基于單片機模糊推理的洗衣機控制系統設計

黃 河 ，劉福華 ，王 信

（1.宜賓職業技術學院 電子信息工程系，四川 宜賓644003；2.宜賓職業技術學院 現代制造工程系，四川 宜賓644003）

模糊控制洗衣機是一種智能型的、真正全自動的洗衣機。它能自動識別衣質、衣量及骯臟程度，自動決定水量，自動投入適量的洗滌劑，從而全部自動地完成整個洗滌過程。洗滌程序是通過模糊推理來決定的，因此有極高的洗滌效能，不僅提高了洗衣機的全自動化程度，而且大大提高了洗衣質量。

1 控制系統基本原理

模糊洗衣機通過對衣質、衣量、衣物骯臟度及初始水位高低情況等輸入量，來決定洗滌時間、水流強弱、洗滌劑用量以及脫水時間等。因此，系統的被控對象主要是洗滌時間、水流強弱、洗滌劑用量及脫水時間等[1]，即輸出量。洗衣機中被控對象的運動規律極其復雜，很難用數學語言的形式來表達。而模糊控制無需建立被控對象的數學模型，因此適用于洗衣機控制。模糊型洗衣機無需人為按鍵設置水位、水流方式、洗滌時間、清洗時間和脫水時間，用戶只需放進待洗衣物，按下啟動鍵，洗衣機便能自動完成洗滌過程，實現了真正的“全自動”。

模糊洗衣機要求控制系統能根據測得的衣質、衣量情況，確定適當水位、水流強度、洗滌時間、洗滌劑用量，并根據骯臟度的變化合理地修正洗滌時間，以達到節水和節能的目的。

圖1 模糊洗衣機的電路構成Fig.1 Circuit diagram of fuzzy washing machine

圖1 為模糊洗衣機的一般電路構成。模糊控制系統主要由電源電路、洗衣機狀態控制電路、顯示電路及輸出控制電路等組成。由單片機組成的邏輯控制系統是模糊洗衣機硬件控制系統的核心，也是進行模糊推理的物理基礎。單片機系統對洗衣機狀態的檢測，是為了提取模糊推理的一些前件狀態，從而得到用于推斷后件結果的先前條件。用于進行模糊推理的前件模糊量包括衣質、衣量、骯臟度及水溫等的有關語言值。

2 控制系統硬件設計

圖2模糊控制系統結構圖。各傳感器的輸出端連接到單片機上，單片機根據各傳感器檢測到的負載、衣質、水位、水溫以及洗滌劑類型等信息，進行分段評估計算，使其模糊化，再根據模糊規則進行推理，最后從規則庫中查找對應規則進行模糊判決，從而確定最適當的水流、水位、洗滌時間、清洗方式及脫水時間。由此可見，模糊洗衣機的控制系統是一個多輸入多輸出的模糊控制系統[2]。

圖2 模糊洗衣機控制系統結構框圖Fig.2 Structure diagram of fuzzy washing machine control system

在模糊洗衣機中，骯臟度、衣質和衣量無法直接測量的。在實際中是通過有關電路以及有關洗衣機的動態過程，并從這個動態過程在電路中反映出來的有關電信號去進行分析，最終通過模糊化處理得出衣質和衣量的情況。根據經驗，衣質分為棉織品、化纖織品以及二者的混織品，棉織品洗滌更困難，而化纖織品洗滌更容易；衣量多一些，則洗滌過程長一些，反之則短一些。由于骯臟度與洗滌水的污濁度有關，水的污濁度又與水的透光率有關，所以通過光電傳感器來檢測衣物的骯臟度。水位的檢測是用專用的水位傳感器來實現的。水溫則通過熱敏電阻來測量。各傳感器的選擇及測量電路在這里不再贅述。

3 模糊控制的軟件實現

僅就模糊控制原理部分而言，模糊型洗衣機的開發工作包括：3個輸入變量（骯臟度、衣量、衣質）的語言變量值的隸屬函數的定義，2個輸出變量（洗滌時間、水流強度）的語言變量值的隸屬函數的定義以及連接3個輸入到兩個輸出的規則表的制定。

3.1 模糊化

為簡化推理及演算和縮小存儲容量，隸屬度函數采用最簡單的三角隸屬度函數[3]。在圖3中，（a）表示負載的隸屬度函數，負載大小由負載傳感器檢測到的脈沖數決定，負載越大，脈沖數越少；（b）表示水溫的隸屬度函數；（c）表示衣質的隸屬度函數，由衣質傳感器檢測到的脈沖數增量來確定。在圖4中，（a）和（b）分別表示輸出量水流強度和洗滌時間的隸屬度函數。

1）輸入量（分三級）

圖3 輸入量的隸屬度函數Fig.3 Degree membership function of the input value

圖4 輸出量的隸屬度函數Fig.4 Degree membership function of the output value

負載：偏大、中等、偏??；

衣質：棉織品偏多、棉和化纖各半、化纖織品偏多；

水溫：偏高、中等、偏低。

2）輸出量（分五級）

水流強度：特強、強、中等、弱、特弱；

洗滌時間：特長、長、中等、短、特短。

3.2 模糊推理

洗衣機模糊控制系統的主要工作就是依據語言規則進行模糊推理決策。因此，在進行模糊規則推理之前，先要確定好語言控制規則（即知識庫）。語言控制規則是根據經驗知識來確定的，并在實驗過程中不斷加以修正和完善[1，4]。它相當于計算機程序設計語言的條件語句：“IF……THEN……”。

根據輸入量與輸出量的分級組合，對于水流強度和洗滌時間可以用以下 27（=3×3×3）條模糊規則來表示。

規則一：如果負載偏小，衣質化纖織品偏多，且水溫偏高；那么將水流特弱，洗滌時間特短。

規則二：如果負載偏大，衣質化纖織品偏多，且水溫偏高；那么將水流中等，洗滌時間中等。

……

依次類推，可以寫出其他規則，如表1所示。

為了提高響應速度、縮小資源開銷，規則表（即知識庫）的獲取采用離線計算的方式獲取，將其固化到單片機的程序存儲器中。洗衣機工作時，采用查表法，從規則表中找到對應規則，從而進行模糊判斷和推理。推理時可采用最大最小推理法或者最大乘積推理法。兩種方法的推理結果在面積形式上有所差別，但差別不大[5-6]。

表1 全自動洗衣機模糊控制規則表Tab.1 Fuzzy control rules table of full automatic washing machine

在模糊推理結束之后，我們得到的是以模糊子集表示的水流強度和洗滌時間的校正量，它不能直接調節水流和洗滌時間，還需要進行反模糊化。

3.3 反模糊化

輸出反模糊化就是要將語言表達的模糊量恢復到精確的數值，即要根據輸出模糊子集的隸屬度計算出確定的值。反模糊化采用質心法。質心法對于輸出變量模糊子集三角形定義，其匯編語言編程相當復雜。為簡化編程，輸出變量模糊子集采用單值定義。這樣反模糊化過程編程就大為簡化。

3.4 軟件設計

洗衣機模糊控制系統的軟件主要包括以下6個功能模塊：系統初始化功能模塊、信號檢測與處理模塊、模糊推理模塊、中斷處理模塊、顯示輸出模塊、過載報警模塊。所有模糊推理在洗滌之前都已執行完畢。所以在程序進行完功能設置之后就開始啟動信號檢測模塊，開始一系列檢測工作，以確定模糊推理的先件條件（輸入變量值），然后進行模糊推理，確定洗滌時間及水流強度等輸出量。在推理完成后就開始洗滌工作。在洗滌過程中，如果發生故障，則系統自動報警并進入相應的中斷處理模塊。主程序框圖如圖5所示。

圖5 控制系統主程序框圖Fig.5 Main program block diagram of control system

3.5 查表程序編制

圖6 查表過程示意圖Fig.6 Sketch map of table look-up process

圖6 表示三輸入二輸出模糊控制系統的查表法過程。離線設計得到一查詢表用于在線運行，可以提高運算速度和精度[7]。查詢表體現了模糊控制算法的最終運行結果。在每一采樣時刻， 對采樣值ei、ej、ek進行量程轉換 （即乘以量化因子K1、K2和K3）然后進行量化（即將輸入的物理信號值轉換為輸入論域上的點），再通過查詢表查到輸出的控制作用，它也是輸出論域上的點，再分別乘以比例因子K4和K5進行量程轉換，就得到了要求的物理量。

由于模糊規則表有3個輸入量構成了一張三維數據表，假設規則表以三維數組a[i][j][k]和b[i][j][k]的形式存儲，并且各維變量定義如下：

i=0，1，2分別代表負載偏小、中等、偏大；

j=0，1，2分別代表質料棉織品偏多、中等棉和化纖各半、化纖織品偏多；

k=0，1，2分別代表負載偏低、中等、偏高；

數組a中某元素的值表示水流的某個模糊值（特弱、弱、中等、強、特強分別用數值 0，1，2，3，4 來表示）；數組 b 中某元素的值表示洗滌時間的某個模糊值（特短、短、中等、長、特長分別用數值 0，1，2，3，4 來表示）。 例如：a[0][2][2]=0 且 b[0][2][2]=0它代表規則一，即“如果負載偏小，衣質化纖織品偏多，且水溫偏高時，那么將水流特弱，洗滌時間特短。”同理a[2][2][2]=2且b[0][2][2]=2代表規則二。依次類推可以得到如下查詢表，如表2所示。

當模糊控制系統主程序調用查表子程序時，通過參數傳遞，將采集到的輸入量ei、ej、ek經量化后得到的模糊量作為實參，分別傳送給查表子程序的形參i、j、k，然后通過查找對應數組元素來確定它所符合的模糊規則，完成模糊推理。將對應數組元素的數值作為子程序的返回值。查表程序如下：

……

/*以數組形式存放的規則表*/

extern int a[3][3][3]，b[3][3][3]；

static a[3][3][3]={1，1，1，1，1，1，1，1，0，2，2，2，2，2，2，2，1，1，4，3，3，3，3，2，2，2，2}；

static b [3][3][3]={2，2，1，2，1，1，2，1，0，3，2，1，3，2，2，2，2，1，4，3，3，3，3，2，3，2，2}；

表2 查詢表Tab.2 Query table

int Current（int i， int j， int k） /* 水流強度 */

{if（i<0||i>2||j<0||j>2||k<0||k>2）

{printf（"Error! "）；

return（-1）； /*數組越界，故障*/

}

else return（a[i][j][k]）；/*返回對應數組的的值 */

}

int Time（int i， int j， int k） /* 洗滌時間 */

{if（i<0||i>2||j<0||j>2||k<0||k>2）

{printf（"Error! "）；

return （-1）；

}

else return（b[i][j][k]）；

}

在調用以上查表子程序之后，得到的數值如果是-1則認為出現故障；正確數值數為整數0到4，必須將其轉化為相應的模糊量，然后再進行乘以相應的比例因子進行量程轉換，得到物理量，這樣就是需要的水流強度和洗滌時間。

4 結 論

文中針對以單片機控制為核心的洗衣機控制系統，采用模糊控制技術進行優化改進，能自動識別衣料、衣量等，更好的模仿人工洗滌過程，實現了一鍵全自動洗衣，提高了洗衣機的智能化程度和洗滌效果。

[1]賈佩山．全自動模糊控制洗衣機的設計[J].工業控制計算機，1998（2）：8-9．JIA Pei-shan.Design of automatic fuzzy controlled washing machine[J].Industrial Control Computer，1998（2）:8-9.

[2]王力新.模糊系統與模糊控制教程[M].王迎軍，譯.北京：清華大學出版社，2003．

[3]席愛民.模糊控制技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008．

[4]王萬森.人工智能原理及其應用[M].北京：電子工業出版社，2007．

[5]劉金琨.先進PID控制及MATLAB仿真[M].北京：電子工業出版社，2004．

[6]郭代儀.模糊控制技術及其在冶金工業中的應用 [M].重慶：重慶大學出版社，1999.

[7]江和.單片機查表程序自動生成技術[J].單片機與嵌入式系統應用，2002（5）：36-38.JIANG He.Automatic generation technique of table look-up program based on MCU[J].Microcontrollers&Embedded Systems，2002（5）:36-38.