全自動(dòng)洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書摘要 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （說(shuō)明書摘要） 題目：全自動(dòng)洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 學(xué) 院 專業(yè)名稱 年級(jí)班級(jí) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 9 全自動(dòng)洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 【摘要】：本文介紹模糊控制在全自動(dòng)洗衣機(jī)中的應(yīng)用，包括模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)的模糊推理、物理量檢測(cè)以及它的洗衣過(guò)程和控制電路。其中控制電路是以AT89S52單片機(jī)為控制電路核心，其主要由電源電路、狀態(tài)檢測(cè)電路、顯示電路和輸出控制電路組成，分別介紹了各控制電路的工作原理和控制元件的組成，在教學(xué)設(shè)計(jì)訓(xùn)練方面具有較好的實(shí)用價(jià)值。 【關(guān)鍵詞】：模糊控制 單片機(jī) 傳感器 全自動(dòng)洗衣機(jī) 一、前言 模糊控制是以模糊集理論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法，它從行為上模仿人的模糊推理和決策過(guò)程。該方法首先將操作人員或?qū)＜医?jīng)驗(yàn)編成模糊規(guī)則，然后將來(lái)自傳感器的實(shí)時(shí)信號(hào)模糊化，將模糊化的信號(hào)作為模糊規(guī)則的輸入，完成模糊推理，將推理后的輸出量加到執(zhí)行器上。 從傳統(tǒng)控制角度看，傳統(tǒng)全自動(dòng)洗衣機(jī)實(shí)際上是一臺(tái)按事先設(shè)定好的參數(shù)進(jìn)行順序控制的機(jī)器。從這個(gè)意義上說(shuō)，其“全自動(dòng)”并不具有任何功能，它不能根據(jù)情況和條件的變化來(lái)改變參數(shù)；而模糊邏輯控制的全自動(dòng)洗衣機(jī)向真正的智能化的全自動(dòng)邁進(jìn)了一大步，它的目標(biāo)則是要求根據(jù)所洗衣服的數(shù)量、種類和臟的程度來(lái)決定水的多少、水流的強(qiáng)度和洗衣的時(shí)間，并可以動(dòng)態(tài)的改變參數(shù)，以達(dá)到在洗干凈衣服的情況下還要盡量不傷衣服、省電、省水、省時(shí)的目的；另外，要求操作簡(jiǎn)單，任何人都可以輕松地使用，且能夠把工作情況和過(guò)程顯示出來(lái)。 二、全自動(dòng)洗衣機(jī)的模糊控制原理 模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)是利用負(fù)載、質(zhì)料、水位、水溫和氣溫以及洗滌劑類型等檢測(cè)所得到的信息，進(jìn)行分段評(píng)估計(jì)算，使其模糊化，再根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行推理，最后根據(jù)所激活的規(guī)則進(jìn)行模糊判決，以決定最適當(dāng)?shù)乃?、水位、洗滌時(shí)間、清洗方法及脫水時(shí)間。模糊洗衣機(jī)的控制結(jié)構(gòu)如圖四所示。 圖一 洗衣機(jī)模糊控制原理框圖 1.模糊規(guī)則： 首先確定各輸入、輸出變量的變化范圍、量化等級(jí)。針對(duì)以上三個(gè)語(yǔ)言變量，三個(gè)輸入語(yǔ)言變量的量化等級(jí)都為3級(jí)，即，K＝{“高”、“中”、“低”}，D＝{“渾”、“中”、“清”}，R＝{“大”、“中”、“小”}。兩個(gè)輸出語(yǔ)言變量的量化等級(jí)5級(jí)，S＝{“特強(qiáng)”、“強(qiáng)”、“中”、“弱”、“特弱”}，T＝{“特長(zhǎng)”、“長(zhǎng)”、“中”、“短”、“特短”}。在各輸入和輸出語(yǔ)言的量化域內(nèi)定義模糊子集。如下表 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(qiáng) 強(qiáng) 強(qiáng) 強(qiáng) 強(qiáng) 中 中 中 中 時(shí)間 特長(zhǎng) 長(zhǎng) 中 長(zhǎng) 長(zhǎng) 中 長(zhǎng) 中 中 中 水流 強(qiáng) 中 中 中 中 中 中 弱 弱 時(shí)間 長(zhǎng) 中 短 長(zhǎng) 中 中 中 中 短 低 水流 弱 弱 弱 弱 弱 弱 弱 弱 特弱 時(shí)間 中 中 短 中 短 短 中 短 特短 表1 模糊控制規(guī)則表。 2.模糊控制的隸屬函數(shù) 模糊控制的隸屬函數(shù)采用最簡(jiǎn)單的三角形隸屬函數(shù)表示，包括輸入變量和輸出變量。 （1）輸入變量：圖二所示為輸入變量水溫、渾濁度和布阻抗的隸屬函數(shù)。 圖二 水溫、渾濁度、布阻抗的隸屬度函數(shù)圖 （2）輸出變量：圖三上下圖分別表示輸出變量水流強(qiáng)度和洗滌時(shí)間的隸屬函數(shù)。 圖三 洗滌時(shí)間和水流強(qiáng)度的隸屬度函數(shù) 三、全自動(dòng)模糊控制洗衣機(jī)硬件電路設(shè)計(jì) 要對(duì)洗衣機(jī)進(jìn)行控制，首先要用各種傳感器不斷地檢測(cè)相關(guān)的狀態(tài)，以作為控制的依據(jù)。然后在進(jìn)行控制，下面首先介紹介紹在模糊控制洗衣機(jī)中所用各種參數(shù)的檢測(cè)原理和技術(shù)，再介紹其他硬件部分電路。 1.渾濁度檢測(cè)電路 本設(shè)計(jì)需要檢測(cè)渾濁度，以便進(jìn)行工作過(guò)程的整定和控制，這些量都與水透光性有關(guān)的。利用紅外線在水中的透光和時(shí)間的關(guān)系，通過(guò)模糊推理，以得出檢測(cè)結(jié)果，而這個(gè)結(jié)果就可以用于控制推理。光傳感器由相對(duì)設(shè)于排水閥兩旁的紅外發(fā)光二極管和光敏晶體管構(gòu)成的。發(fā)光二極管透過(guò)洗滌液向光敏晶體二極管發(fā)光，由光敏晶體管轉(zhuǎn)換成電壓，再由單片機(jī)讀取該數(shù)值，由此測(cè)出洗滌液的污染狀況。渾濁度檢測(cè)電路構(gòu)造如圖四所示。 圖四 渾濁度檢測(cè)器構(gòu)造 2.布阻抗檢測(cè)檢測(cè)電路 在進(jìn)行布質(zhì)和布量檢測(cè)時(shí)，首先注入一定的水位，然后啟動(dòng)主電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，接著斷電讓主電動(dòng)機(jī)以慣性繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)直到停止。在主電動(dòng)機(jī)斷電時(shí)間內(nèi)，由于慣性，所以它處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，并且會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)輸出。隨著布阻抗的大小不同，主電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)短不同，只要檢測(cè)出主電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)短，就可以反過(guò)來(lái)推理出布阻抗的大小。當(dāng)然，主電動(dòng)機(jī)發(fā)電時(shí)間長(zhǎng)，布阻抗就小，主電動(dòng)機(jī)發(fā)電時(shí)間短，布阻抗就高。在得出布阻抗之后，通過(guò)模糊推理就可以產(chǎn)生相應(yīng)的布質(zhì)和布量。布量傳感器電路如圖六所示。 圖五 布阻抗傳感器電路 3.水溫檢測(cè) 水溫檢測(cè)由溫度傳感器來(lái)完成，溫度傳感器安裝在洗衣桶的底部，通過(guò)這個(gè)傳感器可以在任何時(shí)候檢測(cè)水溫。本設(shè)計(jì)采用DS18B20單線數(shù)字溫度傳感器方便快捷。 圖六 溫度傳感器電路 4.水位檢測(cè) 水位檢測(cè)是用一種專用水位傳感器實(shí)現(xiàn)的。這種水位傳感器是一根與缸體等高的空管，它與缸體構(gòu)成一個(gè)連通器，空管的上端有一個(gè)用壓力膜隔開的差動(dòng)電感器，當(dāng)缸中有水注入時(shí)，管內(nèi)的空氣被壓縮使壓力膜上壓力增大，繼而推動(dòng)與它聯(lián)動(dòng)的鐵心移動(dòng)，引起線圈的電感量變化。用此電感器構(gòu)成的LC振蕩器的頻率就能反映水位的高低。 圖七 水位傳感器電路圖 5.電源電路 本設(shè)計(jì)中電源模塊如圖八所示。當(dāng)接通市電220V時(shí)，由變壓器T1的次級(jí)分離兩種的交流電壓：一路為12V 交流電輸出+5V為單片機(jī)供電；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。 圖八 低壓電源模塊圖 6.輸出控制電路 在全自動(dòng)洗衣機(jī)模糊控制中需要控制的主要對(duì)象有電機(jī)、進(jìn)水閥、排水牽引器。本設(shè)計(jì)選用雙向晶閘管作為功率器件，采用光電耦合器將主電路與控制電路進(jìn)行隔離，能有效的防止外電路對(duì)控制班的干擾。 圖九 電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電路 雙向晶閘管用正電壓觸發(fā)，交流的兩半周所需要的觸發(fā)電流相差很大，因此最好用負(fù)電壓觸發(fā)。圖十 為觸發(fā)電壓產(chǎn)生電路，其正輸出和220V交流電的零線相連，形成負(fù)壓觸發(fā)電路。當(dāng)單片機(jī)輸出低電平驅(qū)動(dòng)光電耦合器時(shí)，負(fù)壓觸發(fā)電路工作，雙向晶閘管導(dǎo)通。 圖十 驅(qū)動(dòng)電壓產(chǎn)生電路 7.過(guò)零檢測(cè)電路： 晶閘管過(guò)零觸發(fā)是指使雙向晶閘管的開關(guān)過(guò)程在電源電壓為零或電流為零的瞬間進(jìn)行觸發(fā)。這樣，負(fù)載的瞬態(tài)浪涌電流和射頻對(duì)系統(tǒng)的干擾最小，可控硅的使用壽命也可以提高。圖十一為是晶閘管過(guò)零檢測(cè)部分的電路圖，其作用是產(chǎn)生電壓過(guò)零中斷信號(hào)。 圖十一 晶閘管過(guò)零檢測(cè)電路 8.顯示電路 顯示電路是選用常見的LCD12864顯示屏，采用串行通行方式對(duì)工作狀態(tài)等進(jìn)行顯示。 四、全自動(dòng)洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 控制軟件由主程序、各種子程序和中斷服務(wù)程序組成。所有模糊推理在洗滌之前都基本執(zhí)行完畢，所以在程序判別出是啟動(dòng)并且是自動(dòng)程序后，就開始進(jìn)行一系列的檢測(cè)工作。在推理工作完成之后，開始進(jìn)行洗滌工作。在洗滌過(guò)程中若產(chǎn)生故障，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。 開始 關(guān)中斷、初始化 是否自動(dòng)？ 、 調(diào)用手動(dòng)洗衣參數(shù)設(shè)定程序 水溫檢測(cè) 水位檢測(cè) 布量和布質(zhì)檢測(cè) 渾濁度檢測(cè) 調(diào)用洗衣程序 調(diào)用洗衣完畢報(bào)警子程序 調(diào)用手動(dòng)洗衣程序 是 否 結(jié) 束 圖十二 軟件主程序流程圖 軟件主程序流程圖如圖十二所示。衣物洗滌過(guò)程：開啟洗衣機(jī)，選擇自動(dòng)或者手動(dòng)方式，若為手動(dòng)則設(shè)定洗衣參數(shù)，否則進(jìn)入自動(dòng)方式。檢測(cè)衣物清洗前狀態(tài)，進(jìn)而自動(dòng)選擇相應(yīng)的洗衣參數(shù)，調(diào)用相應(yīng)的洗滌程序，完成模糊規(guī)則洗衣。 五、結(jié)束語(yǔ) 本課題設(shè)計(jì)的全自動(dòng)洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)，基本上反映了模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)的結(jié)構(gòu)和使用功能，效果直觀，可操作性好；在該設(shè)計(jì)上采用了AT89S52單片機(jī)控制，編制出符合要求的主、子程序，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有一定的實(shí)用和推廣價(jià)值。 六、參考文獻(xiàn) 1.《模糊控制技術(shù)》中國(guó)紡織出版社 劉曙光、魏俊民、竺志超編著 2001年6月； 2.《模糊控制及其在家用電器中的應(yīng)用》機(jī)械工業(yè)出版社 林鋼編著 2006年6月； 3.《模糊控制原理與應(yīng)用》機(jī)械工業(yè)出版社 諸靜等編著 2005年1與月； 4.《智能控制》電子工業(yè)出版社 劉金琨編著 2008年6月。 附 錄 全自動(dòng)洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)總圖