全自动洗衣机的模糊控制Word下载.docx

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3.3.3显示电路的设计14

3.3.4指示灯电路15

3.3.5报警电路的设计16

3.5电磁进排水阀控制电路16

3.6全自动洗衣机的电源电路17

3.7系统整体原理图21

第四章软件设计21

4.1模糊控制实现方法21

4.1.1模糊规则21

4.2软件流程图及程序22

4.2.1各模块流程图及其程序22

结论与展望46

致谢47

参考文献48

附录A全自动洗衣机控制系统原理图49

附录B总程序50

第1章绪论

1.1课题的来源

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。

1.2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。

1.3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。

1.4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。

1.5模糊控制理论简介[5]

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。

第2章思路框图

2.1模糊控制基本框图

模糊控制是利用负载、衣质、浊度、水温等检测所得到信息，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，以决定最适当和明确的水位、洗涤时间、洗涤方式以及脱水时间等。

模糊控制洗衣机控制结构如图2.1所示。

2.2传感器及作用[1]

本次设计中用到4个传感器，分别为：

TS污浊度传感器、温度传感器、负载传感器和水位传感器。

其中污浊度、温度和负载传感器输出的都是模拟信号，需要通过A/D转换才能作为单片机的控制信号，而水位传感器本身输出的就是数字信号，所以不需要通过A/D转换，直接可用做单片机的控制信号。

（1）TS污浊度传感器内部原理图如图2-2所示。

浑浊度检测传感器的主要原理是光电耦合器，而普通的光电耦合器不能有效的检测洗衣机水的浑浊度。

光电耦合器的光源必须是红外光才能准确的检测浑浊度。

通过传感器的测量能给决定用多少洗衣粉，这样不会浪费。

图2-2浊度传感器内部原理图

（2）温度传感器[2]

我们常用温度传感器有DS18B20、AD590等，它们都是集成温度传感器。

DS18B20输出是数字信号可以直接和单片机相连，而且硬件连接电路少，但需要对其进行复杂的软件编程。

AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。

它的主要特性如下：

•流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数。

•AD590的测温范围为-55℃～+150℃。

•AD590的电源电压范围为4V～30V。

电源电压可在4V~6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。

AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。

•精度高。

AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±

0.3℃。

本设计我们选用AD590作为温度传感器。

AD590比DS18B20精度更高、线性度误差小，且不需要温度报警和复杂的程序编程，非常适合用于洗衣机的温度检测传感器。

（3）负载传感器

负载检测时通过检测电动机的反电动势来实现的，而电动机的反电动势比单片机所用电压大的多，不能直接采样，必须经过隔离。

采用线性光电耦合器既能隔离高电压和干扰，又能得到满意的检测信号。

通过检测衣服的重量，决定用多少水。

（4）水位传感器原理图如图2-3所示。

谐振式水位传感器,采用了新型的传感原理,把水位的高低,通过水位传感器直接变成水位与频率的对应关系。

衣物的洗净度、水流强度、洗涤时间等参数的检测,对模糊控制洗衣机在节水、节能、减少洗涤时间方面起决定性的作用。

图2-3水位传感器原理图

2.3显示器

显示器有LED和LCD两种。

LCD（LiquidcrystalDisplay）是液晶显示器英文名称的缩写，液晶显示器是一种被动式的显示器，即液晶本身并不发光，而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特征，达到白底黑字或黑底白字显示的目的。

LED（LightEmitingDiode）是发光二极管英文名称的缩写。

LED显示器是由发光二极管构成的，所以在显示器前面冠以“LED”。

本次设计只是显示时间，所以采用LED就可以达到目的了。

本设计采用的是LED发光二极管，如图2-4所示。

2.4单片机选择[3]

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。

8051引脚图如图2-5所示。

图2-58051引脚图

2.5A/D转换器

A/D转换器种类很多，按及接口方案来分，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8051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MAX187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MAX187。

MAX187用采样/保持电路和逐位比较寄存器将输入的模拟信号转换为12位的数字信号，其采样/保持电路不需要外接电容。

MAX187串行12位模数转换器可以在单5V电源下工作，接受0～5V的模拟输入。

MAX187转换速度为75Ksps，通过一个外部时钟从内部读取数据，并可省而与绝大多数的数字信号处理器或控制器通讯。

接口与SPI，QSPI和Microwire兼容。

MAX有内部基准，并且采用节约空间的8脚DIP和16脚封装。

电源消耗为7.5mW，在关断模式下可以减少至10uW。

优异的AC特性和极低的电源消耗，同时及其容易的使用和较小的封装尺寸使MAX187能理想的应用于远程DSP和传感器，或者应用于对电源消耗和空间极为苛刻的地方。

综上，本次设计A/D转换选用MAX187。

MAX187引脚如图2-6所示。

图2-6MAX187引脚图

引脚名称功能

1CS片选

2SCLK时钟，最高为5MHz

3Dout数据输出

4GND地

5VDD+5V电源

6SHDN操作模式选择，低电平为休眠模式，

正常操作模式为高电平或悬空，高电平

时使用内部参考，悬空时禁止内部参考

7AIN模拟量输入，范围0～Vref

8Vref参考电压，内部参考为4.096V，使用

内部参考时此引脚对地接一个4.7uF

电容，使用外参考时，接2.5V～VDD

基准电压

图2-7MAX187引脚定义说明

第三章硬件设计

3.1系统组成框图

采用51系列单片机作为控制核心，主要包括电源部分、功能参数设置及控制电路、洗衣机状态显示及输出控制电路。

主要组成部分有：

单片机、译码器、指示灯、电动机、LED显示、蜂鸣器、电磁阀以及按键等。

根据洗衣机的基本功能，硬件电路设计需要考虑洗衣机的进水、洗涤、漂洗、排水、脱水等问题，及时间设定长短、工作时间或剩余时间的显示、工作过程中的暂停、启动、复位、洗完后的报警等问题。

设计出系统组成框图3-1。

各框图作用

（1）单片机电路

单片机电路是程序控制的中心，它把计算机的各种功能电路都集成在一块芯片上，主要包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、输入/输出接口电路及计时、扫描、分频、定时、时间设定等电路，ROM内已固化了洗衣机操作程序，单片机根据输入指令和检测信号，调出内部相应的操作程序，通过电路处理后，输出各种电路控制信号，使洗衣机自动完成程序操作过程。

如果单片机自身出故障，或控制电路传给单片机的信息不正确，洗衣机就不能正常工作。

（2）直流电源电路

这是为单片机及其外围控制电路提供直流电源的电路，它将输入的220V交流电经过变压、整流、滤波、稳压后，变为稳定的低压直流电，送给单片机、可控触发电路、显示电路等。

（3）时钟电路

由晶振元件与单片机内部电路组成，产生的振荡频率为单片机提供时钟信号，供单片机信号定时和计时。

（4）显示电路

显示电路来显示洗衣机的工作状态。

74LS138译码器为3-8译码器，选用它可以解决I/O口线数量不足的问题。

（5）负载驱动电路

该电路多由双向可控硅及触发电路组成。

双向可控硅作为无触点开关控制电机等负载的通断及运行。

单片机根据按键输入指令或接受到的监测信号，输出相应的控制信号，控制可控硅触发电路的导通，使电机等负载得电运转。

（6）报警电路

此电路在洗衣机中起提示和报警的作用.根据程序设计和软件设置，当洗衣结束后，洗衣机将发出蜂鸣声以提示用户洗衣完成。

（7）水位开关和安全开关电路

水位选择开关，用户根据需要选择水位，在进水期间，系统不断监测，当达到设定水位时就停止进水。

水位电路和安全开关电路由传感器检测，其通断状态由电路输送给单片机，由单片机进行指令指控。

3.2主控电路的设计[4]

8051外围辅助电路设计

（1）振荡电路

单片机中振荡电路就像一个大时钟，指挥着什么时候时针动，什么时候分针动，都有严格的规定。

单片机工作时一条一条的读取指令，然后一步一步的执行。

单片机内部有一个用于构成片内振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。

如果在MCS-51单片机的XTAL1和XTAL2引脚之间接晶体谐振器，便会产生自激振荡，即可在内部产生与外加晶体用频率的振荡时钟，以XTAL2输出时钟信号。

8051的最高工作频率为24MHz。

振荡频率越高便是单片机的运行速度越快，但同时对存储器的速度和印刷电路板的要求也就越高。

一般情况下，选用频率6～12MHz的晶振。

一般情况下对电容的大小没有严格的要求，但是其大小也会影响振荡器的稳定、振荡频率的高低、起振快速性和稳定性。

一般外接石英晶体时，C1和C2一般取30pF±

10pF.本文采用12MHz的晶振，电容取30pF。

图3-2振荡电路图

（2）复位电路

单片机的复位是使CPU和系统的其它功能部件处于一个初试状态。

任何单片机工作之前都要有个复位的过程，在单片机复位期间，程序还没有开始执行，是在做准备工作。

复位操作有按键手动复位和上电复位两种方式。

上电复位是外部的复位电路在系统通上电源后直接使单片机工作，单片机的起停通过电源控制。

手动复位是在复位电路中设计按键开关触发复位电平，控制单片机复位。

一般都用上电复位电路。

上电自动复位原理：

通电时，电容两端相当于短路，于是RST引脚上为高电平，然后电源通过电阻对电容充电，RST端电压慢慢下降，降到一定程度即为低电平，单片机开始正常工作，如图3-3所示：

图3-3复位电路

3.3各部分电路的设计[6]

3.3.1水位的检测电路

水位检测的精度直接影响洗净度、水流强度、洗涤时间等参数。

对于模糊控制的洗衣机，要求水位的检测必须是连续的，故常采用谐振式水位传感器。

谐振式水位传感器是利用电磁谐振电路LC作为传感器的敏感元件，将被测物体的变化转变为LC参数的变化，最终以频率参数输出。

其工作原理是：

将水位的高低通过导管转换成一个测试内腔气体变化的压力，驱动内腔上方的一块隔膜移动，带动隔膜中心的磁芯在某线圈内移动，从而线圈电感发生变化，由此引起谐振电路的固有频率随水位变化。

水位测量电路如图3-6所示，为了便于与单片机接口，水位传感器采用数字振荡电路，电感与电容组成的三点式振荡电路经C2耦合接入数字式谐振放大器A1，随着水位变化，谐振频率作相应变化，放大器在a点输出，经A2整形，由c点输出，此时即可将数字量接到单片机。

图3-5水位检测电路

3.3.2衣物量检测电路

布质和布量的检测是在洗涤之前进行的。

在水位一定时，不同的布质和布量产生的布阻抗不同。

具体检测布质和布量时，首先注入一定的水位，然后启动主电机旋转，接着断电，让主电机以惯性继续运转直到停止。

在主电机断电惯性旋转时间内主电机处于发电状态，会产生感应电动势输出。

显然，随着布阻抗大小的不同，主电机处于发电机状态的时间长短也不同。

因此，只要检测出主电机处于发电机状态的时间长短，就可以反过来推理出布阻抗的大小。

主电机发电时间越长，布阻抗就越小；

反之布阻抗就越高。

主电机发电时间可直接通过检测起动电容两端输出电势，并将此电势半波整流后，由光电隔离后放大整形为一矩形脉冲系列的脉冲数而定。

脉冲个数反映布阻抗的大小，脉冲个数越多，布阻抗越小，反之亦然。

布质布量检测电路如3-7图所示。

图3-6布质布量检测电路

3.3.3显示电路的设计

显示电路主要由2个8位数码管、三极管、电阻以及I/O扩展芯片8255组成。

（1）显示电路设计

LED显示电路用来显示洗衣机的洗涤和脱水时间，其有两个八位的数码管显示器以及三极管和电阻组成。

DS1显示高位，DS2显示低位,可显示洗衣机的某过程的剩余时间。

如图3-7所示。

图3-7LED显示电路

（2）8255与单片机接口电路设计

由单片机送出要显示的信息到8255的PB口（PB口的端口地址为0FF7DH），通过PB0和PB1送出字符信息和时钟。

其2位显示器都受到字符信息，具体哪一位亮就取决于共极信号。

这时就要由PA口（PA口的端口地址为0FF7CH）送出的共极信号来决定哪一位有效。

3.3.4指示灯电路

该控制电路由74LS138译码器、7只发光二极管及电阻组成，由于单片机PI口有限，故用一个译码器来扩展其口。

74LS138的输入端C、B、A分别接单片机的PI口，输出端Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6分别与7个发光二极管的阴极相连，发光二极管的阳极接电源。

74LS138的输出端Y0控制“洗衣剩余时间”指示灯，Y1控制“脱水剩余时间”指示灯，Y2控制“强洗”指示灯，Y3控制“弱洗”指示灯，Y4控制“洗涤次数”指示灯，Y5控制“洗衣定时”指示灯，Y6控制“脱水定时”指示灯。

电路图如图3-8所示。

图3-8指示灯电路

3.3.5报警电路的设计

在洗衣机运行过程中起提示和报警的作用。

根据程序安排和软件设置，当洗衣机遇到故障时，洗衣机会发出间断的蜂鸣声提示用户，当洗衣完成后，洗衣机将发出5秒蜂鸣声以提示用户洗衣完成，具体电路如图3-9所示。

图3-9报警电路

3.4电磁进排水阀控制电路

如图3-10所示，进排水控制电路有固态继电器SP1110、六反向器74S05、二极管整流电路、电阻、发光二极管等组成。

六反相器的作用与正反转控制电路中的六反相器相同，用来驱动固态继电器SP1110，固态继电器导通之后再经过电容器C1、C2的滤波，形成比较稳定的电流。

进水阀的控制电流须经过二极管整流器的整流，而排水阀不需要。

进排水阀是否导通由单片机进行控制，导通期间发光二极管呈闪亮状态。

洗衣机在进水或排水洗衣过程中，若在一定的时间范围内进水或排水未能达到预定的水位，说明进排水系统出现故障，此故障由测控系统进行检测，通过警告系统发出警告，提醒操作者对故障进行排除。

图3-10进排水控制电路

3.5全自动洗衣机的电源电路

系统电源部分电气原理图如图3-11所示。

市电220V经过变压器T变压为12V交流电压，通过4只二极管1N4004全桥整流，再经过电容C滤波后得到光滑的直流电压，经过三端稳压器7805稳压后得到稳定的+5V电压给各器件供电。

图3-11系统电源部分电路图

3.6控制系统的整体硬件设计[7]

本设计所设计的全自动洗衣机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组成。

电源电路为数字控制电路供稳定的5V直流电压，为电动机提供220V市电；

数字控制电路负责控制洗衣机的工作过程，主要由MCS-51单片机、8255扩展芯片、555定时器、两位共阴数码管、按键、蜂鸣器、LED指示灯组成；

机械控制电路实现水位检测、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。

结合电路理论知识和控制要求对于各部分电路与单片机的连接情况如下：

（1）8051单片机与8255芯片的连接。

MCS-51单片机具有四个并行8位I/O，原理上这四个I/O口均可用做双向并行I/O接口，但在实际应用中，P0口常被用做数据总线和低8位地址总线，P2口常被用做高8位地址总线，P3口又常用它的第二功能，所以，只有对片内有程序存储器而又不再需外部扩展的单片机系统，即在单片机的最小应用系统下才允许这4个I/O口作为用户的I/O口使用。

MCS-51单片机需要进行外部扩展时，可提供给用户使用的I/O口只有P1口和部分P3口线及数据总线用的P0口。

在大多数MCS-51单片机应用系统设计中都不可避免地进行并行I/O的扩展。

本系统采用8255A芯片作为它的外扩I/O芯片，利用它可扩展多个I/O口，大大增强MCS-51单片机的使用功能。

8255A具有3个8位并行口PA、PB和PC，双向三态数据总线D0~D7通常与CPU数据总线相连。

具体连接图如图3-12所示。

图3-128051单片机与8255芯片的连接图

（2）单片机与74LS138译码器[8]及指示灯的连接。

该控制电路由74LS138译码器，7只发光二极管及电阻组成，由于单片机的I/O口有限，故用一个译码器来扩展其口。

74LS138的输入端C、B、A分别接单片机的P1.2、P1.1、P1.0引脚，输出端Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6分别与7个发光二极管的阴极相连，发光二极管的阳极接电源。

连接图如图3-13所示。

图3-13单片机与74LS138连接图

（3）键盘、指示灯和水位控制电路与8255A的连接。

单片机系统需要安排较多的按键时，为节约微处理器的I/O接口资源，通常把键排列成矩阵式，这样可以更合理地利用硬件资源。

本系统采用2行5列矩阵式键盘，可占用6个I/O口，可与8255A的PI口相连。

LED显示电路有两个八位的数码管显示器以及三极管和电阻组成，用来显示洗衣机的洗涤和脱水时间，可与8255A的PI口相连，由单片机进行综合控制。

水位传感器[9]采用数字振荡电路，电感与电容组成的三点式振荡电路经C2耦合接入数字式谐振放大器A1，随着水位变化，谐振频率作相应变化，放大器在a点输出，经A2整形，由c点输出，此时即可将数字量接到单片机。

连接图如图3-14所示。

图3-14键盘、指示灯和水位控制电路与82