电气自动化---基于单片机模糊推理的洗衣机控制系 统设计

来源: 长沙中视澜庭教育咨询有限公司  日期:2018-01-13 15:21:22  点击:221 
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摘  要
洗衣机作为生活中的必须品,其性能的好坏直接影响着人们的生活体验,洗衣机的智能化发展就显得尤为必要。本次设计的控制系统中,使用的是单片机STC89C52作为洗衣机模糊控制系统的核心。洗衣机主要电路由按键、蜂鸣器、电机和液晶显示屏等元件组成。洗衣机的控制程序设计则主要包括主程序、外中断服务程序、定时中断服务程序等。模糊控制器则是根据人们在日常生活中的经验,通过把输入的衣量、水温等物理量进行模糊化,建立一些洗衣机的洗涤规则,推理得出相应的控制量,实现对水流强度、洗衣时间等实现自动控制。控制过程则与人的思维方式是一致的,可以满足人们对洗衣机智能化的要求。智能洗衣机的发展已达到相对完善的水平,在今后的发展进程中,有更先进的技术支撑,洗衣机会更加的智能化、人性化,更好地服务于我们的生活。
 
关键字:洗衣机、自动控制、智能控制、模糊推理
 

1  引言

1.1  选题的实用价值及理论意义

在我们当下的家庭生活中,洗衣机已经是不可缺少的家用电器之一,有着非常不错的发展前景。一般的洗衣机需要人们对被洗的衣服的材质、衣服的多少、以及衣服的脏污程度先进行一个人为的初步判断,然后根据这个人为判断的结果来设定洗衣服的时候所需要的时间和形式。若是人们在平常洗衣的过程中自身经验不足,不能采用适当的操作方法来使用洗衣机,就有可能会造成资源不必要的浪费或者达不到我们期望的洗涤效果,甚至会影响洗衣机的寿命。全自动即洗衣过程中的一系列程序自动完成,从而大大减少了人们的手工操作[1]。洗衣机的控制器通常设有几种不同的洗涤程序,用户可以根据自己衣服的材质、衣量及肮脏程度自行选择,省时省力的方便操作博得了大众的喜爱。为不断地满足人们的需求,全自动洗衣机的发展永远不会停下脚步,因此全自动洗衣机模糊控制器的设计这一课题对人们的日常生活具有非常重要的意义。

1.2  国内外发展状况

在国内学术领域中,对于洗衣机模糊控制技术的研究成果是比较多的,先后出版了很多这方面的著作。20世纪90年代,模糊控制的家电就已经开始陆陆续续地出现在了我们日常的生活中了[2]。2007年01月刘素芳女士撰写的一篇的《基于模糊控制的洗衣机水位控制的仿真》在山西电子技术学报上进行了发表,该文阐述了模糊推理应用于控制方面的工作方法,通过自己建立的水箱模块和阀门模块来控制整个系统运行、仿真过程,并给出了仿真结果和过程参量变化[3]。2009 年05月,刘贺博士撰写的论文《全自动洗衣机的模糊控制分析》的发表在了重庆工学院学报(自然科学版)上,该文全面地、详尽地对自动洗衣机的模糊控制进行了说明。根据专家的理论知识和现场操作人员经验的长期积累,给出了如何建立详尽的的模糊控制洗衣的规则[4]
1990 年被日本称为“模糊”元年。这是因为家电制造商引起广大发展如洗衣机,吸尘器,相机等“模糊”的家电产品,和投资市场,所以“模糊”作为一个新词非常受欢迎[5]。1990年年初,新型全自动洗衣机就开始采用了模糊推理的理论。所以说,日本可以说是模糊控制洗衣机的发源地,并且其在行业中的水平也一直处于领先地位。德国西门子公司的品质一直以来都已优良,也是时尚的设计和可靠性的代名词。西门子自动洗衣机更加的简单和直观的操作系统,充分的体现了全自动洗衣机的简单化和人性化的特点,符合其简单实用的设计理念。例如xqg52-08x268等高智能化的经典模型的自动洗衣机,其强大的模糊控制系统不仅可以实现对衣物地精密清洗,也可以更深入地了解用户的需求[6]。韩国的三星wf1702ncw / XSC型洗衣机,被称为是一种钻石品质的滚筒洗衣机,它可以说是一种应运而生的“智能”的洗衣机,在三星特有的智能模糊控制系统中,它可以完全地智能感知布量并且可以智能用户编程,对于不同的衣物选择不同的洗涤时间和水温等[7]。此外,它具有特殊的10分钟洗涤轻污渍,小物品快洗功能,满足了用户的特殊需求的功能;它独特的滚筒干燥技术还可以防止霉变,可以洁净洗涤室,还可以延长洗衣机的寿命。另外,如TCL,美国的Vantage、韩国的LG等等,都在模糊洗衣机领域有其自身的特点[8]

1.3  论文要解决的问题

本次设计以模糊控制在自动洗衣机中的应用方案设计为主,以单片机为主要控制元件,包括单片机最小系统的建立,电机的运行,显示及报警,还有模糊推理在系统中的应用等问题。此次设计的内容,主要解决以下几个问题:
1.洗衣机控制系统基本原理的阐述,重点是要确定好系统的输入量和输出量。
2.洗衣机控制系统中硬件电路等的设计,重点包括系统的结构框图设计。
3.洗衣机模糊控制器的设计与阐述,重点是设计并建立合理的查询表。
4.查询表在单片机中的存储使用及如何用程序调的设计。


2系统方案的总体设计

2.1  系统方案设计

本次设计的洗衣机模糊控制的系统主要由单片机控制电路、显示电路、电机控制电路等几个模块部分构成。系统框图如下:
 
 
图2-1  系统框图
 

2.2  模糊推理的引用

模糊控制其实就是把模糊集合作为一个理论上的依据,把人们洗衣等日常生活中一些的模糊控制的行为意识,通过模糊推理的处理后转变为模糊控制器所能接受和理解的规则,然后有系统实现控制的一种先进的控制技术。
洗衣机的自动控制系统是一个多输入并且还是多输出的模糊控制系统,输入量包括有衣量、水温等;输出量主要包含的有水流强度、洗涤时间等。经过专家大量实际分析可以证明:洗衣机的输入量和输出量之间很难有一种十分精确的数学模型来描述或表达,因为系统具体的条件具有较大的不确定性,在对其控制进行控制的过程中在很大程度上需要根据洗衣服的人的洗衣经验,用一般的控制方法是很难达到令人满意的、理想效果的。而采用模糊控制技术后,就可以很容易地解决相关的问题。故而引用了模糊推理,建立相应的模糊规则,采用模糊控制器的设计来实现对洗衣过程的模糊控制。在洗衣机对衣物进行洗涤的控制过程中,衣服的多少、水温的高低等都是模糊量,所以必须经过大量的实验,才能总结得出类似于人为的洗衣方式,从而建立一些模糊规则,形成模糊控制。再根据检测系统检测到的一些信息,就可以判断出衣服有多少、水温是多少等输入量,经过单片机计算得出相应的控制量,然后接着处理好水流强弱、洗涤时间等一系列的设置[9]。根据以上分析和对模糊控制技术的基本原理的阐述说明,可以给出洗衣机模糊控制的原理框图如图2-2所示。
 
图2-2  洗衣机模糊控制框图
 
其中,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。


3  硬件设计

系统硬件是设计实现的基础,所以,硬件的合理选择更有利于系统的实现。在本次洗衣机模糊控制的设计中,系统硬件主要由以下几部分构成,分别是:主控制器选择的是STC89C52单片机,显示用的是1602液晶显示屏,以及电机。

3.1  STC89C52单片机

STC89C52单片机是由STC公司研发生产的一种低能耗、高性能CMOS8位微控制器,并且价格低廉,使用广泛,很受学生等初学者欢迎。STC89C52单片机虽然使用的仍然是经典的MCS-51内核,但做了很大的优化与改进[10]。在单芯片方面,STC89C52单片机也拥有非常灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash的设计。
 
图3-1 STC89C52单片机引脚接线图
 

3.2LCD1602液晶屏

1602液晶显示屏是一种液晶模块,用来显示符号、字母及数字等等,可以用在系统中做显示模块使用。它是由很多个点阵字符位共同组合而成的,屏上每一个点阵字符位都是可以用来显示字符或者汉字的,而每两个字符位中间均有一个点的距里来隔开,每两行同样也是有间隔隔开的,这些间隔其实是充当了字符间距与行间距,可以使我们更方便的阅读信息,但也正是因为有间隔,所以它不能很好地用来显示图形。
 
 
 
图3-2  LCD1602液晶显示屏引脚接线图
 
液晶显示屏的显示原理:
1602液晶一般是由M×N个小的显示单元组合而成的,如假设一块儿LCD上有64行,每一行都由128列组成,每8列就是1个字节的8个位,也就是相当于每行有16个字节,那么这块儿显示屏上便共有的点数为:16×8=128,屏上的显示单元个数为:64×16=1024,正好对应于RAM区的1024个字节。每一字节上所显示的内容与显示屏上相对应的位置上的光线的亮暗,也就是说有光线的亮和暗来显示图像。举个例子,000H——00FH的16个字节的内容就决定着显示屏上的首行位置上的亮暗显示,当(000H)=FFH时,显示屏左上角的位置就会显示出一条又短又亮的线,长度是8个点的长度;当(3FFH)=FFH时,则屏幕右下角的位置上就会显示出一条同样的线[11]。这就是LCD显示字符、字母等图形图像的基本原理。
 

3.3  电机电路

电机电路是系统的重要组成部分,是洗衣过程中最主要的执行模块。电机电路由驱动模块L298N和直流电机等组成,直流电机通过L298N驱动模块与单片机相连。图3-3为其电路原理图中的连线图。
 
 
图3-3  电机电路图
 

3.3.1  L298N驱动芯片

L298N是一种大电流并且是高电压的电动机的驱动芯片。该芯片采用的是15个脚来封装的形势。主要有以下特点:工作时额定电压相对较高,最高的时候工作电压可以达到46V;输出的电流也会比较大,有时电流的瞬间峰值就可以达到3A,持续进行工作的时候电流也有2A,额定功率是25W。内部含有两个H桥的高电压并且还是大电流的全桥形式的驱动器,不是特别的复杂。一般可以用它来驱动步进电机、直流电机和继电器线圈等负载;采用的是标准逻辑下电平信号的控制方式;并且还具有两个不一样的使能端。排除输入信号对其造成影响的情况,芯片不仅可以禁止或允许器件工作,使其内部逻辑电路的部分在低电压下继续进行工作,而且还可以在其外部接上检测电阻,并将其变化量反馈给系统的控制电路[12]

3.3.2  PWM控制

PWM是主控电路的调速系统:基于单片机控制系统并由软件设计来实现对PWM的控制,占空比D是PWM的调速系统中一个非常重要的参数。在电压Ud稳定不变的状态下,电枢端的电压平均值一般都是由占空比D的大小来决定的,因此改变占空比D的大小,就可以改变电枢端的平均电压的大小,从而达到对电机调速的目的[13]。通常有三种方法可以改变占空比D的值: 第一种是定宽调频法,第二种是调宽调频法,第三种是定频调宽法。 因为前两种方法在调节速度的时候,改变了控制脉冲原有的频率,所以当控制脉冲的频率与系统的原来的频率比较接近时,就会引起系统振荡,影响系统稳定性。所以一般采用定频调宽的方法来改变占空比,然后以此改变直流电动机电枢两端电压,达到调速的目的[14]

3.4  浑浊度的检测

一般情况下,检测浑浊度使用的是红外光电传感器。利用红外发射和接受装置,看在水中红外线的透光率与时间的变化关系,对比得出相应的检测的结果。
浑浊度检测器安装的情况与结构如图3-4所示。红外发射装置和红外接收装置分别安装在排水管两侧对应的位置上;在红外的发射装置中通过定量的稳定电流,可以使一定强度的红外线稳定地向外发射。红外线穿过洗衣机排水管中的水,并由红外接收管接受。当水的浑浊程度不同时,红外线在水中的透光率也是不一样的[15]。所以,红外接收管所接收到的红外线的强度大小就间接地反映出了水的浑浊程度。
 
 
 
图3-4  浑浊度检测原理
图3-4(a)表示的是浑浊度检测装置在洗衣机中的安装示意图,在排水阀关闭时,排水管中的水和洗衣桶中的水相连,通过红外发射管与红外接收管的信号发射与接受,就可以检测出水的浑浊度。图3-4(b)表示水比较浑浊时,红外线反映出的透光率的情况。图3-4(c)表示水比较净时,红外线反映出的透光率的情况。根据红外装置中所接收到的红外线经过透射后的不同强度,就可以得出相应的水的浑浊度了[16]。通过大量的实验可以得出一些结论,如水的浑浊情况,影响水浑浊度的相关因素,还有水的红外透光率的变化情况之间相应的关系。这种关系如图3-5所示。
 
图3-5  透光率和有关因素
 
在图3-5中,不同肮脏程度的衣物洗涤时的相关过程,不一样种类的污垢及使用不相同洗涤剂时的红外线的透光率情况。在图3-5 (a)中表示的是从洗涤开始后一直到漂洗结束的整个洗衣服过程中透光率的一个变化曲线。从这条曲线上可以我们看出,随着洗涤的进行,衣服中的污垢溶解于水中,使水的透光率略有下降;同时,随着洗涤剂放入到水中后,衣服上的污垢快速地脱落并溶解于水,水的透光率也就不断下降;并到达一个最小值;随后,随着漂洗的进行,衣服上的污垢变少,水质也随之变清,红外透光率也越来越高,最后达到初始值[17]
图3-5(b)表示了衣物肮脏程度不同的情况下,进行洗衣服时红外线透光率的一条变化曲线。油污较少的时候,透光率也较高;油污较重的时候,透光率也比较差;以此也可以推断衣服的肮脏程度。
图3-5(c)表示了衣服的肮脏性质不同的情况下,进行洗衣服时红外线透光率的一条变化曲线。衣服上油渍时透光率相对较高,衣服上是泥污时透光率则相对较低。
图3-5(d)表示了洗涤剂的类型不同的情况下,进行洗衣服的时候红外线透光率的变化曲线。使用液体洗涤剂的时候透光率相对来说较高,使用粉剂洗涤剂的时候透光率则相对较低。

3.5  布量和布质的检测

在洗衣机水位一定时,布量和布质如果不同,则会出现不一样的布阻抗。通过设置一定的水位,让洗衣机做洗衣时的间断旋转,则布阻抗的不同就会使电机制动的性能有所不同,所以通过电机在不同布阻抗时的制动特性便可以推断出相应的布质与布量[18]。不同情况下的布质与布量的布阻抗变化曲线如图3-6所示。
 
 
图3-6  布量布质的布阻抗
 
从图3-6中可以看出,在布量相同的情况下,硬质布的布阻抗要比软质布的高。一般来说,在布量相同的情况下,硬质布的阻抗比软质布的要高一倍左右。在检测衣服的布质和布量的时候,首先需要在洗衣机里加一定量的水,启动洗衣机后接着断开电让其以惯性继续运转,一直到停止[19]。在洗衣机断开电的时间内,在电机惯性的作用下,会输出一些感应电势。根据布阻抗的大小不同,可知发电状态的时间长短也不一样。电机发电时间越长,就说明布阻抗会越小;反之,布阻抗也就会越高。
在测试的过程中,通过对电机产生电势的检测,形成脉冲信号传送到单片机里;单片机就计算出传送到其中的脉冲数,通过这个脉冲数就可以反映出布阻抗的大小。若脉冲数量比较多,则说明布阻抗比较小;若脉冲个数比较少,则说明布阻抗大[20]

3.6  水温的检测

水温是洗衣机系统里的一个重要的输入量,水缸中水温度的高低直接影响着洗衣机的洗涤时间的长短。水温高,洗涤剂的水溶性相对就好,洗衣效果随之也会较好,相应的洗涤时就会较短;反之,洗衣效果就会较差,所用时间也就较长。当然,水温的也不是越高越好,太高的话反而会对衣物造成影响。水温的检测一般由相应的水温传感器来完成,水温传感器的作用较为简单就是通过它的内部阻值变化来达到通过传感器的电阻变化来改变通过的电流变化来驱动水温表的变化,间接的告诉人们发动机在工作时的温度。

3.7  水位的检测

水位检测是由一种水位传感器来完成的。这种水位传感器是一根和缸体同等高度的空管,它和缸体之间构成了一个连通器,在空管的上端有一个用压力膜隔开的差动电感器件,当水缸中有水注入的时候,管内的空气被压缩,致使压力膜上的压力不断增大,然后推动与它相联动的铁心不断移动,随之引起线圈的电感量变化[21]。用此电感器构成的LC振荡器的频率就能间接地反映出水位的高低。用这个传感器既可用于水位控制依据的检测装置。
 

总结

本设计详细介绍了模糊控制原理及其在洗衣机中的应用,给出了模糊控制技术在洗衣机工作时的具体控制规则。系统以单片机控制技术为核心,设置衣量和水温两个输入量,经过查询表,输出洗涤时间和水流强度两个输出量。由直流电机执行完成,并将在显示屏上实时显示。通过采用模糊控制技术,更好的模仿人工洗涤过程,提高了洗衣机的智能化程度和洗涤效果。
首先描述系统硬件工作原理,并附以系统结构框图加以说明,介绍了本系统所应用的各个接口模块的功能及工作过程,其次,详细阐述了程序的各个模块和实现过程。采用STC89C52单片机对洗衣机进行智能控制,通过电机控制电路,显示电路,按键控制等,洗衣机的暂停功能等硬件电路设计,使得该系统具有强、弱洗涤功能,暂停功能等等。
通过本次对毕业设计论文的方案设计与提出,硬件的焊接与调试,程序的设计与编写。让我对四年的大学中所学的知识有了一个清晰的总体概括,比如:巩固了自己所学的自动控制方面的知识,了解到了洗衣机模糊控制器主要的设计思路,也熟悉了诸如Visio绘图软件、Office办公软件等有关软件的应用。另外就是通过对模糊推理的学习,让我对新知识的熟悉和迅速掌握其特性规律、结构原理及相关功能作用的认知能力有了大幅的提高。完成毕业设计的过程中,使我深刻感到自己在大学期间所学知识的实用性与灵活性,也使自己四年来所学的理论知识和实践有了一次充分发挥的机会。
同时在本次毕业设计中,也认识到自身的不足之处,在本次设计中,只采用了两个输入量和两个输出量,好多输入量输出量还不能在硬件中实现,而且在对两个输入量进行信息采集的过程,也是通过按键的形式来模拟输入量的等级,未能使用相应的传感器设备等等。这也让我认识到自己家所学的专业知识不够全面,有的比较熟练,有的则略显生疏,甚至还会略有盲点。这样就给本次毕业设计带来一定的困难,以至于论文反复修改好几次,耽误了毕业设计完成的进度与效率。
在当今科技发达的现代社会中,自动化行业类的产品与技术更新换代的脚步是比较快的,所以作为一名自动化专业的本科毕业生,必须要有“活到老,学到老”的人生态度,积极进取,不断进步。

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