全自動洗衣機模糊控制系統(tǒng)研究與設(shè)計

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本科畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查表 指導(dǎo)教師： 職稱： 所在院（系）： 電氣學(xué)院 教研室（系、研究所）：　自動化系　 題 目 全自動洗衣機模糊控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計 學(xué)生姓名 專業(yè)班級 學(xué)號 一、進度情況說明： 目前，通過查閱大量的資料和文獻，本設(shè)計的發(fā)展背景和研究現(xiàn)狀已經(jīng)明確，投幣式全自動洗衣機的工作原理和各功能部件原理已經(jīng)基本掌握，設(shè)計的總體方案已經(jīng)確定，各部分設(shè)計方案的論證初步完成，各芯片的選定業(yè)已完成。對硬幣識別部分、交流電機驅(qū)動部分、牽引器驅(qū)動部分的具體電路已經(jīng)了解，并通過查閱資料學(xué)習(xí)了各選定元件的相關(guān)知識。初步設(shè)計出了硬件電路各部的連接，正在進行對硬件電路各部分細節(jié)的完善和硬件抗干擾設(shè)施的添加，以及著手進入軟件部分的設(shè)計。 二、階段性成果： 經(jīng)過前一階段的努力，設(shè)計進展很快，主要完成了洗衣機模糊控制工作原理的深入學(xué)習(xí)，系統(tǒng)總體方案的設(shè)計和硬件電路各部分的設(shè)計。具體成果如下所述：在系統(tǒng)總體設(shè)計完成的情況下，進行了對系統(tǒng)各部分方案的論證及最終確定，并根據(jù)選定的方案對各部分所用芯片及其他配件進行了的選擇。并在系統(tǒng)總體方案和各部分方案確定的情況下，進一步完成了對系統(tǒng)各部分硬件電路的設(shè)計與制作，主要包括投幣器直流電機驅(qū)動電路、方波產(chǎn)生電路、交流電機驅(qū)動電路和牽引器驅(qū)動電路、LCD顯示電路。目前，各部分電路調(diào)試基本完成，現(xiàn)在進行程序和硬件的聯(lián)調(diào)。同時，已經(jīng)開始準(zhǔn)備論文的撰寫。 三、存在的主要問題及解決方法： 經(jīng)過不斷的改進，系統(tǒng)還是存在一定的問題，主要有以下幾方面： 一、因為本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計法進行設(shè)計，如何把各模塊更恰當(dāng)?shù)慕M合在一起，又不會影響系統(tǒng)及各模塊的功能，如何根據(jù)需要改善部分模塊的電路設(shè)計，使得電路在保持穩(wěn)定可靠的情況下提高精確度和抗干擾性，成為一個重要的問題； 二、由于投幣器不同年份硬幣的材質(zhì)并不完全相同，有些假幣較為逼真，認出每一種假幣有些困難； 解決方法： 根據(jù)設(shè)計中存在的問題，我查閱了更多的資料，嘗試更多的方法，完善了其中的細節(jié)，使整個系統(tǒng)的得到優(yōu)化，從而解決其中部分問題。盡管目前整個軟硬件調(diào)試工作還未完成，但是我相信在老師和同學(xué)的幫助下，通過自己的不斷努力嘗試，是可以按期完成整個全自動洗衣機模糊控制板的軟硬件調(diào)試工作的。 四、指導(dǎo)教師對學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計（論文）中的紀(jì)律及畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)的完成進展等方面的評語 指導(dǎo)教師： （簽名） 年 月 日 ,全自動洗衣機模糊控制系統(tǒng)研究與設(shè)計,姓 名：,,,,,,總體結(jié)構(gòu),,背景,,洗衣機模糊控制原理,,控制板硬件系統(tǒng)簡介,,,,,,,,,,總結(jié),洗衣程序流程圖,背景,不便： 量化的固定程序，不同的衣物 多少洗衣粉？ 多少水？洗滌時間？ 洗的干凈與否？ 需求： 模仿人的思維按經(jīng)驗進行判斷操作的一種新型的智能洗衣機,普通的洗衣機,背景,模糊控制洗衣機： 感知衣料布質(zhì)、質(zhì)量、水溫、污垢程度以及洗衣水的渾濁程度等，然后通過模糊控制器對收到的信息進行判斷，以決定洗衣粉的用量、水量的多少、洗滌時間、洗滌方法和漂洗遍數(shù)等。 方便快捷！ 節(jié)能省電！,模糊控制洗衣機,洗衣機模糊控制原理,,,模糊控制：首先對控制對象按照人們的經(jīng)驗總結(jié)出模糊規(guī)則，然后由單片機對這些信息按照模糊規(guī)則作出決策來完成自動控制。,洗衣機模糊控制系統(tǒng)框圖,隸屬度函數(shù),,,模糊集隸屬函數(shù),控制板硬件系統(tǒng)簡介,,洗衣機模糊控制板硬件系統(tǒng)框圖,主要功能部件簡介,模糊控制洗衣機通常采用以下的傳感器來進行信息量的提取。 模糊控制洗衣機的主要傳感器： 水位傳感器根據(jù)洗滌物的多少自動感知，設(shè)定并自動控制用水量。 布質(zhì)傳感器根據(jù)自動感知衣物重量和吸水程度，感知衣物的布質(zhì)，確定洗滌方法。 負載量傳感器主要用于洗滌衣服的多少。 光電傳感器根據(jù)衣物洗滌過程中洗滌循環(huán)水的透光率（臟程度），決定最佳洗衣程序。,水位傳感器,它的原理是利用水的壓力,改變開關(guān)里的電感量,引起諧振頻率或占空比的改變,從而電腦感知水位的變化.里面有兩個電容和一個線圈。它的薄膜上有磁芯，單片機檢測來自水位傳感器的電感量來控制水位的高低。,布質(zhì)布量傳感器,先加入一定的水并讓電機轉(zhuǎn)動,突然切斷電源, 由于慣性作用電機會維持短時間旋轉(zhuǎn)。此時電機處于發(fā)電機狀態(tài), 會產(chǎn)生一定感應(yīng)電勢并逐漸衰減到零。由于衰減速率與布阻抗成一定的線性關(guān)系, 通過對定子繞組兩端電勢進行整流和檢測, 經(jīng)光電隔離后形成脈沖信號。脈沖信號多則布阻抗小, 反之亦然。經(jīng)過幾次測量就可以判斷出布阻抗, 通過模糊推理得出布質(zhì)及布量。,由紅外發(fā)射管發(fā)出一定紅外光，紅外接收管在另一側(cè)接收紅外線，紅外線在溶液中的光透度就取決于接收方產(chǎn)生光電電流的大小。光電流經(jīng)整形處理后就能得到光透度，洗滌液的污濁程度影響光透度,洗滌一段時間后，洗滌液越污濁,光透度越小,通過光透度進而推出水的渾濁度。,渾濁度傳感器,,,,晶閘管驅(qū)動電路,,,,模糊控制洗衣機洗衣程序流程圖,,洗衣程序流程圖,總結(jié),本設(shè)計將模糊控制理論應(yīng)用到洗衣機控制板中，實現(xiàn)了基本智能洗衣功能，它有助于我國將模糊控制理論引入家用電器領(lǐng)域, 為我國家用電器智能化開拓思路。,,Thank You !,, 摘 要 模糊技術(shù)是智能化技術(shù)的一個重要組成部分。模糊邏輯有別于傳統(tǒng)邏輯和數(shù)理邏輯，它通過隸屬函數(shù)恰當(dāng)?shù)孛枋鍪挛锏哪：?，并把具有模糊現(xiàn)象和模糊概念的事物處理成精確的東西。將模糊邏輯與單片機控制技術(shù)結(jié)合起來是智能控制技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。 本文將模糊技術(shù)與微電腦技術(shù)結(jié)合起來應(yīng)用于洗衣機控制系統(tǒng)的開發(fā)，目的在于開發(fā)出性價比較高的控制系統(tǒng)，提高產(chǎn)品市場競爭力。文中主要描述模糊型全自動智能洗衣機控制系統(tǒng)的開發(fā)過程，根據(jù)實際需求來設(shè)計洗衣機的功能，整個過程包括硬件電路布局和設(shè)計、軟件設(shè)計和整體調(diào)試三個方面。設(shè)計出的控制系統(tǒng)具有液晶顯示、語音提示等功能，可以在多種模式下操作，控制起來十分方便。 關(guān)鍵詞：模糊控制； 洗衣機； 單片機； 軟硬件設(shè)計 III Abstract Fuzzy technology is an integral part of intelligent technology. Different from traditional logic and symbolic logic, the fuzzy logic describes the fuzzy quality by membership function, and processed the fuzzy conception and phenomena into precise data. It is an important direction of the intelligent control technology to combine the fuzzy logic with the MCU control technology. Applying the combined technology of fuzzy logic and microcomputer to the development of the washing machine's program control board, this dissertation is to develop a program control board with better competitive edge in quality, price and market. The design of the control board, which is mainly described in this paper, is concerned with the following three aspects: hardware circuit layout, software function and overall debugging. Equipped with an LCD and an voice module, the final design model have more functions and can be operated conveniently in multiple modes. Keywords: fuzzy control; washing machine; Single chip microcomputer；software and hardware debugging 目 錄 1 緒 論 1 1.1 控制理論發(fā)展 1 1.2 智能控制的發(fā)展與現(xiàn)狀 2 1.3 洗衣機的主要參數(shù) 2 1.3.1 水位 2 1.3.2 水流 3 1.3.3 洗衣時間 4 1.3.4 漂洗方式 4 1.3.5 脫水時間 4 1.4 本文的內(nèi)容與結(jié)構(gòu) 4 2 洗衣機控制系統(tǒng)的模糊控制理論 5 2.1 概論 5 2.2 模糊集合 5 2.2.1 模糊集合 5 2.2.2 隸屬函數(shù) 5 2.3 模糊關(guān)系和模糊矩陣 6 2.4 模糊語言和模糊條件句 6 2.4.1 模糊語言 6 2.4.2模糊控制規(guī)則 7 2.5模糊控制規(guī)則和控制算法 7 2.6 基于模糊控制的全自動洗衣機控制系統(tǒng)的設(shè)計 8 2.6.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 2.6.2 系統(tǒng)模糊化設(shè)計 9 2.6.3 系統(tǒng)模糊化決策設(shè)計 10 2.6.4 系統(tǒng)清晰化設(shè)計 11 2.7 小結(jié) 12 3 全自動洗衣機模糊控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 13 3.1 全自動洗衣機模糊控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計 13 3.1.1 控制系統(tǒng)的硬件框圖 13 3.1.2 控制系統(tǒng)的功能模塊概述 13 3.2 功能模塊電路的具體設(shè)計 14 3.2.1 處理器的選型和模塊電路設(shè)計 14 3.2.2 電源模塊電路設(shè)計 16 3.2.3 傳感器模塊電路設(shè)計 17 3.2.4 硬幣檢測模塊電路設(shè)計 20 3.2.5 語音與顯示模塊電路設(shè)計 22 3.2.6 鍵盤輸入模塊電路設(shè)計 25 3.2.7 晶閘管驅(qū)動電路設(shè)計 25 3.2.8 A/D轉(zhuǎn)換器模塊電路設(shè)計 29 3.3 保護電路設(shè)計 30 3.3.1 電磁干擾原因分析 30 3.3.2 硬件保護具體措施 31 3.4 小結(jié) 35 4 全自動洗衣機模糊控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 37 4.1 軟件平臺與編程語言 37 4.1.1 KEIL軟件介紹 37 4.1.2 C51特點與應(yīng)用 38 4.2 系統(tǒng)主程序與主要應(yīng)用模塊子程序流程圖 38 4.2.1 主程序控制流程圖 39 4.2.2 主要模塊子程序流程圖 40 4.3 小結(jié) 45 5 系統(tǒng)軟硬件調(diào)試 46 5.1 硬件調(diào)試 46 5.1.1 硬件調(diào)試方法 46 5.1.2 硬件調(diào)試出現(xiàn)的問題及解決辦法 47 5.2 軟件調(diào)試 47 5.2.1 軟件調(diào)試方法 47 5.2.2 軟件調(diào)試出現(xiàn)的問題及解決辦法 47 5.3 聯(lián)調(diào)后的控制系統(tǒng)使用說明 48 5.3.1 撥碼開關(guān)說明 48 5.3.2 按鍵說明 49 5.3.3 手動工作模式下的三種洗滌模式 49 5.3.4 液晶顯示內(nèi)容說明 49 5.3.5 洗衣機控制系統(tǒng)全自動工作模式的使用步驟 49 5.3.6 洗衣機控制系統(tǒng)手動工作模式的使用步驟 50 5.4 小結(jié) 50 結(jié)束語 51 致 謝 52 參考文獻 53 附 錄 A洗衣機控制系統(tǒng)實物圖 54 附 錄 B 部分模塊電路實物圖 55 附 錄 C 洗衣機控制箱及模擬洗衣機 56 附 錄 D部分源程序 57 附 錄 E 全自動洗衣機模糊控制系統(tǒng)總圖 70 1 緒 論 隨著現(xiàn)代社會生活節(jié)奏的不斷加快和人們生活水平的不斷提高，人們對各種方便、快捷的家用電器需求量越來越大，洗衣機作為人們提高生活效率，追求生活質(zhì)量的基本條件，也愈來愈成為不可或缺的生活用具。 在工業(yè)發(fā)達國家，洗衣機的普及率已達到相當(dāng)高的程度，但由于現(xiàn)階段國情，洗衣機在我國的普及程度較低，農(nóng)村更甚。隨著人民生活水平(特別是鄉(xiāng)村生活水平)的不斷提高，社會上對洗衣機的需求量越來越大，而且隨著生活質(zhì)量的不斷提高，人們對洗衣機的功能要求越來越高，使得洗衣機的更新較快，因此，洗衣機做為人們追求現(xiàn)代生活的一個基本要求在我國有著極大的市場。 洗衣機技術(shù)發(fā)展日新月異，產(chǎn)品類型眾多，但從總體來看，人們對洗衣機的基本要求應(yīng)是:省時、省水、省電，磨損率小，操作方便，功能完善等。以上特點從技術(shù)的角度可由洗衣機的洗滌方式和控制方式這兩個基本特性決定。目前存在的洗滌方式有波輪式(又稱渦卷式)、攪拌式、滾筒式、噴流式、噴射式和超聲波式等多種，在我國比較普及的洗滌方式是波輪式，超聲波式洗滌方式則代表著國際上的發(fā)展方向。對洗衣機技術(shù)的發(fā)展使得人們期望在采用一種較好洗滌方式的同時，希望洗衣機的控制部分能在洗滌過程中對衣物重量、臟度，洗滌劑的濃度，水的硬度、溫度等影響洗滌效果的諸多因素進行檢測，并能對這些檢測結(jié)果做出合理反應(yīng)，從而得到比較理想的洗滌效果?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是嵌入式技術(shù)的發(fā)展，使微電腦的功能日益強大，微電腦與傳感器系統(tǒng)的結(jié)合，足以實現(xiàn)上述功能；另外，人們對洗衣機使用方便的要求使得洗衣機的全自動化成為另一個發(fā)展方向.因此，從世界范圍內(nèi)來說，洗衣機總的發(fā)展趨勢是向微電腦，傳感系統(tǒng)，智能化、全自動化的方向發(fā)展。 1.1 控制理論發(fā)展 控制理論是與人類社會發(fā)展密切聯(lián)系的一門學(xué)科，是控制科學(xué)的核心?？刂评碚撟鳛橐婚T科學(xué)，它的產(chǎn)生可追溯到18世紀(jì)中葉英國的第一次技術(shù)革命?，F(xiàn)在，隨著通訊技術(shù)及信息處理技術(shù)的迅速發(fā)展，更加推動了控制理論不斷地向前發(fā)展?？刂评碚摰陌l(fā)展過程一般可以分為三個階段[1]。 第一階段二十世紀(jì)40--60年代，稱為“古典控制理論時期”； 第二階段二十世紀(jì)60—稱為“現(xiàn)代控制理論時期”； 第三階段二十世紀(jì)70年代末至今。70年代末，控制理論向著“大系統(tǒng)理論”和“智能控制”方向發(fā)展，前者是控制理論在廣度上的開拓，后者是控制理論在深度上的挖掘。 1.2 智能控制的發(fā)展與現(xiàn)狀 傳統(tǒng)控制是經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制理論的統(tǒng)稱，它們的主要特征是基于模型的控制。由于被控對象越來越復(fù)雜。其復(fù)雜性表現(xiàn)為高度的非線性，高噪聲干擾、動態(tài)突變性以及分散的傳感元件，分層和分散的決策機構(gòu)、多時間尺度，復(fù)雜的信息結(jié)構(gòu)等，這些復(fù)雜性都難以用精確的數(shù)學(xué)模型(微分方程或差分方程)來描述。除了上述復(fù)雜性以外，往往還存在著某些不確定性，不確定性也難以用精確數(shù)學(xué)方法加以描述。然而，對這樣復(fù)雜系統(tǒng)的控制性能的要求越來越高，這樣一來，基于精確模型的傳統(tǒng)控制就難以解決上述復(fù)雜對象的控制問題。在這樣復(fù)雜對象的控制問題面前，人們將人工智能的方法和反饋控制相結(jié)合，解決復(fù)雜系統(tǒng)面臨的復(fù)雜控制系統(tǒng)的難題。 近幾十年來，自動控制技術(shù)由于人工智能、控制理論和計算機科學(xué)的交叉取得了很大的進展，形成了新的一代控制理論—智能控制理論。雖然，從不同的認識論和方法論出發(fā)的各類控制理論，諸如分層遞階自組織控制、模糊控制、專家控制、腦模型控制和手動控制等竟相發(fā)展，但它們都處于探索、開拓和發(fā)展的時期，系統(tǒng)的理論體系還沒有形成。表1-1給出了智能控制大事年[2]。 洗衣機整個工作過程的控制是由程控器實現(xiàn)的，它一般分機械式和電子式(又稱微電腦式)兩種。機械式程控器由微型同步電機、減速機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、簧片組及相應(yīng)控制機構(gòu)組成:微電腦程控器由MCU、穩(wěn)壓電源、監(jiān)測信號開關(guān)、震蕩器、蜂鳴器、功能鍵、顯示電路、可控硅控制電路等組成，由于它采用了無觸點控制，因此，比機械程控器的功能齊全，結(jié)構(gòu)簡單，且控制精度高，模糊邏輯在控制領(lǐng)域已取得了相當(dāng)?shù)倪M展，運行可靠。目前，利用單片機進行模糊控制只要是用數(shù)字單片機組成硬件結(jié)構(gòu)，而以軟件執(zhí)行模糊化，模糊推理及反模糊化工作，這種方式價格低，靈活性高，通用性強，特別適于家用消費類產(chǎn)品的應(yīng)用。 1.3 洗衣機的主要參數(shù) 洗衣機做為一種家電產(chǎn)品，需要達到的性能指標(biāo)包括洗凈性能、漂洗性能、脫水性能、排水性能和磨損性能等，其各主要性能指標(biāo)的實現(xiàn)最終要依賴于洗衣過程中的各控制量，洗衣機的主要控制量有以下五個方面。 1.3.1 水位 水本身是一種洗滌劑，具有除污功能，但并非水越多去污能力就越強約用水，不同的洗衣量所用的水量也不同，但目前還不能完全做到這一點，只能根據(jù)衣物量對水位大致分級。 表1-1 智能控制大事年表 時 間 事 件 1965年 美國普渡大學(xué)的K.S.Fu教授于60年代中期提出的，他在1965年發(fā)表的論文中率先提出把人工智能的啟發(fā)式推理規(guī)則用于學(xué)習(xí)系統(tǒng)，這篇開創(chuàng)性論文為自動控制邁向智能化揭開了嶄新的一頁 1966年 Mendel于1966年在空間飛行器的學(xué)習(xí)控制中應(yīng)用了人工智能技術(shù)，并提出了“人工智能控制”的新概念;同年，Leondes和Mendel首次使用了“智能控制(Intelligent control)”一詞 1971年 Fu發(fā)表了重要論文，提出了智能控制就是人工智能與自動控制的交叉的“二元論”思想 1974年 1974年英國的Mamdani教授首次成功地將模糊邏輯用于蒸汽機控制，開創(chuàng)了模糊控制的新方向 1977年 Saridis的專著出版，并于1979年發(fā)表了綜述文章，全面地論述了從反饋控制到最優(yōu)控制、隨機控制及自適應(yīng)控制、自組織控制、學(xué)習(xí)控制，最終向智能控制發(fā)展的過程，提出了智能控制是人工智能、運籌學(xué)、自動控制相交叉的“三元論”思想及分級遞階的智能控制系統(tǒng)框架 1984年 Astrom發(fā)表了論文，這是第一篇直接將人工智能的專家系統(tǒng)技術(shù)引入到控制系統(tǒng)的代表，明確地提出了建立專家控制的新概念 1984年 Hopfield提出的Hopfield網(wǎng)絡(luò)及Rumelhart提出的BP算法 1985年 IEEE在美國紐約召開了第一界智能控制學(xué)術(shù)討論會 1987年 在美國費城由IEEE控制系統(tǒng)學(xué)會與計算機學(xué)會聯(lián)合召開了第一界智能控制國際會議 1992年 美國國家自然科學(xué)基金委員會和美國電力研究院聯(lián)合發(fā)出《智能控制》研究項目倡議書 1993年 美國IEEE控制系統(tǒng)學(xué)會智能控制專業(yè)委員會成立專家小組，專門探討智能控制領(lǐng)域“智能控制”的含義 1994年 召開了94IEEE全球計算智能大會，將模糊系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、進化計算三方面的內(nèi)容綜合在一起召開，這三個新學(xué)科己經(jīng)成為研究智能控制的重要基礎(chǔ) 1.3.2 水流 靜止的洗滌劑不能產(chǎn)生良好的洗滌效果，要把污穢從衣物表面洗除掉，并對衣物施加清洗動力，就需要洗衣機能夠執(zhí)行攪拌，搓，揉，摩擦，卷攪，翻滾等動作。洗衣機對衣物輸出的能t大，去污效果明顯，但在某種程度上會造成衣物的損傷，因此應(yīng)對不同質(zhì)地，不同重A的衣物采用不同的能f輸出方式，從控制的角度就表現(xiàn)為水流方式的不同。 1.3.3 洗衣時間 衣物在洗衣機中洗滌時間過長會使衣物受到較大磨損，因此，應(yīng)針對不同質(zhì)地和不同衣物量來確定洗衣時間。 1.3.4 漂洗方式 漂洗的作用在于去污和去掉殘存的洗滌劑，漂洗方式的選擇同樣與衣物t和衣物質(zhì)地有關(guān)。 1.3.5 脫水時間 全自動洗衣機中，脫水過程是洗衣操作的最后一個過程。一般情況下，脫水時間愈長，衣物甩干程度愈強，但織物中與纖維相吸附而殘留的水分無法通過脫水方式去掉，這種類型的殘留水分的多少與衣物質(zhì)地有關(guān)，同樣質(zhì)地下又與重量有關(guān)，因此也應(yīng)對脫水時間分檔。 1.4 本文的內(nèi)容與結(jié)構(gòu) 本文的內(nèi)容共分5章與結(jié)論；第1章“緒論”概括了智能控制發(fā)展過程與現(xiàn)狀；第2章“洗衣機控制系統(tǒng)的模糊控制理論”分析了模糊控制的基本概念、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與基本算法；第3章“全自動洗衣機模糊控制控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計”分析了系統(tǒng)的組成和基本工作原理等、介紹了詳細的電路組成和實現(xiàn)；第4章“全自動洗衣機模糊控制控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計”著重介紹了洗衣機控制系統(tǒng)的模糊控制算法的軟件實現(xiàn)、軟件實驗平臺的結(jié)構(gòu)及相關(guān)的技術(shù)問題、系統(tǒng)主程序與各應(yīng)用模塊子程序的編寫；第5章“系統(tǒng)軟硬件調(diào)試”著重介紹了本設(shè)計采用的軟硬件調(diào)試方法，遇到的問題及解決辦法，同時全自動模糊控制洗衣機的基本使用方法；最后在“結(jié)論”部分對本課題研究工作進行總結(jié)，并對今后的工作提出改進建議。 12 2 洗衣機控制系統(tǒng)的模糊控制理論 2.1 概論 模糊邏輯是Fuzzy Logic的中文譯意，它有別于傳統(tǒng)邏輯和數(shù)理邏輯。傳統(tǒng)邏輯和數(shù)理邏輯一般用于解決精確問題，但對于很多實際問題(如語言學(xué)，心理學(xué)，社會科學(xué)等)它們則顯得“力不從心”，模糊邏輯卻適于這些問題的求解。模糊邏輯通過隸屬函數(shù)恰當(dāng)?shù)孛枋鍪挛锏哪：?，并把具有模糊現(xiàn)象和模糊概念的事物處理成精確的東西。 1963年，美國的自動控制理論專家扎德(L.A. Zadeh)在加州大學(xué)提出的模糊集合理論標(biāo)志著模糊邏輯的誕生：1974年，倫敦的Queen Mary學(xué)院的馬丹尼(E. H. Mamdani)首次用模糊邏輯和模糊推理實現(xiàn)了第一個實驗性的蒸汽機控制，并取得了比傳統(tǒng)控制更好的效果，從而宣告了模糊控制的問世。本章主要對設(shè)計過程中用到的一些模糊邏輯和模糊控制中的理論做了一些簡單的介紹，以為后面的設(shè)計工作打下理論基礎(chǔ)。 2.2 模糊集合 2.2.1 模糊集合 為了描述具有模糊性的事物，人們引入了模糊集合的概念。模糊集合是模糊理論的基礎(chǔ)，可簡單地表述為:一般而言， 在不同程度上具有某種特定性質(zhì)的所有元素的總和稱為模糊集合。[3] 2.2.2 隸屬函數(shù) 在模糊理論中，對模糊性的描述是通過隸屬函數(shù)實現(xiàn)的.隸屬函數(shù)是模糊數(shù)學(xué)中最基本和最重要的概念.在定義隸屬函數(shù)之前，先給出特征函數(shù)的概念: 對于給定論域U的子集A，映射 定義為： 則稱為集合A的特征函數(shù)，它說明論域U中的每個二值函數(shù)對應(yīng)于一個集合A。 隸屬函數(shù)的定義：用于描述模糊集合，并在[0，1]閉區(qū)間可以連續(xù)取值的特征函數(shù)叫做隸屬函數(shù)。隸屬函數(shù)用表示，其中表示模糊集合A，而x是的元素。隸屬函數(shù)滿足。 隸屬函數(shù)的確定并沒有統(tǒng)一的方法，用不同的方法所確定的隸屬函數(shù)并不同，一個隸屬函數(shù)的準(zhǔn)確與否主要是看它與實際是否相一致。隸屬函數(shù)的確定方法有很多種，在實際應(yīng)用中，較多采用統(tǒng)計法，它是對模糊性事物的可能性程度進行統(tǒng)計的一種方法。 2.3 模糊關(guān)系和模糊矩陣 首先給出模糊關(guān)系的定義： 以集合A和B的直積A×B，即 作為論域的一個模糊子集，稱為集合A到B的模糊關(guān)系，可記為。若，則稱(簡記為) 為(a ,b)具有關(guān)系的程度。 模糊矩陣用于表示模糊關(guān)系，本質(zhì)上二者是一致的，因此，也用來表示模糊矩陣。定義模糊矩陣如下: 設(shè)存在有限集，，則A×B中的模糊關(guān)系可表示為m×n階矩陣： 此矩陣稱為模糊矩陣用表示模糊矩陣中的元素，則模糊矩陣表示為：。 2.4 模糊語言和模糊條件句 2.4.1 模糊語言 廣義上講，一切具有模糊性的語言都可稱為模糊語言，它包括自然語言和數(shù)學(xué)上的模糊語言。狹義的模糊語言是指數(shù)學(xué)上的模糊語言，由于它可用于研究語言的模糊性和推理，因此在模糊控制中具有極為重要的地位。 由于在模糊控制中所使用的控制規(guī)則是人們在實際工作中的經(jīng)驗總結(jié)，因此它們一般是用人們的語言來表達的，即模糊控制規(guī)則是用模糊語言表示的，所以在模糊語言中，語言變量是一個相當(dāng)重要的概念，其定義如下： 語言變量是由一個五元體(N，T (N)，U，M，G )來表征的變量，其中各個元素的意義為： (1 )N是變量名稱，即單詞X,如年齡，高矮，顏色，體積等。 (2)T(N)是N的語言變量真值的集合，每個語言真值都是U上的模糊集合。T(N )的 元素可分為原始項和合成項兩類，原始項是表示語言真值的最小單位，如少年，老年等：合成項則可由原始項和語氣算子、否定詞、聯(lián)結(jié)詞等組成。 (3)U是N的論域。 (4)M是詞義規(guī)則，詞義用表示，。詞義規(guī)則M規(guī)定了U中元素y對的隸屬度。 (5) G是詞法規(guī)則，它規(guī)定原則詞，即原始項構(gòu)成合成項之后的詞義變化，如在組成合成詞時，要用到聯(lián)結(jié)詞“且”，則語法規(guī)則為： 2.4.2模糊控制規(guī)則 模糊控制規(guī)則的表現(xiàn)形式一般可用三種條件語句形式表示。在模糊條件語句中其前提部分稱為前件，結(jié)論部分則為后件。 2.4.2.1 “if A then B”型 設(shè)有論域X，Y，若存在X×Y上的二元模糊關(guān)系，則隸屬函數(shù)為 其中：，。 用模糊矩陣可表示為。 2.4.2.2 “if A then B else C”語句 設(shè)有論域X，Y，Z，，， 則有二元模糊關(guān)系的隸屬函數(shù)為： 用模糊矩陣可表示為： 。 2.4.2.3 “if A and B then C”語句 設(shè)有論域X，Y，Z，，，則有三元模糊關(guān)系的隸屬函數(shù)為： 用模糊矩陣表示為。 2.5模糊控制規(guī)則和控制算法 模糊控制要建立在一系列模糊控制規(guī)則的基礎(chǔ)上，在實際控制中，通常把有關(guān)控制規(guī)則加以處理產(chǎn)生相應(yīng)的控制算法，模糊控制器就是以相應(yīng)的算法去控制被控對象工作的。 模糊控制是對系統(tǒng)控制經(jīng)驗的總結(jié)，它們用模糊條件語句來表述。模糊控制規(guī)則的生成主要有四種途徑；根據(jù)專家經(jīng)驗或過程控制知識生成；根據(jù)過程的模糊模型生成；根據(jù)對手工控制操作的系統(tǒng)觀察和測t生成；根據(jù)學(xué)習(xí)算法生成。這些方法并不互相排斥，它們的有效綜合可以生成規(guī)則基(所有控制規(guī)則的全體稱為模糊控制器的規(guī)則基)。 在模糊控制器中所需考慮的所有數(shù)據(jù)(包括輸入t和輸出t的論域，論域中模糊變量值的范圍，論域的歸一化或整數(shù)化，模糊變t的隸屬度等)的總體稱為模糊控制的數(shù)據(jù)基。數(shù)據(jù)基和規(guī)則基合起來稱為模糊控制器的知識基。 數(shù)字計算機要實現(xiàn)模糊控制必須執(zhí)行一定的算法。這些算法的目的就是從輸入的連續(xù)精確量中，通過模糊推理過程，求出相應(yīng)的精確控制值。模糊控制算法包括多種形式，主要有關(guān)系矩陣法，查表法，解析式法和計算法。[5] 2.6 基于模糊控制的全自動洗衣機控制系統(tǒng)的設(shè)計 傳統(tǒng)洗衣機的使用依賴于人們對被洗滌衣物的重量、質(zhì)地、臟污程度和臟污性質(zhì)的判斷，并據(jù)此來確定洗滌時間和洗滌方式。如果洗衣機操作人員的經(jīng)驗不足不能掌握其正確的操作方法，就可能對洗衣機造成功能上的浪費。隨著模糊控制技術(shù)應(yīng)用的廣泛開展以及家電智能化的社會需求，智能洗衣機日益成為洗衣機行業(yè)的主流產(chǎn)品。它能夠完成除開啟電源、放取衣物之外的全部功能，并保證高質(zhì)量的洗滌效果。全自動洗衣機的核心是單片機控制系統(tǒng)，它具有檢測和控制功能。檢測功能是指通過一系列傳感器來檢測衣量、衣質(zhì)、臟污程度、臟污性質(zhì)等指標(biāo)；控制功能是指根據(jù)所檢測到的信息來決定洗滌水位、水流方式和洗滌時間等。設(shè)計全自動洗衣機的關(guān)鍵就是如何根據(jù)檢測到的各項指標(biāo)來決定洗滌的程式。由于洗衣過程的控制對象難以用精確的數(shù)學(xué)模型來描述，所以采用傳統(tǒng)的控制方法難以取得理想的洗滌效果。而模糊控制方法卻能很好地解決這個問題，因為這種方法具有不必建立精確模型、易于實現(xiàn)、與人的思維方式相一致的特點，它為洗衣機全自動功能的實現(xiàn)提供了一條有效的途徑。 從現(xiàn)在市場上能見到的全自動洗衣機的運行過程可以看出，洗滌時間、水流方式（電機轉(zhuǎn)速）等是被控對象的主要參量，水溫、衣量、衣質(zhì)以及衣物的臟污程度和臟污性質(zhì)是被控對象的主要輸入變量。比如對于衣物的臟污程度，人們通常用很臟、一般臟、不太臟等這類模糊語言來描述。事實上，臟污程度和臟污性質(zhì)的區(qū)分并不存在一個明確的界限。因而，對于洗滌過程，輸入和輸出之間很難找到一個精確的數(shù)學(xué)模型來描述，用常規(guī)的方法難以達到理想的效果，而采用模糊控制技術(shù)則能很好地解決這個問題。模糊控制是在總結(jié)人們生產(chǎn)實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，通過對輸入量模糊化后，根據(jù)一定的模糊控制規(guī)則，決定對被控對象采用相應(yīng)的控制策略。模糊控制的優(yōu)勢在于它不需要知道被控對象或過程的數(shù)學(xué)模型、對于不確定系統(tǒng)，如非線形系統(tǒng)能有效地控制并且具有較強的魯棒性。模糊控制系統(tǒng)設(shè)計由模糊化、模糊推理和反模糊化三部分組成，它們都建立在知識庫的基礎(chǔ)之上。 2.6.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)要求，洗衣機模糊控制系統(tǒng)可以設(shè)計成一個多輸入多輸出模糊控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的機構(gòu)如圖2-1所示，其輸入變量外部溫度的模糊量K，水的渾濁度的模糊量D，布質(zhì)布量決定布阻抗的模糊量C。輸出變量為水流的模糊量S，洗滌時間模糊量T。 圖2-1 模糊控制的系統(tǒng)圖 2.6.2 系統(tǒng)模糊化設(shè)計 1．確定各輸入、輸出變量的變化范圍、量化等級。 針對以上三個語言變量，三個輸入語言變量的量化等級都為3級，即，K＝{“高”、“中”、“低”}，D＝{“渾”、“中”、“清”}，R＝{“大”、“中”、“小”}。兩個輸出語言變量的量化等級5級，S＝{“特強”、“強”、“中”、“弱”、“特弱”}，T＝{“特長”、“長”、“中”、“短”、“特短”}。 2．在各輸入和輸出語言的量化域內(nèi)定義模糊子集。 首先確定各語言變量論域內(nèi)模糊子集的個數(shù)。本論文在這里取5個模糊子集，即PB、PS、ZE、NS、NB。各語言變量模糊子集通過隸屬度函數(shù)來定義。本文這里的量化方式是采用線性量化，即如：表2-1 表2-1 模糊集的隸屬度函數(shù) 渾 布阻抗 濁 度 水 溫 大 中 小 低 中 高 低 中 高 低 中 高 高 水流 特強 強 強 強 強 中 中 中 中 時間 特長 長 中 長 長 中 長 中 中 中 水流 強 中 中 中 中 中 中 弱 弱 時間 長 中 短 長 中 中 中 中 短 低 水流 弱 弱 弱 弱 弱 弱 弱 弱 特弱 時間 中 中 短 中 短 短 中 短 特短 圖2-2 水溫、渾濁度、布阻抗的隸屬度函數(shù)圖 圖2-3 洗滌時間和水流強度的隸屬度函數(shù) 2.6.3 系統(tǒng)模糊化決策設(shè)計 在這里考慮到所選擇的輸入模糊量水溫、布量、布質(zhì)和輸出模糊量洗滌時間和洗滌強度的關(guān)系。即有如下控制規(guī)則： 規(guī)則1： 如果水溫高、渾濁度高、且布阻抗大，則洗滌時間中和水流為強； 規(guī)則2： 如果水溫中、渾濁度高、且布阻抗大，則洗滌時間長和水流為強； 規(guī)則3： 如果水溫低、渾濁度高、且布阻抗大，則洗滌時間特長和水流為特強； 規(guī)則4： 如果水溫高、渾濁度中、且布阻抗大，則洗滌時間短和水流為中； 規(guī)則5： 如果水溫中、渾濁度中、且布阻抗大，則洗滌時間中和水流為中； 規(guī)則6： 如果水溫低、渾濁度中、且布阻抗大，則洗滌時間長和水流為強； 規(guī)則7： 如果水溫高、渾濁度低、且布阻抗大，則洗滌時間短和水流為弱； 規(guī)則8： 如果水溫中、渾濁度低、且布阻抗大，則洗滌時間中和水流為弱； 規(guī)則9： 如果水溫低、渾濁度低、且布阻抗大，則洗滌時間中和水流為弱； 規(guī)則10：如果水溫高、渾濁度高、且布阻抗中，則洗滌時間中和水流為中； 規(guī)則11：如果水溫中、渾濁度高、且布阻抗中，則洗滌時間長和水流為強； 規(guī)則12：如果水溫低、渾濁度高、且布阻抗中，則洗滌時間長和水流為強； 規(guī)則13：如果水溫高、渾濁度中、且布阻抗中，則洗滌時間中和水流為中； 規(guī)則14：如果水溫中、渾濁度中、且布阻抗中，則洗滌時間中和水流為中； 規(guī)則15：如果水溫低、渾濁度中、且布阻抗中，則洗滌時間長和水流為中； 規(guī)則16：如果水溫高、渾濁度低、且布阻抗中，則洗滌時間短和水流為弱； 規(guī)則17：如果水溫中、渾濁度低、且布阻抗中，則洗滌時間短和水流為弱； 規(guī)則18：如果水溫低、渾濁度低、且布阻抗中，則洗滌時間中和水流為弱； 規(guī)則19：如果水溫高、渾濁度高、且布阻抗小，則洗滌時間中和水流為中； 規(guī)則20：如果水溫中、渾濁度高、且布阻抗小，則洗滌時間中和水流為中； 規(guī)則21：如果水溫低、渾濁度高、且布阻抗小，則洗滌時間長和水流為中； 規(guī)則22：如果水溫高、渾濁度中、且布阻抗小，則洗滌時間短和水流為弱； 規(guī)則23：如果水溫中、渾濁度中、且布阻抗小，則洗滌時間中和水流為弱； 規(guī)則24：如果水溫低、渾濁度中、且布阻抗小，則洗滌時間中和水流為中； 規(guī)則25：如果水溫高、渾濁度低、且布阻抗小，則洗滌時間特短和水流為特弱； 規(guī)則26：如果水溫中、渾濁度低、且布阻抗小，則洗滌時間短和水流為弱； 規(guī)則27：如果水溫低、渾濁度低、且布阻抗小，則洗滌時間中和水流為弱； 2.6.4 系統(tǒng)清晰化設(shè)計 精確化計算就是把語言表達的模糊量回復(fù)到精確的數(shù)值，也就是根據(jù)輸出模糊子集的隸屬度計算出輸出的確定值。根據(jù)系統(tǒng)的控制規(guī)則，控制表如下：表2-2和表2-3 表2-2 洗滌時間控制表 布阻抗 布阻抗大 布阻抗中 布阻抗小 水溫 高 中 低 高 中 低 高 中 低 布量 少 短 中 中 短 短 中 特短 短 中 中 短 中 長 中 中 長 短 中 中 多 中 長 特長 中 長 長 中 中 長 表2-3 洗滌水流控制表 布阻抗 布阻抗大 布阻抗中 布阻抗小 水溫 高 中 低 高 中 低 高 中 低 布量 少 弱 弱 弱 弱 弱 弱 特短 短 中 中 中 中 強 中 中 中 短 中 中 多 強 強 特強 中 長 長 中 中 長 2.7 小結(jié) 本章主要是簡單地介紹了模糊控制的基本知識。并分析了全自動洗衣機的模糊控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進行了系統(tǒng)模糊化的決策設(shè)計和清晰化設(shè)計。 3 全自動洗衣機模糊控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 3.1 全自動洗衣機模糊控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計 3.1.1 控制系統(tǒng)的硬件框圖 全自動洗衣機控制系統(tǒng)上選用AT89S52作為核心控制器，用來作為數(shù)據(jù)采集、模糊信息處理、顯示和輸入輸出控制。 圖3-1 洗衣機硬件系統(tǒng)的框圖 3.1.2 控制系統(tǒng)的功能模塊概述 系統(tǒng)可分為一下幾個基本功能模塊： 處理器模塊——選取單片機為核心處理器，進行信息采集、綜合和控制。 電源模塊——采用7805、7809來組成5V、9V的穩(wěn)定電壓輸出，同時有與單片機系統(tǒng)相隔離的-6V負電壓產(chǎn)生電路。 傳感器模塊——采用頻率式水位傳感器測桶內(nèi)水位；數(shù)字傳感器DS18B20測水溫；采用紅外光光電對管進行渾濁度檢測；采用耦合變壓器測主電機發(fā)電時間來測量一定水位下的布阻抗，并進行布質(zhì)布量的檢測； 硬幣檢測模塊——用震蕩電路和紅外對管進行硬幣檢測； 語音與顯示模塊——采用SX6288語音芯片進行語音提示，用12864液晶顯示屏進行狀態(tài)顯示； 鍵盤輸入模塊——采用四個獨立式鍵盤，和一個二位撥碼開關(guān)； 晶閘管驅(qū)動模塊——采用過零負電壓光耦驅(qū)動晶閘管，進而控制牽引器、電機等執(zhí)行裝置工作。 3.2 功能模塊電路的具體設(shè)計 3.2.1 處理器的選型和模塊電路設(shè)計 微處理器是全自動洗衣機模糊控制系統(tǒng)的核心，選好微處理器將是設(shè)計成敗的關(guān)鍵，市面上常見的微型CPU有一下幾個系列： (1)PIC系列 PIC單片機系列是美國微芯公司（Microchip）的產(chǎn)品，它的CPU采用RISC結(jié)構(gòu)，分別有33、35、58條指令，屬精簡指令集。采用Harvard雙總線結(jié)構(gòu)，運行速度快，它能使程序存儲器的訪問和數(shù)據(jù)存儲器的訪問并行處理，這種指令流水線結(jié)構(gòu)，在一個周期內(nèi)完成兩部分工作，一是執(zhí)行指令，二是從程序存儲器取出下一條指令，這樣總的看來每條指令只需一個周期，這也是高效率運行的原因之一。此外，它還具有低工作電壓、低功耗、驅(qū)動能力強等特點。PIC系列單片機共分三個級別，即基本級、中級、高級。 PIC系列單片機的I/O口是雙向的，其輸出電路為CMOS互補推挽輸出電路。I/O腳增加了用于設(shè)置輸入或輸出狀態(tài)的方向寄存器，當(dāng)置位1時為輸入狀態(tài)，且不管該腳呈高電平或低電平，對外均呈高阻狀態(tài)；置位0時為輸出狀態(tài)，不管該腳為何種電平，均呈低阻狀態(tài)，有相當(dāng)?shù)尿?qū)動能力，低電平吸入電流達25mA，高電平輸出電流可達20mA。 該系列單片機的專用寄存器（SFR）并不像51系列那樣都集中在一個固定的地址區(qū)間內(nèi)(80～FFH)，而是分散在四個地址區(qū)間內(nèi)。只有5個專用寄存器，得反復(fù)地選擇對應(yīng)的存儲體，這多少給編程帶來了一些麻煩。 (2)AVR系列 AVR單片機是Atmel公司推出的較為新穎的單片機，其顯著的特點為高性能、高速度、低功耗。它取消機器周期，以時鐘周期為指令周期，實行流水作業(yè)。AVR單片機指令以字為單位，且大部分指令都為單周期指令。而單周期既可執(zhí)行本指令功能，同時完成下一條指令的讀取。通常時鐘頻率用4～8MHz，故最短指令執(zhí)行時間為250～125ns。該系列的型號較多，但可用下面三種為代表：AT90S2313(簡裝型)、AT90S8515、AT90S8535(帶A/D轉(zhuǎn)換)。 通用寄存器一共32個（R0～R31），前16個寄存器（R0～R15）都不能直接與立即數(shù)打交道，因而通用性有所下降。 AVR系列沒有類似累加器A的結(jié)構(gòu)，它主要是通過R16～R31寄存器來實現(xiàn)A的功能。在AVR中，沒有像51系列的數(shù)據(jù)指針DPTR，而是由X（由R26、R27組成）、Y（由R28、R29組成）、Z（由R30、R31組成）三個16位的寄存器來完成數(shù)據(jù)指針的功能(相當(dāng)于有三組DPTR)，而且還能作后增量或先減量等的運行。 (3)51系列 51系列優(yōu)點之一是它從內(nèi)部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統(tǒng)，稱作位處理器，或布爾處理器。它的處理對象不是字或字節(jié)而是位。它不僅能對片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進行處理，如傳送、置位、清零、測試等，還能進行位的邏輯運算，其功能十分完備，使用起來得心應(yīng)手。雖然其他種類的單片機也具有位處理功能，但能進行位邏輯運算的實屬少見。51系列在片內(nèi)RAM區(qū)間還特別開辟了一個雙重功能的地址區(qū)間，十六個字節(jié)，單元地址20H～2FH，它既可作字節(jié)處理，也可作位處理（作位處理時，合128個位，相應(yīng)位地址為00H～7FH），使用極為靈活。這一功能無疑給使用者提供了極大的方便，因為一個較復(fù)雜的程序在運行過程中會遇到很多分支，因而需建立很多標(biāo)志位，在運行過程中，需要對有關(guān)的標(biāo)志位進行置位、清零或檢測，以確定程序的運行方向。而實施這一處理（包括前面所有的位功能），只需用一條位操作指令即可。 有的單片機并不能直接對RAM單元中的位進行操作，如AVR系列單片機中，若想對RAM中的某位置位時，必須通過狀態(tài)寄存器SREG的T位進行中轉(zhuǎn)。 51系列的I/O腳的設(shè)置和使用非常簡單，當(dāng)該腳作輸入腳使用時，只須將該腳設(shè)置為高電平（復(fù)位時，各I/O口均置高電平）。當(dāng)該腳作輸出腳使用時，則為高電平或低電平均可。低電平時，吸入電流可達20mA，具有一定的驅(qū)動能力；而為高電平時，輸出電流僅數(shù)十μA甚至更?。娏鲗嶋H上是由腳的上拉電流形成的），基本上沒有驅(qū)動能力。其原因是高電平時該腳也同時作輸入腳使用，而輸入腳必須具有高的輸入阻抗，因而上拉的電流必須很小才行。作輸出腳使用，欲進行高電平驅(qū)動時，得利用外電路來實現(xiàn)，I/O腳不通，電流經(jīng)R驅(qū)動LED發(fā)光；低電平時，I/O腳導(dǎo)通，電流由該腳入地，LED滅（I/O腳導(dǎo)通時對地的電壓降小于1V，LED的域值1.5～1.8V）。 綜上所述，本次設(shè)計采用51系列，而51系列的典型產(chǎn)品是AT89S52。AT89S52是一種40引腳雙列直播式芯片。它含有4KB可反復(fù)燒錄及擦除內(nèi)存和128字節(jié)的RAM，有32條可編程控制的I/O線，5個中斷發(fā)源，指令與MCS-51系列完全兼容。選用它作為核心控制新片，可使電路極大地簡化，而且程序的編寫及固化也相當(dāng)方便、靈活。選用它設(shè)計制作全自動洗衣機控制電路，該電路的組成相對簡單，工作原理清晰，易于理解。 圖3-2 單片機最小系統(tǒng) 圖3-2為單片機最小系統(tǒng)圖，該單片機采用24MHZ晶振，既可以設(shè)定較為準(zhǔn)確的波特率，又可以產(chǎn)生頻率較高的方波，作為硬幣檢測的基波。復(fù)位電路采用了上電和按鍵的結(jié)合的復(fù)位電路。EA腳接高電平，單片機讀取內(nèi)部程序存儲器。 3.2.2 電源模塊電路設(shè)計 本設(shè)計中電源模塊如圖3-3所示。當(dāng)接通市電220V時，由變壓器T1的次級分離兩種的交流電壓：一路為12V 交流電，經(jīng)整流、濾波后，供給三端固定集成穩(wěn)壓器7809的輸入端，再經(jīng)C25、C28濾波輸出＋9V電壓，+9V再供給7805，使其產(chǎn)生5V電壓作為單片機系統(tǒng)的電源使用[12]，同時+9V電源將作為投幣器電機電源和標(biāo)準(zhǔn)5V產(chǎn)生電路的電源，將在以后的章節(jié)中進行講解；另一路為6V 交流電，經(jīng)整流后作為晶閘管的觸發(fā)電壓。兩路互不干擾，有效的保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 圖3-3 低壓電源模塊圖 3.2.3 傳感器模塊電路設(shè)計 傳感器作為模糊控制系統(tǒng)的信息采集部分，對系統(tǒng)來說非常重要。在本設(shè)計中需要測的信息有水位、水溫、混作度、布阻抗，下面將對其對應(yīng)的檢測電路進行分析和設(shè)計。 3.2.3.1 水位檢測電路 水位檢測的精度直接影響洗凈度、水流強度、洗滌時間等參數(shù)。對于模糊控制的洗衣機, 要求水位的檢測必須是連續(xù)的, 故常采用諧振式水位傳感器。諧振式水位傳感器是利用電磁諧振電路LC 作為傳感器的敏感元件, 將被測物體的變化轉(zhuǎn)變?yōu)長C 參數(shù)的變化, 最終以頻率參數(shù)輸出。其工作原理是: 將水位的高低通過導(dǎo)管轉(zhuǎn)換成一個測試內(nèi)腔氣體變化的壓力, 驅(qū)動內(nèi)腔上方的一塊隔膜移動, 帶動隔膜中心的磁芯在某線圈內(nèi)移動, 從而線圈電感發(fā)生變化。由此引起諧振電路的固有頻率隨水位變化。水位傳感器內(nèi)部電路如圖3-4所示, 為便于與單片機接口, 水位傳感器采用數(shù)字振蕩電路, 電感與電容組成的三點式振蕩電路經(jīng)C2 耦合反相器CD4069， 隨著水位變化, 諧振頻率作相應(yīng)變化,先經(jīng)4069整形, 再由a點輸出, 此時即可將數(shù)字量接到單片機的P33口。 圖3-4 水位傳感器內(nèi)部電路圖 3.2.3.2 水溫度檢測電路 水溫對洗滌效果影響很大，一般來說，溫度越低，洗滌時間就越長，為了測水溫，本設(shè)計采用DS18B20溫度傳感器進行測溫。其特點為獨特的一線接口，只需要一條口線通信、多點能力，簡化了分布式溫度傳感應(yīng)用 無需外部元件 可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為3.0 V至5.5 V 無需備用電源 測量溫度范圍為-55 ℃至+125 ℃ 。華氏相當(dāng)于是-67 °F到257華氏度 -10 ℃至+85 ℃ C范圍內(nèi)精度為±0.5 ℃ ?！　? 該DS18B20的數(shù)字溫度計提供9至12位（可編程設(shè)備溫度讀數(shù)。信息被發(fā)送到從DS18B20 通過1線接口，所以中央微處理器與DS18B20只有一個一條口線連接。為讀寫以及溫度轉(zhuǎn)換可以從數(shù)據(jù)線本身獲得能量，不需要外接電源。 因為每一個DS18B20的包含一個獨特的序號，多個DS18B20可以同時存在于一條總線。這使得溫度傳感器放置在許多不同的地方。它的用途很多，包括空調(diào)環(huán)境控制，感測建筑物內(nèi)溫設(shè)備或機器，并進行過程監(jiān)測和控制。圖3-5為其接線圖，2口為數(shù)據(jù)輸出口，一般需要加4.7K的上拉電阻。 圖3-5 水溫檢測電路 3.2.3.3 渾濁度檢測電路 經(jīng)查閱資料得知洗滌劑的渾濁度與光透度的關(guān)系如圖3-6，通過檢測水的光透度就能得出洗滌劑渾濁度。 本設(shè)計選用紅外光電傳感器測光透度，由紅外發(fā)射管發(fā)出一定紅外光，紅外接收管在另一側(cè)接收紅外線，紅外線在溶液中的光透度就取決于接收方產(chǎn)生光電電流的大小。光電流經(jīng)整形處理后就能得到光透度，洗滌液的污濁程度影響光透度，洗滌一段時間后，洗滌液越污濁，光透度越小，通過光透度進而推出水的渾濁度。本設(shè)計采用TR5000型紅外對管，光電流經(jīng)電阻轉(zhuǎn)化為電壓，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換將信息傳給單片機，單片機經(jīng)分析得出水的渾濁度[8]。 時間 清 渾 光透度 圖3-6 渾濁度與光透度的關(guān)系 圖3-7渾濁度檢測模塊圖 3.2.3.4 布阻抗檢測模塊電路 布阻抗檢測電路原理如圖3-8所示。具體檢測時， 首先注入一定的水位，然后起動主電機旋轉(zhuǎn)， 接著斷電讓主電機以慣性繼續(xù)運轉(zhuǎn)直到停止。在主電機斷電慣性旋轉(zhuǎn)時間內(nèi)，主電機處于發(fā)電狀態(tài)，會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢輸出。 顯然， 隨著布阻抗大小的不同， 主電機處于發(fā)電機狀態(tài)的時間長短也不同。因此，只要檢測出主電機處于發(fā)電機狀態(tài)的時間長短，就可以反過來推理出布阻抗的大小。 主電機發(fā)電時間愈長，布阻抗就愈?。?反之布阻抗就愈高.主電機發(fā)電時間可耦合變壓器兩端輸出電勢， 并將此電勢全波整流后， 經(jīng)送到AD轉(zhuǎn)換器，單片機記錄超過一定時間時內(nèi)的電壓峰值數(shù)，電壓峰值數(shù)反映布阻抗的大小，峰值個數(shù)多，布阻抗小，反之亦然。圖3-9為耦合變壓器布阻抗檢測電路。 圖3-8 處于發(fā)電狀態(tài)的電動機發(fā)電時間對比 圖3-9 布阻抗檢測電路 3.2.4 硬幣檢測模塊電路設(shè)計 為了使設(shè)計的全自動洗衣機在學(xué)生宿舍、職工公寓等地方有更好的應(yīng)用，本設(shè)計加入了硬幣檢測電路，可分為以下幾個子模塊電路；硬幣材質(zhì)識別 、硬幣直徑識別、進幣口電機驅(qū)動電路。所投硬幣只有材質(zhì)和直徑符合真幣的標(biāo)準(zhǔn)，進幣口電機才讓其進入。 3.2.4.1 硬幣材質(zhì)識別電路 功能模塊最重要的是產(chǎn)生高頻信號的線圈，當(dāng)沒有任何鐵質(zhì)物品進入線圈時，這個高頻方波振蕩電路輸出的頻率是很穩(wěn)定的，一致的高頻信號，當(dāng)有鐵質(zhì)物品進入時，這個線圈這個的電感值變化，從而引起振蕩電路輸出的高頻信號頻率變化，只要通過檢測這些變化值，便可以區(qū)分出真假幣。 方波由單片機P3.5（T1）產(chǎn)生，經(jīng)三極管放大送到線圈COIL上，電路中的C2和VD1、VD2構(gòu)成二倍壓檢波電路，檢波電路輸出信號的平均值是直流成分，它的大小表示了檢波電路輸出信號的平均幅值大小，檢波電路輸出信號幅度大，其平均值大，這一直流電壓值就大，反之則小。L4、R11、 C9 構(gòu)成陷波器，濾除干擾信號，使輸出信號更加穩(wěn)定。輸出分壓經(jīng)精密可變電阻分壓調(diào)節(jié)再送到10位ADTLC1543的A0口。單片機讀取AD值再和存儲器E2PROM 24C04保存的值進行比較，判斷是真幣還是假幣。存儲值為測試30枚不同年份真幣時電壓的最大值和最小值，輸出電壓在此范圍內(nèi)的認為材質(zhì)是符合真幣的。 圖3-10 硬幣材質(zhì)識別電路 E2PROM 24C04為ATMEL公司生產(chǎn)的掉電存儲器，I2C總線接口，可對數(shù)據(jù)保存可達100年，并支持多次擦寫，可擦寫10萬次以上。且價格便宜，安全滿足本設(shè)計的應(yīng)用需求。圖3-11為其接線圖。 圖3-11 EEPROM存儲電路 3.2.4.2 硬幣直徑識別電路 硬幣直徑識別采用三個紅外對管，安裝在投幣口的固定位置。無幣時，光電接收管導(dǎo)通，輸出高電平。有硬幣通過時，其邊緣將堵住光眼，將輸出低電平，單片機將檢測到該低電平。只有各對光眼都正常工作，且符合先后條件時，單片機會產(chǎn)生一個控制信號驅(qū)動進幣口電機，硬幣就能通過幣道，通過后又關(guān)閉進幣口。如果所投硬幣不符合樣幣標(biāo)準(zhǔn)，則不能開啟進幣口，幣道不通，投幣失敗。 圖3-12 硬幣直徑識別電路 3.2.4.3 進幣口電機驅(qū)動電路 進幣口電機驅(qū)動電路如下圖，當(dāng)PWM+為低電平PWM-為高電平 Q1、Q5、Q6 導(dǎo)通，Q9、 Q7、Q4截止；電機正轉(zhuǎn)，進幣口開啟；當(dāng)PWM+為高電平PWM-為低電平 Q9、 Q7、Q4 導(dǎo)通，Q1、Q5、Q6截止，電機反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)進幣口關(guān)閉。D3-D6為續(xù)流二極管起續(xù)流保護作用。 圖3-13 進幣口電機驅(qū)動電路 3.2.5 語音與顯示模塊電路設(shè)計 為了使設(shè)計的全自動洗衣機更加人性化，控制系統(tǒng)上有語音模塊和液晶顯示模塊，可完成語音提示、報警、狀態(tài)顯示等功能。 3.2.5.1 語音模塊 語音芯片選用SYN6288，中文語音合成芯片是北京宇音天下科技有限公司于2010年初推出的一款性/價比更高，效果更自然的一款中高端語音合成芯片。SYN6288通過異步串口（UART）通訊方式，接收待合成的文本數(shù)據(jù)，實現(xiàn)文本到語音（或TTS語音）的轉(zhuǎn)換。 SYN6288語音合成芯片--功能特點： 支持GB2312、GBK、BIG5和UNICODE內(nèi)碼格式的文本；清晰、自然、準(zhǔn)確的中文語音合成效果；可合成任意的中文文本，支持英文字母的合成；具有智能的文本分析處理算法，可正確識別數(shù)值、號碼、時間日期及常用的度量衡符號；具備很強的多音字處理和中文姓氏處理能力；支持多種文本控制標(biāo)記，提升文本處理的正確率；每次合成的文本量最多可達 200 字節(jié)；支持多種控制命令，包括：合成、停止、暫停合成、繼續(xù)合成、改變波特率等； 支持休眠功能，在休眠狀態(tài)下可降低功耗；支持多種方式查詢芯片工作狀態(tài)；支持串行數(shù)據(jù)通訊接口，支持三種通訊波特率：9600bps，19200bps、38400bps；支持 16 級音量調(diào)整；播放文本的前景音量和播放背景音樂的背景音量可分開控制；可通過發(fā)送控制標(biāo)記調(diào)節(jié)詞語語速，支持 6 級詞語語速調(diào)整；芯片內(nèi)固化有多首和弦音樂、提示音效和針對某些行業(yè)領(lǐng)域的常見語音提示音；內(nèi)部集成19首聲音提示音，23首和弦提示音，15首背景音樂；最終產(chǎn)品提供SSOP貼片封裝形式；體積業(yè)內(nèi)最?。?芯片各項指標(biāo)均滿足室外嚴酷環(huán)境下的應(yīng)用； 圖3-14 SYN6288語音模塊接線圖 3.2.5.2 語音與顯示模塊電路設(shè)計 液晶顯示模塊選用帶中文字庫的128X64，它是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64, 內(nèi)置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面。可以顯示8×4行16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示。 表3-1 12864液晶模塊接口定義表[15] 管腳號 管腳名稱 電平 管腳功能描述 1 VSS 0V 電源地 2 VCC 3.0+5V 電源正 3 V0 - 對比度（亮度）調(diào)整 4 RS(CS） H/L RS=“H”,表示DB7——DB0為顯示數(shù)據(jù) RS=“L”,表示DB7——DB0為顯示指令數(shù)據(jù) 5 R/W(SID) H/L R/W=“H”,E=“H”,數(shù)據(jù)被讀到DB7——DB0 R/W=“L”,E=“H→L”, DB7——DB0的數(shù)據(jù)被寫到IR或DR 6 E(SCLK) H/L 使能信號 7 DB0 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 8 DB1 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 9 DB2 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 10 DB3 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 11 DB4 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 12 DB5 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 13 DB6 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 14 DB7 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 15 PSB H/L H：8位或4位并口方式，L：串口方式 16 NC - 空腳 17 /RESET H/L 復(fù)位端，低電平有效 18 VOUT - LCD驅(qū)動電壓輸出端 19 A VDD 背光源正端（+5V） 20 K VSS 背光源負端 低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。 根據(jù)12864液晶模塊的接口定義表，我們采用串行通信方式，設(shè)計了顯示模塊的電路，如圖3-15： 圖3-15 12864的模塊接線圖 3.2.6 鍵盤輸入模塊電路設(shè)計 圖3-16 鍵盤輸入圖 獨立式按鍵是指直接用I/O口線構(gòu)成的單個按鍵電路。每根I/O口線上按鍵的工作狀態(tài)不會影響其他I/O口線的工作狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)開關(guān)也是如此。他們的用途將在第四、五章使用說明中進行詳細描述。 3.2.7 晶閘管驅(qū)動電路設(shè)計 在全自動洗衣機模糊控制中需要控制的主要對象有電機、進水閥、排水牽引器。為了適應(yīng)全自動洗衣機的基本要求，同時減少電路的復(fù)雜程度，這些設(shè)備的工作電壓全部選為220V交流。本設(shè)計主控板上的電源都是低壓電，實現(xiàn)用低電壓的直流電來控制較高電壓（220V）的交流電。這是硬件首先要解決的任務(wù)，而能解決這個問題的常用功率開關(guān)器件中，首推晶閘管。 3.2.7.1 雙向晶閘管特性簡介 晶閘管，又名可控硅，是目前世界上應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體功率開關(guān)組件?，F(xiàn)在在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用晶閘管作為功率組件已是一種不可逆轉(zhuǎn)的方向。作為本系統(tǒng)的主要功率開關(guān)組件，也是一個重要的功能部分，有必要了解晶閘管的原理及特性：晶閘管類型繁多，但只有單向、雙向和可關(guān)斷三種結(jié)構(gòu)。這里只介紹雙向晶閘管的原理和特性。 雙向晶閘管也稱雙向三極半導(dǎo)開關(guān)組件（Bidirectional Triode Thyristor）,作為交流開關(guān)它有很廣泛的應(yīng)用。它和單向晶閘管的區(qū)別是： 第一，它在觸發(fā)之后是雙向?qū)ǖ?；第二，在門極中所加的觸發(fā)信號不管是正的還是負的都可以使雙向晶閘管導(dǎo)通。它可以看作由兩個單向晶閘管反向并聯(lián)組成，能負壓觸發(fā)。 單向晶閘管只能正壓觸發(fā)。 圖3-17 雙向晶閘管結(jié)構(gòu)與電路符號圖 雙向晶閘管是從N 型硅單晶片的兩側(cè)擴散P 型材料，形成 PNP 結(jié)構(gòu)；然后分別在兩個P 型材料