全自動洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

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：裕丫哂心：F(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(jī)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(jī)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(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)過程，根據(jù)實(shí)際需求來設(shè)計(jì)洗衣機(jī)的功能，整個過程包括硬件電路布局和設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和整體調(diào)試三個方面。設(shè)計(jì)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(jī)；單片機(jī)；軟硬件設(shè)計(jì)AbstractFuzzytechnologyisanintegralpartofintelligenttechnology.Differentfromtraditionallogicandsymboliclogic,thefuzzylogicdescribesthefuzzyqualitybymembershipfunction,andprocessedthefuzzyconceptionandphenomenaintoprecisedata.ItisanimportantdirectionoftheintelligentcontroltechnologytocombinethefuzzylogicwiththeMCUcontroltechnology.Applyingthecombinedtechnologyoffuzzylogicandmicrocomputertothedevelopmentofthewashingmachine'sprogramcontrolboard,thisdissertationistodevelopaprogramcontrolboardwithbettercompetitiveedgeinquality,priceandmarket.Thedesignofthecontrolboard,whichismainlydescribedinthispaper,isconcernedwiththefollowingthreeaspects:hardwarecircuitlayout,softwarefunctionandoveralldebugging.EquippedwithanLCDandanvoicemodule,thefinaldesignmodelhavemorefunctionsandcanbeoperatedconvenientlyinmultiplemodes.Keywords:fuzzycontrol;washingmachine;Singlechipmicrocomputer；softwareandhardwaredebugging目錄1緒論 11.1控制理論發(fā)展 11.2智能控制的發(fā)展與現(xiàn)狀 21.3洗衣機(jī)的主要參數(shù) 21.3.1水位 21.3.2水流 31.3.3洗衣時間 41.3.4漂洗方式 41.3.5脫水時間 41.4本文的內(nèi)容與結(jié)構(gòu) 42洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的模糊控制理論 52.1概論 52.2模糊集合 52.2.1模糊集合 52.2.2隸屬函數(shù) 52.3模糊關(guān)系和模糊矩陣 62.4模糊語言和模糊條件句 62.4.1模糊語言 62.4.2模糊控制規(guī)則 72.5模糊控制規(guī)則和控制算法 72.6基于模糊控制的全自動洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 82.6.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 92.6.2系統(tǒng)模糊化設(shè)計(jì) 92.6.3系統(tǒng)模糊化決策設(shè)計(jì) 102.6.4系統(tǒng)清晰化設(shè)計(jì) 112.7小結(jié) 123全自動洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 133.1全自動洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì) 133.1.1控制系統(tǒng)的硬件框圖 133.1.2控制系統(tǒng)的功能模塊概述 133.2功能模塊電路的具體設(shè)計(jì) 143.2.1處理器的選型和模塊電路設(shè)計(jì) 143.2.2電源模塊電路設(shè)計(jì) 163.2.3傳感器模塊電路設(shè)計(jì) 173.2.4硬幣檢測模塊電路設(shè)計(jì) 203.2.5語音與顯示模塊電路設(shè)計(jì) 223.2.6鍵盤輸入模塊電路設(shè)計(jì) 253.2.7晶閘管驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 253.2.8A/D轉(zhuǎn)換器模塊電路設(shè)計(jì) 293.3保護(hù)電路設(shè)計(jì) 303.3.1電磁干擾原因分析 303.3.2硬件保護(hù)具體措施 313.4小結(jié) 354全自動洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 374.1軟件平臺與編程語言 374.1.1KEIL軟件介紹 374.1.2C51特點(diǎn)與應(yīng)用 384.2系統(tǒng)主程序與主要應(yīng)用模塊子程序流程圖 384.2.1主程序控制流程圖 394.2.2主要模塊子程序流程圖 404.3小結(jié) 455系統(tǒng)軟硬件調(diào)試 465.1硬件調(diào)試 465.1.1硬件調(diào)試方法 465.1.2硬件調(diào)試出現(xiàn)的問題及解決辦法 475.2軟件調(diào)試 475.2.1軟件調(diào)試方法 475.2.2軟件調(diào)試出現(xiàn)的問題及解決辦法 475.3聯(lián)調(diào)后的控制系統(tǒng)使用說明 485.3.1撥碼開關(guān)說明 485.3.2按鍵說明 495.3.3手動工作模式下的三種洗滌模式 495.3.4液晶顯示內(nèi)容說明 495.3.5洗衣機(jī)控制系統(tǒng)全自動工作模式的使用步驟 495.3.6洗衣機(jī)控制系統(tǒng)手動工作模式的使用步驟 505.4小結(jié) 50結(jié)束語 51致謝 52參考文獻(xiàn) 53附錄A洗衣機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)物圖 54附錄B部分模塊電路實(shí)物圖 55附錄C洗衣機(jī)控制箱及模擬洗衣機(jī) 56附錄D部分源程序 57附錄E全自動洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)總圖 701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(jī)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(dá)國家，洗衣機(jī)的普及率已達(dá)到相當(dāng)高的程度，但由于現(xiàn)階段國情，洗衣機(jī)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(jī)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(jī)的功能要求越來越高，使得洗衣機(jī)的更新較快，因此，洗衣機(jī)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(jī)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(jī)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(diǎn)從技術(shù)的角度可由洗衣機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(qiáng)大，微電腦與傳感器系統(tǒng)的結(jié)合，足以實(shí)現(xiàn)上述功能；另外，人們對洗衣機(jī)使用方便的要求使得洗衣機(jī)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(jī)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(jī)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(jì)算機(jī)科學(xué)的交叉取得了很大的進(jìn)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(rèn)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(jī)整個工作過程的控制是由程控器實(shí)現(xiàn)的，它一般分機(jī)械式和電子式(又稱微電腦式)兩種。機(jī)械式程控器由微型同步電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、簧片組及相應(yīng)控制機(jī)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(diǎn)控制，因此，比機(jī)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(jìn)展，運(yùn)行可靠。目前，利用單片機(jī)進(jìn)行模糊控制只要是用數(shù)字單片機(jī)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(qiáng)，特別適于家用消費(fèi)類產(chǎn)品的應(yīng)用。1.3洗衣機(jī)的主要參數(shù)洗衣機(jī)做為一種家電產(chǎn)品，需要達(dá)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(shí)現(xiàn)最終要依賴于洗衣過程中的各控制量，洗衣機(jī)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(qiáng)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(diǎn)，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(Intelligentcontrol)”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(jī)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(jī)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(yùn)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(fèi)城由IEEE控制系統(tǒng)學(xué)會與計(jì)算機(jī)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(xiàng)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(jì)算智能大會，將模糊系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)化計(jì)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(jī)能夠執(zhí)行攪拌，搓，揉，摩擦，卷攪，翻滾等動作。洗衣機(jī)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(jī)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(jī)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(qiáng)，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(jī)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(jī)模糊控制控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)”分析了系統(tǒng)的組成和基本工作原理等、介紹了詳細(xì)的電路組成和實(shí)現(xiàn)；第4章“全自動洗衣機(jī)模糊控制控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)”著重介紹了洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的模糊控制算法的軟件實(shí)現(xiàn)、軟件實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jī)的基本使用方法；最后在“結(jié)論”部分對本課題研究工作進(jìn)行總結(jié)，并對今后的工作提出改進(jìn)建議。2洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的模糊控制理論2.1概論模糊邏輯是FuzzyLogic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(shí)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QueenMary學(xué)院的馬丹尼(E.H.Mamdani)首次用模糊邏輯和模糊推理實(shí)現(xiàn)了第一個實(shí)驗(yàn)性的蒸汽機(jī)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(jì)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(jì)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(shí)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(shí)際是否相一致。隸屬函數(shù)的確定方法有很多種，在實(shí)際應(yīng)用中，較多采用統(tǒng)計(jì)法，它是對模糊性事物的可能性程度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(shí)際工作中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，因此它們一般是用人們的語言來表達(dá)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(xiàng)和合成項(xiàng)兩類，原始項(xiàng)是表示語言真值的最小單位，如少年，老年等：合成項(xiàng)則可由原始項(xiàng)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(xiàng)構(gòu)成合成項(xiàng)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?！癷fAthenB”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?！癷fAthenBelseC”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：?！癷fAandBthenC”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(shí)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(yàn)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(yàn)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(jì)算機(jī)要實(shí)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(jì)算法。[5]2.6基于模糊控制的全自動洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)傳統(tǒng)洗衣機(jī)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(jī)操作人員的經(jīng)驗(yàn)不足不能掌握其正確的操作方法，就可能對洗衣機(jī)造成功能上的浪費(fèi)。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(jī)日益成為洗衣機(jī)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(jī)的核心是單片機(jī)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(jì)全自動洗衣機(jī)的關(guān)鍵就是如何根據(jù)檢測到的各項(xiàng)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?yàn)檫@種方法具有不必建立精確模型、易于實(shí)現(xiàn)、與人的思維方式相一致的特點(diǎn)，它為洗衣機(jī)全自動功能的實(shí)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(jī)的運(yùn)行過程可以看出，洗滌時間、水流方式（電機(jī)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(shí)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(dá)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(qiáng)的魯棒性。模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)根據(jù)要求，洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成一個多輸入多輸出模糊控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的機(jī)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(jì)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(qiáng)”、“強(qiáng)”、“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?jié)岫人疁卮笾行〉椭懈叩椭懈叩椭懈吒咚魈貜?qiáng)強(qiáng)強(qiáng)強(qiáng)強(qiáng)中中中中時間特長長中長長中長中中中水流強(qiáng)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(qiáng)度的隸屬度函數(shù)2.6.3系統(tǒng)模糊化決策設(shè)計(jì)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(qiáng)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(qiáng)；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(qiáng)；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(qiáng)；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(qiáng)；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(qiáng)；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(qiáng)；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(jì)精確化計(jì)算就是把語言表達(dá)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(jì)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(qiáng)中中中短中中多強(qiáng)強(qiáng)特強(qiáng)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(jī)的模糊控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了系統(tǒng)模糊化的決策設(shè)計(jì)和清晰化設(shè)計(jì)。3全自動洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1全自動洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)3.1.1控制系統(tǒng)的硬件框圖全自動洗衣機(jī)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(jī)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(jī)為核心處理器，進(jìn)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(jī)系統(tǒng)相隔離的-6V負(fù)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(jìn)行渾濁度檢測；采用耦合變壓器測主電機(jī)發(fā)電時間來測量一定水位下的布阻抗，并進(jìn)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(jìn)行硬幣檢測；語音與顯示模塊——采用SX6288語音芯片進(jìn)行語音提示，用12864液晶顯示屏進(jìn)行狀態(tài)顯示；鍵盤輸入模塊——采用四個獨(dú)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(fù)電壓光耦驅(qū)動晶閘管，進(jìn)而控制牽引器、電機(jī)等執(zhí)行裝置工作。3.2功能模塊電路的具體設(shè)計(jì)3.2.1處理器的選型和模塊電路設(shè)計(jì)微處理器是全自動洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)的核心，選好微處理器將是設(shè)計(jì)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(jī)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(yùn)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(yùn)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(qiáng)等特點(diǎn)。PIC系列單片機(jī)共分三個級別，即基本級、中級、高級。PIC系列單片機(jī)的I/O口是雙向的，其輸出電路為CMOS互補(bǔ)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(dá)25mA，高電平輸出電流可達(dá)20mA。該系列單片機(jī)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(jī)是Atmel公司推出的較為新穎的單片機(jī)，其顯著的特點(diǎn)為高性能、高速度、低功耗。它取消機(jī)器周期，以時鐘周期為指令周期，實(shí)行流水作業(yè)。AVR單片機(jī)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(shí)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(yùn)行。(3)51系列51系列優(yōu)點(diǎn)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(jìn)行處理，如傳送、置位、清零、測試等，還能進(jìn)行位的邏輯運(yùn)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(jī)也具有位處理功能，但能進(jìn)行位邏輯運(yùn)算的實(shí)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?yàn)橐粋€較復(fù)雜的程序在運(yùn)行過程中會遇到很多分支，因而需建立很多標(biāo)志位，在運(yùn)行過程中，需要對有關(guān)的標(biāo)志位進(jìn)行置位、清零或檢測，以確定程序的運(yùn)行方向。而實(shí)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(jī)并不能直接對RAM單元中的位進(jìn)行操作，如AVR系列單片機(jī)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(jìn)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(dá)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?shí)際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(jìn)行高電平驅(qū)動時，得利用外電路來實(shí)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(jì)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(jì)制作全自動洗衣機(jī)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(jī)最小系統(tǒng)圖3-2為單片機(jī)最小系統(tǒng)圖，該單片機(jī)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(jī)讀取內(nèi)部程序存儲器。3.2.2電源模塊電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)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(jī)系統(tǒng)的電源使用[12]，同時+9V電源將作為投幣器電機(jī)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(jìn)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(jì)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(jì)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(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。水位檢測電路水位檢測的精度直接影響洗凈度、水流強(qiáng)度、洗滌時間等參數(shù)。對于模糊控制的洗衣機(jī),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(jī)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(diǎn)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(diǎn)輸出,此時即可將數(shù)字量接到單片機(jī)的P33口。圖3-4水位傳感器內(nèi)部電路圖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(jì)采用DS18B20溫度傳感器進(jìn)行測溫。其特點(diǎn)為獨(dú)特的一線接口，只需要一條口線通信、多點(diǎn)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3.0V至5.5V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(jì)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?yàn)槊恳粋€DS18B20的包含一個獨(dú)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(jī)器，并進(jìn)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(jì)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(jìn)而推出水的渾濁度。本設(shè)計(jì)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(jī)，單片機(jī)經(jīng)分析得出水的渾濁度[8]。時間清時間清渾光透度圖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(jī)旋轉(zhuǎn)，接著斷電讓主電機(jī)以慣性繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)直到停止。在主電機(jī)斷電慣性旋轉(zhuǎn)時間內(nèi)，主電機(jī)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(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)的時間長短也不同。因此，只要檢測出主電機(jī)處于發(fā)電機(jī)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(jī)發(fā)電時間愈長，布阻抗就愈?。环粗甲杩咕陀?主電機(jī)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(jī)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(jī)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(jì)為了使設(shè)計(jì)的全自動洗衣機(jī)在學(xué)生宿舍、職工公寓等地方有更好的應(yīng)用，本設(shè)計(jì)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(jìn)幣口電機(jī)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(jìn)幣口電機(jī)才讓其進(jìn)入。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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)讀取AD值再和存儲器E2PROM24C04保存的值進(jìn)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(rèn)為材質(zhì)是符合真幣的。圖3-10硬幣材質(zhì)識別電路E2PROM24C04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(dá)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(jì)的應(yīng)用需求。圖3-11為其接線圖。圖3-11EEPROM存儲電路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(jī)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(jī)會產(chǎn)生一個控制信號驅(qū)動進(jìn)幣口電機(jī)，硬幣就能通過幣道，通過后又關(guān)閉進(jìn)幣口。如果所投硬幣不符合樣幣標(biāo)準(zhǔn)，則不能開啟進(jìn)幣口，幣道不通，投幣失敗。圖3-12硬幣直徑識別電路進(jìn)幣口電機(jī)驅(qū)動電路進(jìn)幣口電機(jī)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(jī)正轉(zhuǎn)，進(jìn)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(jī)反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)進(jìn)幣口關(guān)閉。D3-D6為續(xù)流二極管起續(xù)流保護(hù)作用。圖3-13進(jìn)幣口電機(jī)驅(qū)動電路3.2.5語音與顯示模塊電路設(shè)計(jì)為了使設(shè)計(jì)的全自動洗衣機(jī)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(bào)警、狀態(tài)顯示等功能。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(shí)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(diǎn)：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(qiáng)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(dá)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)最小；芯片各項(xiàng)指標(biāo)均滿足室外嚴(yán)酷環(huán)境下的應(yīng)用；圖3-14SYN6288語音模塊接線圖語音與顯示模塊電路設(shè)計(jì)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(diǎn)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(diǎn)漢字，和128個16*8點(diǎn)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(jī)交互圖形界面。可以顯示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字，也可完成圖形顯示。表3-112864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1VSS0V電源地2VCC3.0+5V電源正3V0-對比度（亮度）調(diào)整4RS(CS）H/LRS=“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)5R/W(SID)H/LR/W=“H”,E=“H”,數(shù)據(jù)被讀到DB7——DB0R/W=“L”,E=“H→L”,DB7——DB0的數(shù)據(jù)被寫到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信號7DB0H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線8DB1H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線9DB2H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線10DB3H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線11DB4H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線12DB5H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線13DB6H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線14DB7H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式16NC-空腳17/RESETH/L復(fù)位端，低電平有效18VOUT-LCD驅(qū)動電壓輸出端19AVDD背光源正端（+5V）20KVSS背光源負(fù)端低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)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(diǎn)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(jì)了顯示模塊的電路，如圖3-15：圖3-1512864的模塊接線圖3.2.6鍵盤輸入模塊電路設(shè)計(jì)圖3-16鍵盤輸入圖獨(dú)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)。控制系統(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(jìn)行詳細(xì)描述。3.2.7晶閘管驅(qū)動電路設(shè)計(jì)在全自動洗衣機(jī)模糊控制中需要控制的主要對象有電機(jī)、進(jìn)水閥、排水牽引器。為了適應(yīng)全自動洗衣機(jī)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(jì)主控板上的電源都是低壓電，實(shí)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。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。現(xiàn)在在單片機(jī)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（BidirectionalTriodeThyristor）,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模坏诙?，在門極中所加的觸發(fā)信號不管是正的還是負(fù)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(fù)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(kuò)散P型材料，形成PNP結(jié)構(gòu)；然后分別在兩個P型材料上再形成N型材料，從而形成五層三端特殊的NPNPN結(jié)構(gòu)，如圖。一般把和門極G接近的電極稱電極1，也是參考電極；另一個電極稱電極2。雙向晶閘管在觸發(fā)之后，主電路的電流可雙向流過；而在控制觸發(fā)方面，雙向晶閘管也具有雙向性，故雙向晶閘管在觸發(fā)時有四種觸發(fā)方式：第一象限觸發(fā)：MT2+，G+。這時對于參考電極MT1而言，電極MT2的電壓為正；門極G的觸發(fā)電流為正。第二象限觸發(fā)：MT2+，G-。這時電極MT2的電壓為正；門極G觸發(fā)電流為負(fù)。第三象限觸發(fā)：MT2-，G-。這時MT2的電壓為負(fù)；門極G觸發(fā)電流為負(fù)。第四象限觸發(fā)：MT2-，G+。這時電極MT2的電壓為負(fù)；門極G觸發(fā)電流為正。絕大多數(shù)雙向晶閘管的最高觸發(fā)靈敏度在第一、第三象限。雙向晶閘管是雙向?qū)ǖ?，它從一個方向過零進(jìn)入反向阻斷狀態(tài)只是一個十分短暫的時間，一般只是用于60Ηz或頻率小于60Ηz的正弦電壓電源中。當(dāng)負(fù)載是感性的時候，由于電流的滯后性，有可能會使得電壓在過零時電流仍然存在而導(dǎo)致雙向晶閘管的失控。為了使它能夠正確工作，應(yīng)抑制雙向晶閘管中的電壓上長率dy/dt，也就是在雙向晶閘管的兩個主電極MT1、MT2之間加上RC回路。雙向晶閘管的特性如下頁圖。這個特性和單向晶閘管的正向特性有點(diǎn)相近；只不過多了一個完全相同的反向特性而已，可見雙向晶閘管具有雙向?qū)翱刂频男再|(zhì)。在這兩個象限中，雙向晶閘管能夠?qū)崿F(xiàn)最可靠觸發(fā)導(dǎo)通。而第二、四象限一般是不用于觸發(fā)工作。圖3-18雙向晶閘管特性1.正向特性：當(dāng)u>0時對應(yīng)的曲線是正向特性。由圖3-18可看出，晶閘管的正向特性可分為關(guān)斷狀態(tài)OA段和導(dǎo)通狀態(tài)BC段兩個部分。當(dāng)控制極電流IG=0時，逐漸增加正向電壓，觀察陽極電流的變化情況。開始時，三個PN結(jié)中有一個為反向偏置，晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流。當(dāng)電壓加大到正向轉(zhuǎn)折電壓時，晶閘管突然導(dǎo)通，進(jìn)入伏PV安特性的BC段。此時晶閘管可通過較大電流，而管壓降很小，這種導(dǎo)通方法極易造成晶閘管擊穿而損壞，應(yīng)盡量避免。若在控制極與陰極間加上觸發(fā)電壓，則會降低轉(zhuǎn)折電壓?？刂茦OIG越大，轉(zhuǎn)折電壓就越低(IG2>IG1>0)。導(dǎo)通后，若電流降低到小于維持電流IH時，晶閘管將由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷。2.反向特性：當(dāng)u<0時，對應(yīng)的曲線稱為反向特性。當(dāng)晶閘管加反向電壓時，三個PN結(jié)中有兩個是反向偏置，只有很小的反向漏電流IR。反向電壓增加到一定數(shù)值后，反向電流急劇增加，使晶閘管反向擊穿，將這一電壓值稱為反向轉(zhuǎn)折電壓UBR。晶閘管的反向特性與二極管相似，此時，晶閘管狀態(tài)與控制極上是否加觸發(fā)電壓無關(guān)。雙向晶閘管觸發(fā)電路本設(shè)計(jì)中雙向晶閘管接通的都是一些功率較大的用電器，且連接在強(qiáng)電網(wǎng)絡(luò)中，其觸發(fā)電路的抗干擾問題很重要，通常都是通過光電耦合器將單片機(jī)控制系統(tǒng)中的觸發(fā)信號加載到可控硅的控制極。為減小驅(qū)動功率和可控硅觸發(fā)時產(chǎn)生的干擾，交流電路雙向可控硅的觸發(fā)常采用過零觸發(fā)電路。實(shí)際驅(qū)動控制電路如圖3-19所示，其作用是控制洗衣機(jī)的進(jìn)水閥、牽引器和電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)。完成洗衣機(jī)的進(jìn)水、排水以及驅(qū)動電機(jī)洗衣功能。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控制班的干擾。主電機(jī)選用電容啟動電機(jī)，這種電機(jī)噪聲低、起動轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速較高，而且成本比較低。驅(qū)動電機(jī)的雙向晶閘管選用SM8LZ47，可承受最大電壓800V，最大電流8A；驅(qū)動進(jìn)水閥和牽引器的雙向晶閘管選用SM2LZ47，最大電壓800V，最大電流2A。5V以上電壓就能將其促發(fā)導(dǎo)通。圖3-19電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動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3-20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)動光電耦合器時，負(fù)壓觸發(fā)電路工作，雙向晶閘管導(dǎo)通。圖3-20驅(qū)動電壓產(chǎn)生電路3.2.8A/D轉(zhuǎn)換器模塊電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中硬幣檢測、渾濁度檢測、布阻抗電路等都需要將電壓模擬量轉(zhuǎn)換到數(shù)字量，而且它們對AD轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換精度都有一定要求。同時受單片機(jī)接口數(shù)量限制，不能采用冰箱通信接口，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，TLC1543滿足本設(shè)計(jì)所有需求TLC1543是美國TI司生產(chǎn)的多通道、低價格的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。采用串行通信接口，具有輸入通道多、性價比高、易于和單片機(jī)接口的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。TLC1543為20腳DIP裝的CMOS10位開關(guān)電容逐次A/D逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，引腳排列如圖1所示。其中A0～A10（1～9、11、12腳）為11個模擬輸入端，REF+（14腳，通常為VCC）和REF-（13腳，通常為地）為基準(zhǔn)電壓正負(fù)端，CS（15腳）為片選端，在CS端的一個下降沿變化將復(fù)位內(nèi)部計(jì)數(shù)器并控制和使能ADDRESS、I/OCLOCK（18腳）和DATAOUT（16腳）。ADDRESS（17腳）為串行數(shù)據(jù)輸入端，是一個1的串行地址用來選擇下一個即將被轉(zhuǎn)換的模擬輸入或測試電壓。DATAOUT為A/D換結(jié)束3態(tài)串行輸出端，它與微處理器或外圍的串行口通信，可對數(shù)據(jù)長度和格式靈活編程。I/OCLOCK數(shù)據(jù)輸入/輸出提供同步時鐘，系統(tǒng)時鐘由片內(nèi)產(chǎn)生。芯片內(nèi)部有一個14通道多路選擇器，可選擇11個模擬輸入通道或3個內(nèi)部自測電壓中的任意一個進(jìn)行測試。片內(nèi)設(shè)有采樣-保持電路，在轉(zhuǎn)換結(jié)束時，EOC（19腳）輸出端變高表明轉(zhuǎn)換完成。內(nèi)部轉(zhuǎn)換器具有高速（10μS轉(zhuǎn)換時間），高精度（10分辨率，最大±1LSB不可調(diào)整誤差）和低噪聲的特點(diǎn)。LC1543有個控制輸入端CS、I/OCLOCK、ADDRESS和一個數(shù)據(jù)輸出端DATAOUT遵循串行外設(shè)接口SPI協(xié)議，要求微處理器具有SPI口。但大多數(shù)單片機(jī)均未內(nèi)置SPI口（如目前國內(nèi)廣泛采用的MCS51和PIC列單片機(jī)），需通過軟件模擬SPI協(xié)議以便和TLC1543接口通信。TLC1543芯片的三個輸入端和一個輸出端與51系列單片機(jī)的I/O口可直接連接，具體連接方式可參見圖3-21。圖3-21TLC1543A/D轉(zhuǎn)換器模塊電路圖為了使TLC1543測值更靈敏，本文設(shè)計(jì)了一個標(biāo)準(zhǔn)5V電壓源，作為其參考和工作電源。如圖3-22，LM336輸出5V參考，OP07進(jìn)行跟隨放大，起高了它的驅(qū)動能力。圖3-22標(biāo)準(zhǔn)5V電源3.3保護(hù)電路設(shè)計(jì)一個完整的全自動洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不僅要實(shí)現(xiàn)功能電路的設(shè)計(jì)，還要完成抗干擾等保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。3.3.1電磁干擾原因分析由于外部原因?qū)е碌母蓴_，例如打雷或者別的家用電器干擾，造成控制面板上的按鍵失靈且無法復(fù)位，或者程序出現(xiàn)死機(jī)故障，或者電機(jī)出現(xiàn)誤動作，水位誤判等。由于內(nèi)部電路向外部輻射導(dǎo)致其他家電的干擾，例如，洗衣機(jī)電機(jī)啟動瞬間，電視機(jī)圖像出現(xiàn)雪花點(diǎn)，電燈出現(xiàn)閃爍，收音機(jī)出現(xiàn)雜音等。具體來說，原因如下：電機(jī)頻繁的換向電機(jī)正傳和反轉(zhuǎn)時，由于其電路是感性負(fù)債，在啟動瞬間會產(chǎn)生較大的啟動電流，在切斷回路時電感兩端將產(chǎn)生很高的瞬間電壓，這樣會產(chǎn)生高頻信號。另外，電機(jī)在工作中，火花騷擾所產(chǎn)生的脈沖騷擾可以通過空間和電源線發(fā)射出去。如果這些高頻信號串入PCB板，將引起輸入和輸出的信號干擾。因此，這種干擾既能對洗衣機(jī)內(nèi)部電腦板造成干擾也能使外部電器受到影響?？煽毓璧念l繁導(dǎo)通與關(guān)斷可控硅工作時，在瞬間開通或關(guān)閉很大的電流，對電源而言是非線性負(fù)載，其電流為非正弦波，往往是上升沿和下降沿很陡的梯形波，因此含有豐富的諧波。諧波能使功率因數(shù)下降，電源電壓波動甚至產(chǎn)生缺口，高次諧波還將向外輻射。這種干擾既能對洗衣機(jī)內(nèi)部電腦板造成干擾也能使外部電器受到影響。布線不合理電腦板布線不合理：例如輸入輸出端用的導(dǎo)線平行相鄰，造成信號的反饋耦合。導(dǎo)線過寬，導(dǎo)致線間絕緣電阻下降或擊穿。導(dǎo)線拐角處為方形或銳角，造成高頻信號騷擾。導(dǎo)線銅箔面積過大，導(dǎo)致發(fā)熱時銅箔膨脹和脫落。整機(jī)線束布線不合理：例如把信號線和大電流纜線捆綁在一起，引起大電流導(dǎo)線中的高頻騷擾信號串入信號線，導(dǎo)致信號輸入的誤差。接地線過短過細(xì)，無法有效吸收和抑制高頻騷擾信號。以上不合理的布線都將給洗衣機(jī)內(nèi)部或者外部造成干擾。3.3.2硬件保護(hù)具體措施 根據(jù)上文分析并結(jié)合實(shí)際，本論文在設(shè)計(jì)全自動洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)時采用了一下幾種硬件保護(hù)措施：壓敏電阻過壓電路為防止從電源系統(tǒng)引入干擾，在電源入線端并聯(lián)壓敏電阻，能夠有效防止電源的過壓，可在一定程度上抑制瞬態(tài)干擾。壓敏電阻是一種限壓型保護(hù)器件。壓敏電阻的最大特點(diǎn)是當(dāng)加在它上面的電壓低于它的閾值"UN"時，流過它的電流極小，相當(dāng)于一只關(guān)死的閥門，當(dāng)電壓超過UN時，流過它的電流激增，相當(dāng)于閥門打開。利用這一功能，可以抑制電路中經(jīng)常出現(xiàn)的異常過電壓，保護(hù)電路免受過電壓的損害。本設(shè)計(jì)電源電路中就使用了氧化鋅壓敏電阻，這里使用的壓敏電阻壓敏電壓為470V，當(dāng)瞬態(tài)的浪涌電壓最大值（非有效值）超過470V時，壓敏電阻就是體現(xiàn)它的鉗位特性，把過高的電壓拉低，讓后級電路工作在一個安全的范圍內(nèi)。在實(shí)際電路中壓敏電容為入線后第一個元器件，在變壓器接口之前，能有效的保護(hù)后級電路，防止高頻干擾。圖3-23壓敏防干擾設(shè)計(jì)晶閘管保護(hù)電路加在晶閘管上的正向電壓上升率dv/dt如果過大，由于可控硅結(jié)電容的存在而產(chǎn)生較大的位移電流，該電流可以實(shí)際上起到觸發(fā)電流的作用，使可控硅正向阻斷能力下降，嚴(yán)重時引起可控硅誤導(dǎo)通。為抑制dv/dt的作用，可以在晶閘管兩端并聯(lián)R-C阻容吸收回路。其實(shí)質(zhì)是利用電容器兩端電壓不能突變和電容器的電場儲能以及電阻使耗能元件的特性，把過電壓的能量變成電場能量儲存在電場中，并利用電阻把這部分能量消耗掉。同理，該保護(hù)回路對電路中的高頻騷擾信號也可以起到衰減和抑制的作用。圖3-24晶閘管保護(hù)電路接地保護(hù)電路全自動洗衣機(jī)中常常采用兩種方法對干擾信號進(jìn)行抑制，一種是接地法，一種是電源濾波法。如圖所示，洗衣機(jī)中的接地線把外殼和內(nèi)部金屬底板等和大地相連。接地線1為外部提供，接地線2為洗衣機(jī)內(nèi)部金屬板等和金屬外殼連接。這樣，接地線不僅可以起到安全保護(hù)的作用，還可以起到將干擾信號通過接地線吸收的作用。因此這是一種簡便有效的方法。然而工作接地的接地線總有一定的電阻和分布電感，一般電阻很小可以忽略，但高頻時電感的感抗不能忽略。因此對高頻信號還應(yīng)提出有效解決辦法。由鐵氧體磁環(huán)組成的吸收式濾波器正是這樣一種有效濾波裝置。鐵氧體磁環(huán)可以極大地衰減幾十到幾百兆赫茲的高頻信號。圖中電源線3上的就是鐵氧體磁環(huán)濾波器。圖3-25洗衣機(jī)接地系統(tǒng)鐵氧體一般做成中空型，導(dǎo)線穿過其中。當(dāng)導(dǎo)線中的電流穿過鐵氧體時低頻電流可以幾乎無衰減地通過，但高頻電流卻會受到很大的損耗，轉(zhuǎn)變成熱量散發(fā)，所以鐵氧體和穿過其中的導(dǎo)線即成為吸收式低通濾波器。它可以等效為電阻和電感的串聯(lián)，但電阻值和電感量都是隨著頻率而變化的。鐵氧體濾波器可以做成多種形式，通常磁環(huán)濾波器可以做成圓型，柱形和矩形等形狀。圓磁環(huán)可套在元件引腳或?qū)Ь€上，柱形磁環(huán)用于圓型電纜，矩形磁環(huán)用于扁型電纜。具體運(yùn)用時，導(dǎo)線應(yīng)與磁環(huán)內(nèi)徑緊密相貼，不要留太大空隙，這樣導(dǎo)線上電流產(chǎn)生的磁通可基本都集中在磁環(huán)內(nèi)，從而增加濾波效果。為了增加阻抗可以把導(dǎo)線在磁環(huán)上多繞二圈，也可用穿孔磁環(huán)，增加匝數(shù)。3.3.2本設(shè)計(jì)采用的隔離技術(shù)有：①物理隔離，指對小信號低電平的隔離，其信號連線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高電平大功率的導(dǎo)線，以減少噪聲和電磁場的干擾。例如信號電纜和功率電纜分開，并保持一定的距離；在設(shè)計(jì)電路時，高電壓區(qū)相對集中，能有效防止信號干擾。②光電隔離，其目的是使兩個電路的電聯(lián)系相互獨(dú)立，從而割斷噪聲從一個電路進(jìn)入另一個電路的通路。本設(shè)計(jì)中主要使用光電耦合器進(jìn)行光電隔離，主要應(yīng)用于晶閘管驅(qū)動電路，具體可參看本論文的第三章全自動洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。合理布線的印刷電路板可以在一定程度上防止電磁干擾。常見的布線原則如下：電源線設(shè)計(jì)：根據(jù)印刷線路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻，降低耦合噪聲；地線設(shè)計(jì)：接地線應(yīng)盡量加粗最好不少于3mm，TTL、CMOS器件的地線要呈輻射網(wǎng)狀，避免環(huán)形，而且要構(gòu)成閉環(huán)路，數(shù)字地與模擬地分開。晶振布線與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時鐘區(qū)隔離起來，時鐘線要遠(yuǎn)離I／O線，晶振外殼接地并固定。各部件之間的引線要盡量短，電路板合理分區(qū)，如強(qiáng)、弱信號，數(shù)字、模擬信號之間注意隔離，盡可能把干擾源(如電機(jī)、可控硅等)與敏感元件遠(yuǎn)離。元件面和焊接面應(yīng)采用相互垂直、斜交或者彎曲走線，避免相互平行以減小寄生耦合，避免相鄰導(dǎo)線平行段過長。盡量采用多層印制電路板，多層板可提供良好的接地網(wǎng)，可防止產(chǎn)生地電位差和元件之間的耦合。布線時拐角盡可能大于90度，以盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲。圖3-26為結(jié)合實(shí)際需求設(shè)計(jì)的PCB。圖3-26控制板的PCB圖3.3.2晶閘管過零觸發(fā)是指使雙向晶閘管的開關(guān)過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)浪涌電流和射頻對系統(tǒng)的干擾最小，可控硅的使用壽命也可以提高。關(guān)鍵是晶閘管觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)，必須做到安全可靠，并提供必要的保護(hù)電路。圖3-27為是晶閘管過零檢測部分的電路圖。圖3-27晶閘管過零檢測電路交流信號經(jīng)過變壓器降至12V。再經(jīng)分壓接到Q12上，當(dāng)三極管基極電壓低于0.7V，三極管Q12截至，單片機(jī)的P3.2引腳被上拉到為高電平；一旦三極管Q12基極電壓高于0.7V時，三極管導(dǎo)通，外部中斷0接口P3.2引腳為低電平，此時單片機(jī)就可以采樣到主電路電壓過零時的信號，進(jìn)入外部中斷，合理控制其他I/O。3.3.2全自動洗衣機(jī)的主電機(jī)及牽引器工作電流都比較大，其短路時電流更大，將會燒壞晶閘管等控制系統(tǒng)中的強(qiáng)電部分器件。因此必須設(shè)計(jì)故障保護(hù)電路，在洗衣過程中發(fā)生短路等其他故障時及時切斷電路。在主電路中加入3A的熔斷器，當(dāng)電路超過限度時就及時熔斷，保護(hù)控制系統(tǒng)不受損壞。全自動洗衣機(jī)在待機(jī)狀態(tài)時，就要切斷電路，以保護(hù)用戶及控制系統(tǒng)本身。本設(shè)計(jì)使用12V繼電器，采用三極管驅(qū)動方式進(jìn)行繼電保護(hù)。圖3-28繼電和過電路保護(hù)電路3.4小結(jié)本章首先從總體上介紹全自動洗衣機(jī)模糊控制控器的硬件原理，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖、硬件原理圖與PCB圖，后按順序介紹各功能模塊的原理與應(yīng)用。處理器是洗衣機(jī)的控制核心，首先介紹，也是重點(diǎn)介紹，包括其應(yīng)用特性、優(yōu)點(diǎn)等；后按著洗衣機(jī)輸入、輸出順序介紹，并加強(qiáng)了對晶閘管電路設(shè)計(jì)的敘述。最后介紹了保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，使得整個全自動洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加完善。4全自動洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)是全自動洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)任務(wù)之一。選好開發(fā)語言及對應(yīng)的軟件開發(fā)平臺，根據(jù)硬件基礎(chǔ)繪制簡單易懂的程序流程圖將對軟件編程與調(diào)試起著舉足輕重的作用。4.1軟件平臺與編程語言4.1.1KEIL軟件介紹KeilμVision是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，μVision2IDE是KeilC51基于Windows的開發(fā)平臺，KeilC51軟件是眾多單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)的優(yōu)秀軟件之一，它集編輯，編譯，仿真于一體，支持匯編,PLM語言和C語言的程序設(shè)計(jì)，界面友好，易學(xué)易用。用戶開發(fā)和調(diào)試單片機(jī)C語言源代碼的最理想的工具之一。其主要界面如圖4-1所示。圖4-1KEIL軟件界面4.1.2C51特點(diǎn)與應(yīng)用51單片機(jī)的編程語言常用的有二種，一種是匯編語言，一種是C語言。匯編語言的機(jī)器代碼生成效率很高但可讀性卻并不強(qiáng)，復(fù)雜一點(diǎn)的程序就更是難讀懂，而C語言在大多數(shù)情況下其機(jī)器代碼生成效率和匯編語言相當(dāng)，但可讀性和可移植性卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過匯編語言，而且C語言還可以嵌入?yún)R編來解決高時效性的代碼編寫問題。對于開發(fā)周期來說，中大型的軟件編寫用C語言的開發(fā)周期通常要小于匯編語言很多。綜合以上C語言的優(yōu)點(diǎn)，所以設(shè)計(jì)時選擇了C語言。KeilC51是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。KeilC51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到KeilC51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。C51編譯器是一個具有優(yōu)化功能的編譯器，它共提供六級優(yōu)化功能。確保生成目標(biāo)代碼的最高效率(代碼最少，運(yùn)行速度最快)。C51強(qiáng)大功能及其高效率的重要體現(xiàn)之一在于其豐富的可直接調(diào)用的庫函數(shù)，多使用庫函數(shù)使程序代碼簡單，結(jié)構(gòu)清晰，易于調(diào)試和維護(hù)。還有，從堆棧方面看，當(dāng)使用匯編時，最煩的一件事是RAM的使用。使用RAM就不得不提到堆棧。堆棧是RAM中一段用作保存地址和快速保存值的寄存器。使用匯編編程，我們要防止堆棧使用的寄存器被我們使用并改動。這樣，我們應(yīng)把堆棧的起地址放在我們使用的寄存器地址之后，把最大的可能內(nèi)存全給了堆棧，這是為了使堆棧有最大的空間去保存值和減少溢出的可能性。由于這個原因，我們要不斷修改堆棧的起地址，要把使用到的寄存器放在堆棧之前。C51的編譯器會自動完成這一點(diǎn)，這樣便使我們有更大的精力放在程序功能的代碼實(shí)現(xiàn)上，提高編程效率和減少出錯率。C51缺點(diǎn)是占用空間大，效率低，實(shí)時性也比匯編差，所以在系統(tǒng)要求實(shí)時性強(qiáng)時，也可以考慮嵌套調(diào)用匯編語言，KeilC51嵌套調(diào)用匯編比較方便、簡單。4.2系統(tǒng)主程序與主要應(yīng)用模塊子程序流程圖全自動洗衣機(jī)的工作流程如圖所示，首先測布阻抗，再確定桶內(nèi)加水量，通過測試渾濁度來修正洗滌時間，確定洗滌和漂洗次數(shù)。洗滌完畢后自動切斷。根據(jù)工作流程設(shè)計(jì)控制軟件，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并且是自動程序后，就開始進(jìn)行一系列的檢測工作。在推理工作完成之后，開始進(jìn)行洗滌工作。在洗滌過程中若產(chǎn)生故障，則系統(tǒng)會自動報(bào)警。圖4-2全自動洗衣機(jī)工作流程4.2.1主程序控制流程圖軟件主程序流程圖如圖4-3所示。衣物洗滌過程：開啟洗衣機(jī)，選擇自動或者手動方式，若為手動則設(shè)定洗衣參數(shù)，否則進(jìn)入自動方式。檢測衣物清洗前狀態(tài)，進(jìn)而自動選擇相應(yīng)的洗衣參數(shù)，調(diào)用相應(yīng)的洗滌程序，完成模糊規(guī)則對衣物洗滌的控制。圖4-3主程序流程圖4.2.2主要模塊子程序流程圖鍵盤模塊流程圖如圖4-4所示，為鍵盤子程序流程圖。它的功能特點(diǎn)是：1號鍵進(jìn)行自動和手動切換，進(jìn)入手動狀態(tài)后才能按2號鍵，就可以在不同的洗滌模式進(jìn)行切換，按3號鍵，確定洗滌模式；而4號鍵就是開始與暫停的功能鍵。溫度采集模塊程序設(shè)計(jì)溫度采集模塊為單總線器件DS18B20，每次訪問他必須嚴(yán)格遵守1-wire總線的命令序列，它的典型的命令序列如下：第一步：初始化；第二步：ROM命令跟隨需要交換的數(shù)據(jù)；第三步：功能命令跟隨需要交換的數(shù)據(jù)。如果出現(xiàn)序列混亂，則單總線器件不會響應(yīng)主機(jī)。但是，這個準(zhǔn)則對于搜索ROM命令和報(bào)警搜索命令例外，在執(zhí)行兩者中任何一條命令之后，主機(jī)不能執(zhí)行其后的功能命令，必須返回至第一步。(1)初始化命令對1-wire器件的所有操作都是從初始化開始的，初始化過程由主機(jī)的復(fù)位脈沖和1-wire器件的應(yīng)答脈沖組成。對1-wire器件的復(fù)位脈沖實(shí)際上是主機(jī)通過拉低總線來實(shí)現(xiàn)的，主機(jī)通過拉低總線480um以后再把總線拉高使總線上所有1-wi