智能洗衣机控制系统设计.doc
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智能洗衣机控制系统设计
摘要
洗衣机是现代家庭必备电器之一。
随着科学技术的发展，人工智能技术逐渐应用于家用电器中。
人们对洗衣机的要求在不断地提高，传统的全自动洗衣机已经不能完全满足人们的需求。
智能洗衣机应运而生。
本设计为基于模糊控制理论的微电脑程控式的智能洗衣机设计。
应用模糊控制可以实现对洗涤过程中的水位和洗涤时间的合理控制。
洗涤过程中，洗衣机能自动检测出布量和布质，自动地确定水位和洗涤时间，使衣物能够达到最佳的洗涤效果。
系统的硬件主要包括主控芯片，电源电路，驱动电路，传感器电路，显示电路，键盘输入电路等。
由于本次设计采用了功能强大的AT89C52单片机为主控制芯片，因此系统具有控制能力强，硬件简单，工作可靠等优点。
关键词：
AT89C52单片机；智能洗衣机；模糊控制
Abstract
Thewashingmachineisoneoftheessentialelectricalappliancesofthemodernfamily.Withthedevelopmentofscienceandtechnology，artificialintelligencetechnologyisgraduallyappliedinhouseholdappliances.Astherequirementsforwashingmachineisconstantlyimproving，thetraditionalautomaticwashingmachinecannotmeettheneedsofpeople.Intelligentwashingmachinescametobeing.
Thispaperdescribesthesystemdesignofmicrocomputerprogrammedintelligentwashingmachinesbasedonthefuzzycontroltheory.Theapplicationoffuzzycontrolcanreasonablycontrolthewaterlevelandwashingtimeinwashingprocess.Intheprocessofwashing，Intelligentwashingmachinecanautomaticallydetecttheamountofclothandthetypeoffabric，automaticallymakesurewaterlevelandwashingtime，makeclothingsreachthebestcleaningeffect.
Systemhardwaremainlyincludesthemaincontrolchip，thepowersupplycircuit，drivecircuit，sensorcircuit，displaycircuit，thekeyboardinputcircuit，etc.Becauseitequippedwiththepowerfulsinglechipmicro-computernamedAT89C52，thiswashingmachinehasmanyadvantagesoveritsstrongcontrollingability，simplehardwarestructureandsoon.
Keywords:
AT89C52singlechip;Intelligentwashingmachine;fuzzycontrol
目录
摘要 I
Abstract II
1绪论 1
1.1洗衣机的发展状况概述 1
1.2模糊控制理论简述 2
1.3智能洗衣机的设计方案 3
2系统概述 5
2.1系统结构介绍 5
2.2主要芯片及元器件介绍 6
3系统硬件电路设计 15
3.1系统电源电路 15
3.2温度检测电路 15
3.3水位检测电路 15
3.4浊度检测电路 16
3.5液晶显示电路 16
3.6迅响电路 17
3.7键盘输入电路 17
3.8驱动电路 18
3.9负载检测电路 18
4系统软件设计 20
4.1智能洗衣机实现的关键技术 20
4.2系统主要流程图 24
4.3系统程序代码 29
5结论 36
参考文献 37
附录：
38
致谢 39
39
智能洗衣机控制系统设计
1绪论
1.1洗衣机的发展状况概述
1．洗衣机的发展史
洗衣服是每个家庭都无法逃避的家庭劳动。
洗衣机的出现给人们的生活带来了相当大的方便，它的普及大大降低了大多数家庭的体力劳作。
1858年，美国人汉密尔顿·史密斯制成了第一台洗衣机。
1874年，美国人比尔·布莱克斯发明了第一台人工搅动式洗衣机，使得“手洗时代”受到了挑战。
1910年美国人研制出了第一台电动式洗衣机。
1922年美国玛塔依格公司生产出了第一台搅拌式洗衣机。
1932年美德克斯航空公司研制成功了第一台前装式滚筒式洗衣机，这台机衣机能够使洗涤、漂洗、脱水三个步骤在同一个滚中操作。
与此同时，世界各地也相继出现了洗衣机。
洗衣机工业快速迅猛地发展起来。
1937年第一台自动洗衣机问世。
1955年日本研制出波轮式洗衣机。
60年代日本出现了半自动洗衣机。
70年代生产出了波轮式套桶全自动洗衣机。
70年代后期以电脑控制的全自动洗衣机在日本问世。
80年代“模糊控制”开始应用于洗衣机中，使得洗衣机能够通过模糊控制使洗衣机操作更加简单，实现智能化。
近半个多世纪里，在工业发达国家，全自动洗衣机技术得到广范的应用，其年总产量及社会普及率均以达到相当高的水平。
2．我国洗衣机的发展现状
洗衣机在中国起步较晚，1978年才开始正式生产家用洗衣机。
随着改革开放的不断深入，经济的持续增长，人民生活水平的普遍提高，人们对于洗衣机的认识也在不断发展，进入80年代后，中国洗衣机行业一直保持着旺盛的发展形势。
目前，洗衣机在我国城市甚至广大农村已得到大范围的普及。
中国洗衣机市场正处于快速更新换代阶段，市场潜力巨大，随着家用电器的自动化、智能化发展，人们对于洗衣机的期望也越来越高。
1983年，中国洗衣机产量由1978年的400台增至365万台。
此后全国各处都大规模的引进国外先进洗衣机技术。
中国的洗衣机发展突飞猛进，先进技术的引进、吸收和创新，极大地促进了中国洗衣机的生产能力和产业质量。
经过三十年的发展，我国的洗衣机年产量已位于世界第一，将近为世界总年产量的四分之一。
3．智能洗衣机的发展前景
洗衣机是一个家庭中不可或缺的家用电器，其发展速度十分迅速，传统洗衣机由于功能的需要和技术的局限，手动控制按纽越来越多。
而洗衣机的使用操作者一般是家庭妇女、老人、保姆等，相对而言这些人的文化程度较低，很难掌握正确用法，造成多功能洗衣机功能上的浪费，不能做到尽可能的节水、节电、省时。
不但中国如此，据美国消费者协会亦调查到：
“在家用电器中，一般的美国人常用的功能键只有20%～30%，有80%的家庭妇女不能掌握其全部用法。
”所以控制简单而且功能完善的家用电器就越来越受欢迎。
因此传统的洗衣机已经远不能满足人们追求现代化的要求。
新型的智能洗衣机应运而生。
所谓智能洗衣机是微处理器和模糊控制技术引入到传统自动洗衣机中的产物。
它拥有高度自动化、智能化、人性化的特点，不仅能够实现进水、洗涤、漂洗、脱水等一系列过程的自动完成，还能够模拟传统人工手洗的操作方式，总结人工手洗的操作经验，通过模糊推理和模糊控制来实现洗衣机的全自动化和智能化。
由于智能洗衣机采用了微电脑控制，拥有较大的程序存储能力，在洗衣机内部存储了很多种洗涤模式，可由用户任意选择，能够最大限度的节约水、电、洗涤剂，使衣物能够在尽可能短的时间内用最不磨损衣物的方式将衣物洗到尽量的干净。
智能洗衣机的出现可以进一步改变人们的方式，让人们的生活更加简单，更少烦杂。
在生活水平高度上升的今天，人们将时间越来越少的分配在不必要的机械操作中，智能洗衣机的市场需求十分巨大。
有业内人士表示，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。
1.2模糊控制理论简述
“模糊”是人类感知万物、获取知识、思维推理、决策实施的重要特征。
1965年，“模糊控制理论”由美国学者加利福尼亚大学著名教授L.A.Zadeh首度提出。
模糊控制是一种以数学为基础，运用语言规则表示方法和先进的计算机技术，由模糊推理进行判决的高级控制策略。
模糊控制属于智能控制范畴，现已发展成人工智能领域中的一个重要分支，其理论发展迅速，应用领域广范，控制效果显著。
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。
如今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。
智能洗衣机整个工作过程的控制是由单片机控制系统实现的，由单片机、稳压电源、信号检测模块、振荡器、蜂鸣器、功能键、显示电路、驱动电路等组成。
智能洗衣机利用数字单片机组成硬件结构，由软件进行模糊化，模糊推理和反模糊化作业。
1.3智能洗衣机的设计方案
1．洗衣机控制面板
本次设计的智能洗衣机定义为基于模糊控制的微电脑程控式套桶波轮型洗衣机。
其控制面板分为两个部分：
按键部分和显示部分。
按键部分包括了三个按键：
电源键、程序键、启动/暂停键。
（1）电源键：
手动按下电源键，即将电源接入至洗衣机系统。
（2）程序健：
选择工作模式。
（3）启动暂停键：
用于选择启动或暂时停止两种工作状态。
显示部分由一个发光二极管和一个LCD12864液晶显示器组成，其中发光二极管指示电源是否接通，液晶显示器显示洗涤模式、洗涤状态及剩余时间。
2．智能检测
待洗衣物的智能检测是智能洗衣机能够实现智能的关键技术之一。
智能检测利用了模糊控制原理，根据各类传感器提供的洗涤物状态和洗衣机运行参数进行模糊推理。
通过对布量、布质、温度、浊度的检测来确定洗涤过程中的洗涤水位，洗涤时间，漂洗次数，排水时间，脱水时间等等。
3．智能洗衣机工作流程
人工放入待洗衣物和洗涤剂后，接通电源，选择好洗涤模式，按下“启动/暂停”键。
此时洗衣机进入智检过程。
首先波轮正转3s，断电，初步确定水位。
然后开进水阀，进水至检测水位，波轮正转30s，断电，进行布量分析判断，确定洗涤水位。
继续进水至已确定的水位，波轮转动15s，断电，进行布质分析判断，温度检测。
通过测得的数据初步得出洗涤时间，进入“洗涤”过程。
洗涤有三种模式：
标准洗涤模式、快速洗涤模式、脱水模式。
（1）标准洗涤模式：
首先将衣物浸泡至规定的时间，然后通过电机的正反转对衣物进行洗涤，并通过对洗涤剂浊度的分析来修正洗涤时间。
洗涤完毕，电机停止转动，接通排水阀电机，打开排水阀，开始排水。
当水位到达0水位时，进行漂洗前的脱水过程。
电机通电，进行脱水。
到达预约时间后，电机断电，稍后关闭排水阀。
打开进水阀，进水至规定水位，起动电机，进行衣物的漂洗。
漂洗时间到，电机停止转动，打开排水阀进行排水，检测水的浊度，若浊度不达标需重复漂洗程序（重复漂洗程序时要先进行脱水），漂洗程序最多重复两次。
漂洗结束之后，进行最后的脱水程序。
开启排水阀，排水至0水位，电机间断和连续顺时针转动，到达规定时间后，电机停止转动，关闭排水阀，蜂鸣器提示洗涤结束，软件切断电源。
（2）快速洗涤模式：
电机正反转对衣物进行洗涤，至预约时间，进入漂洗程序。
第一次漂洗完后，排水时检测水的浊度，待脱水完毕，若测得的浊度不达标则进行二次漂洗，二次漂洗之后进行最后脱水。
脱水完毕，蜂鸣器提示洗涤结束，软件切断电源。
（3）脱水模式：
打开排水阀进行排水，待水位为0水位，启动电机，进行脱水，至预约脱水时间，蜂鸣器提示脱水结束，软件切断电源。
2系统概述
2.1系统结构介绍
如图1所示为智能洗衣机控制系统的结构框图。
智能洗衣机控制系统采用AT89C52单片机为主控制芯片。
外围电路包括电源电路，振荡电路，复位电路，驱动电路，蜂鸣器电路，负载传感器模块，水位传感器模块，温度传感器模块，浊度传感器模块，LCD显示模块，键盘输入模块等。
电源电路
振荡电路
复位电路
键盘输入
温度传感器
水位传感器
负载传感器
温度传感器
驱动电路
排水阀
开关线圈
进水阀
电机
LCD显示
蜂鸣器电路
AT89C52
单片机
图1 智能洗衣机结构框图
（1）电源电路
本次设计中电源电路用于将220V的市交流电转为所需要的直流电压。
220V市电先经变压器降压，然后经过二极管桥式整流，电容滤波后送入集成稳压器进行稳压，然后将稳定的直流电压输送给智能洗衣机控制系统电路的其他用电模块。
（2）驱动电路
洗衣机所用的电动机，电源开关线圈，进水电磁阀，排水电磁阀均为需要220V市电来带动的负载，而单片机不能直接控制市电，因此驱动电动在本次设计中相当重要。
本设计中采用的驱动电路由光电耦合器MOC3041和大功率晶闸管构成。
MOC3041是常用的双向晶闸管输出的光电耦合器，带过零触发电路，输入端的控制电流为15mA，输出端额定电压为400V，最大重复浪电流为1A，输入输出端隔离电压为7500V，有很好的隔离性。
单片机将控制信号传递给MOC3041的输入端，经MOC3041的输出端来控制大功率晶闸管的控制端，从而由大功率晶闸管来控制相应的负载。
这种设计方式可以使系统强弱电之间具有很好的隔离效果，控制方便，性能稳定。
（3）传感器模块
传感器模块包括温度传感器模块，水位传感器模块，负载传感器模块和浊度传感器模块。
传感器模块主要是用来将相应传感器检测的信号送入AT89C52单片机中。
实现系统对特定信号的检测，使洗衣机得以实现智能控制。
（4）键盘输入模块
本次设计中键盘输入电路的设计是方便用户来自行选择洗涤模式和控制洗涤程序的启动/暂停的。
由于本次设计力求使洗衣机使用更为简单，高度实现智能化，键盘按键仅有两个，设计简单，采用独立键盘形式。
（5）蜂鸣器电路
用蜂鸣器作为发声元件，可以在需要的时候发出声响，在洗衣机系统中可用于提示洗衣过程结束及对洗涤过程中出现的故障进行报警。
2.2主要芯片及元器件介绍
1．AT89C52单片机
本设计采用的主控芯片为AT89C52单片机。
AT89C52单片机由ATMEL公司生产，属于51系列单片机的一种，是一种低电压、高性能的8位CMOS单片机，片内置有通用8位中央处理器和FLASH单元，兼容MCS-51指令系统。
AT89C52单片机存储器采用哈佛结构，程序存储器和数据存储器空间是相互独立，分别是含有8K可反复擦写的Flash只读程序存储器和256B的随机存取数据存储器，两种存储器都有各自独立的寻址方式和寻址空间。
如图2所示为AT89C52单片机的引脚示意图。
AT89C52单片机共40个引脚，有32个双向输入/输出（I/O）端口，内含2个外部中断口，3个16位可编程定时/计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线。
图2 AT89C52单片机引脚示意图
其引脚功能如下：
（1）主电源引脚（2根）
VCC（Pin40）：
电源输入，接＋5V电源
GND（Pin20）：
接地线
（2）外接晶振引脚（2根）
XTAL1（Pin19）：
片内振荡电路的输入端。
当使用片内振荡器时，此引脚接微调电容和石英晶体；当采用外接时钟源时，引脚接振荡器信号。
XTAL2（Pin20）：
片内振荡电路的输出端。
当使用片内振荡器时，和Pin19的接法一样；当采用外部时钟源时，此引脚悬空。
（3）控制引脚（4根）
RST/VPP（Pin9）：
复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
Vpp为第二引脚功能，当对片内Flash进行编程时，此引脚接入编程电压。
ALE/PROG（Pin30）：
地址锁存允许信号。
若访问外部程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM），ALE将用于锁存低8位的地址。
此时，ALE仍会以时钟振荡频率的1/6输出一个固定的脉冲信号，可用于对外输出时钟或定时。
此外，可通过对特殊功能寄存器（SFR）中的8EH单元的D0位置位，可以禁止ALE操作。
该位置位后，只有MOVX和MOVC指令才能把ALE激活。
PSEN（Pin29）：
外部存储器读选通信号，当为低电平时外部存储器读选通。
EA/VPP（Pin31）：
程序存储器的内外部选通信号，接低电平时从外部程序存储器读指令，接高电平则从内部程序存储器读指令。
（4）可编程输入/输出引脚（32根）
AT89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。
P0口（P0.0～P0.7）：
8位双向I/O口线。
P0口是一个漏极开路的I/O口。
作为输出口，每一位均可以驱动8个TTL负载。
当对某个P0端口写入“1”时，该引脚可以用作高阻抗输入。
当访问外部程序存储器或者数据存储器时，P0口也被作为地址总线（低8位）和数据分时复用。
在这种模式下，P0不需要外加上拉电阻。
P0口也可以作为I/O口使用，也可以用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节，此时需要加10K-4.7K的外部上拉电阻。
P1口（P1.0～P1.7）：
8位准双向I/O口线。
P1口内部具有上拉电阻，P1口输出缓冲器能够驱动4个TTL负载。
若对P1口写入“1”的时候，内部上拉电阻就会把端口拉高，此时可以用作输入口。
当作为输入口使用时，被外部拉低的引脚因为其内部电阻，将输出电流。
此外，P1.0和P1.2分别可以作定时器/计数器2的外部计数输入和定时器/计数器2的触发输入。
P2口（P2.0～P2.7）：
8位准双向I/O口线。
P2输出缓冲器能够驱动4个TTL负载。
当对P2端口写入“1”的时候，内部上拉电阻就会把端口拉高，此时就可以作为输入口使用。
当作为输入使用时，被外部拉低的引脚因为其内部电阻，将会输出电流。
在访问其外部ROM或用16位地址读取外部RAM时，P2口就会送出高八位地址。
此时，P2口利用内部上拉发送“1”。
当使用8位地址，访问其外部数据存储器（RAM）时，P2口将会输出P2锁存器的内容。
在Flash编程或者校验时，P2口也用于接收高8位地址和某些控制信号。
P3口（P3.0～P3.7）：
8位准双向I/O口线。
P3口其内部具有上拉电阻，P2口输出缓冲器能够驱动4个TTL负载。
当对P3口写入“1”的时候，内部上拉电阻就会把端口拉高，此时就可以作为输入口使用。
当作为输入使用时，被外部拉低的引脚因为其内部电阻，将会输出电流。
P3口也作为STC8C52具有第二功能的引脚使用，如表1所示。
表1P3口第二功能引脚图
引脚
第二功能
说明
P3.0
RXD
串行输入口
P3.1
TXD
串行输出口
P3.2
INT0
外中断0
P3.3
INT1
外中断1
P3.4
T0
定时/计数器0
P3.5
T1
定时/计数器1
P3.6
WR
外部数据存储器写选通
P3.7
RD
外部数据存储器读选通
2．点阵型LCD2864简介
12864是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。
可完成图形显示，也可以显示8×4个（16×16点阵）汉字。
表2为12864的引脚功能表。
表212864引脚功能表
引脚号
引脚名称
LEVER
管脚功能
1
VSS
0
电源地
2
VDD
+5.0V
电源电压
3
V0
——
液晶显示器驱动电压
4
D/I（RS）
H/L
D/I=“H”，表示DB7~DB0为显示数据
D/I=“L”，表示DB7~DB0为显示指令数据
5
R/W
H/L
R/W=“H”，E=“H”数据被读到DB7~DB0
R/W=“L”，E=“H→L”数据被写到IR或DR
6
E
H/L
R/W=“L”，E信号下降沿锁存DB7~DB0
R/W=“H”，E=“H”DDRAM数据读到DB7~DB0
7
DB0
H/L
数据线
8
DB1
H/L
数据线
9
DB2
H/L
数据线
10
DB3
H/L
数据线
11
DB4
H/L
数据线
12
DB5
H/L
数据线
13
DB6
H/L
数据线
14
DB7
H/L
数据线
15
CS1
H/L
CS1＝H，选择芯片右半屏信号
16
CS2
H/L
CS2＝H，选择芯片左半屏信号
17
RET
H/L
复位信号，RET＝L复位
18
VOUT
-10V
LCD驱动负电压
19
LED+
——
LED背光板电源
20
LED-
——
LED背光板电源
12864LCD的指令系统及时序。
12864液晶显示模块（即KS0108B及其兼容控制驱动器）的指令系统比较简单，总共只有七种。
其指令表如表3所示：
表312864指令表
指令名称
控制信号
控制代码
R/W
RS
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
显示开关
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1/0
显示起始行设置
0
0
1
1
X
X
X
X
X
X
页设置
0
0
1
0
1
1
1
X
X
X
列地址设置
0
0
0
1
X
X
X
X
X
X
读状态
1
0
BUSY
0
ON/OFF
RST
0
0
0
0
写数据
1
1
写数据
读数据
1
1
读数据
3．负载传感器
负载传感器由电动机的反电动势检测电路，光耦合器和滤波电路组成。
可以测得电动机在不同阶段的反电动势.应用于洗衣机中可以通过模糊推论得出布量和布质的信息.其电路示意图如图3所示：
图3 负载传感器电路示意图
起动主电机旋转，等电机转速稳定后切断电源，主电机由于惯性继续转动直到停止.在主电机断电惯性旋转时，主电机处于发电状态，会产生感应电动势输出.如果负载较大主电机处于发电状态的时间就长，如果负载较小则主电机处于发电状态的时间就相对较短。
如图4所示：
整形脉冲
时间
断电后
电机转速稳定
图4（a） 负载小
整形脉冲
时间
断电后
电机转速稳定
图4（b） 负载大
图4电机断电后负载与整形脉冲的关系图
将负载传感器应用于洗衣机中就可以以通过多次测量负载的方式来判断衣物的布质和
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