(jīng)過(guò)波形整理，作為低壓脈沖，輸入微機(jī)，微

6、機(jī)根據(jù)脈沖個(gè)數(shù)就可判定布量。洗滌物的量多時(shí)，脈沖數(shù)??；洗滌物的量少時(shí)，脈沖數(shù)變大。計(jì)數(shù)脈沖與衣物質(zhì)量關(guān)系曲線如圖3所示。圖3脈沖數(shù)與布量關(guān)系曲線 質(zhì)料檢測(cè)質(zhì)料檢測(cè)包括棉制品與化纖織品的區(qū)分以及柔軟布料與粗厚布料的區(qū)分。初看起來(lái)，這是一個(gè)很難的問(wèn)題，但是實(shí)際問(wèn)題并不是要高精度地檢測(cè)質(zhì)料，而只是要個(gè)大概區(qū)分即可。所以可以用簡(jiǎn)單的方法來(lái)處理，具體的方法是：在檢測(cè)負(fù)載的基礎(chǔ)上，把水放掉一點(diǎn)，同樣，用開(kāi)0.3s、關(guān)0.7s的秒沖電壓驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)32s，記下脈沖數(shù)為N；若檢測(cè)負(fù)載的脈沖數(shù)是M，那么根據(jù)N、M的值就可以判斷質(zhì)料分布的大題情況。棉制品越多，N、M的值越大，反之越小。圖4表示棉制品與化纖制品比例不

7、同時(shí)，兩次測(cè)量脈沖數(shù)的關(guān)系曲線。圖4棉制品與化纖織品的辨別曲線判斷的原理是這樣的:當(dāng)衣物質(zhì)量一樣時(shí)，化纖因?yàn)樵谒锏淖枇π?，M就大。而棉制品在水里的阻力大，M就小，所以曲線是一條斜線。當(dāng)放掉一些水后，不管缸里是化纖還是棉制品，總質(zhì)量輕了，所以第二次測(cè)量的N值就比第一次的M值大。再放掉一部分水后，衣服在水中的部分變少，棉制品與化纖的阻力差變小，曲線變得平坦。如果水全部放光，則曲線就變成一條水平線，因此從M與N的差可以看出洗滌的布質(zhì)。同樣都是棉制品，但是對(duì)于像毛巾這樣的柔軟布料與牛仔布類(lèi)的硬厚布料，其洗滌方法也是不同的，如何加以區(qū)分呢？那就是要用水位傳感器來(lái)配合測(cè)量。具體方法是：在注水進(jìn)行脈沖驅(qū)動(dòng)

8、32s后，比較啟動(dòng)前后水的變化量。若變化量小，說(shuō)明布料容易吸水，傾向于毛巾類(lèi)布料，反之可能是牛仔類(lèi)厚布料。這是因?yàn)楹癫剂衔?，往往要攪?dòng)一段時(shí)間后才能充分吸水。這就會(huì)使水位變化量大。圖5是在這兩種情況下水位變化曲線。圖5柔軟布料與硬厚布料的水位變化曲線 污濁度檢測(cè)被洗衣物的污濁度檢測(cè)是通過(guò)水的透光度檢測(cè)間接實(shí)現(xiàn)的。水的透光度是用光電傳感器實(shí)現(xiàn)的。它被安排在排水出口，發(fā)光二極管和光敏管分別相對(duì)安裝在管子的兩邊。發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)聚焦后，透過(guò)水被光敏管接收，接收的強(qiáng)度就反映了水的透明度。這是一種間接測(cè)量衣物污垢的方法，因?yàn)橐挛锱K的程度與洗滌水的污濁度相關(guān)。它的輸出變化曲線如圖6和圖7所示。圖6

9、輕重污垢透光率變化圖7油泥污垢透光率變化從圖6和圖7可知，開(kāi)始注入清水，透明度很高，隨著污垢析出，水逐漸變濁，透明度下降，最后就有一個(gè)飽和的穩(wěn)定值。根據(jù)透光率的變化形態(tài)和過(guò)程，可以知道污垢的性質(zhì)和程度。對(duì)于泥污類(lèi)的污垢，由于分離的快，較早進(jìn)入水中，故透光率進(jìn)入飽和狀態(tài)的時(shí)間較短；而油污垢相對(duì)分解較慢，因此透光率的變化速率小，達(dá)到飽和值的時(shí)間也較長(zhǎng)。從原理上來(lái)說(shuō)，這種檢測(cè)方法是沒(méi)有問(wèn)題的，但是從工程角度來(lái)說(shuō)，還是有問(wèn)題的。因?yàn)殡S著使用時(shí)間的增加，水中的污垢或雜質(zhì)會(huì)很快沉積在透明管子壁上，引起透明度下降，造成檢測(cè)不準(zhǔn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)完全不能工作。因此盡管日本多家公司聲稱使用了這種光電檢測(cè)技術(shù)，但是不認(rèn)真

10、解決上述“掛壁”問(wèn)題，全自動(dòng)洗衣機(jī)的壽命就會(huì)成問(wèn)題。 水位檢測(cè)水位檢測(cè)是用一種專用水位傳感器實(shí)現(xiàn)的。這種水位傳感器是一根與洗衣機(jī)缸體等高的空管，它與缸體構(gòu)成一個(gè)連通器，空管的上端有一個(gè)用壓力膜隔開(kāi)的差動(dòng)電感器，當(dāng)缸中有水注入時(shí)，管內(nèi)的空氣被壓縮使壓力膜上壓力增大，繼而推到與它聯(lián)動(dòng)的鐵心移動(dòng)，引起線圈電感量的變化。用此電感器構(gòu)成的LC振蕩器的頻率就能反映水位的高低。這個(gè)傳感器既可用于配合以上布料軟硬度的檢測(cè)，同時(shí)也可作為水位控制依據(jù)的檢測(cè)裝置。 水溫檢測(cè) 水溫檢測(cè)是通過(guò)熱敏電阻來(lái)測(cè)量的，它把洗衣機(jī)啟動(dòng)時(shí)的溫度作為當(dāng)時(shí)的室溫，然后再檢測(cè)給水的溫度，以作為洗衣條件之一。3 控制電路圖8是模糊全自動(dòng)洗

11、衣機(jī)的控制電路。控制電路以單片機(jī)為中樞，由負(fù)載量檢測(cè)電路、溫度檢測(cè)電路、水位檢測(cè)電路、顯示電路、鍵盤(pán)矩陣變換電路等構(gòu)成，全部由單片機(jī)進(jìn)行集中控制。圖8模糊控制洗衣機(jī)電路框圖1) 單片機(jī)單片機(jī)的基本規(guī)格如下：a) 處理位數(shù)：4位。b) ROM：12KB。c) RAM：512B。d) 循環(huán)時(shí)間：1s。2) 負(fù)載量檢測(cè)電路光耦合器與電力電容器并聯(lián)安裝于電動(dòng)機(jī)兩端，取出由電動(dòng)機(jī)慣性旋轉(zhuǎn)所發(fā)出的電，根據(jù)電動(dòng)機(jī)電源斷開(kāi)時(shí)的光耦合器的輸出脈沖數(shù)的大小，可測(cè)定負(fù)載量。3) 溫度檢測(cè)電路通過(guò)A/D變換電路，將熱敏電阻的電壓輸入到單片機(jī)。4) 水位檢測(cè)電路該電路的結(jié)構(gòu)原理是振蕩頻率隨水位的變化而變化。采用單片機(jī)的

12、信號(hào)計(jì)數(shù)器測(cè)定頻率。5) 顯示電路采用7段LED顯示時(shí)刻、洗滌結(jié)束之前的剩余時(shí)間、預(yù)定時(shí)間。采用普通發(fā)光二極管進(jìn)行洗滌過(guò)程顯示、行程顯示、水位顯示等。6) 鍵盤(pán)矩陣變換電路 操作鍵盤(pán)設(shè)置在膜片式開(kāi)關(guān)上。4 模糊控制實(shí)現(xiàn)方法(1) 基本結(jié)構(gòu)和控制過(guò)程 圖9是模糊控制洗衣機(jī)控制結(jié)構(gòu)。它利用負(fù)載、質(zhì)料、水位、水溫和氣溫以及洗滌劑類(lèi)型等檢測(cè)所得到的信息，進(jìn)行分段評(píng)估計(jì)算，使其模糊化，再根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行推理，最后根據(jù)所激活的規(guī)則進(jìn)行解模糊判決，以決定最適當(dāng)?shù)拿鞔_的水流、水位、洗滌時(shí)間、清洗時(shí)間以及脫水時(shí)間。圖9模糊控制洗衣機(jī)控制結(jié)構(gòu)(2) 模糊規(guī)則a) 輸入變量（分三級(jí)）布量（負(fù)載）：多、中、少。布質(zhì)：

13、棉制品偏多、棉和化纖制品各半、化纖制品偏多。水溫：偏高、中等、偏低。b) 輸出變量（分四級(jí)）水流強(qiáng)度：特強(qiáng)、強(qiáng)、中、弱。洗滌時(shí)間：特長(zhǎng)、長(zhǎng)、中、短。c) 模糊規(guī)則 根據(jù)輸入變量和輸出變量的分級(jí)組合，對(duì)于水流強(qiáng)度和洗滌時(shí)間就可以用以下的27條模糊規(guī)則表示。規(guī)則1：如果負(fù)載小，質(zhì)料化纖制品偏多，且水溫偏高，那么就將水流調(diào)弱，洗滌時(shí)間調(diào)短。規(guī)則2：如果負(fù)載大，質(zhì)料棉制品偏多，且水溫偏高，那么就將水流調(diào)強(qiáng)，洗滌時(shí)間調(diào)長(zhǎng)。以此類(lèi)推，可寫(xiě)出其他規(guī)則，表10是輸出與輸入變量之間關(guān)系的模糊控制規(guī)則。表10模糊控制規(guī)則(3) 模糊控制隸屬函數(shù)采用最簡(jiǎn)單的三角隸屬函數(shù)表示。a) 輸入變量 圖11(a)、(b)、(

14、c)分別表示輸入變量負(fù)載、水溫和布質(zhì)的隸屬函數(shù)。圖11輸入變量的隸屬函數(shù)b) 輸出變量 圖12(a)、(b)分別表示輸出變量水流強(qiáng)度和洗滌時(shí)間的隸屬函數(shù)。圖12輸出變量的隸屬函數(shù)(4) 解模糊判決結(jié)果經(jīng)過(guò)多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)與模擬操作，最后對(duì)洗滌時(shí)間和水流確定了264種席地控制方法，據(jù)此又細(xì)分成如下的洗滌控制：a) 水流9種；b) 洗滌時(shí)間16種；c) 清洗時(shí)間6種；d) 脫水時(shí)間6種。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，這種模糊控制的全自動(dòng)洗衣機(jī)在5時(shí)，比一般洗衣機(jī)可提高洗凈度20%，并可以避免衣物過(guò)度洗滌而遭到損傷，或者未能充分洗滌而去不掉污垢，既節(jié)約了時(shí)間又節(jié)約了能源。參考文獻(xiàn)1黃布毅，劉獻(xiàn)心模糊控制技術(shù)在家用電冰箱上的應(yīng)用J。家用電器科技，1996，（5）：31-33。2 周