基于模糊控制的全自动洗衣机自动控制系统文档格式.docx
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3.2.2流程图及其代码16
3.3伟福仿真器52
3.3.1伟福仿真器简介52
3.3.2伟福仿真器特点53
结论54
致谢55
参考文献56
附录A程序代码60
附录B原理图69
摘要
基于模糊控制的全自动洗衣机自动控制系统,所有的电路都是在单片机的控制下工作的，目前通常采用的是Motorola公司的MC6805系列的单片机，而本设计中采用了Intel公司的89C51作为控制核心，以单片机89C51为核心结合接口芯片及外围电路以实现洗衣机的智能控制。
其中模糊控制器的设计是关键环节，采用传感器检测洗衣过程必需的物理量，进入模糊控制器，通过模糊推理，实现对洗衣机自动识别衣质、衣量，自动识别肮脏程度，自动决定水量，自动投入恰当的洗涤剂等功能的控制。
本设计在洗涤过程中采用了实时模糊控制，提高洗衣质量,节约能源。
硬件结构框图及软件流程图是该系统的重要组成部分,在整个控制过程中，模糊控制软件起了决定性的作用。
关键词：
模糊控制；
单片机；
全自动洗衣机
Abstract
Basedonfuzzycontrolcompletelyautomaticwasherautomaticcontrolsystem,Allelectriccircuitsareworkedunderthemonolithicintegratedcircuitcontrol,atpresent,usuallyusesmonolithicintegratedcircuitisMotorolaCorporation'
sMC6805series,butinthisdesign,itusedIntelCorporation’s8031totakethecontrolcore,8031realizesthewasherintelligentcontrol,takethemonolithicintegratedcircuitasthecoreunioningconnectionchipandtheperipheryelectriccircuit.Fuzzycontroller’sdesignistheessentiallink.Itusesthesensortoexaminetheessentialphysicalquantityofthewashclothesprocess,theyenterthefuzzycontroller,throughthefuzzyreasoning,realizesofthewasherautomaticdiagnosingclothesnature,theclothesquantity,theautomaticdiagnosingdirtydegree,automaticallydecidingthewatervolume,function,automaticinvestingappropriatedetergent,andsoon.Inthisdesign,theprocessofwashingusesthereal-timefuzzycontrol,enhancedthequalityofwashingclothes,Savestheenergy.Thehardwarearchitecturediagramandthesoftwareflowchartaretheimportantconstituentofthissystem,Inentirecontrolledprocess,Fuzzilycontrolledsoftwareplaysthedecisiverole.
Keywords：
fuzzycontrol；
single-chip;
fullautomaticwasher
1绪论
1.1全自动洗衣机的介绍
洗衣机是一种在家庭中不可缺少的家用电器,发展非常快,而全自动式洗衣机因使用方便更加得到大家的青睐,全自动即进水、洗涤、漂洗、甩干等一系列过程自动完成,控制器通常设有几种洗涤程序,对不同的衣物可选择不同的洗涤方式。
1.1.1全自动洗衣机的发展背景
从古到今，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动，而在洗衣机出现以前，对于许多人而言，它并不像田园诗描绘的那样充满乐趣，手搓、棒击、冲刷、甩打……这些不断重复的简单的体力劳动，留给人的感受常常是：
辛苦劳累。
1858年，汉密尔顿·
史密斯制成了世界上第一台洗衣机。
1874年,“手洗时代”受到了前所未有的挑战，美国人比尔·
布莱克斯发明了世界上第一台人工搅动洗衣机。
1911年美国人又研制了世界上第一台电动洗衣机。
1920年美国的玛依塔格公司又把洗衣机的木制桶改为铝制桶体，第二年又把铝制桶体改为外层铸铝、内层为铜板的双层结构。
1936年，他们又将搪瓷用于洗衣机桶体。
与此同时，世界各地也相继出现了洗衣机。
欧洲国家研究成功了喷流式洗衣机和滚筒式洗衣机。
1932年后，美国一家公司研制成功了第一台前装式滚筒全自动洗衣机，洗涤、漂洗和脱水都在同一个滚筒内自动完成，使洗衣机的发展跃上了一个新台阶。
这种滚筒洗衣机，目前在欧洲、美洲等地得到了广泛的应用。
第二次世界大战结束后，洗衣机得到了迅速的发展，研制出具有独特风格的波轮式洗衣机。
这种洗衣机由于其波轮安装在洗衣桶底，又称涡卷式洗衣机。
近几十年，在工业发达国家，全自动洗衣机制造技术又得到迅速发展，其年总产量及社会普及率均以达到相当高得水平。
1.1.2全自动洗衣机的发展前景
全自动洗衣机的发展首先表现在洗涤方式发生巨大变化。
原先大多侧重于水流的改变、动力的加大。
现在，超音波、电解水、臭氧和蒸汽洗涤的运用，使洗衣机的去污能力从单纯依靠洗衣粉、洗涤剂的化学作用和强弱变化的水流机械作用，向更高层次的健康、环保洗涤方式转变，特别是电解水、超音波技术在洗衣机行业的运用几乎改变了洗衣机的历史——洗衣不用或少用洗衣粉、洗涤剂，减少化学品对皮肤的损害和对环境的污染。
电解水、臭氧、蒸汽的杀菌除味及消毒功能倍受青睐，引发了洗衣机消费健康潮。
另一变化就是高度自动化、智能化、人性化。
从半自动、全自动到现在流行的人工智能、模糊控制，只需按一下按钮一切搞定！
同时，用户可以按照自己的洗衣习惯，自主选择时间和方式，自编和记忆程序让用户真正做到随心所欲。
人性化还表现在使用的方便和舒适，如子母分洗洗衣机可以做到不同衣物分开洗；
斜桶和顶开滚筒可以做到取放衣物方便不需深弯腰；
蒸汽烘干功能使得晾晒更加方便，DD直驱电机在节能降噪方面效果更加突出，等等。
另外，大容量成为不变的消费趋势。
前几年，洗衣机容量多为4-5公斤，6公斤的大容量尚很少见。
现在，7公斤的容量已经很普遍，8公斤也正常。
现代人居空间不断扩大，对宽敞、舒适、方便要求更多，大能容小，大容量洗衣机一台可顶一套。
业内人士表示，尖端洗涤技术的革新，所表现出的洗衣方式更加注重健康和个性化，已在市场发展中倍受欢迎。
1.1.3全自动洗衣机的设计目的
目前中国洗衣机市场正进入更新换代期，市场潜力巨大，人们对于洗衣机的要求也越来越高，目前的洗衣机主要有强弱洗涤功能、进排水系统故障自动诊断功能、暂停等七大功能，在许多方面还不能达到人们的需求。
这就要求设计者们有更高的专业和技术水平，能够提出更多好的建议和新的课题，将人们的需要变成现实，设计出更节能、功能更全面、更人性化的全自动洗衣机。
目前的洗衣机都没有实现全方面的兼容，大多洗衣的厂家都注重各自品牌的洗衣机的特长，突出一两个与别的洗衣机不同的个性化的功能，洗衣机的各项功能是由单片机控制实现的，单片机的体积小，控制功能灵活，因此，设计出基于单片机的全自动洗衣机控制电路系统具有很强的实用性。
1.1.4模糊控制理论简介
模糊控制是近代控制理论中建立在模糊集合轮上基础上的一种基于语言规则与模糊推理的控制理论，它是智能控制的一个重要分支。
与传统控制理论相比，模糊控制有两大不可比拟的优点：
第一，模糊控制在许多应用中可以有效且便捷的实现人的控制策略和经验，这一优点自从模糊控制诞生以来就一直受到人们密切的关注；
第二，模糊控制不需要被控对象的数学模型即可实现较好的控制，这是因为被控对象的动态特性已隐含在模糊控制器输入、输出模糊集及模糊规则中。
所以模糊控制被越来越多的应用于各个领域，尤其是被广泛应用于家电系列中，基于模糊控制的洗衣机就是其中的一个典型实例。
1.2全自动洗衣机的设计方案
本系统实现了对洗衣机整个洗衣过程的控制，包括用户参数输入、洗衣、漂洗、排水和脱水等阶段。
控制系统主要由电源电路、数字控制电路和机械控制电路三大模块构成。
电源采用三端集成固定稳压器7805提供+5V电源，数字控制电路负责控制洗衣机的工作过程，主要由AT89S51单片机、三位共阴数码管、按键、蜂鸣器、LED指示灯组成；
机械控制电路实现传感器检测、电机驱动、进水、排水等功能，主要由水位检测器、电动机、传动系统部件、进水排水电磁阀组成。
1.2.1按键
洗衣机面板上有6个按钮K1、K2、K3、K4、K5和K6
K1为启动／暂停键：
按奇数次视为启动，偶数次视为暂停。
K2用于洗衣程序选择：
按一下选择洗涤，按两下选择漂洗，按三下选择脱水。
K3用于洗衣方式选择：
按一下选择标准洗方式，按两下选择快速洗方式，按三下选择轻柔洗方式。
K4用于水位选择：
按一下进水至低水位，按两下进水至中水位，按三下进水至高水位。
K5用于时间选择：
按一下洗衣时间短，按两下洗衣时间适中，按三下洗衣时间长。
1.2.2洗衣机自检
洗衣机上电后，先进行自检，包括检查安全开关，排水阀状态，进水阀工作过程，电机的运转等，若发现异常现象则蜂鸣器响，报警灯亮。
1.2.3洗衣程序
⑴洗涤过程
通电后，若不选择洗衣周期，则洗衣机从洗涤过程开始。
进入洗涤过程，首先进水阀接通，开始向洗衣机供水，当到达要求水位时，进水阀断电关闭，停止进水；
电机M接通，带动波轮旋转，形成洗衣水流。
电机M是一个正反转电机，可以形成往返水流，有利于洗涤衣物。
⑵漂洗过程
与洗涤过程操作相同，只是时间短一些。
⑶脱水过程
洗涤或漂洗过程结束后，电机M停止转动，排水阀M接通，开始排水。
排水阀动作的同时，电机M也接通，使电机可以带动内桶转动。
当水位低到一定值，再经过一段时间后，电机开始正转，带动内桶高速旋转，甩干衣物。
1.2.4显示
洗涤、漂洗及脱水时间都通过倒计时的方式显示在3个LED上，依次为分位，秒十位和秒个位，此外，还有发现异常现象时错误信息的显示。
1.2.5参数处理
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。
其中，污浊度传感器，温度传感器和负载传感器是模拟信号，需要经过A/D转换变成数字信号，而水位传感器本身就是数字信号，单片机接受到这些传感器的信号以后，经过一系列处理作出反应，从而控制洗衣机的工作。
2硬件电路介绍
针对上文的功能，硬件电路应包括七个部分：
微处理器控制电路、显示电路、采样电路、电机控制电路、进水阀控制电路、排水阀控制电路和按键报警电路。
通过这几个部分电路的协调工作，洗衣机能模拟人脑进行操作。
2.1CPU选型
⑴PIC系列
PIC单片机系列是美国微芯公司（Microchip）的产品，它的CPU采用RISC结构，分别有33、35、58条指令，属精简指令集。
采用Harvard双总线结构，运行速度快，它能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理，这种指令流水线结构，在一个周期内完成两部分工作，一是执行指令，二是从程序存储器取出下一条指令，这样总的看来每条指令只需一个周期，这也是高效率运行的原因之一。
此外，它还具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。
PIC系列单片机共分三个级别，即基本级、中级、高级。
PIC系列单片机的I/O口是双向的，其输出电路为CMOS互补推挽输出电路。
I/O脚增加了用于设置输入或输出状态的方向寄存器，当置位1时为输入状态，且不管该脚呈高电平或低电平，对外均呈高阻状态；
置位0时为输出状态，不管该脚为何种电平，均呈低阻状态，有相当的驱动能力，低电平吸入电流达25mA，高电平输出电流可达20mA。
该系列单片机的专用寄存器（SFR）并不像51系列那样都集中在一个固定的地址区间内（80～FFH），而是分散在四个地址区间内。
只有5个专用寄存器，得反复地选择对应的存储体，这多少给编程带来了一些麻烦。
⑵AVR系列
AVR单片机是Atmel公司推出的较为新颖的单片机，其显著的特点为高性能、高速度、低功耗。
它取消机器周期，以时钟周期为指令周期，实行流水作业。
AVR单片机指令以字为单位，且大部分指令都为单周期指令。
而单周期既可执行本指令功能，同时完成下一条指令的读取。
通常时钟频率用4～8MHz，故最短指令执行时间为250～125ns。
该系列的型号较多，但可用下面三种为代表：
AT90S2313（简装型）、AT90S8515、AT90S8535（带A/D转换）。
通用寄存器一共32个（R0～R31），前16个寄存器（R0～R15）都不能直接与立即数打交道，因而通用性有所下降。
AVR系列没有类似累加器A的结构，它主要是通过R16～R31寄存器来实现A的功能。
在AVR中，没有像51系列的数据指针DPTR，而是由X（由R26、R27组成）、Y（由R28、R29组成）、Z（由R30、R31组成）三个16位的寄存器来完成数据指针的功能（相当于有三组DPTR），而且还能作后增量或先减量等的运行。
⑶51系列
51系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器。
它的处理对象不是字或字节而是位。
它不仅能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。
虽然其他种类的单片机也具有位处理功能，但能进行位逻辑运算的实属少见。
51系列在片内RAM区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间，十六个字节，单元地址20H～2FH，它既可作字节处理，也可作位处理（作位处理时，合128个位，相应位地址为00H～7FH），使用极为灵活。
这一功能无疑给使用者提供了极大的方便，因为一个较复杂的程序在运行过程中会遇到很多分支，因而需建立很多标志位，在运行过程中，需要对有关的标志位进行置位、清零或检测，以确定程序的运行方向。
而实施这一处理（包括前面所有的位功能），只需用一条位操作指令即可。
有的单片机并不能直接对RAM单元中的位进行操作，如AVR系列单片机中，若想对RAM中的某位置位时，必须通过状态寄存器SREG的T位进行中转。
51系列的另一个优点是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。
八位除以八位的除法指令，商为八位，精度嫌不够，用得不多。
而八位乘八位的乘法指令，其积为十六位，精度还是能满足要求的，用的较多。
作乘法时，只需一条指令就行了，即MULAB（两个乘数分别在累加器A和寄存器B中。
积的低位字节在累加器A中，高位字节在寄存器B中）。
很多的八位单片机都不具备乘法功能，作乘法时还得编上一段子程序调用，十分不便。
51系列的I/O脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平（复位时，各I/O口均置高电平）。
当该脚作输出脚使用时，则为高电平或低电平均可。
低电平时，吸入电流可达20mA，具有一定的驱动能力；
而为高电平时，输出电流仅数十μA甚至更小（电流实际上是由脚的上拉电流形成的），基本上没有驱动能力。
其原因是高电平时該脚也同时作输入脚使用，而输入脚必须具有高的输入阻抗，因而上拉的电流必须很小才行。
作输出脚使用，欲进行高电平驱动时，得利用外电路来实现，I/O脚不通，电流经R驱动LED发光；
低电平时，I/O脚导通，电流由该脚入地，LED灭（I/O脚导通时对地的电压降小于1V，LED的域值1.5～1.8V）。
综上所述，我们本次设计采用51系列，而51系列的典型产品是8051。
8051是一种40引脚双列直播式芯片。
它含有4KB可反复烧录及擦除内存和128字节的RAM，有32条可编程控制的I/O线，5个中断发源，指令与MCS-51系列完全兼容。
选用它作为核心控制新片，可使电路极大地简化，而且程序的编写及固化也相当方便、灵活。
选用它设计制作全自动洗衣机控制电路，该电路的组成相对简单，工作原理清晰，易于理解。
89C51引脚图如图2-1所示。
图2-189C51引脚图
2.289C51的存储器与寄存器
89C51单片机存储器才用的是哈佛（Harvard）即程序存储器空间和数据存储器空间是各自独立的，两种存储器各自有自己的寻址方式和寻址空间。
这种结构对于单片机“面向控制”的实际应用极为方便、有利。
89C51单片机程序存储器和数据存储器的扩展能力分别可达64KB，寻址和操作简单方便。
89C51的存储器空间可划分为5类：
程序存储器、内部数据存储器、特殊功能寄存器、为地址空间和外部数据寄存器。
2.3A/D转换器
A/D转换器种类很多，按及人口方案来分，可分为并行接口和串行接口两类。
串行接口又分为三线式接口和两线式接口两种。
由于89C51串行口有限，而本此设计也用到了很多串口，而且我们需要一个多通道的转换器，而MAX192正是满足这种要求，其转换精度也高，所以本次设计我们采用MAX192。
MAX192是一种低功耗、单电源、8通道、串行的10位A/D转换器。
由于该芯片在片外已有采样跟踪保持电路，内部时钟电路和内部参考电压源，所以在应用时，所需外围原件极少，与单片机连接也只占用4-5条口线，因此，用MAX192构成的数据采集系统具有硬件结构简单、体积小和功耗低的优点。
MAX192是美国美信公司设计的一个10位A/D转换器，它的信号输入有两种方式：
8通道单端输入或4通道差分输入，具有极高转换速度。
其4线串行接口与SPI、QSPI、MicroWire等串行总线兼容，具有内部时钟方式和外部时钟方式，内带4.096V的基准电压，也可用外部基准电压。
⑴MAX192的引脚图如图2-1所示。
图2-1MAX192的引脚图
⑵MAX192的控制字
①MAX192控制字占一个字节，其格式见表2-1。
表2-1控制字节的定义
Bit7（MSB）
Bit6
Bit5
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
Bit0
START
SEL2
SEL1
SEL0
UIN/BIP
SGL/DIF
PD1
PD0
注1.START：
转换开始位。
逻辑“1”有效。
2.SEL0-2：
通道选择位。
选择所需转换信号所连接的通道（见表3和表4）。
3.UNI/BIP：
单/双极性信号转换模式选择位。
1=单极性信号；
0=双极性信号。
对于单极性信号，模拟输入中0V～VREF的电压被转换；
对于双极性信号，-VREF/2～+VREF/2的新号被转换。
4.SGL/DIF：
输入信号形式选择位。
“1”为单端信号输入，“0”为差分信号输入。
5.PD0～PD1：
时钟模式及省电模式选择位。
②MAX192单端方式（SGL/DIF=1）通道选择如表2-3所示。
③MAX192查分方式（SGL/DIF=0）通道选择如表2-4所示。
④MAX192的时钟和掉电选择如表2-5所示。
⑶MAX192的工作原理
MAX192器件采用逐次逼近转换技术及输入采样/保持电路把模拟信号转换成10位的数字信号输出，模拟信号有单端输入和差分输入两种输入方式，输入电压范围分单极性（0-40.96V）和双极性（-4.096/2-4.096/2V）两种，每做完一次A/D转换，需从串行数据输入端输入以“1”开始的8位控制字对器件初始化，内部控制逻辑控制A/D转换。
当MAX192的CS端有效时，在时钟SCLK的每一个上升沿把一个最高位为“1”的控制字节的各位送入输入移位寄存器，控制器收到控制字节后，选择控制字节中给定的模拟通道，并在SCLK的下降沿启动转换。
在启动转换后，MAX192可以使用外部串行时钟或内部时钟来完成逐次逼近转换。
在两种时钟方式中，数据的移入/输出都由外部时钟来完成。
转换结束后的数据是由DOUT端读出的。
应该注意，数据的输出是高位在先，低位在后，有效位为10位。
在单极性输入方式下，输出的是标准二进制码，对于差分方式下的双极性输入，其输出是莫二补码。
需要注意的是，在单极性输入方式下，转换完成后的10位数据在移位寄存器中存放时，在数据的首部添了一个“0”，在尾部添加了5个“0”，这样，要得到最终的正确结果，需要把这16位数（包括10位有效数据）右移5位。
在编写采样程序时，送完一字节控制字，何时读转换结果，有两种判断方法：
一是看SSTRB信号是否变高，二是延时多少us（最大位10us）。
表2-3单端方式（SGL/DIF=1）通道选择
CH0
CH1
CH2
CH3
CH4
CH5
CH6
CH7
AGND
+
-
1
表2-4查分方式（SGL/DIF=0）通道选择
表2-5时钟和掉电选择
器件模式
外部时钟方式
内部时钟方式
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