模糊控制全自動洗衣機(jī)分解

1、模糊控制全自動洗衣機(jī)論文2013-5-21模糊控制全自動洗衣機(jī)摘 要 ：本文介紹模糊控制在全自動洗衣機(jī)中的應(yīng)用，包括模糊全自動 洗衣機(jī)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(jī)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(jī)；單片機(jī)；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(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)、水溫的高低來決定洗滌的時間、 水流的強(qiáng)弱、洗滌劑的用量等。 一個有經(jīng)驗(yàn)的家庭主婦能夠把

2、衣物洗得干 干凈凈又不損壞衣料而且又節(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(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(jī)。 據(jù)說，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

3、少、 機(jī)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：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

4、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(jī)的結(jié)構(gòu)和檢測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、電動機(jī)、攪拌 輪、給水閥、排水閥和各種傳感器構(gòu)成。要對洗衣機(jī)進(jìn)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(jī)實(shí)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(jī)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(fù)載傳感器、水位傳感器、水溫傳感器 和光電傳感器等。圖 2 全自動洗衣機(jī)的結(jié)構(gòu)2） 檢測 負(fù)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(shí)現(xiàn)。最容易想到的方

5、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(shí)用。 目前一般用動態(tài)的間接測量方法， 這是通過檢測電動機(jī)的負(fù)載來實(shí)現(xiàn)的，電動機(jī)的負(fù)載可用正常運(yùn)轉(zhuǎn)時 的驅(qū)動電流來計量，也可用電動機(jī)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(fù)載量檢測水位，然后脈動器驅(qū)動電動機(jī)以 0.3sON（接通）、 0.7sOFF（斷開）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，電動機(jī)還會繼續(xù)旋轉(zhuǎn)一段時間，此時，在電 動機(jī)兩端就產(chǎn)生感應(yīng)電動勢（反電動勢）。當(dāng)洗衣機(jī)內(nèi)布量少時，攪 拌輪停止得慢，而當(dāng)布量多時，電動機(jī)較快就

6、停止了。根據(jù)電動機(jī)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(jī)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(jī)，微機(jī)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)??；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。 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(shí)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(fù)載的基礎(chǔ)上， 把水放掉一點(diǎn)， 同樣， 用開 0.3s 、關(guān) 0.7s 的秒沖電壓驅(qū)動電動機(jī) 32s，記下脈沖

7、數(shù)為 N；若 檢測負(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?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

8、，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(jìn)行脈沖驅(qū)動 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?yàn)楹癫剂衔?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(shí)現(xiàn)的。水的透光度是用光電傳感器實(shí)現(xiàn)的。

9、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(qiáng)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?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 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(jìn)入水中， 故透光率進(jìn)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

10、化速率小，達(dá)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?yàn)殡S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(zhǔn)， 嚴(yán)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(rèn)真解 決上述“掛壁”問題，全自動洗衣機(jī)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(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

11、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(jī)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(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： 1

12、2KB。c) RAM： 512B。d) 循環(huán)時間： 1 s。2) 負(fù)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(jī)兩端，取出由電動機(jī)慣性 旋轉(zhuǎn)所發(fā)出的電，根據(jù)電動機(jī)電源斷開時的光耦合器的輸出脈沖數(shù)的大 小，可測定負(fù)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(jī)。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(jī)的 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(jìn)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(shí)現(xiàn)方

13、法(1) 基本結(jié)構(gòu)和控制過程圖 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 氣溫以及洗滌劑類型等檢測所得到的信息， 進(jìn)行分段評估計算， 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、洗滌時間、清洗時間以及脫水時間。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)布量(負(fù)載)：多、中、少布質(zhì)：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(qiáng)度：特強(qiáng)、強(qiáng)、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，

14、 對于水流強(qiáng)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(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) 、(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(shí)驗(yàn)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(xì)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(shí)驗(yàn)對比， 這種模糊控制的全自動洗衣機(jī)在 5時，比一般洗衣 機(jī)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(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 澤洗衣機(jī)的模糊控