模糊控制全自动洗衣机

1、模糊控制全自动洗衣机论文2013-5-21模糊控制全自动洗衣机摘 要：本文介绍模糊控制在全自动洗衣机中的应用，包括模糊全自动洗衣机的模糊推理、物理量检测以及它的洗衣过程和控制电路。其中控制电路是以单片机为控制电路核心，其主要由电源电路、状态检测电路、显示电路和输出控制电路组成，分别介绍了各控制电路的工作原理和控制元件的组成。关键词：模糊控制；全自动洗衣机；单片机；传感器；检测；隶属函数；前言开发最早的模糊家电产品是洗衣机，洗衣机一般要根据洗衣量的大小、衣物的污垢程度、衣物的质量性质、水温的高低来决定洗涤的时间、水流的强弱、洗涤剂的用量等。一个有经验的家庭主妇能够把衣物洗得干干净净又不损坏衣料而

2、且又节水、电，这并不是任何人都能够做到的。因此设计一个“按钮”洗衣机，它能够根据具体的洗涤情况去调节洗涤水流、洗涤时间等，把衣物洗得干净清爽是人们所向往的。日本松下、日立、三洋、东芝、夏普等电器公司竞相占领了这个市场，先后推出了多种智能的模糊洗衣机。据说，这些洗衣机在其他相同的情况下，可以比普通洗衣机提高洗净度20%，几乎可以达到一个有洗衣经验的主妇的水平。下面以一种模糊控制洗衣机为例，来分析其实现的原理和方法。1 洗衣条件要把衣服洗干净，去除污垢，与如下一些因素有关:衣服的质料、水的硬度、水的多少和温度、洗涤剂的性能和多少、机械力的大小和作用时间等。 衣服的质料一般衣服质料纤维可分为两大类：

3、自然纤维的棉制品和人造化学纤维织品。棉制品的污垢不仅在表面上，而且还渗透纤维内，所以棉制品要比化学纤维织品难洗。 水水可以带走一般的灰尘和水溶性污垢，所以不用洗涤剂也可以洗去部分污垢。但是由于表面张力的缘故，水不能溶去和分解油脂类污垢。水的硬度在用肥皂时也会影响洗涤效果，但影响最大的还是水的温度，在一定的范围内温度越高洗涤效果越好。下图是水温和洗净力之间的关系曲线，然而温度不能太高，否则高温会把附在衣服上的蛋白质凝固，反而会影响洗涤效果。图1 水温与洗净力之间的关系曲线 洗涤剂洗涤剂的成分主要以烷基苯活性剂为主，不同的洗涤剂还会调加各种不同的辅助剂、酵素、荧光增白剂、香料等。2 模糊洗衣机的结

4、构和检测1) 结构图2是一种模糊控制洗衣机的结构。它由洗涤缸、电动机、搅拌轮、给水阀、排水阀和各种传感器构成。要对洗衣机进行控制，首先要用各种传感器不断地检测相关的状态，以作为控制的依据。这些都是模糊洗衣机实用化需要解决的重要相关工程问题。下面介绍模糊控制洗衣机中所用到的各种参数的检测原理和技术，在检测中要用到负载传感器、水位传感器、水温传感器和光电传感器等。图2全自动洗衣机的结构2) 检测 负载检测它主要用来检测所洗衣服的重量。以决定水位。这可以用不同的方式来实现。最容易想到的方法是用静态的压力传感器直接测量，但从成本和结构上来说，它并不实用。目前一般用动态的间接测量方法，这是通过检测电动机

5、的负载来实现的，电动机的负载可用正常运转时的驱动电流来计量，也可用电动机断电后的反电动势的大小以及波形来计量。以计量断电后反电动势为例，其检测的原理是：在桶内加衣服的同时，放少量的水至负载量检测水位，然后脉动器驱动电动机以0.3sON（接通）、0.7sOFF（断开）总共32s重复进行工作。由于惯性的作用，当电源切断时，电动机还会继续旋转一段时间，此时，在电动机两端就产生感应电动势（反电动势）。当洗衣机内布量少时，搅拌轮停止得慢，而当布量多时，电动机较快就停止了。根据电动机两端产生的感应电动势持续时间，就可测量布量的多少。将电动机两端产生的反向电压，经过波形整理，作为低压脉冲，输入微机，微机根据

6、脉冲个数就可判定布量。洗涤物的量多时，脉冲数小；洗涤物的量少时，脉冲数变大。计数脉冲与衣物质量关系曲线如图3所示。图3脉冲数与布量关系曲线 质料检测质料检测包括棉制品与化纤织品的区分以及柔软布料与粗厚布料的区分。初看起来，这是一个很难的问题，但是实际问题并不是要高精度地检测质料，而只是要个大概区分即可。所以可以用简单的方法来处理，具体的方法是：在检测负载的基础上，把水放掉一点，同样，用开0.3s、关0.7s的秒冲电压驱动电动机32s，记下脉冲数为N；若检测负载的脉冲数是M，那么根据N、M的值就可以判断质料分布的大题情况。棉制品越多，N、M的值越大，反之越小。图4表示棉制品与化纤制品比例不同时，

7、两次测量脉冲数的关系曲线。图4棉制品与化纤织品的辨别曲线判断的原理是这样的:当衣物质量一样时，化纤因为在水里的阻力小，M就大。而棉制品在水里的阻力大，M就小，所以曲线是一条斜线。当放掉一些水后，不管缸里是化纤还是棉制品，总质量轻了，所以第二次测量的N值就比第一次的M值大。再放掉一部分水后，衣服在水中的部分变少，棉制品与化纤的阻力差变小，曲线变得平坦。如果水全部放光，则曲线就变成一条水平线，因此从M与N的差可以看出洗涤的布质。同样都是棉制品，但是对于像毛巾这样的柔软布料与牛仔布类的硬厚布料，其洗涤方法也是不同的，如何加以区分呢？那就是要用水位传感器来配合测量。具体方法是：在注水进行脉冲驱动32s

8、后，比较启动前后水的变化量。若变化量小，说明布料容易吸水，倾向于毛巾类布料，反之可能是牛仔类厚布料。这是因为厚布料吸水慢，往往要搅动一段时间后才能充分吸水。这就会使水位变化量大。图5是在这两种情况下水位变化曲线。图5柔软布料与硬厚布料的水位变化曲线 污浊度检测被洗衣物的污浊度检测是通过水的透光度检测间接实现的。水的透光度是用光电传感器实现的。它被安排在排水出口，发光二极管和光敏管分别相对安装在管子的两边。发光二极管发出的光经聚焦后，透过水被光敏管接收，接收的强度就反映了水的透明度。这是一种间接测量衣物污垢的方法，因为衣物脏的程度与洗涤水的污浊度相关。它的输出变化曲线如图6和图7所示。图6轻重污

9、垢透光率变化图7油泥污垢透光率变化从图6和图7可知，开始注入清水，透明度很高，随着污垢析出，水逐渐变浊，透明度下降，最后就有一个饱和的稳定值。根据透光率的变化形态和过程，可以知道污垢的性质和程度。对于泥污类的污垢，由于分离的快，较早进入水中，故透光率进入饱和状态的时间较短；而油污垢相对分解较慢，因此透光率的变化速率小，达到饱和值的时间也较长。从原理上来说，这种检测方法是没有问题的，但是从工程角度来说，还是有问题的。因为随着使用时间的增加，水中的污垢或杂质会很快沉积在透明管子壁上，引起透明度下降，造成检测不准，严重时会完全不能工作。因此尽管日本多家公司声称使用了这种光电检测技术，但是不认真解决上

10、述“挂壁”问题，全自动洗衣机的寿命就会成问题。 水位检测水位检测是用一种专用水位传感器实现的。这种水位传感器是一根与洗衣机缸体等高的空管，它与缸体构成一个连通器，空管的上端有一个用压力膜隔开的差动电感器，当缸中有水注入时，管内的空气被压缩使压力膜上压力增大，继而推到与它联动的铁心移动，引起线圈电感量的变化。用此电感器构成的LC振荡器的频率就能反映水位的高低。这个传感器既可用于配合以上布料软硬度的检测，同时也可作为水位控制依据的检测装置。 水温检测水温检测是通过热敏电阻来测量的，它把洗衣机启动时的温度作为当时的室温，然后再检测给水的温度，以作为洗衣条件之一。3 控制电路图8是模糊全自动洗衣机的控

11、制电路。控制电路以单片机为中枢，由负载量检测电路、温度检测电路、水位检测电路、显示电路、键盘矩阵变换电路等构成，全部由单片机进行集中控制。图8模糊控制洗衣机电路框图1) 单片机单片机的基本规格如下：a) 处理位数：4位。b) ROM：12KB。c) RAM：512B。d) 循环时间：1s。2) 负载量检测电路光耦合器与电力电容器并联安装于电动机两端，取出由电动机惯性旋转所发出的电，根据电动机电源断开时的光耦合器的输出脉冲数的大小，可测定负载量。3) 温度检测电路通过A/D变换电路，将热敏电阻的电压输入到单片机。4) 水位检测电路该电路的结构原理是振荡频率随水位的变化而变化。采用单片机的信号计数

12、器测定频率。5) 显示电路采用7段LED显示时刻、洗涤结束之前的剩余时间、预定时间。采用普通发光二极管进行洗涤过程显示、行程显示、水位显示等。6) 键盘矩阵变换电路操作键盘设置在膜片式开关上。4 模糊控制实现方法(1)基本结构和控制过程图9是模糊控制洗衣机控制结构。它利用负载、质料、水位、水温和气温以及洗涤剂类型等检测所得到的信息，进行分段评估计算，使其模糊化，再根据模糊规则进行推理，最后根据所激活的规则进行解模糊判决，以决定最适当的明确的水流、水位、洗涤时间、清洗时间以及脱水时间。图9模糊控制洗衣机控制结构(2)模糊规则a) 输入变量（分三级）布量（负载）：多、中、少。布质：棉制品偏多、棉和

13、化纤制品各半、化纤制品偏多。水温：偏高、中等、偏低。b) 输出变量（分四级）水流强度：特强、强、中、弱。洗涤时间：特长、长、中、短。c) 模糊规则 根据输入变量和输出变量的分级组合，对于水流强度和洗涤时间就可以用以下的27条模糊规则表示。规则1：如果负载小，质料化纤制品偏多，且水温偏高，那么就将水流调弱，洗涤时间调短。规则2：如果负载大，质料棉制品偏多，且水温偏高，那么就将水流调强，洗涤时间调长。以此类推，可写出其他规则，表10是输出与输入变量之间关系的模糊控制规则。表10模糊控制规则(3)模糊控制隶属函数采用最简单的三角隶属函数表示。a) 输入变量 图11(a)、(b)、(c)分别表示输入变

14、量负载、水温和布质的隶属函数。图11输入变量的隶属函数b) 输出变量 图12(a)、(b)分别表示输出变量水流强度和洗涤时间的隶属函数。图12输出变量的隶属函数(4)解模糊判决结果经过多次反复实验与模拟操作，最后对洗涤时间和水流确定了264种席地控制方法，据此又细分成如下的洗涤控制：a) 水流9种；b) 洗涤时间16种；c) 清洗时间6种；d) 脱水时间6种。经过实验对比，这种模糊控制的全自动洗衣机在5时，比一般洗衣机可提高洗净度20%，并可以避免衣物过度洗涤而遭到损伤，或者未能充分洗涤而去不掉污垢，既节约了时间又节约了能源。参考文献1黄布毅，刘献心模糊控制技术在家用电冰箱上的应用J。家用电器科技，1996，（5）：31-33。2 周