模糊控制全自動洗衣機

1、模糊控制全自動洗衣機論文2013-5-21模糊控制全自動洗衣機摘 要：本文介紹模糊控制在全自動洗衣機中的應(yīng)用，包括模糊全自動洗衣機的模糊推理、物理量檢測以及它的洗衣過程和控制電路。其中控制電路是以單片機為控制電路核心，其主要由電源電路、狀態(tài)檢測電路、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；全自動洗衣機；單片機；傳感器；檢測；隸屬函數(shù)；前言開發(fā)最早的模糊家電產(chǎn)品是洗衣機，洗衣機一般要根據(jù)洗衣量的大小、衣物的污垢程度、衣物的質(zhì)量性質(zhì)、水溫的高低來決定洗滌的時間、水流的強弱、洗滌劑的用量等。一個有經(jīng)驗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)計一個“按鈕”洗衣機，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、夏普等電器公司競相占領(lǐng)了這個市場，先后推出了多種智能的模糊洗衣機。據(jù)說，這些洗衣機在其他相同的情況下，可以比普通洗衣機提高洗凈度20%，幾乎可以達到一個有洗衣經(jīng)驗的主婦的水平。下面以一種模糊控制洗衣機為例，來分析其實現(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、機械力的大小和作用時間等。 衣服的質(zhì)料一般衣服質(zhì)料纖維可分為兩大類：

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污垢。水的硬度在用肥皂時也會影響洗滌效果，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，否則高溫會把附在衣服上的蛋白質(zhì)凝固，反而會影響洗滌效果。 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 模糊洗衣機的

4、結(jié)構(gòu)和檢測1) 結(jié)構(gòu)圖2是一種模糊控制洗衣機的結(jié)構(gòu)。它由洗滌缸、電動機、攪拌輪、給水閥、排水閥和各種傳感器構(gòu)成。要對洗衣機進行控制，首先要用各種傳感器不斷地檢測相關(guān)的狀態(tài)，以作為控制的依據(jù)。這些都是模糊洗衣機實用化需要解決的重要相關(guān)工程問題。下面介紹模糊控制洗衣機中所用到的各種參數(shù)的檢測原理和技術(shù)，在檢測中要用到負載傳感器、水位傳感器、水溫傳感器和光電傳感器等。 圖2全自動洗衣機的結(jié)構(gòu)2) 檢測 負載檢測 它主要用來檢測所洗衣服的重量。以決定水位。這可以用不同的方式來實現(xiàn)。最容易想到的方法是用靜態(tài)的壓力傳感器直接測量，但從成本和結(jié)構(gòu)上來說，它并不實用。目前一般用動態(tài)的間接測量方法，這是通過檢測

5、電動機的負載來實現(xiàn)的，電動機的負載可用正常運轉(zhuǎn)時的驅(qū)動電流來計量，也可用電動機斷電后的反電動勢的大小以及波形來計量。以計量斷電后反電動勢為例，其檢測的原理是：在桶內(nèi)加衣服的同時，放少量的水至負載量檢測水位，然后脈動器驅(qū)動電動機以0.3sON（接通）、0.7sOFF（斷開）總共32s重復(fù)進行工作。由于慣性的作用，當(dāng)電源切斷時，電動機還會繼續(xù)旋轉(zhuǎn)一段時間，此時，在電動機兩端就產(chǎn)生感應(yīng)電動勢（反電動勢）。當(dāng)洗衣機內(nèi)布量少時，攪拌輪停止得慢，而當(dāng)布量多時，電動機較快就停止了。根據(jù)電動機兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢持續(xù)時間，就可測量布量的多少。將電動機兩端產(chǎn)生的反向電壓，經(jīng)過波形整理，作為低壓脈沖，輸入微機，微

6、機根據(jù)脈沖個數(shù)就可判定布量。洗滌物的量多時，脈沖數(shù)小；洗滌物的量少時，脈沖數(shù)變大。計數(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)料檢測質(zhì)料檢測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，這是一個很難的問題，但是實際問題并不是要高精度地檢測質(zhì)料，而只是要個大概區(qū)分即可。所以可以用簡單的方法來處理，具體的方法是：在檢測負載的基礎(chǔ)上，把水放掉一點，同樣，用開0.3s、關(guān)0.7s的秒沖電壓驅(qū)動電動機32s，記下脈沖數(shù)為N；若檢測負載的脈沖數(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，兩次測量脈沖數(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，化纖因為在水里的阻力小，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，但是對于像毛巾這樣的柔軟布料與牛仔布類的硬厚布料，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配合測量。具體方法是：在注水進行脈沖驅(qū)動

8、32s后，比較啟動前后水的變化量。若變化量小，說明布料容易吸水，傾向于毛巾類布料，反之可能是牛仔類厚布料。這是因為厚布料吸水慢，往往要攪動一段時間后才能充分吸水。這就會使水位變化量大。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 污濁度檢測被洗衣物的污濁度檢測是通過水的透光度檢測間接實現(xiàn)的。水的透光度是用光電傳感器實現(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，透過水被光敏管接收，接收的強度就反映了水的透明度。這是一種間接測量衣物污垢的方法，因為衣物臟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，最后就有一個飽和的穩(wěn)定值。根據(jù)透光率的變化形態(tài)和過程，可以知道污垢的性質(zhì)和程度。對于泥污類的污垢，由于分離的快，較早進入水中，故透光率進入飽和狀態(tài)的時間較短；而油污垢相對分解較慢，因此透光率的變化速率小，達到飽和值的時間也較長。從原理上來說，這種檢測方法是沒有問題的，但是從工程角度來說，還是有問題的。因為隨著使用時間的增加，水中的污垢或雜質(zhì)會很快沉積在透明管子壁上，引起透明度下降，造成檢測不準，嚴重時會完全不能工作。因此盡管日本多家公司聲稱使用了這種光電檢測技術(shù)，但是不認真

10、解決上述“掛壁”問題，全自動洗衣機的壽命就會成問題。 水位檢測水位檢測是用一種專用水位傳感器實現(xiàn)的。這種水位傳感器是一根與洗衣機缸體等高的空管，它與缸體構(gòu)成一個連通器，空管的上端有一個用壓力膜隔開的差動電感器，當(dāng)缸中有水注入時，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)動的鐵心移動，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。這個傳感器既可用于配合以上布料軟硬度的檢測，同時也可作為水位控制依據(jù)的檢測裝置。 水溫檢測 水溫檢測是通過熱敏電阻來測量的，它把洗衣機啟動時的溫度作為當(dāng)時的室溫，然后再檢測給水的溫度，以作為洗衣條件之一。3 控制電路圖8是模糊全自動洗

11、衣機的控制電路?？刂齐娐芬詥纹瑱C為中樞，由負載量檢測電路、溫度檢測電路、水位檢測電路、顯示電路、鍵盤矩陣變換電路等構(gòu)成，全部由單片機進行集中控制。圖8模糊控制洗衣機電路框圖1) 單片機單片機的基本規(guī)格如下：a) 處理位數(shù)：4位。b) ROM：12KB。c) RAM：512B。d) 循環(huán)時間：1s。2) 負載量檢測電路光耦合器與電力電容器并聯(lián)安裝于電動機兩端，取出由電動機慣性旋轉(zhuǎn)所發(fā)出的電，根據(jù)電動機電源斷開時的光耦合器的輸出脈沖數(shù)的大小，可測定負載量。3) 溫度檢測電路通過A/D變換電路，將熱敏電阻的電壓輸入到單片機。4) 水位檢測電路該電路的結(jié)構(gòu)原理是振蕩頻率隨水位的變化而變化。采用單片機的

12、信號計數(shù)器測定頻率。5) 顯示電路采用7段LED顯示時刻、洗滌結(jié)束之前的剩余時間、預(yù)定時間。采用普通發(fā)光二極管進行洗滌過程顯示、行程顯示、水位顯示等。6) 鍵盤矩陣變換電路 操作鍵盤設(shè)置在膜片式開關(guān)上。4 模糊控制實現(xiàn)方法(1) 基本結(jié)構(gòu)和控制過程 圖9是模糊控制洗衣機控制結(jié)構(gòu)。它利用負載、質(zhì)料、水位、水溫和氣溫以及洗滌劑類型等檢測所得到的信息，進行分段評估計算，使其模糊化，再根據(jù)模糊規(guī)則進行推理，最后根據(jù)所激活的規(guī)則進行解模糊判決，以決定最適當(dāng)?shù)拿鞔_的水流、水位、洗滌時間、清洗時間以及脫水時間。圖9模糊控制洗衣機控制結(jié)構(gòu)(2) 模糊規(guī)則a) 輸入變量（分三級）布量（負載）：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）水流強度：特強、強、中、弱。洗滌時間：特長、長、中、短。c) 模糊規(guī)則 根據(jù)輸入變量和輸出變量的分級組合，對于水流強度和洗滌時間就可以用以下的27條模糊規(guī)則表示。規(guī)則1：如果負載小，質(zhì)料化纖制品偏多，且水溫偏高，那么就將水流調(diào)弱，洗滌時間調(diào)短。規(guī)則2：如果負載大，質(zhì)料棉制品偏多，且水溫偏高，那么就將水流調(diào)強，洗滌時間調(diào)長。以此類推，可寫出其他規(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度和洗滌時間的隸屬函數(shù)。圖12輸出變量的隸屬函數(shù)(4) 解模糊判決結(jié)果經(jīng)過多次反復(fù)實驗與模擬操作，最后對洗滌時間和水流確定了264種席地控制方法，據(jù)此又細分成如下的洗滌控制：a) 水流9種；b) 洗滌時間16種；c) 清洗時間6種；d) 脫水時間6種。經(jīng)過實驗對比，這種模糊控制的全自動洗衣機在5時，比一般洗衣機可提高洗凈度20%，并可以避免衣物過度洗滌而遭到損傷，或者未能充分洗滌而去不掉污垢，既節(jié)約了時間又節(jié)約了能源。參考文獻1黃布毅，劉獻心模糊控制技術(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