智能型全自動洗衣機控制系統(tǒng)山科畢業(yè)論文

.36/36智能型全自動洗衣機控制系統(tǒng)目錄摘要21緒論31.1模糊控制的介紹31.1.1模糊控制的定義與特點31.12模糊控制的發(fā)展51.1.3模糊控制存在的主要問題61.2模糊控制技術在洗衣機中的應用與原理61.3本課題的意義與來源72洗衣條件82.1衣服的質料82.2水與洗滌劑82.3洗衣時間和脫水時間93控制系統(tǒng)的硬件設計93.1衣量衣質檢測93.2水位水溫檢測133.3水的透光率檢測144模糊控制系統(tǒng)硬件電路174.1模糊控制洗衣機的功能要求174.2模糊控制系統(tǒng)的硬件電路175模糊控制實現(xiàn)方法195.1基本結構和控制過程195.1.1全自動模糊控制洗衣機的結構195.1.2洗衣過程中所執(zhí)行的動作205.2模糊規(guī)則205.2.1輸入變量的模糊化與隸屬度函數(shù)215.2.2輸出變量的模糊化與隸屬度函數(shù)225.2.3模糊規(guī)則與模糊推理235.3模糊控制系統(tǒng)的軟件設計246結束語28致28參考文獻29摘要：模糊技術是智能化技術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?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結合起來是智能控制技術的一個重要發(fā)展方向，它們的結合方式可分為兩種:模糊型單片機和數(shù)字型單片機的模糊化，目前應用較廣泛的是后者。模糊控制是以模糊數(shù)學為基礎發(fā)展起來的一種新的非線性的控制方法，對那些無法取得數(shù)學模型或數(shù)學模型相當粗糙的系統(tǒng)可以取得較滿意的控制效果，解決了一些用傳統(tǒng)方法無法解決的問題。近年來，模糊控制在家用電器控制中得到較廣泛的應用，采用模糊控制技術的洗衣機具有自動識別衣質、衣量，自動識別骯臟程度，自動決定水量，自動投入恰當?shù)南礈靹┑裙δ?，不僅實現(xiàn)了洗衣機的全面自動化，也大大提高了洗衣的質量，具有很強的實用性和較好的發(fā)展前景。本文深入研究了全自動洗衣機的模糊控制系統(tǒng)結構，確定了控制器的輸入、輸出變量，設計了輸入輸出變量的隸屬函數(shù)．分析了輸入輸出變量的相關性。建立了模糊控制規(guī)則庫，給出了軟件設計思想與模糊推理程序流程。關鍵詞：模糊控制；單片機；全自動洗衣機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-computerAutomaticWashingMachine1緒論1.1模糊控制的介紹1.1.1模糊控制的定義與特點模糊邏輯控制(FuzzyLogicControl)簡稱模糊控制(FuzzyControl)，是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數(shù)字控制技術。模糊控制實質上是一種非線性控制，從屬于智能控制的疇。模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，它是以模糊數(shù)學﹑模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯推理為理論基礎，采用計算機控制技術構成的一種具有閉環(huán)結構的數(shù)學控制系統(tǒng)。它的核心是具有智能性的模糊控制器。無疑，模糊邏輯控制系統(tǒng)是一種典型的智能控制系統(tǒng)，在控制原理上它應用模糊集合論﹑模糊語言變量和模糊邏輯推理的知識，模擬人的模糊思維方法，對復雜的過程進行控制。模糊邏輯控制的基礎是模糊邏輯。模糊邏輯從含義上比其他傳統(tǒng)邏輯更接近人類的思想和自然語言。它能夠對真實的世界的近似的﹑不確切的特征進行刻畫。實際上，模糊邏輯控制是利用模糊邏輯建立的一種“自由模型”的非線性控制算法，特別是在那些采用傳統(tǒng)定量技術分析過于復雜的過程﹑或者提供的信息是定性﹑非線形控制的效果是相當明顯的。模糊控制系統(tǒng)在結構上與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)沒有太大的差別。主要不同之處在于控制器采用了模糊控制器。模糊控制實質上是一種非線性控制，從屬于智能控制的疇。模糊控制的一大特點是既具有系統(tǒng)化的理論，又有著大量實際應用背景。模糊控制的發(fā)展最初在西方遇到了較大的阻力；然而在尤其是在日本，卻得到了迅速而廣泛的推廣應用。近20多年來，模糊控制不論從理論上還是技術上都有了長足的進步，成為自動控制領域中一個非?；钴S而又碩果累累的分支。其典型應用的例子涉與生產(chǎn)和生活的許多方面，例如在家用電器設備中有模糊洗衣機、空調、微波爐、吸塵器、照相機和攝錄機等；在工業(yè)控制領域中有水凈化處理、發(fā)酵過程、化學反應釜、水泥窯爐等的模糊控制；在專用系統(tǒng)和其它方面有地鐵靠站停車、汽車駕駛、電梯、自動扶梯、蒸汽引擎以與機器人的模糊控制等。模糊控制是一種基于規(guī)則的控制。它直接采用語言型控制規(guī)則，出發(fā)點是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗或相關專家的知識，在設計中不需要建立被控對象的精確數(shù)學模型，因而使得控制機理和策略易于接受與理解，設計簡單，便于應用。由工業(yè)過程的定性認識出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則，因而模糊控制對那些數(shù)學模型難以獲取、動態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用。模糊控制的基本思想是利用計算機來實現(xiàn)人的控制經(jīng)驗，而這些經(jīng)驗多是用語言表達的具有相當模糊性的控制規(guī)則。模糊控制器(FuzzyController，即FC)獲得巨大成功的主要原因在于它具有如下一些突出特點：(1)模糊工程的計算方法雖然是運用模糊集理論進行的迷糊算法，但最后得到的控制規(guī)律是確定性的、定量的條件語句。(2)不需要根據(jù)機理與分析建立被控對象的數(shù)學模型，對于某些系統(tǒng)，要建立數(shù)學模型是很困難的、甚至是不可能的。(3)與傳統(tǒng)的控制方法相比，模糊控制系統(tǒng)依賴于行為規(guī)則庫，由于是用自然語言表達的規(guī)則，更接近于人的思維方法和推理習慣，因此，便于現(xiàn)場操作人員的理解和使用，便于人機對話，已得到更有效的控制規(guī)律。(4)模糊控制與計算切相關。從控制角度看，它實際上是一個由很多條件語句組成的軟件控制器。目前，模糊控制還是應用二值邏輯的計算機來實現(xiàn)，模糊規(guī)律經(jīng)過運算，最后還是進行確定的控制。迷糊推理硬件的研制與模糊計算機的開發(fā)，使得計算機將像人腦那樣隨心所欲地處理模棱兩可的信息，協(xié)助人們決策和進行信息處理。1.12模糊控制的發(fā)展目前，模糊控制技術日趨成熟和完善。各種模糊產(chǎn)品充滿了日本、西歐和美國市場，如模糊洗衣機、模糊吸塵器和模糊攝像機等等，模糊技術幾乎變得無所不能，各國都爭先開發(fā)模糊新技術和新產(chǎn)品。多年來一直未解決的穩(wěn)定性分析問題正在逐步解決。模糊芯片也已研制成功且功能不斷加強，成本不斷下降。直接采用模糊芯片開發(fā)產(chǎn)品己成為趨勢。模糊開發(fā)軟件包也充滿市場。模糊控制技術除了在硬件、軟件上繼續(xù)發(fā)展外，將在自適應模糊控制、混合模糊控制以與神經(jīng)模糊控制上取得較大發(fā)展。隨著其它學科新理論、新技術的建立和發(fā)展，模糊理論的應用更加廣泛。模糊理論結合其它新技術和人工神經(jīng)網(wǎng)絡和遺傳基因形成交叉學科神經(jīng)網(wǎng)絡模糊技術(NeuronFuzzyTechnique)和遺傳基因模糊技術(GeneticFuzzyTechnique)，用于解決單一技術不能解決的問題。模糊理論在其它學科技術的推動下，正朝著更加廣泛的方向發(fā)展。模糊控制具有良好控制效果的關鍵是要有一個完善的隸屬函數(shù)和控制規(guī)則。但由于模糊規(guī)則是人們對過程或對象模糊信息的歸納，對高階、非線性、大時滯、時變參數(shù)以與隨機干擾嚴重的復雜控制過程，人們的認識往往比較貧乏或難以總結完整的經(jīng)驗，這就使得單純的模糊控制在某些情況下很粗糙，難以適應不同的運行狀態(tài)，影響了控制效果。近20多年來，模糊控制不論從理論上還是技術上都有了長足的進步，成為自動控制領域中一個非?；钴S而又碩果累累的分支。模糊控制展望：模糊系統(tǒng)理論還有一些重要的理論課題還沒有解決。其中兩個重要的問題是：如何獲得模糊規(guī)則與隸屬函數(shù)，這在目前完全憑經(jīng)驗來進行；以與如何保證模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性。大體說來，在模糊控制理論和應用方面應加強研究的主要方向為：(1)適合于解決工程上普遍問題的穩(wěn)定性分析方法，穩(wěn)定性評價理論體系；控制器的魯棒性分析，系統(tǒng)的可控性分析和可觀性判定方法等。(2)模糊控制規(guī)則設計方法的研究，包括模糊集合隸屬函數(shù)設定方法，量化水平，采樣周期的最優(yōu)選擇，規(guī)則的系數(shù)，最小實現(xiàn)以與規(guī)則和隸屬函數(shù)參數(shù)自動生成等問題；進一步則要求我們給出模糊控制器的系統(tǒng)化設計方法。(3)模糊控制器參數(shù)最優(yōu)調整理論的確定，以與修正推理規(guī)則的學習方式和算法等。(4)模糊動態(tài)模型的辨識方法。(5)模糊預測系統(tǒng)的設計方法和提高計算速度的方法。(6)神經(jīng)網(wǎng)絡與模糊控制相結合，有望發(fā)展一套新的智能控制理論。(7)模糊控制算法改進的研究：由于模糊邏輯的疇很廣，包含大量的概念和原則；然而這些概念和原則能真正的在模糊邏輯系統(tǒng)中得到應用的卻為數(shù)不多。這方面的嘗試有待深入。(8)最優(yōu)模糊控制器設計的研究：依據(jù)恰當提出的性能指標，規(guī)控制規(guī)則的設計依據(jù)，并在某種意義上達到最優(yōu)。(9)簡單、實用且具有模糊推理功能的模糊集成芯片和模糊控制裝置、通用模糊控制系統(tǒng)的開發(fā)和推廣應用。在短短20多年時間里，模糊控制得到長足發(fā)展。它的應用領域涉與各各方面，控制方法也有廣很大進展，模糊控制器的性能不斷提高。模糊控制系統(tǒng)易于接受，設計簡單，維護方便，而且比常規(guī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好，魯棒性高。由于它的這些特點，模糊控制正在得到越來越廣泛的應用。1.1.3模糊控制存在的主要問題迄今為止，模糊控制技術已對我國的工業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)、交通等眾多領域產(chǎn)生了重要影響，特別是模糊家電產(chǎn)品的更是普與了大眾對模糊控制技術的認識。但應指出，目前模糊控制技術尚處于發(fā)展的初步階段，還存在大量有待解決的問題。常規(guī)模糊控制的兩個主要問題在于：認為模糊隸屬度函數(shù)的確定具有主觀臆斷性和認為經(jīng)驗技巧色彩，至今它還沒有完善的系統(tǒng)分析手段，因而是不可靠的；模糊控制的規(guī)則的獲取以與輸入模糊變量論域和隸屬函數(shù)的確定還都是實驗分析和操作人員經(jīng)驗的匯總，受人為主觀因素影響較大，主要是專家的經(jīng)驗法和觀察法，但這些方法主觀性較強，不非常成熟，有待進一步研究。當然模糊控制無論在理論上和使用上都是一門“年輕”的科學，正處于不斷發(fā)展和完善的進程之中，不像經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論皆已形成了較完善的理論體系。同時，也許也正因為它的不完善和正在發(fā)展，顯示了它有很大的發(fā)展?jié)摿颓巴尽?.2模糊控制技術在洗衣機中的應用自從年英國的E.H.Mamdani首先將模糊數(shù)學理論成功地應用于鍋爐和蒸汽機的控制以來,模糊控制無論在理論上還是實踐上都有了較大的發(fā)展人們用能模仿人的模糊概念和控制策略的模糊控制器,對某些難以建立數(shù)學模型,從而難以靠經(jīng)典或現(xiàn)代控制理論來控制的工業(yè)生產(chǎn)過程進行自動控制,取得了較好的效果。近年來,日本將這一思想引入家用電器的控制之中,形成了所謂“模糊家電”本文淪與的是“模糊洗衣機”。模糊控制是一種非線性的控制方法,主要針對那些無法取得數(shù)學模型或數(shù)學模型相當粗糙的系統(tǒng)。首先要對被控對象按照人們的經(jīng)驗總結出模糊規(guī)則,采用模糊量,借助單片機對這些信息按照模糊規(guī)則轉換為控制量,來完成自動控制。近年來,模糊控制在家用電器控制中得到較廣泛的應用,采用模糊控制的洗衣機,可具有自動識別衣質、衣量、臟污程度、臟污性質、自動決定水量、自動投入恰當?shù)南礈靹┑裙δ?不僅實現(xiàn)了洗衣機的全面自動化,也大大提高了洗衣的質量,具有很強的實用性和較好的發(fā)展前景。。模糊控制是首先對控制對象按照人們的經(jīng)驗總結模糊規(guī)則，采用的數(shù)量是模糊量，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。目前，利用單片機進行模糊控制有兩種形式：一種是用數(shù)字單片機組成硬件結構，而以軟件執(zhí)行模糊化，模糊推理與反模糊化工作，這種方式價格低，靈活性高，通用性強，應用圍廣，特別適于家用消費類產(chǎn)品的應用；另一種則是專門執(zhí)行模糊邏輯信號處理的器件一模糊單片機，在模糊單片機中，模糊化、推理和反模糊化都是由硬件執(zhí)行的，因此，它的模糊推理速度相當高，但它部的隸屬函數(shù)形狀，規(guī)則條數(shù)，推理方式都是固定的，靈活性不足，且價格相當昂貴?？紤]到性價比，一般的智能洗衣機的程控器都是采用數(shù)字單片機做主控芯片，由軟件來實現(xiàn)模糊功能，以實現(xiàn)其智能化。采用模糊控制電路的全自動洗衣機是一種新型的多功能家用電器,它集微電腦技術、自動控制技術、傳感技術、工業(yè)造型設計等技術于一體。這種洗衣機以人們洗衣操作的成熟經(jīng)驗作為模糊控制規(guī)則,采用先進的檢測手段檢測諸如水溫、水位、衣質衣量、衣物的贓污情況等洗衣狀態(tài)信息,應用模糊控制技術分析檢測結果,以最佳的洗滌方案,最大限度地模擬人工操作,自動地完成洗衣的全過程,達到理想的洗滌效果。與電腦程控型全自動洗衣機相比,模糊控制型洗衣機具有許多優(yōu)點:首先,它應用布質、布量的檢測結果,通過模糊推理,自動確定洗衣水位和水流強度;其次,應用洗滌液渾濁度檢測結果,通過模糊推理法則,確定和修正洗滌時間與洗滌劑量;第三,具有自動斷電、報警保護、故障檢測顯示等功能;最后,具有外形美觀、功能強、操作使用方便等優(yōu)點。本文著重介紹如何將模糊控制技術應用于洗衣機的檢測、控制與具體的實現(xiàn)方案。洗衣機的自動控制系統(tǒng)為一多輸入多輸出系統(tǒng),輸入量為衣質、衣量、臟污程度(即水的渾濁度)、臟污性質(渾濁度變化率);輸出量為洗滌劑量、水位、水流、脫水時間、洗滌時間、漂洗方式等。從洗衣機的運行過程可以看出,洗滌劑量、水位、水流、脫水時間都可以通過輸入量推理求得,而洗滌時間與漂洗方式為實時控制量,影響其主要因素是被洗物品的臟污程度,這兩個量可以用水的渾濁度和渾濁度變化率來表示,油性臟污的渾濁度變化率小,泥性臟污的渾濁度變化率大。實際分析證明:輸入與輸出之間很難用一定的數(shù)學模型來描述,系統(tǒng)的具體條件具有較大的不確定性,其控制過程在很大程度上依賴于操作者的經(jīng)驗,用常規(guī)的控制方法難以達到理想的效果。而采用模糊控制技術就能很容易解決問題。因而采用了模糊控制器設計全自動洗衣機。在洗滌衣物的過程中,衣物的多少、面料的軟硬、衣物的臟污程度等都是模糊量,所以必須經(jīng)過大量的實驗,總結出人為的洗滌方式,從而形成模糊控制規(guī)則。再根據(jù)檢測系統(tǒng)檢測到的信息,判斷出衣物多少、面料軟硬、臟污程度、臟污性質等,計算出控制量,從而完成注水量、洗滌時間、水流強弱、洗滌方式、脫水時間、排水等一系列的設置。根據(jù)上述分析和模糊控制技術的基本原理,可可以確定洗衣機的模糊控制框圖如圖1-1模糊化模糊化模糊控制器解模糊被控對象檢測設備模糊規(guī)則庫XYU（x）U（y）圖1-1X為輸入精確量；y為輸出精確量；U(x)為輸入模糊量；U(y)為輸出模糊量。1.3本課題的意義與來源隨著現(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，洗衣機的普與率已達到相當高的程度，但由于現(xiàn)階段國情，洗衣機在我國的普與程度較低，農村更甚。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，在我國比較普與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，并能對這些檢測結果做出合理反應，從而得到比較理想的洗滌效果?，F(xiàn)代科學技術的發(fā)展，特別是嵌入式技術的發(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，從世界圍來說，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。本課題的目的就是設計一種比較合理的全自動洗衣機模糊控制器，這種采用模糊控制的全自動洗衣機能夠自動判斷被洗衣物的重量輕重、質料軟硬，自動檢測洗衣桶水的臟污程度和污漬性質(油污或泥污)；能自動預選水位、水流強度和洗滌時間，并能進行衣物偏置的自動糾正等，也應該能在整個洗滌過程中實施監(jiān)控，并適時調整這些運行參數(shù)，以達到最佳的洗滌效果。2洗衣條件洗衣機做為一種家電產(chǎn)品，需要達到的性能指標包括洗凈性能、漂洗性能、脫水、性能、排水性能和磨損性能等，其各主要性能指標的實現(xiàn)最終要依賴于洗衣過程中的各控制參數(shù)，洗衣機的主要控制參數(shù)有:2.1衣服的質料要把衣服洗干凈，去除污垢，與如下一些因素有關：衣服的質料、水的硬度、水的多少和水的溫度、洗滌劑的性能和多少、機械力的大小和作用時間。一般衣服質料纖維可分為兩大類：自然纖維的棉織品和人造化學纖維織品。棉制品的污垢不僅在表面，而且還滲透纖維，所以，棉制品要比化學纖維難洗。且面制品的吸水性比化纖制品強，因此，同樣多的衣物、同樣的污垢程度和污染性質，洗面制品時要水多放一點、洗的時間長一點。2.2水與洗滌劑水可以帶走一般的灰塵和水溶性污垢，所以，不用洗滌劑也可以洗去部分污垢。水的硬度用肥皂時也會影響洗滌效果，但影響最大的還是水的溫度，在一定的水溫圍，水溫越高，洗滌效果越好。然而水溫也不宜太高，否則，高溫會把附著在衣服上的蛋白質凝固，反而影響洗滌效果。衣物能否洗干凈，與用水量的多少關系很大。如果衣物很少，且吸水性不太強，此時放水太多，不但浪費洗滌劑，浪費水，還會使洗滌時間加長，衣物的磨損加重，并且不易洗干凈。水溫對洗滌效果的影響也是很大的，水溫升高，洗滌效果會有所提高。洗滌劑的主要成分是表面活性劑，表面活性劑是分子結構中含有親水基和親油基兩部分的有機化合物。一般是根據(jù)表面活性劑在水溶液中能否分解為離子，又將其分為離子型表面活性劑和非離子型表面活性劑的兩大類。離子型表面活性劑和兩性離子表面活性劑三種。不同的洗滌劑還會添加各種不同的輔助劑、酵素、熒光增白劑、香料等。靜止的洗滌劑不能產(chǎn)生良好的洗滌效果，要把污潰從衣物表面洗除掉，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量大，去污效果明顯，但在某種程度上會造成衣物的損傷，因此應對不同質地，不同重量的衣物采用不同的能量輸出方式，從控制的角度就表現(xiàn)為水流方式的不同。實踐證明，在織物的水洗中只有陰離子表面活性劑和非離子型表面活性劑，對織物去污能夠起到正面有效的作用。因此這兩種表面活性劑就成了衣物洗滌劑的主要材料。水的溫度對洗滌劑的影響也非常大。溫度過低時，洗滌劑發(fā)揮不出很好的功效；溫度過高時，會殺死洗滌劑的活性。洗滌劑要具備良好的潤濕性、滲透性、乳化性、分散性、增溶性與發(fā)泡與消泡等性能這些性能的綜合就是洗滌劑的洗滌性能。洗滌劑的產(chǎn)品種類很多，基本上可分為肥皂、合成洗衣粉、液體洗滌劑、固體狀洗滌劑與膏狀洗滌劑幾大類。2.3洗衣時間和脫水時間洗衣時間：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，應針對不同質地和不同衣物量來確定洗衣時間。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地有關，同樣質地下又與重量有關，因此也應對脫水時間分檔。3控制系統(tǒng)的硬件設計3.1衣量衣質檢測要對洗衣機進行控制，首先要用各種傳感器不斷的檢測相關的狀態(tài)，以作為控制的依據(jù)。在洗衣過程中起決定作用的物理量有布量、布質、水溫和渾濁度等四種,這些物理量都需要有適當?shù)膫鞲衅鱽慝@取信息,并轉換成單片機能接收的電信號。下面介紹在模糊控制洗衣機中所用各種參數(shù)的檢測原理和技術，在檢測中要用到負載傳感器、水位傳感器和光電傳感器等。衣質和衣量的檢測是在洗滌之前進行的，以決定水位。這可用不同的方法實現(xiàn)。最容易想到的方法是用靜態(tài)的壓力傳感器直接測量，但結構稍復雜一些。目前，一般是用動態(tài)的時間間接測量方法，這是通過檢測電動機負載來實現(xiàn)的。電動機的負載可以用正常運轉時的驅動電流來計算，也可以用電動機斷電后的反電動勢的大小以與波形來計量。在這里，以計量電動機斷電后的反電動勢的大小以與波形來測量。在水位一定時,不同的衣質和衣量的產(chǎn)生的布阻抗不同。衣質和衣量檢測電路如圖2所示。具體檢測衣質和衣量時,首先，衣服投入缸體中并注入一定的水位,然后起動主電機旋轉若干圈,接著斷電讓主電機以慣性繼續(xù)運轉直到停止。在主電機斷電慣性旋轉時間,主電機處于發(fā)電狀態(tài),會產(chǎn)生感應電動勢輸出。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,布阻抗就愈小；反之布阻抗就愈高。單片機單片機u～+5R1R2VDC～220V圖3-1反電勢法測量衣質、衣量電路主電機發(fā)電時間可直接通過檢測起動電容兩端輸出電勢,并將此電勢半波整流后,由光電隔離后放大整形為一矩形脈沖系列的脈沖數(shù)而定。脈沖個數(shù)反映布阻抗的大小,脈沖個數(shù)多,布阻抗小,反之亦然。據(jù)此通過模糊推理即可得到布量。如圖3-2所示，衣量傳感器能區(qū)分四檔衣量(多量、中多量、中少量、少量)。反電動勢反電動勢電機送電電機斷電整形脈沖時間t/s圖3-2(a)衣量的檢測方法（衣量較多）反電動勢反電動勢整形脈沖電機送電電機斷電時間t/s圖3-2(b)衣量的檢測方法（衣量較少）質料檢測包括面制品與化纖制品的區(qū)分和柔軟布料與粗厚布料的區(qū)分。檢測的具體方法如下。第二次測量第二次測量第一次測量多計數(shù)脈沖少化纖圖3-3面制品與化纖制品辨別曲線在放入要洗的衣物后，放水啟動電動機，反復用開0.3s、關0.7s的脈沖電壓驅動電動機32s，記下脈沖數(shù)為N；若檢測負載時的脈沖數(shù)是M，根據(jù)M—N的值就可以判斷質料分布比例的大小情況。面制品越多，M—N的值越大，反之則小。圖3-3表示面制品與化纖制品比例不同時兩次測量脈沖的關系曲線。同樣都是面制品，但對于像毛巾這樣的柔軟布料和牛仔布料這樣的厚布料，其洗滌方法也是不同的，可用水位傳感器來配合測量。具體方法是：在注入水進行脈沖驅動32s后，比較啟動前后水的變化量。若變化量較小，說明布料容易吸水，傾向于毛巾類布料；反之，可能是牛仔類厚布料。這是因為厚布料吸水慢，往往要攪動一段時間后才能充分吸水，這就會使水位變化量大。圖3-4所示為在這兩種情況下水位的變化曲線。柔軟布料柔軟布料硬厚布料水位低旋轉前旋轉后圖3-4柔軟布料和硬厚布料的水位變化曲線3.2水位水溫檢測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管轉換成一個測試腔氣體變化的壓力,驅動腔上方的一塊隔膜移動,帶動隔膜中心的磁芯在某線圈移動,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。水位測量電路如圖1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耦合接入數(shù)字式諧振放大器A1,隨著水位變化,諧振頻率作相應變化,放大器在a點輸出,經(jīng)A2整形,由c點輸出,此時即可將數(shù)字量接到單片機。R2R2A2A1R1R3C1C3LC2圖3-5水位傳感器測量電路水溫檢測是通過熱電耦測量的。它把洗衣機啟動時的溫度作為當時室溫，然后再檢測工水的溫度，以作為洗衣條件之一，根據(jù)需要可以對水加熱且控制水溫。水溫檢測可用熱敏電阻或MTS102半導體溫度檢測器。洗衣機水溫一般為4～40℃,在該溫度圍MTS102線性好,溫度敏感,水溫檢測常選用它。3.3水的透光率檢測水的透光率使用光電傳感器實現(xiàn)的。渾濁度綜合反映了衣物的臟污程度、臟污性質和洗凈程度。它是采用紅外光電傳感器,利用紅外線在水中的透射率和時間的關系,通過模糊推理,獲得檢測結果。其檢測電路如圖3所示,紅外發(fā)光二極管LED由恒流源供電,由單片機脈寬調制PWM信號控制LED發(fā)出調制紅外光,穿過動態(tài)的洗滌液,到達光電三極管VT,使VT的射級輸出電壓隨洗滌液的渾濁程度而線性變化。恒流源恒流源+5LED被測介質RC圖3-6渾濁度紅外光電檢測電路根據(jù)透光率的變化形態(tài)和過程，可以知道污垢的性質和程度。這是一種間接測量衣物污垢的方法，因為衣物臟的程度與洗滌水的污濁度有著正相關的關系。對于泥污類的污垢，一般分離得較快，較早進入水中，故其透光率進入飽和狀態(tài)的時間較短；而油污類污垢相對分離得較慢，透光率的變化速率小，達到飽和值的時間也較長。它的輸出變化曲線如圖3-7、圖3-8、圖3-9所示污垢較多污垢較多污垢的量污垢較少透光率污垢的量圖3-7污垢程度透光率曲線泥污泥污油污污垢的質透光率圖3-8污垢程度透光率曲線從圖3-7和3-8中可知，開始注入清水，透明度很高，隨著污垢析出，水逐漸變濁，透明度下降，最后就有一個飽和穩(wěn)定值。根據(jù)透光率的變化形態(tài)和過程，可以知道污垢的性質和過程度。對于泥污類的污垢，一般分離得較快，較早進入水中，故其透光率進入飽和狀態(tài)的時間較短；而油污類污垢相對分離得較慢，透光率的變化速率小，達到飽和值的時間也較長。另外根據(jù)同樣的思路（如圖3-9所示），還可以從透光率的變化知道洗滌劑用的固體粉末狀態(tài)的還是液態(tài)的?？傊?，飽和值的高低反映了衣物臟的程度，透光率下降到飽和值的時間長短了污垢的性質。粉末狀洗滌劑粉末狀洗滌劑液體洗滌劑透光率洗滌劑的種類4模糊控制系統(tǒng)硬件電路4.1模糊控制洗衣機的功能要求洗衣機的主要工作程序是：洗滌→脫水→漂洗→脫水。上述工作程序中，包括三個過程，洗滌過程、漂洗過程、脫水過程。（1）洗滌過程：放好待洗衣物，啟動開關，進水閥通電，向洗衣機供水，當供水達到預定水位時，水位開關接通，進水閥斷電關閉，停止供水。洗滌電動機接通電源，帶動波輪旋轉，產(chǎn)生各種形式的水流攪動衣物進行洗滌。通過點動機不停的正轉、停止、反轉反復循環(huán)，形成洗滌水對洗滌物產(chǎn)生強烈的翻滾作用。同時，衣物之間、衣物與四周桶壁之間產(chǎn)生相互摩擦和撞擊力，以達到洗滌衣物的目的。（2）漂洗過程：漂洗的目的在于清除衣物上的洗滌液，因此，漂洗過程與洗滌過程的電器動作是完全一樣的。（3）脫水過程：洗滌或漂洗后，需要對衣物進行脫水以便晾干，節(jié)省水資源，所以脫水是洗衣過程中必不可少的環(huán)節(jié)。洗滌或漂洗過程結束后，電動機停止轉動，排水閥通電，打開排水閥門排水。當水位低到一定程度時，滿足安全條件，脫水電動機接通，電動機帶動脫水桶高速旋轉，利用離心力把衣服上的水從壁的小眼里甩出來。全部洗衣工作完成后，有蜂鳴器發(fā)出聲音，表明衣物已洗干凈。4.2模糊控制系統(tǒng)的硬件電路模糊控制的全自動洗衣機主要由單片機、檢測電路、驅動電路、控制面板和電源電路等組成，系統(tǒng)采用8031作為核心控制部件,其基本結構如圖4,由于8031部無程序存儲器,在片外擴展一片2764EPROM,除P0口提供低8位地址外,還要由P2口的5根線提供高5位地址,地址鎖存選用74LS373,通過8155擴展I/O口,提供顯示與觸發(fā)電路的接口。模糊控制全自動洗衣機的控制系統(tǒng)包括電源電路、洗衣機的狀態(tài)檢測電路、顯示電路和輸出電路。所有的電路都在單片機8031的控制下工作。由于8031擴展了I/O口,這樣有較多的I/O端口,對洗衣機這種需要檢測和控制的功能較多的家用電器是十分合適的,它可以使系統(tǒng)的邏輯結構十分簡潔。當將單片機用作測控系統(tǒng)時,系統(tǒng)中有被測信號輸人通道,則計算機拾取必要的輸人信息,同時這些信號要能滿足計算機輸人接口電平需要。而本設計中,由于許多傳感器輸出的信號量是模擬電壓量,不能直接輸入微機,所以必須選用V/F變換器,將模擬量變化為頻率量送入單片機,又由于多路傳感器送出的信號不能同時檢測,只能分時對這些信號采樣傳送,還需要選接控制選通多路開關CD4051。電源電壓檢測水溫傳感器電源電壓檢測水溫傳感器污濁度傳感器水位傳感器衣質衣量傳感器IN0IN1IN2IN3V/F轉換器LM331P2.0P2.4T0P0.0P0.7T18031P1.2P2.6P2.7P1.0P1.1地址鎖存器74LS373EPROM2764擴展PAI/O口8155PBPC執(zhí)行機構觸發(fā)電路顯示鍵盤蜂鳴器動態(tài)顯示主要包括功能顯示和參數(shù)顯示,功能顯示包括洗滌、脫水等均采用發(fā)光二極管作為顯示元件;參數(shù)顯示包括洗滌、脫水時間等,采用七段LED顯示元件。Pb口輸出段選碼,Pc口輸出位選碼,采用掃描顯示方式,鍵盤主要有啟動停止鍵和功能鍵。啟停鍵首次按下后,洗衣機啟動,不需要人工參與即可完成洗滌過程,功能鍵是為模糊洗衣機人工參與而設置的。洗衣機工作過程的切換是通過軟件控制洗衣機執(zhí)行元件的工作狀態(tài)來實現(xiàn)的。控制信號從8155的Pa口輸出,通過執(zhí)行機構觸發(fā)電路控制相應元件。Pa0控制排水電磁閥,Pa1控制進水電磁閥,Pa2口控制洗滌劑投放電機,Pa3口控制洗滌主電機與脫水,Pa4口控制主電機反轉。只要某一口輸出高電平“1”,與之相連的執(zhí)行元件就動作,完成相應的功能,如需進水時,只需,Pa1腳輸出高電平“1”,觸發(fā)電路輸出端發(fā)出正脈沖,雙向晶閘管導通,交流電壓經(jīng)雙向晶閘管加在電磁閥上,閥門打開,開始進水,進水時間查模糊控制表,等到時間到之后,Pa1腳輸出低電平“0”,這時進水電磁閥關閉,停止進水。同理,Pa3、Pa4口周期性輸出控制信號,從而控制電機的正反轉。5模糊控制實現(xiàn)方法5.1基本結構和控制過程5.1.1全自動模糊控制洗衣機的結構從洗衣機的運行過程可以看出，洗滌時間、洗滌劑投放量、水流強度和水流方式（電機轉速）是被控對象的主要參量，衣量、衣質以與衣物的臟污程度和臟污性質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則能很好地解決這個問題。模糊控制是在總結人們生產(chǎn)實踐經(jīng)驗的基礎上，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。模糊控制器設計由模糊化、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之上。圖5-1所示為全自動模糊控制洗衣機結構圖。它是利用負載、質料、水位、水溫以與洗滌劑類型等檢測所得到的信息，進行分段評估計算，使其模糊化，再根據(jù)模糊規(guī)則進行推理，最后根據(jù)所激活的規(guī)則進行解模糊判決，衣決定最適應和明確的水流、水位、水溫、洗滌時間、清洗方法以與脫水時間。溫度傳感器溫度傳感器反電勢測量水溫光電傳感器水位傳感器模糊推理洗滌時間負載量水位水流污垢程度與類型衣物質料洗滌時間圖5-1全自動洗衣機模糊控制原理框圖5.1.2洗衣過程中所執(zhí)行的動作輸出執(zhí)行部分所需控制執(zhí)行的動作有:電機的正反轉、進水、排水、發(fā)氣泡、自動斷電，加洗衣粉和牽引器動作。各種動作的作用如下:(1)電機的正反轉波輪式洗衣機對水流的控制源于電機的轉動，電機的轉動分正轉和反轉，二者缺一不可，因為在洗滌過程中，電機如果只是正(或反)轉就會使衣物擰結成團，造成洗滌不均勻:在衣物t檢測時，系統(tǒng)要根據(jù)對電機正反轉通斷所產(chǎn)生的反向電動勢的測量來確定布量。(2)進、排水和加粉進水、排水過程是洗衣過程中必不可少的部分(其中包括洗衣過程中因水量不足而補水的過程)，為了真正實現(xiàn)自動化，洗衣機上特別設置了洗衣粉注入機，在進水的同時根據(jù)電腦程序，自動投放洗衣粉，加粉操作只在首次進水過程中有效。(3)發(fā)氣泡在洗衣過程中發(fā)生氣泡，有助于提高洗滌效果.因為在洗衣過程中氣泡爆裂所產(chǎn)生的強大水壓，振動衣物纖維，再加上超聲波的乳化作用，使得衣物上的污垢和油脂很快脫落；另外，伴隨著水中氣泡的上升，產(chǎn)生了從洗滌桶中心向外翻卷的水流，使衣物之間產(chǎn)生相互摩擦，洗滌作用大為增強。(4)牽引器和自動斷電牽引器是波輪式全自動洗衣機實現(xiàn)洗滌和脫水互相切換的主要器件。洗衣操作結束后，系統(tǒng)會自動切斷電源，此即自動斷電操作。5.2模糊規(guī)則洗衣機的模糊控制關系是一個多輸入、多輸出的控制系統(tǒng)。輸入變量為渾濁度、布質、布量、水溫。輸出變量有洗滌劑量、洗滌時間、洗滌水流、水位、脫水時間、漂洗方式等。為了使控制效果好,設計簡單,采用矛盾分析方法,具體控制策略為:①根據(jù)布質、布量確定水位低;②根據(jù)渾濁度、布質、布量確定洗滌劑的投放量;③根據(jù)布質、布量和水溫確定初始的洗滌時間和水流;④根據(jù)洗滌過程中的渾濁度信息修正實際的洗滌時間的長短和漂洗次數(shù)的多少。全自動洗衣機中的模糊控制器要解決的問題是如何利用測得的衣質(棉、綿纖、纖)、衣量(多、中多、中少、少)、臟污程度(很臟、一般臟、不太臟)、臟污性質(油污、泥污)等信息來控制洗滌水位(低、中低、中高、高)、洗滌劑投放量(少、中少、中、中多、多)、洗滌時間(短、中短、中、中長、長)和水流方式(弱、中、強)。也就是如何建立各種情況下的模糊控制規(guī)則。描述輸入、輸出的變量都是模糊量,用模糊集合來表示,然后根據(jù)模糊規(guī)則進行模糊推理來進行控制。因此,問題的關鍵在于求取模糊集合的隸屬度函數(shù)。而求取模糊集合的隸屬度函數(shù),首先要對變量進行模糊化，均采用三角形隸屬函數(shù)形式。5.2.1輸入變量的模糊化與隸屬度函數(shù)輸入變量有負載、污濁度、水溫、質料、水位五個主要因素。負載模糊化：將負載劃分為大、中等、小三種模糊子集，論域的語言值定義為（-2，0，2，），其隸屬函數(shù)見圖5-2所示.大大小中02-2圖5-2負載語言變量隸屬函數(shù)水溫模糊化：將水溫劃分為偏低、中等、偏高三種模糊子集，論域的語言值定義為（-2，0，2，），其隸屬函數(shù)見圖5-3所示偏低偏低中偏高-202圖5-3水溫語言變量隸屬函數(shù)質料模糊化：將質料還分為棉制品偏多、棉和化纖品各半、化纖制品偏多三種模糊子集，論域的語言值定義為（-2，0，2，），其隸屬函數(shù)見圖5-4所示棉布棉布化纖和棉布化纖20-2圖5-4質料語言變量隸屬函數(shù)5.2.2輸出變量的模糊化與隸屬度函數(shù)輸入變量有水流強度、洗滌時間兩個主要因素。水流強度模糊化：將水流強度劃分為強、中、弱三種模糊子集，其隸屬函數(shù)見圖5-5所示中中弱強圖5-5水流強度語言變量隸屬函數(shù)洗滌時間模糊化：將洗滌時間劃分為長、中、短三種模糊子集，其隸屬函數(shù)見圖5-6所示短短中長圖5-6洗滌時間語言變量隸屬函數(shù)5.2.3模糊規(guī)則與模糊推理模糊控制是建立在一系列模糊控制規(guī)則的基礎上的，這些控制規(guī)則是人們對被控對象進行控制時的經(jīng)驗總結。因此，這些控制規(guī)則則是一些邏輯推理規(guī)則，其形式表示為模糊條件語句。在實際了控制中，把有關規(guī)則加以處理，產(chǎn)生相應的控制算法，模糊控制器就以相應的算法去控制被控對象工作。模糊控制規(guī)則是由自然語言變量所表達的模糊條件語句組成，它表征了控制目標和該領域專家的控制策略，是根據(jù)被控對象的行為特性和專家的控制經(jīng)驗編寫的，即是吸收了該專家的知識和經(jīng)驗，以“如果…，那么…”形式所表達的模糊推理語句。從圖5-1中可以看出這是一個多輸入多輸出的模糊推理和控制系統(tǒng)。為簡化起見，可采取主要因素推理和順序因素推理相結合的處理方法。主要因素就是抓主要因果關系，拋棄次要因果關系，以簡明的形式產(chǎn)生因素少的推理規(guī)則。例如，用臟污程度、臟污性質推理洗滌劑投放量；用布量、布質和水溫推理水流強度、洗滌時間。顯然，它們之間存在下列模糊關系：規(guī)則1：如果負載小，質料化纖制品偏多，且水溫偏高，那么就將水流調弱，洗滌時間調短。規(guī)則2：如果負載大，質料棉制品偏多，且水溫偏低，那么就將水流調強，洗滌時間調長。規(guī)則3：如果負載中等，質料棉和化纖制品各半，且水溫中等，那么就將水流調中等，洗滌時間也調中等。…………以此類推，可以寫出其他規(guī)則，表1是輸出變量于輸入變量之間關系的模糊真值表。輸入量輸出量棉制品偏多棉和化纖制品各半化纖制品偏多偏低中等偏高偏低中等偏高偏低中等偏高偏大水流特強強強強強中中中中時間特長長長長長中長中中中等水流中中中中中中中弱弱時間長中短長中中中中短偏小水流弱弱弱弱弱弱弱弱特弱時間中中短中短短中短特短表5-15.3模糊控制系統(tǒng)的軟件設計全自動洗衣機模糊控制的軟件系統(tǒng)比較復雜,為了最大限度地減小程序的容量,本文采用了以功能子程序模塊為基礎的積木式軟件系統(tǒng)設計方法。其中最高一級的功能模塊主要有鍵盤管理程序、自檢程序、手動任意程序、全自動模糊控制程序等四個模塊。次一級的