精品智能型全自动洗衣机控制系统山科毕业论文设计.docx

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精品智能型全自动洗衣机控制系统山科毕业论文设计

智能型全自动洗衣机控制系统

目录

摘要2

1绪论3

1.1模糊控制的介绍3

1.1.1模糊控制的定义及特点3

1.12模糊控制的发展5

1.1.3模糊控制存在的主要问题6

1.2模糊控制技术在洗衣机中的应用及原理6

1.3本课题的意义及来源7

2洗衣条件8

2.1衣服的质料8

2.2水及洗涤剂8

2.3洗衣时间和脱水时间9

3控制系统的硬件设计9

3.1衣量衣质检测9

3.2水位水温检测13

3.3水的透光率检测14

4模糊控制系统硬件电路17

4.1模糊控制洗衣机的功能要求17

4.2模糊控制系统的硬件电路17

5模糊控制实现方法19

5.1基本结构和控制过程19

5.1.1全自动模糊控制洗衣机的结构19

5.1.2洗衣过程中所执行的动作20

5.2模糊规则20

5.2.1输入变量的模糊化与隶属度函数21

5.2.2输出变量的模糊化与隶属度函数22

5.2.3模糊规则与模糊推理23

5.3模糊控制系统的软件设计24

6结束语28

致谢28

参考文献29

摘要：

模糊技术是智能化技术的一个重要组成部分。

模糊逻辑有别于传统逻辑和数理逻辑，它通过隶属函数恰当地描述事物的模糊性，并把具有模糊现象和模糊概念的事物处理成精确的东西。

将模糊逻辑与单片机控制技术结合起来是智能控制技术的一个重要发展方向，它们的结合方式可分为两种:

模糊型单片机和数字型单片机的模糊化，目前应用较广泛的是后者。

模糊控制是以模糊数学为基础发展起来的一种新的非线性的控制方法，对那些无法取得数学模型或数学模型相当粗糙的系统可以取得较满意的控制效果，解决了一些用传统方法无法解决的问题。

近年来，模糊控制在家用电器控制中得到较广泛的应用，采用模糊控制技术的洗衣机具有自动识别衣质、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，不仅实现了洗衣机的全面自动化，也大大提高了洗衣的质量，具有很强的实用性和较好的发展前景。

本文深入研究了全自动洗衣机的模糊控制系统结构，确定了控制器的输入、输出变量，设计了输入输出变量的隶属函数．分析了输入输出变量的相关性。

建立了模糊控制规则库，给出了软件设计思想及模糊推理程序流程。

关键词：

模糊控制；单片机；全自动洗衣机

Abstract：

Fuzzytechnologyisanimportantpartoftheintelligenttechnology.Diferentfromtraditionallogicandsymboliclogic,thefuzzylogicdescribesthefuzzyqualitythroughtheslavefunction,andturnthefuzzyconceptionandfuzzyphenomenaintoexactness.CombingthefuzzylogicwiththeMCUcontroltechnologyisanimportantdirectionoftheintelligentcontroltechnology,whichcanbeachievedin2ways:

oneisfuzzyMCU,andtheotheroneisdigitalMCU,whichachievesthefuzzycontorlthroughsoftware,nowthistechnologyisusedwidely.

Fuzzycontrolwithfuzzymathematicsforakindofnewnotlinecontrolmethodthatthefoundationdevelop,tothosecantacquisitionmathematicsmodelorveryroughsysteminmodelinmathematicsescanobtainthesatisfiedcontrolresult,resolvingthesomeusetheproblemthattraditionalmethodcantresolve.Inrecentyears,thefaintnesscontrolstocontrolathomeappliancestheinsidegetstheextensiveapplication,adoptingthetechnicalwashingmachineinmistycontrolhavetheautoidentifiesthedressquality,dressmeasures,identifyingthedirtydegreeautomatically,theautomaticdecisionwatermeasures,throwinginanetc.functionautomatically,notonlyrealizesthewashingmachineautomatecompletely,butalsoincreasedingconsumedlythequantitythatdolaundry,havetheverystrongfunctionwiththegooddevelopmentforeground.

ThearticleresearchesthestructureoffuzzycontrolAutomaticwashingmachine、Theinptvariableandoutputvariableofcontrollerisdetermined，thenthemembershipfunctionofin—putvariableandoutputvariableisdesigned、Rulesrepositorybasedonorthogonalexperimentsissetup、Thedesignphiloso—phyofsoftwareandfuzzyreasoningprogramflowchatarepro—videdhere．

Keywords：

Fuzzycontrolmethods；Singlechipmicro-computerAutomaticWashingMachine

1绪论

1.1模糊控制的介绍

1.1.1模糊控制的定义及特点

模糊逻辑控制（FuzzyLogicControl）简称模糊控制（FuzzyControl），是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。

模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。

模糊控制系统是一种自动控制系统，它是以模糊数学﹑模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数学控制系统。

它的核心是具有智能性的模糊控制器。

无疑，模糊逻辑控制系统是一种典型的智能控制系统，在控制原理上它应用模糊集合论﹑模糊语言变量和模糊逻辑推理的知识，模拟人的模糊思维方法，对复杂的过程进行控制。

模糊逻辑控制的基础是模糊逻辑。

模糊逻辑从含义上比其他传统逻辑更接近人类的思想和自然语言。

它能够对真实的世界的近似的﹑不确切的特征进行刻画。

实际上，模糊逻辑控制是利用模糊逻辑建立的一种“自由模型”的非线性控制算法，特别是在那些采用传统定量技术分析过于复杂的过程﹑或者提供的信息是定性﹑非线形控制的效果是相当明显的。

模糊控制系统在结构上与传统的控制系统没有太大的差别。

主要不同之处在于控制器采用了模糊控制器。

模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。

模糊控制的一大特点是既具有系统化的理论，又有着大量实际应用背景。

模糊控制的发展最初在西方遇到了较大的阻力；然而在东方尤其是在日本，却得到了迅速而广泛的推广应用。

近20多年来，模糊控制不论从理论上还是技术上都有了长足的进步，成为自动控制领域中一个非常活跃而又硕果累累的分支。

其典型应用的例子涉及生产和生活的许多方面，例如在家用电器设备中有模糊洗衣机、空调、微波炉、吸尘器、照相机和摄录机等；在工业控制领域中有水净化处理、发酵过程、化学反应釜、水泥窑炉等的模糊控制；在专用系统和其它方面有地铁靠站停车、汽车驾驶、电梯、自动扶梯、蒸汽引擎以及机器人的模糊控制等。

模糊控制是一种基于规则的控制。

它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。

由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。

模糊控制的基本思想是利用计算机来实现人的控制经验，而这些经验多是用语言表达的具有相当模糊性的控制规则。

模糊控制器（FuzzyController，即FC）获得巨大成功的主要原因在于它具有如下一些突出特点：

（1）模糊工程的计算方法虽然是运用模糊集理论进行的迷糊算法，但最后得到的控制规律是确定性的、定量的条件语句。

（2）不需要根据机理与分析建立被控对象的数学模型，对于某些系统，要建立数学模型是很困难的、甚至是不可能的。

（3）与传统的控制方法相比，模糊控制系统依赖于行为规则库，由于是用自然语言表达的规则，更接近于人的思维方法和推理习惯，因此，便于现场操作人员的理解和使用，便于人机对话，已得到更有效的控制规律。

（4）模糊控制与计算机密切相关。

从控制角度看，它实际上是一个由很多条件语句组成的软件控制器。

目前，模糊控制还是应用二值逻辑的计算机来实现，模糊规律经过运算，最后还是进行确定的控制。

迷糊推理硬件的研制与模糊计算机的开发，使得计算机将像人脑那样随心所欲地处理模棱两可的信息，协助人们决策和进行信息处理。

1.12模糊控制的发展

目前，模糊控制技术日趋成熟和完善。

各种模糊产品充满了日本、西欧和美国市场，如模糊洗衣机、模糊吸尘器和模糊摄像机等等，模糊技术几乎变得无所不能，各国都争先开发模糊新技术和新产品。

多年来一直未解决的稳定性分析问题正在逐步解决。

模糊芯片也已研制成功且功能不断加强，成本不断下降。

直接采用模糊芯片开发产品己成为趋势。

模糊开发软件包也充满市场。

模糊控制技术除了在硬件、软件上继续发展外，将在自适应模糊控制、混合模糊控制以及神经模糊控制上取得较大发展。

随着其它学科新理论、新技术的建立和发展，模糊理论的应用更加广泛。

模糊理论结合其它新技术和人工神经网络和遗传基因形成交叉学科神经网络模糊技术（NeuronFuzzyTechnique）和遗传基因模糊技术（GeneticFuzzyTechnique），用于解决单一技术不能解决的问题。

模糊理论在其它学科技术的推动下，正朝着更加广泛的方向发展。

模糊控制具有良好控制效果的关键是要有一个完善的隶属函数和控制规则。

但由于模糊规则是人们对过程或对象模糊信息的归纳，对高阶、非线性、大时滞、时变参数以及随机干扰严重的复杂控制过程，人们的认识往往比较贫乏或难以总结完整的经验，这就使得单纯的模糊控制在某些情况下很粗糙，难以适应不同的运行状态，影响了控制效果。

近20多年来，模糊控制不论从理论上还是技术上都有了长足的进步，成为自动控制领域中一个非常活跃而又硕果累累的分支。

模糊控制展望：

模糊系统理论还有一些重要的理论课题还没有解决。

其中两个重要的问题是：

如何获得模糊规则及隶属函数，这在目前完全凭经验来进行；以及如何保证模糊系统的稳定性。

大体说来，在模糊控制理论和应用方面应加强研究的主要方向为：

（1）适合于解决工程上普遍问题的稳定性分析方法，稳定性评价理论体系；控制器的鲁棒性分析，系统的可控性分析和可观性判定方法等。

（2）模糊控制规则设计方法的研究，包括模糊集合隶属函数设定方法，量化水平，采样周期的最优选择，规则的系数，最小实现以及规则和隶属函数参数自动生成等问题；进一步则要求我们给出模糊控制器的系统化设计方法。

（3）模糊控制器参数最优调整理论的确定，以及修正推理规则的学习方式和算法等。

（4）模糊动态模型的辨识方法。

（5）模糊预测系统的设计方法和提高计算速度的方法。

（6）神经网络与模糊控制相结合，有望发展一套新的智能控制理论。

（7）模糊控制算法改进的研究：

由于模糊逻辑的范畴很广，包含大量的概念和原则；然而这些概念和原则能真正的在模糊逻辑系统中得到应用的却为数不多。

这方面的尝试有待深入。

（8）最优模糊控制器设计的研究：

依据恰当提出的性能指标，规范控制规则的设计依据，并在某种意义上达到最优。

（9）简单、实用且具有模糊推理功能的模糊集成芯片和模糊控制装置、通用模糊控制系统的开发和推广应用。

在短短20多年时间里，模糊控制得到长足发展。

它的应用领域涉及各各方面，控制方法也有广很大进展，模糊控制器的性能不断提高。

模糊控制系统易于接受，设计简单，维护方便，而且比常规控制系统稳定性好，鲁棒性高。

由于它的这些特点，模糊控制正在得到越来越广泛的应用。

1.1.3模糊控制存在的主要问题

迄今为止，模糊控制技术已对我国的工业、信息产业、交通等众多领域产生了重要影响，特别是模糊家电产品的更是普及了大众对模糊控制技术的认识。

但应指出，目前模糊控制技术尚处于发展的初步阶段，还存在大量有待解决的问题。

常规模糊控制的两个主要问题在于：

认为模糊隶属度函数的确定具有主观臆断性和认为经验技巧色彩，至今它还没有完善的系统分析手段，因而是不可靠的；模糊控制的规则的获取以及输入模糊变量论域和隶属函数的确定还都是实验分析和操作人员经验的汇总，受人为主观因素影响较大，主要是专家的经验法和观察法，但这些方法主观性较强，不非常成熟，有待进一步研究。

当然模糊控制无论在理论上和使用上都是一门“年轻”的科学，正处于不断发展和完善的进程之中，不像经典控制理论和现代控制理论皆已形成了较完善的理论体系。

同时，也许也正因为它的不完善和正在发展，显示了它有很大的发展潜力和前途。

1.2模糊控制技术在洗衣机中的应用

自从年英国的E.H.Mamdani首先将模糊数学理论成功地应用于锅炉和蒸汽机

的控制以来,模糊控制无论在理论上还是实践上都有了较大的发展人们用能模仿人的模糊概念和控制策略的模糊控制器,对某些难以建立数学模型,从而难以靠经典或现代控制理论来控制的工业生产过程进行自动控制,取得了较好的效果。

近年来,日本将这一思想引入家用电器的控制之中,形成了所谓“模糊家电”本文沦及的是“模糊洗衣机”。

模糊控制是一种非线性的控制方法,主要针对那些无法取得数学模型或数学模型相当粗糙的系统。

首先要对被控对象按照人们的经验总结出模糊规则,采用模糊量,借助单片机对这些信息按照模糊规则转换为控制量,来完成自动控制。

近年来,模糊控制在家用电器控制中得到较广泛的应用,采用模糊控制的洗衣机,可具有自动识别衣质、衣量、脏污程度、脏污性质、自动决定水量、自动投入恰当的洗涤剂等功能,不仅实现了洗衣机的全面自动化,也大大提高了洗衣的质量,具有很强的实用性和较好的发展前景。

。

模糊控制是首先对控制对象按照人们的经验总结模糊规则，采用的数量是模糊量，由单片机对这些信息按照模糊规则作出决策来完成自动控制。

目前，利用单片机进行模糊控制有两种形式：

一种是用数字单片机组成硬件结构，而以软件执行模糊化，模糊推理及反模糊化工作，这种方式价格低，灵活性高，通用性强，应用范围广，特别适于家用消费类产品的应用；另一种则是专门执行模糊逻辑信号处理的器件一模糊单片机，在模糊单片机中，模糊化、推理和反模糊化都是由硬件执行的，因此，它的模糊推理速度相当高，但它内部的隶属函数形状，规则条数，推理方式都是固定的，灵活性不足，且价格相当昂贵。

考虑到性价比，一般的智能洗衣机的程控器都是采用数字单片机做主控芯片，由软件来实现模糊功能，以实现其智能化。

采用模糊控制电路的全自动洗衣机是一种新型的多功能家用电器,它集微电脑技术、自动控制技术、传感技术、工业造型设计等技术于一体。

这种洗衣机以人们洗衣操作的成熟经验作为模糊控制规则,采用先进的检测手段检测诸如水温、水位、衣质衣量、衣物的赃污情况等洗衣状态信息,应用模糊控制技术分析检测结果,以最佳的洗涤方案,最大限度地模拟人工操作,自动地完成洗衣的全过程,达到理想的洗涤效果。

与电脑程控型全自动洗衣机相比,模糊控制型洗衣机具有许多优点:

首先,它应用布质、布量的检测结果,通过模糊推理,自动确定洗衣水位和水流强度;其次,应用洗涤液浑浊度检测结果,通过模糊推理法则,确定和修正洗涤时间与洗涤剂量;第三,具有自动断电、报警保护、故障检测显示等功能;最后,具有外形美观、功能强、操作使用方便等优点。

本文着重介绍如何将模糊控制技术应用于洗衣机的检测、控制及具体的实现方案。

洗衣机的自动控制系统为一多输入多输出系统,输入量为衣质、衣量、脏污程度（即水的浑浊度）、脏污性质（浑浊度变化率）;输出量为洗涤剂量、水位、水流、脱水时间、洗涤时间、漂洗方式等。

从洗衣机的运行过程可以看出,洗涤剂量、水位、水流、脱水时间都可以通过输入量推理求得,而洗涤时间与漂洗方式为实时控制量,影响其主要因素是被洗物品的脏污程度,这两个量可以用水的浑浊度和浑浊度变化率来表示,油性脏污的浑浊度变化率小,泥性脏污的浑浊度变化率大。

实际分析证明:

输入与输出之间很难用一定的数学模型来描述,系统的具体条件具有较大的不确定性,其控制过程在很大程度上依赖于操作者的经验,用常规的控制方法难以达到理想的效果。

而采用模糊控制技术就能很容易解决问题。

因而采用了模糊控制器设计全自动洗衣机。

在洗涤衣物的过程中,衣物的多少、面料的软硬、衣物的脏污程度等都是模糊量,所以必须经过大量的实验,总结出人为的洗涤方式,从而形成模糊控制规则。

再根据检测系统检测到的信息,判断出衣物多少、面料软硬、脏污程度、脏污性质等,计算出控制量,从而完成注水量、洗涤时间、水流强弱、洗涤方式、脱水时间、排水等一系列的设置。

根据上述分析和模糊控制技术的基本原理,可可以确定洗衣机的模糊控制框图如图1-1

图1-1

X为输入精确量；y为输出精确量；U（x）为输入模糊量；U（y）为输出模糊量。

1.3本课题的意义及来源

随着现代社会生活节奏的不断加快和人们生活水平的不断提高，人们对各种方便、快捷的家用电器需求量越来越大，洗衣机作为人们提高生活效率，追求生活质量的基本条件，也愈来愈成为不可或缺的生活用具.

在工业发达国家，洗衣机的普及率已达到相当高的程度，但由于现阶段国情，洗衣机在我国的普及程度较低，农村更甚。

随着人民生活水平（特别是乡村生活水平）的不断提高，社会上对洗衣机的需求量越来越大，而且随着生活质量的不断提高，人们对洗衣机的功能要求越来越高，使得洗衣机的更新较快，因此，洗衣机做为人们追求现代生活的一个基本要求在我国有着极大的市场。

洗衣机技术发展日新月异，产品类型众多，但从总体来看，人们对洗衣机的基本要求应是:

省时、省水、省电，磨损率小，操作方便，功能完善等。

以上特点从技术的角度可由洗衣机的洗涤方式和控制方式这两个基本特性决定。

目前存在的洗涤方式有波轮式（又称涡卷式）、搅拌式、滚筒式、喷流式、喷射式和超声波式等多种，在我国比较普及的洗涤方式是波轮式，超声波式洗涤方式则代表着国际上的发展方向。

对洗衣机技术的发展使得人们期望在采用一种较好洗涤方式的同时，希望洗衣机的控制部分能在洗涤过程中对衣物重量、脏度，洗涤剂的浓度，水的硬度、温度等影响洗涤效果的诸多因素进行检测，并能对这些检测结果做出合理反应，从而得到比较理想的洗涤效果。

现代科学技术的发展，特别是嵌入式技术的发展，使微电脑的功能日益强大，微电脑与传感器系统的结合，足以实现上述功能;另外，人们对洗衣机使用方便的要求使得洗衣机的全自动化成为另一个发展方向.因此，从世界范围内来说，洗衣机总的发展趋势是向微电脑，传感系统，智能化、全自动化的方向发展。

本课题的目的就是设计一种比较合理的全自动洗衣机模糊控制器，这种采用模糊控制的全自动洗衣机能够自动判断被洗衣物的重量轻重、质料软硬，自动检测洗衣桶内水的脏污程度和污渍性质（油污或泥污）；能自动预选水位、水流强度和洗涤时间，并能进行衣物偏置的自动纠正等，也应该能在整个洗涤过程中实施监控，并适时调整这些运行参数，以达到最佳的洗涤效果。

2洗衣条件

洗衣机做为一种家电产品，需要达到的性能指标包括洗净性能、漂洗性能、脱水、性能、排水性能和磨损性能等，其各主要性能指标的实现最终要依赖于洗衣过程中的各控制参数，洗衣机的主要控制参数有:

2.1衣服的质料

要把衣服洗干净，去除污垢，与如下一些因素有关：

衣服的质料、水的硬度、水的多少和水的温度、洗涤剂的性能和多少、机械力的大小和作用时间。

一般衣服质料纤维可分为两大类：

自然纤维的棉织品和人造化学纤维织品。

棉制品的污垢不仅在表面，而且还渗透纤维内，所以，棉制品要比化学纤维难洗。

且面制品的吸水性比化纤制品强，因此，同样多的衣物、同样的污垢程度和污染性质，洗面制品时要水多放一点、洗的时间长一点。

2.2水及洗涤剂

水可以带走一般的灰尘和水溶性污垢，所以，不用洗涤剂也可以洗去部分污垢。

水的硬度用肥皂时也会影响洗涤效果，但影响最大的还是水的温度，在一定的水温范围内，水温越高，洗涤效果越好。

然而水温也不宜太高，否则，高温会把附着在衣服上的蛋白质凝固，反而影响洗涤效果。

衣物能否洗干净，与用水量的多少关系很大。

如果衣物很少，且吸水性不太强，此时放水太多，不但浪费洗涤剂，浪费水，还会使洗涤时间加长，衣物的磨损加重，并且不易洗干净。

水温对洗涤效果的影响也是很大的，水温升高，洗涤效果会有所提高。

洗涤剂的主要成分是表面活性剂，表面活性剂是分子结构中含有亲水基和亲油基两部分的有机化合物。

一般是根据表面活性剂在水溶液中能否分解为离子，又将其分为离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂的两大类。

离子型表面活性剂和两性离子表面活性剂三种。

不同的洗涤剂还会添加各种不同的辅助剂、酵素、荧光增白剂、香料等。

静止的洗涤剂不能产生良好的洗涤效果，要把污溃从衣物表面洗除掉，并对衣物施加清洗动力，就需要洗衣机能够执行搅拌，搓，揉，摩擦，卷搅，翻滚等动作。

洗衣机对衣物输出的能量大，去污效果明显，但在某种程度上会造成衣物的损伤，因此应对不同质地，不同重量的衣物采用不同的能量输出方式，从控制的角度就表现为水流方式的不同。

实践证明，在织物的水洗中只有阴离子表面活性剂和非离子型表面活性剂，对织物去污能够起到正面有效的作用。

因此这两种表面活性剂就成了衣物洗涤剂的主要材料。

水的温度对洗涤剂的影响也非常大。

温度过低时，洗涤剂发挥不出很好的功效；温度过高时，会杀死洗涤剂的活性。

洗涤剂要具备良好的润湿性、渗透性、乳化性、分散性、增溶性及发泡与消泡等性能这些性能的综合就是洗涤剂的洗涤性能。

洗涤剂的产品种类很多，基本上可分为肥皂、合成洗衣粉、液体洗涤剂、固体状洗涤剂及膏状洗涤剂几大类。

2.3洗衣时间和脱水时间

洗衣时间：

衣物在洗衣机中洗涤时间过长会使衣物受到较大磨损，因此，应针对不同质地和不同衣物量来确定洗衣时间。

脱水时间：

全自动洗衣机中，脱水过程是洗衣操作的最后一个过程。

一般