摘要：洗碗机在欧美发达国家已经相当普及，经历了由机械式程控器阶段到电子式控制器阶段。最近几年，洗碗机在我国内销市场也迅速发展起来。此外，随着电子技术和传感器技术的发展，洗碗机逐渐变得越来越智能，其中，能识别餐具的脏污程度，从而自动匹配合适的洗涤参数(水量、洗涤温度和洗涤时间等)的洗碗机智能洗涤就是一个重要方向。本文基于浊度传感器在洗碗机中的应用，从浊度传感器的检测原理开始，阐述了浊度传感器的几个重要特性；然后，针对浊度传感器的离散性和参数漂移问题，提出了可调电阻及PWM等两种浊度传感器的标定技术，同时总结出浊度传感器的温度补偿公式；最后，介绍了能适应不同餐具污染等级的智能洗涤程序算法。
关键词：浊度传感器；洗碗机；智能洗涤
1导言
普通的洗碗机，用户一般需要根据餐具数量及其污染程度，选择合适的洗涤程序(如强力洗、标准洗、经济洗或快速洗，等等)，而大部分的用户往往更希望只需使用一种洗涤程序，它能够针对餐具数量及其脏污程度自动调节洗涤强度，把餐具洗干净，而基于浊度传感器应用的洗碗机智能洗涤就可以满足这一需求。
2浊度传感器的检测原理
洗碗机使用的是一种散射型红外浊度传感器，主要由发射装置(发光二极管)和接收装置(光敏三极管)两部分组成。
浊度反映的是溶液中微小的固体悬浮物质对其中的光线进行散射和吸收的程度。由定义可知，浊度与透明度刚好相反。浊度越高，表示溶液的透明度越低，显现得越浑浊。散射式浊度传感器正是利用这个原理来检测溶液的浑浊程度的：由传感器发射装置发出的红外光束，遇到溶液中的悬浮颗粒后发生散射。溶液的浊度越大，悬浮颗粒越多，溶液的吸光度就越大，那么散射过程中被吸收的光强就越多，而接收装置接收的光强就会越少，检测电路转换的电压也就越小，这样，根据检测电压大小就可判断出溶液的浊度情况。
在洗碗机应用中，洗涤时序各个阶段的洗涤水就是待检浊度的溶液。
为了避免水中气泡对浊度检测产生的影响，在洗涤过程中，每次进行浊度检测前，洗碗机会先将洗涤电机暂停一小段时间，让待检水静止下来，确保检测数据的准确性。
3浊度传感器的特性
浊度传感器是一种光电检测器件，在应用中需要注意如下几个重要特性：
1)浊度传感器具有明显的离散性，即对于不同浊度传感器，在相同的发射电流下对同样浊度的溶液进行检测，其输出电压可能存在较大差异。
2)浊度传感器使用过程中会发生参数漂移，即使用的不同阶段，同一传感器在相同的发射电流下对同样浊度的溶液进行检测，其输出电压存在差异。
3)温度对浊度检测有较大的影响，即在不同温度下，同一传感器在相同的发射电流下对同样浊度的溶液进行检测，其输出电压存在差异。
4浊度传感器的标定技术研究
通过上节介绍，我们知道浊度传感器具有离散性，并在使用过程中还会发生参数漂移，所以，对于获取的检测电压，如果没有统一的参考基准，将无法反映一个比较准确的浊度情况，而标定技术正是要找到这个基准。
为了避开浊度传感器检测电压的饱和区，而使用其线性区，先会通过调整发射极电流，在清水条件下将输出电压标定到3.7V，那么，在后面进行浊度检测时，由于洗涤过后的水干净程度比清水低，所以，传感器的输出电压也就低于3.7V，而且输出电压越接近3.7V，代表洗涤水的干净程度越接近清水。不难看出，在这里清水实际上充当了参考基准的角色。
4.1可调电阻标定技术
如图4-1，R1和R2是浊度传感器的发射极限流电阻。为了避免出现因限流电阻过小而烧坏传感器的情况，采用了固定电阻R1和可调电阻R2(电位器)组合的方式。通过调节R2，限流总电阻可在R1～R1+R2(max)范围内变化，电阻的调整范围需要在满足传感器的标定基础上，同时又能保证传感器发射极电流工作在额定电流范围内。
通过调节电位器完成浊度传感器标定的方式，原理简单，可解决不同传感器之间的离散性问题。但是，在批量生产中，每台机器都需要人工操作，还需注意浊度传感器与调节好了的电位器R2阻值的对应关系，而且在工厂标定后，由于不方便让用户进行再次标定，因此，用户长期使用产生的参数漂移将无法消除。
4.2 PWM标定技术
上述电位器标定技术存在的问题，PWM标定技术可以很好地解决。概括地说，就是利用MCU的PWM(脉宽调制)功能，发出频率一定、占空比可调的方波，依次经过低通滤波电路和电压/电流转换电路，对传感器发射极电流进行调节，从而达到标定的目的，如图4-2所示。整个标定过程都是由MCU自动完成的，可以实现在每个洗涤循环都进行标定，有效避免参数漂移带来的影响。由于在一个洗涤循环中，第一次进水代表着本循环最干净的水，对于PWM标定技术，我们以此作为标定的基准，即通过调整发射极电流，让第一次进水对应的浊度检测电压为3.7V。与可调电阻标定技术类似，当MCU在0～100%范围内调节占空比时，需要在满足传感器的标定基础上，同时又能保证传感器发射极电流工作在额定电流范围内。
图4-1 浊度传感器检测电路和可调电阻标定电路示意
图4-2 浊度传感器检测电路和PWM标定电路示意
5浊度检测的温度补偿
上面曾经提过，温度对浊度检测有较大影响，而洗碗机内水温变化范围很宽(0到75℃)，因此，很有必要对浊度检测进行温度补偿。经过对厂家数据分析和试验验证，我们找到了浊度检测电压与温度之间的关系，如式5-1所示：
TU2 = TU1 + 0.01 * (T - 20)（5-1）
式中，TU1为当前浊度检测电压，T为同一时刻对应的水温，根据上述变化规律，我们在软件中对TU1进行了温度补偿，将其修正为TU2。温度补偿后的浊度修正电压TU2，可以更加准确地反映餐具的脏污情况。
6两级浊度判定的智能洗涤算法
基于浊度传感器的洗碗机洗涤程序，需要准确区分0%(不污染)、50%(轻度污染)、100%(中度污染)和150%(重度污染)四种污染等级，并选择最合适的洗涤路径，达到最佳性能匹配。在应用中，如果简单地就用四个浊度区间去区分四种污染等级，由于100%(中度污染)和150%(重度污染)在开始洗涤时，这两种污染等级对应的浊度检测电压都很小，很难准确地判定，经常出现误判的情况。经过大量的试验分析发现，对于这两种高污染等级，在经过一段时间洗涤并换水后，随着两者浊度检测电压的增大，两者的差别也在放大，分辨率变高。因此，我们设计了一套两级浊度判定的智能洗涤算法。简单地说，就是在预洗阶段，先通过浊度检测电压初步区分出0%、50%、100%以上(包含100%和150%)；之后，经过换水，在主洗阶段，再次通过浊度检测电压进一步区分出100%和150%两个污染等级，最终达到准确区分四种污染等级的目的。
7结语
本文以浊度传感器在洗碗机智能洗涤中的应用研究展开，提出了浊度传感器的两种标定技术和温度补偿公式，以及相关的智能洗涤算法。其中，涉及的各种传感器(检测水量的流量计，检测水温的温度传感器和检测餐具脏污程度的浊度传感器)起着非常重要的作用。洗碗机智能洗涤技术的进一步发展，将应用更多合适的传感器(如重力传感器识别餐具载重、视频传感器识别餐具材质和数量)；此外，多传感器输入交互运算还需结合强大的智能控制算法(如模糊控制、神经网络控制)。
参考文献
[1]强锡富.传感器.北京：机械工业出版社，2001.
[2]何金田.传感器技术(上册).哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004.
[3]徐甲强.传感器技术(下册).哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004.
[4]韦巍.智能控制技术.北京：机械工业出版社，2000.
[5]孙增沂.智能控制技术与理论.北京：清华大学出版社，1997.
论文作者:管庆军
论文发表刊物:《基层建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/10/8
标签：浊度论文; 传感器论文; 洗碗机论文; 电压论文; 溶液论文; 可调论文; 技术论文; 《基层建设》2019年第18期论文;