科研訓(xùn)練報告封皮

1、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科研訓(xùn)練學(xué)校代碼： 10128學(xué) 號：201210101011 科研訓(xùn)練報告（題 目：超聲波洗衣機(jī)智能控系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生姓名：方雪松學(xué) 院：機(jī)械學(xué)院系 別：機(jī)械系專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及自動化班 級：機(jī)12-1指導(dǎo)教師：程海鷹 副教授二 一五 年 十二 月 目 錄第一章 研究意義及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀11.1研究意義11.2國內(nèi)外洗衣機(jī)的發(fā)展概述11.3洗衣機(jī)控制技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢2第二章 研究內(nèi)容及技術(shù)路線32.1超聲波清洗的原理32.2 單片機(jī)選型32.3控制系統(tǒng)總體方案4第三章 本文的方案設(shè)計及構(gòu)思63.1遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)想63.2遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計73.2.1屏幕控制模塊73.2

2、.2鼠標(biāo)控制模塊73.2.3鍵盤控制模塊73.3可行性分析8參考文獻(xiàn)10第一章 研究意義及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.1研究意義 隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計算機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于智能控制的領(lǐng)域中。智能化、數(shù)字化已經(jīng)成為了家電發(fā)展的趨勢。作為物美價廉的微處理器，單片機(jī)以其集成度高、運(yùn)算速度快、體積小、運(yùn)行可靠、價格低廉等特點(diǎn)，在過程控制、數(shù)據(jù)采集、機(jī)電一體化、智能化儀表、家用電器及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。而且超聲波技術(shù)的良好發(fā)展趨勢，所以智能超聲波洗衣機(jī)智能控制系統(tǒng)就是應(yīng)用的一個典型例子。洗衣機(jī)是現(xiàn)代人必備的日常生活家電，它的發(fā)明和應(yīng)用使人們的洗衣工作變得省時又省力，很好地緩解了人們在家務(wù)勞動方面

3、的壓力。而隨著人們對生活質(zhì)量的不斷追求，普通的洗衣機(jī)已經(jīng)不能滿足部分人的需求，所以研究多功能的智能超聲波洗衣機(jī)具有重大的意義。 本設(shè)計課題主要是以單片機(jī)作為核心控制器件來設(shè)計超聲波洗衣機(jī)的智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對洗衣機(jī)洗衣過程的全自動控制。所謂智能超聲波洗洗衣機(jī)，是指洗衣機(jī)能在洗滌、漂洗和脫水三種功能之間自動轉(zhuǎn)換，無需人工介入。這種洗衣機(jī)一般采用套桶式結(jié)構(gòu)，它具有體積小、容量大、磨損小、省時又省力的優(yōu)點(diǎn)。這種洗衣機(jī)裝有控制器，自動完成進(jìn)水、洗滌、排水、漂洗、脫水和報警等程序。這樣做不但減少人們洗衣的步驟，也能縮短人們的洗衣時間，讓人們生活變得更加方便。1.2國內(nèi)外洗衣機(jī)的發(fā)展概述 1766年美國人

4、Schaefer發(fā)明了第一臺洗衣機(jī)，采用肋板來模仿人手對衣物搓洗。經(jīng)過漫長的一個世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代洗衣機(jī)雛形才得以出現(xiàn)，并得到了蓬勃發(fā)展。 1874年，手搖的木制洗衣機(jī)被另一個美國人比爾布萊克斯發(fā)明了，1910年，世界上第一臺電動洗衣機(jī)被美國人菲舍爾研制成功了。這臺電動洗衣機(jī)的出現(xiàn)，才真正標(biāo)志著人類的家務(wù)勞動真正進(jìn)入了自動化時代1。進(jìn)入了電氣化時代以后，人們?nèi)找嫱晟屏讼匆聶C(jī)的功能，洗衣形式也漸漸的固定為:攪拌式洗衣機(jī)、波輪洗衣機(jī)、滾筒式洗衣機(jī)2。 隨著社會的不斷進(jìn)步，人們給洗衣機(jī)提出了越來越高的要求。除滿足基本洗衣功能外，開始關(guān)注它的環(huán)保性、適用性、可靠性、智能程度以及節(jié)約能耗等方面。所以，環(huán)保

5、、節(jié)能也是洗衣機(jī)發(fā)展的一大方向。 從改革開發(fā)開始，我國開始了對洗衣機(jī)的研究，和電視機(jī)一樣作為骨干家電，洗衣機(jī)的發(fā)展還是很迅速的。它的發(fā)展歷程基本可以劃分為以下三個階段: 1)初期起步階段:可以從上世紀(jì)八十年代中期算起，到八十年代末期截止。這一階段主要體現(xiàn)為技術(shù)的集中引進(jìn)。2)平穩(wěn)發(fā)展階段:這個階段是從上世紀(jì)八十年代末期開始，一直到九十年代中期截止。這個時期，我們國家各洗衣機(jī)企業(yè)，無論是質(zhì)量水平還是技術(shù)水平都穩(wěn)步的在提高，生產(chǎn)成本也得到持續(xù)降低。3)激烈競爭階段:這個階段是從上世紀(jì)九十年代中期開始，洗衣機(jī)行業(yè)的競爭是相當(dāng)激烈。 現(xiàn)如今，我國的洗衣機(jī)企業(yè)已經(jīng)發(fā)展成熟。但是，和日韓、歐美各國家相比，

6、我們國家的技術(shù)依然比較落后，一些技術(shù)的關(guān)鍵還沒有完全掌握。對新洗衣機(jī)的設(shè)計、研發(fā)都還處在模仿階段。所以，在競爭這么激烈的情況下，要想在不斷增長的市場中占據(jù)一定份額，就一定要提高自主設(shè)計、開發(fā)新洗衣機(jī)的能力。在模仿的基礎(chǔ)上，消化吸收引進(jìn)的技術(shù)，掌握好洗衣機(jī)設(shè)計的關(guān)鍵，這樣才能逐步提高我們的設(shè)計水平。1.3洗衣機(jī)控制技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢 洗衣機(jī)采用哪種控制技術(shù)，主要是由其采用哪種程控器決定的。目前市場上較常用的洗衣機(jī)控制方式主要有:電子程控器控制和電腦程控器控制。 電子程控器要比電腦程控器簡單，它主要是由微型同步電機(jī)、凸輪組、減速機(jī)構(gòu)、引出線和簧片觸點(diǎn)等組成，其中微型同步電機(jī)為程控器提供動力。微型同步電

7、動機(jī)經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)，驅(qū)動各凸輪組一圈圈的轉(zhuǎn)動。各凸輪組控制的電觸點(diǎn)，都可當(dāng)作單刀雙位或者單刀三位開關(guān)，這些開關(guān)會隨著凸輪的轉(zhuǎn)動按照一定的規(guī)律被關(guān)閉、打開。這樣就使得洗衣過程被連續(xù)的進(jìn)行3。第二章 研究內(nèi)容及技術(shù)路線 2.1超聲波清洗的原理超聲波5是一種頻率超出人類聽覺范圍20HZ以上的聲波。超聲波很像電磁波，能折射、聚焦和反射，然而和電磁波又不同，電磁波可以在真空中自由傳播，而超聲波的傳播要依靠彈性介質(zhì)。其傳播時，使彈性介質(zhì)中的粒子振蕩，并通過介質(zhì)按超聲波的傳播方向傳遞能量，這種波可分為縱向波和橫向波。在固體內(nèi)，兩者都可以傳送，而在氣體和液體內(nèi)，只有縱向波可以傳送。超聲波能夠引起質(zhì)點(diǎn)振動，質(zhì)點(diǎn)振

8、動的加速度與超聲頻率的平方成正比。因此，幾十千赫茲的超聲會產(chǎn)生極大的作用力，強(qiáng)超聲波在液體中傳播時，由于非線性作用，會產(chǎn)生聲空化。在空化氣泡突然閉合時發(fā)出的沖擊波可在其周圍產(chǎn)生上千個大氣壓力，對污層的直接反復(fù)沖擊，一方面破壞污物與清洗件表面的吸附，另一方面也會引起污物層的破壞而脫離清洗件表面并使它們分散到清洗液中。氣泡的振動也能對固體表面進(jìn)行擦洗。氣泡還能“鉆入”裂縫中做振動，使污物脫落。對于有油脂性污物，由于超聲空化作用，兩種液體在界面迅速分散而乳化，當(dāng)固體粒子被油污裹著而粘附在清洗件表面時，油被乳化，固體粒子即脫落?？栈瘹馀菰谡駝舆^程中會使液體本身產(chǎn)生環(huán)流，即所謂聲流。他可使振動氣泡表面存

9、在很高的速度梯度和粘滯應(yīng)力，促使清洗件表面污物的破壞和脫落，超聲空化在固體和液體表面上所產(chǎn)生的高速微射流能夠除去或削弱邊界污層，腐蝕固體表面，增加攪拌作用，加速可溶性污物的溶解，強(qiáng)化化學(xué)清洗劑的清洗作用。此外，超聲振動在清洗液中引起質(zhì)點(diǎn)很大的振動速度和加速度，亦使清洗件表面的污物受到頻繁而激烈的沖擊。由上述超聲清洗原理可知，凡是液體浸到空化產(chǎn)生的地方都有清洗作用，不受清洗件表面復(fù)雜形狀的限制，如部件表面的空穴、凹槽、狹縫和深孔、微孔都能得到清洗，而這些部件用一般刷洗方法是不能清洗干凈的。2.2 單片機(jī)選型 電腦板的設(shè)計中，單片機(jī)是設(shè)計的主體10，和其它控制電路一起組成洗衣機(jī)的控制系統(tǒng)。洗衣機(jī)故

10、障時，如果能排除機(jī)械系統(tǒng)和電腦板外接部件，就要首先檢測判定單片機(jī)的外圍的控制電路，最后再看單片機(jī)本身是否有故障。腦程控器根據(jù)接受到的操作面板的動作指令，給外接部件送出執(zhí)行命令，使得電動機(jī)、進(jìn)水電磁閥、排水牽引器等通電運(yùn)行;同時，程控器還要監(jiān)測洗衣機(jī)的各部件的工作狀態(tài)，判定工作正常與否，一旦有異常，就立刻送出停止的命令、蜂鳴器鳴叫報警。這些功能都是由電腦程控器和各種配合電路配合著來實(shí)現(xiàn)?；谘芯颗c實(shí)際的情況，本設(shè)計選用NEC6的78F系列的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)電腦程控器的各控制要求。另外，從開發(fā)環(huán)境上講，NEC單片機(jī)可以用匯編語言，也可以用結(jié)構(gòu)匯編或者C語言編譯器，并且均有對應(yīng)的開發(fā)調(diào)試工具。開發(fā)

11、調(diào)試工具除了硬件開發(fā)系統(tǒng)(仿真器)以外，還能提供軟件仿真，用戶只需1臺個人電腦，就可以完成系統(tǒng)仿真，仿真軟件還可以免費(fèi)提供。2.3控制系統(tǒng)總體方案 超聲波洗衣機(jī)經(jīng)由電腦板控制后，洗滌模式更人性化，外形更美觀，操作界面更友好更易接受，設(shè)計想象空間也變的更大，可以說電腦程控器式超聲波洗衣機(jī)代表了洗衣機(jī)技術(shù)的重要發(fā)展方向。 電腦程控器式超聲波洗衣機(jī)的電腦板，經(jīng)由接插件、線束連通其他電氣部件，通過按鍵、旋鈕、LCD屏、LED、蜂鳴器等部件實(shí)現(xiàn)和用戶的交互功能。按照用戶選擇的洗滌模式和洗滌參數(shù)，電腦板選擇不同程序，協(xié)調(diào)其它電氣部件，自動的完成整個洗滌過程。從這種意義上看，洗衣機(jī)的電腦板就像人類的大腦，所

12、以，它的設(shè)計水平也就決定了洗衣機(jī)的智能化程度，是洗衣機(jī)的最關(guān)鍵的部件之一8。 為了設(shè)計水平達(dá)到當(dāng)前電腦洗衣機(jī)設(shè)計的最高水平，整機(jī)廠要求: 1)電腦板必須能夠根據(jù)測速電機(jī)給的反饋信號，自動的判斷并糾正脫水轉(zhuǎn)速及衣物的當(dāng)前狀態(tài)，降低衣服的含水率，同時盡可能減小振動。 2)智能化的判斷外界環(huán)境的變化并能給出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，如進(jìn)水、排水情況，電網(wǎng)波動及停電等。在停電時要自動的記憶系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，來電后自動開始洗滌。 3)要有故障自診斷及自保護(hù)功能，當(dāng)電壓、電流或零部件損壞的時候，要可以自動的給出聲光告警并且能自保護(hù)。設(shè)計方案計劃主控制電腦板和顯示部分電腦板分開，這樣做一是為了洗衣機(jī)控制界面美觀大方，滿足客戶

13、工業(yè)設(shè)計的要求，二是滿足客戶多變種的需求。可以采用同一塊主控制電腦板搭配以不同的顯示板，以達(dá)到區(qū)分洗衣機(jī)檔次、滿足不同顧客的審美觀的目的?？刂葡到y(tǒng)主要功能部件及模塊主要有:旋鈕、顯示屏、蜂鳴器、可控硅、開關(guān)電源模塊、人機(jī)接口電路、通訊電路、復(fù)位電路、閥的控制與檢測等等。為了滿足以上客戶要求，設(shè)計者細(xì)致的分析、計算了集成電路設(shè)計、元器件選型、以及軟件設(shè)計等方面，最后在綜合考慮了各方面因素后，得到如圖2.1所示的控制系統(tǒng)總體框架圖：變頻器、稱重驅(qū)動電動機(jī)水位傳感器溫度傳感器濁度傳感器門鎖檢測門鎖預(yù)洗閥主洗閥排水閥控制板顯示板圖2.1控制系統(tǒng)總體框架圖 第三章 本文的方案設(shè)計及構(gòu)思 在本章中，大體設(shè)

14、計都是借鑒前任的已有成果，在此基礎(chǔ)上增加自己的創(chuàng)新設(shè)計部分。所以本設(shè)計選用NEC78F0513為控制核心，采用按鍵旋鈕和LCD顯示模塊作為人機(jī)接口的輸入輸出設(shè)備。加熱管、風(fēng)機(jī)和電動機(jī)采用交流220V市電驅(qū)動，CPU與這些部件之間，通過數(shù)據(jù)鎖存、I/O緩沖、光電隔離觸發(fā)器和可控硅等來進(jìn)行控制。門感應(yīng)開關(guān)、過熱保護(hù)開關(guān)、溫度傳感器等組成自動控制和保護(hù)電路4。采用的系統(tǒng)框圖如圖3.1所示。變頻器通訊UI通訊MCU門鎖加熱管傳感器開關(guān)電源閥水位傳感器圖3.1系統(tǒng)框圖從洗滌方式來看，超聲波洗滌技術(shù)將推動洗衣機(jī)的發(fā)展，甚至?xí)o洗衣機(jī)帶來根本性的變革。從算法來看，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，遺傳算法等的研究，也將可以

15、用于洗衣機(jī)控制，且可以預(yù)見，必定能進(jìn)一步的優(yōu)化控制過程，從而達(dá)到水電的節(jié)省。但是從人機(jī)界面來看，可以朝著高科技智能化、人性化、交互式等方向發(fā)展研究。并且可以預(yù)測，手勢識別、語音識別、遠(yuǎn)程控制等，都很可能成為今后洗衣機(jī)界面的新面貌新特征。綜合以上需要改進(jìn)的方面，本文決定對超聲波洗衣機(jī)智能控系統(tǒng)增加遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。3.1遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)想 隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，人們可以很方便地從Internet上獲取和自己工作生活密切相關(guān)的信息，世界也真正變成一個地球村，我們可以和世界上其他任何一個人通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行溝通，信息資源達(dá)到了高度的共享從這一點(diǎn)得到啟發(fā)，希望能夠設(shè)計一個遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，通過他可以在家里控

16、制家里臥室直接控制計算機(jī)，來間接地控制超聲波洗衣機(jī)的CPU9進(jìn)行洗衣操作，這樣既省時間有聲工作量。3.2遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計該遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)由服務(wù)器端和客戶端2個部分組成，客戶端可以通過鼠標(biāo)和鍵盤控制服務(wù)器端的計算機(jī)，同時還可以相互傳輸文件其體系結(jié)構(gòu)如圖3.2所示，主要由屏幕控制模塊、鼠標(biāo)控制、鍵盤控制3個模塊組成下而具體說明各個模塊的功能屏幕控制塊鼠標(biāo)控制模塊遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)鍵盤控制模塊3.2.1屏幕控制模塊可以讓客戶端用戶實(shí)時監(jiān)控服務(wù)器端計算機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)客戶端以一定頻率向服務(wù)器發(fā)送請求，服務(wù)器響應(yīng)客戶端請求將自己的屏幕拷貝下來并將這些信息發(fā)送給客戶端，客戶端接收到這些信息之后以圖形的形式顯

17、示出來，為鼠標(biāo)和鍵盤控制提供圖形化接口。3.2.2鼠標(biāo)控制模塊可以讓控制端用戶通過鼠標(biāo)控制服務(wù)器端的計算機(jī)其實(shí)現(xiàn)過程是控制端軟件先捕捉鼠標(biāo)在圖形化接口(屏幕控制模塊所提供的)中的動作，再將這些信息發(fā)送到超聲波洗衣機(jī)的CPU端7，最后超聲波洗衣機(jī)的CPU端的服務(wù)程序獲得操作命令，這樣就如同在超聲波洗衣機(jī)的CPU端的操作系統(tǒng)上進(jìn)行了相應(yīng)的鼠標(biāo)操悵如果動作是在“甩干”圖標(biāo)上雙擊，則遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)超聲波洗衣機(jī)的CPU端的“甩干”操作命令就會被執(zhí)行。3.2.3鍵盤控制模塊可以讓控制端用戶通過鍵盤控制超聲波洗衣機(jī)的CPU端計算機(jī)的輸入，其實(shí)現(xiàn)過程是控制端軟件先捕捉鍵盤在圖形化接口(屏幕控制模塊所提供的)中的

18、動作，再將這些信息發(fā)送到超聲波洗衣機(jī)的CPU端，超聲波洗衣機(jī)的CPU端的程序向操作系統(tǒng)發(fā)送這個動作的消息，這樣就如同在超聲波洗衣機(jī)的CPU端的操作系統(tǒng)上進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)際操作如果超聲波洗衣機(jī)的CPU端的“甩干”為當(dāng)前的操作命令，則控制端的鍵盤操作就如同有人在超聲波洗衣機(jī)的CPU端利用“甩干”直接操作。進(jìn)行屏幕控制、鍵盤控制和鼠標(biāo)控制模塊是在網(wǎng)絡(luò)狀況較好的情況下才會有較快的響應(yīng)速度，如果網(wǎng)絡(luò)狀況不好可以直接采用網(wǎng)線對控制端電腦網(wǎng)線插口和超聲波洗衣機(jī)的CPU端的網(wǎng)線插口進(jìn)行連接。本章從控制系統(tǒng)用戶界面著手，介紹了控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，設(shè)計方案是主控電腦和超聲波洗衣機(jī)的CPU分開連接構(gòu)成，這樣不但

19、是洗衣機(jī)控制界面更加美觀大方，滿足客戶工業(yè)設(shè)計的要求，而且能夠滿足客戶多種需求。即面對面操作和遠(yuǎn)程控制操作?？梢圆捎猛粔K主控制電腦版以搭配不同的顯示超聲波洗衣機(jī)的CPU板，以達(dá)到區(qū)分洗衣機(jī)檔次，滿足不同客戶的使用及審美需求。3.3可行性分析21世紀(jì)是信息化的世紀(jì)，各種電信和互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)推動了人類文明的巨大進(jìn)步。本文介紹的數(shù)字化家居控制系統(tǒng)可以使得人們可以通過手機(jī)或電話在任何時候、任意地點(diǎn)對家中的任意電器（空調(diào)、熱水器、電飯煲、燈光、音響、DVD錄像機(jī)）進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；也可以在下班途中，預(yù)先將家中的空調(diào)打開、讓熱水器提前燒好熱水、電飯煲煮好香噴噴的米飯等；而這一切的實(shí)現(xiàn)都僅僅是打一個簡單的電話。

20、此外，該系統(tǒng)還可使家庭具有多途徑報警、遠(yuǎn)程監(jiān)控等多種功能，如果不幸出現(xiàn)某種險情，您和110可以在第一時間獲得通知以便進(jìn)一步采取行動。舒適、時尚的家居生活是社會進(jìn)步的標(biāo)志，智能家居控制系統(tǒng)能夠在不改變家中任何家電的情況下，對家里的電器、燈光、電源、家庭環(huán)境進(jìn)行方便地控制，使人們盡享高科技帶來的簡便而時尚的現(xiàn)代生活。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能化離不開運(yùn)算和控制單元，本系統(tǒng)采用MCU(SM8952AC25P)作為主控器件，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件由單片機(jī)擴(kuò)展的存儲器、輸入/出設(shè)備以及各種實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)控制要求的接口電路和有關(guān)的外圍電路芯片或部件組成；軟件由單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其特定控制功能的各種工作程序和管理程序組成。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的過程中，應(yīng)不斷調(diào)整軟、硬件，協(xié)調(diào)地進(jìn)行軟、硬件設(shè)計，以提高工作效率，當(dāng)系統(tǒng)硬件和軟件緊密配合、協(xié)調(diào)一致，就可以組成高性能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。本課題完成了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)其開發(fā)過程的系統(tǒng)的總體設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試，根據(jù)開發(fā)的實(shí)際需要，相互協(xié)調(diào)、交叉，有機(jī)的進(jìn)行。本設(shè)計的MCU與各個芯片和模塊的