洗衣机控制器课程设计33483

1、宁波理工学院课程设计（论文） 题 目 基于单片机的洗衣机控制器设计 姓 名 高飞 学 号 3090401097 专业班级 09通信 1班 指导教师 裘 君 分 院 信息科学与工程分院 完成时间 2013年1月11日 摘 要模糊控制是以模糊数学为基础发展起来的一种新的非线性的控制方法，解决了一些用传统方法无法解决的问题。近年来，模糊控制在家用电器控制中得到较广泛的应用，采用模糊控制技术的洗衣机具有自动识别衣质、衣量，自动识别肮脏程度，自动决定水量，自动投入恰当的洗涤剂等功能，不仅实现了洗衣机的全面自动化，也大大提高了洗衣的质量，具有很强的实用性和较好的发展前景。基于模糊控制的全自动洗衣机自动控制

2、系统,以单片机AT89S51为核心,可以实现洗衣机的智能控制,提高洗衣质量,节约能源。基于51单片机的洗衣控制系统，控制面板由按键、指示灯和LED 显示器组成。按键选择洗衣机工作方式，指示灯配合按键工作，LED 显示器则显示洗衣机洗涤和脱水时间。洗衣机的整体电路模块包括键盘矩阵、指示灯、电动机控制及电源电路。控制程序设计包括定时中断服务程序、外中断服务程序及主程序。关键词：模糊控制；洗衣机；全自动；洗衣控制系统；51单片机；控制程序AbstractFuzzy control based on fuzzy mathematics is developed on the basis of a ne

3、w kind of nonlinear control method to solve some of the problems can not be solved using traditional methods. Recent years, fuzzy control been more widely used in household appliances control using fuzzy control technology washing machine to automatically identify quality clothing, clothing amount,

4、automatically identify how dirty, automatically determines the amount of water, automatically put into the proper detergent and other functions, not only to achieve a fully automated washing machine, and also greatly improve the quality of the laundry, has a strong practical and good development pro

5、spects.Automatic washing machine automatic control system based on fuzzy control, MCU AT89S51 as the core, you can achieve the intelligent control of the washing machine to improve the laundry quality, and energy conservation.Based on 51MCU laundry control system, the control panel buttons, lights,

6、and LED display. Button to select the washing machine works, the indicator with the keys work, LED display shows the washing machine washing and dehydration time. Washing the overall circuit module comprises a keyboard matri下划线的都检查，好好读一下x, indicator, motor control and power supply circuit. The desig

7、n of the control program, including the timer interrupt service routine, outside the interrupt service routine and the main program.Keywords: fuzzy control; washing machine; fully automatic; laundry control system; 51 MCU; control progra目录页码对齐摘 要IAbstract1第1章 概述11.1洗衣机的概念11.2洗衣机的发展现状11.3洗衣机的发展趋势11.4

8、 现有洗衣机存在的一些列问题2漂洗不净 洗涤剂有残留2洗衣机配重影响噪音水平21.4.3 洗衣机最多能洗多少衣服21.4.4 高速甩干有用么31.5 本课题的目的3第2章 硬件系统的设计42.1洗衣机洗涤原理42.2 全自动洗衣机的控制功能要求42.3 硬件线路原理5电源部分5功能设置及控制电路62.3.3 洗衣机状态显示62.3.4 输出控制电路62.4 系统工作流程72.4.1 主程序设计72.4.2 内部定时中断设计92.4.3 外部中断设计9第3章 软件系统的设计93.1 模糊控制的基本原理93.2 模糊化在洗衣机中的应用113.3 模糊推理133.4反模糊化13结束语14致谢15参考

9、文献15第1章 概述1.1洗衣机的概念洗衣机(washing machine）是利用电能产生机械作用来洗涤衣物的清洁电器。按其额定洗涤容量分为家用和集体用两类。中国规定洗涤容量在6kg以下的属于家用洗衣机：家用洗衣机主要由箱体、洗涤脱水桶（有的洗涤和脱水桶分开）、传动和控制系统等组成，有的还装有加热装置。洗衣机一般专指使用水作为主要的清洗液体，有别于使用特制清洁溶液，及通常由专人负责的干洗。1.2洗衣机的发展现状根据机电商会研究，近年来，中国洗衣机行业一直维持着20%-30%的稳定增长。机电商会调查结果显示，国内受访消费者家中目前主流使用的洗衣机仍是全自动波轮洗衣机，但滚筒洗衣机的购买欲望在明

10、显上升。与此同时，节水降噪仍是洗衣机技术关注重点，国内受访消费者对于洗衣机的耗水量、耗电量，以及洗涤剂使用量非常关注。目前中国的洗衣机市场，虽然仍以波轮洗衣机为主，但滚筒洗衣机凭借在水耗及洗涤效率方面的优势对波轮洗衣机的市场替代趋势已经逐渐开始显现。1.3洗衣机的发展趋势从目前的市场上看，各洗衣机生产商大力推广的概念主要是集中在“节能”、“节水”和“降噪”上，预计此趋势在很长一段时间内都将会是国内洗衣机市场消费者和厂家十分关注的技术点。现代科学技术的发展，特别是嵌入式技术的发展，使微电脑的功能日益强大，微电脑与传感器系统的结合，以及人们对洗衣机使用方便的要求，使得洗衣机的全自动化成为另一个发展

11、方向。因此，从世界范围内来说，洗衣机总的发展趋势是向微电脑，传感系统，智能化、全自动化的方向发展。1.4 现有洗衣机存在的一些列问题漂洗不净 ？洗涤剂有残留洗涤结束后，很多用户都会发现残存一些泡沫或是洗涤剂在衣物上面。同时在洗涤结束后一段时间，也会有用户发现洗衣机仍然在往外排水。有人认为这是洗衣机产品质量问题，其实不然，造成漂洗不净的情况有很多，一个是下面会说到的甩干转速不够，一个是洗涤剂使用过量。我们有时会使用过量的洗涤剂进行清洗，而洗衣机自设程序无法改变，在原有漂洗次数过后还会残留大量洗涤剂不能正常漂洗，就会造成一定的漂洗不净。另外关于在洗涤结束后仍有水排出的问题，由于我们由于投放了过多的

12、洗涤剂，搅拌后会产生大量泡沫，漂洗不净，就难免会残留大量泡沫在洗衣机内部。当洗涤剂泡沫消失后，残留的水分就会沿着排水口排水，造成继续“排水”的假象。洗衣机配重影响噪音水平消费者在购买产品时几乎不会对产品的重量多加关注，认为重量只是洗衣机一个无关注要的参数。其实这犯了一个比较常见的错误。洗衣机重量对我们使用有着不小的影响，尤其是对噪音方面。为了解决噪音问题，厂商一方面对产品性能进行改进，产品设计上也进行改良，洗衣机的重量就是其中一点。为了在高速甩干过程中保持洗衣机的平稳，厂商便在洗衣机重量上做足了文章，增加配重就是其中最常见的方法。增加了配重，在高速甩干中，洗衣机运转就会更加平稳，噪音也就更小了

13、。 洗衣机最多能洗多少衣服每台洗衣机都会有一个额定的洗涤容量，这个数字是我们挑选洗衣机的一个关键指标。那么我们能够洗涤能效标识上所标示重量的衣物吗？一般来说，洗衣机洗涤额定重量的衣物应该是没问题的。不过我们要注意到、一个事实：很多品牌有意无意地将洗衣机容量当作是洗衣机洗涤容量来标注。而滚筒洗衣机的洗衣原理是靠衣物的摔打进行洗涤，同时需要足够摩擦来清除污迹，所以在洗涤时滚筒内要留出足够的空间，这也要求我们不能把内筒装满进行洗涤。因此实际使用时，使用率也就是其50%80%左右，切不可过大或者过小的选择我们的容积。另外同一洗涤容量下，内筒的直径、内筒的深度，会造成不同空间大小的内筒类型，对衣物的摩擦

14、、摔打都会有影响，所以我们在挑选洗衣机时，不光要关注洗涤容量，还要关注内筒形状。1.4.4 高速甩干有用么不少商家会把高转速作为一个机器独特的卖点来吸引消费者，消费者在听信宣传后，往往会以为高转速下衣物能甩的更干，减少晾衣时间，从而花了更多的钱购买了一台拥有高转速的洗衣机产品。其实洗衣机的最高转速，只是代表该产品能够达到极限的转速，但不一定能长时间维持该转速。有时候虽然你手动调节了最高转速，但是洗衣机都会有自检功能，当检测到负载过大时，就会自动进行降速调节。滚筒洗衣机在8001000转/分的速度即可达到预期甩干效果，再高的转速，甩干效果也不会有明显提升。不过转速越大，在甩干过程中产生的离心力也

15、越大，所以高转速对于降低漂洗残留非常重要，针对上面所说的洗涤不净，高转速的作用，这时开始显现，转速越高，洗涤剂残留现象越不明显。1.5 本课题的目的本课题的目的就是设计一种比较合理的全自动洗衣机模糊控制器，这种采用模糊控制的全自动洗衣机能够自动判断被洗衣物的重量轻重、质料软硬，自动检测洗衣桶内水的脏污程度和污渍性质(油污或泥污)；能自动预选水位、水流强度和洗涤时间，并能进行衣物偏置的自动纠正等，也应该能在整个洗涤过程中实施监控，并适时调整这些运行参数，以达到最佳的洗涤效果。第2章 硬件系统的设计2.1洗衣机洗涤原理洗衣机的洗涤原理是通过模拟人工洗涤衣物发展而来的,即通过翻滚、摩擦、水的冲刷等机

16、械作用以及洗涤剂的表面活化作用,将附着在衣物上的污垢除掉,以达到洗净衣物的目的。现今, 大多数的洗衣机都使用以单片机作为核心控制元件来控制电动机、数码显示管、进水阀、排水阀及蜂鸣器等设备,使洗衣机根据洗涤程序完成洗涤工作。2.2 全自动洗衣机的控制功能要求洗衣机完成洗涤过程，关键是对洗衣机内的电动机的运行进行合理的控制，保证洗涤过程的有效，节约，方便等。根据洗衣机的基本功能，硬件电路设计需要考虑：水流强度的问题、洗涤、漂洗、脱水时间设定长短的问题、工作时间或剩余时间显示、工作过程中的暂停、启动、复位、洗完后的报警等问题。1. 强、弱洗涤功能。强洗时正、反转驱动时间各为4秒，间歇时间为1秒；弱洗

17、时正、反转驱动时间各为3 秒，间歇时间为2秒。2. 四种洗衣工作程序: 标准程序、经济程序、单独程序和排水程序。标准程序是进水洗涤/ 漂洗排水脱水，如此循环3遍，第一遍为洗涤，时间为6 分钟，第二、第三遍漂洗，时间分别为4分钟和2分钟。排水时间采用动态时间法确定, 脱水时间为2分钟。经济程序与标准程序一样，只是没有第三遍的漂洗环节。单独程序是进水洗涤(6分钟)结束(留水不排不脱)，排水程序是排水脱水结束，时间确定与上述程序相应环节相同。3 . 进、排水故障自诊断功能。在进水或排水过程中，若在一定的时间范围内进水或排水未能达到预定的水位，就认为进、排水系统有故障，因此通过报警程序发出警告信号，提

18、醒操作者进行人工排除。4 . 安全保护和防振动功能。脱水期间，若打开机盖，洗衣机会自动暂停脱水；若出现衣物缠绕引起脱水桶重心偏移而不平衡，洗衣机会自动暂停脱水，以免振动过大，待人工处理后恢复工作。5. 间歇驱动方式。脱水期间采取间歇驱动方式（驱动5秒，间歇2秒），以便节能。间歇期间靠惯性力使脱水桶保持高速旋转。6. 暂停功能。当按下暂停键/ 启动键时， 洗衣机须停止工作，再按该键，洗衣机又能按原来所选择的工作方式继续工作。7. 声光显示功能。洗衣机各种工作方式的选择和各种工作状态均有声、光提示或显示。2.3 硬件线路原理采用5l系列单片机作为控制核心，主要包括电源部分、功能设置及控制电路、洗衣

19、机状态显示及输出控制电路。主要组成部件有：单片机、74LSl38译码器、指示灯、LED显示器、电动机、蜂鸣器、电磁阀以及按键等.硬件线路图如图2.1所示。图2.1 硬件线路原理图图自己画一下2.3.1电源部分市电先经变压器降压，再经桥式整流电路整流，最后用三端稳压器稳压得到5v的电压作为整个控制器的工具体的实施方案，芯片，原理图作电源。2.3.2功能设置及控制电路（1）暂停键K0，接P3.3，用外部中断l实现工作过程的暂停，根据人的需要可以进行手工洗涤。（2）水位开关Kl，接P1.0，水位到位时，Kl闭合。在进水期间，系统不断检lJKl，当检测到Kl闭合就停止进水。（3）按键K2，接P1.6，

20、作为工作过程中的启动键。（4）按键K3,是洗衣强度选择键，接P3.4。每按一次代表一种强度。分别是标准、弱洗、强洗和自编，由4个指示灯进行显示。（5）按键K4，接P3.5，对洗衣时间进行设置，并用数码管LEDl和LED2显示。（6）按键K5，接P3.6，对漂洗、脱水次数进行设置，并用数码管LED1显示。（7）压电蜂鸣器接P1.7，做洗衣时间至0以及故障发生的报警器。2.3.3 洗衣机状态显示（1）74LS138译码器为38译码器，选用它可以解决IO口线数量不足问题。从控制要求可知，洗衣机的工作模式以及工作程序必须有7中不同的显示加以区别。74Lsl38译码器的输入端C，B，A分别接Pl.3、P

21、l.4、Pl.5，输出端分别与7个发光二极管DOD6的阴极相连，发光二极管阳极接电源。输出端YO控IIJDO ？“弱洗”指示灯；Y1控制Dl“标准洗”指示灯，Y2控制D2“强洗”指示灯，Y3控D3“自编”指示灯，Y4控制D4“洗衣”指示灯，Y5控制D5“漂洗”指示灯，Y6控制D6“脱水”指示灯。（2）单片机的P0口和P2口分别接一个LED数码管。PO用于控制低位显示器，P2口用于控制高位显示器。2.3.4 输出控制电路输出控制电路由触发器电路和相应的双向晶闸管组成。控制电机正反转以及进水阀和排水阀的开启和关闭。通过触发器电路和相应的双向晶闸管，电动机的正转和反转用单片机Pl.l和Pl.2进行控

22、制；进水电磁阀和排水电磁阀用单片机的P3.O和P3.1进行如何通过单片机控制电机的转速？控制。2.4 系统工作流程2.4.1 主程序设计根据硬件设计要求，控制主程序流程图如图2.2所示。洗衣机通电之后，单片机上电，首先进行程序的初始化，包括定时器0、外部中断0、外部中断l的初始化，以及各参数初值的设定。默认洗衣强度为“标准洗”，漂洗次数3次。然后扫描K2、K3、K4、K5健的状态，确定洗衣强度R2、洗衣时间R3和漂洗次数R4。洗衣机处于待命状态，控制指示灯显示洗衣强度，数码管LED1和LED2显示预设洗衣时间。当发现启动键K2按下，洗衣机从待命状态进入工作状态。完成进水一洗涤一脱水一漂洗的循环

23、过程。当洗衣结束时，控制蜂鸣器发声。图2.3是洗衣机系统控制表。 图 2.3 控制表 画图2.2 主程序流程图自己画 图2.4 洗涤过程程序流程图进水程序设计当P3.0=l时，打开进水电磁阀开始进水。当水位到达要求时，P1.0=O即水位开关Kl闭合，关闭进水电磁阀，P3.0=0，进水结束。洗涤过程程序设计电机正反转均为10S，根据R2的值确定洗衣强度、洗衣时间R3以及电动机的间歇时间，具体见图2.3。程序流程图如图2.4所示。脱水、漂洗过程程序设计脱水前先打开排水阀排水lmin。然后启动电动机脱水lmin，并保持排水阀开启，然后停止脱水。接着判断漂洗次数即R4的值，若R4为0则洗衣结束，开蜂鸣

24、器提醒洗衣结束，系统返回初始待命状态；若R4不为0，则再次执行进水操作，进入下一循环。程序流程图如图2.5所示。 图2.5 脱水漂洗程序流程图 图2.7 外部中断0程序流程图 图2.8 外部中断1程序流程图 图2.6 内部定时中断程序流程图2.4.2 内部定时中断设计工作过程中所需的各种计时均有定时器。定时中断服务程序提供。单片机晶振频率12MHz，定时器O选择工作方式l，设置时间常数，每0.1S中断一次。中断处理程序流程图如图2.6所示。2.4.3 外部中断设计为了防止外部电压过高或过低对洗衣机的电器及控制硬件产生破坏，用外部中断0进行保护，如图2.7所示。当电压过高或过低时，引起外部中断0

25、，洗衣机停止一切动作，进入保护状态。用外部中断l来实现洗衣过程停止工作。在洗衣过程中，当暂停键KO按下时，引起外部中断l，转入中断l处理程序。中断l处理程序将使洗衣机停止工作，并将停止前的状态存储起来。当按下启动键K2时，洗衣机又恢复工作。程序设计流程图如图2.8所示。第3章 软件系统的设计3.1 模糊控制的基本原理采用什么软件，采用什么设计思路模糊洗衣机通过对衣质、衣量、衣物肮脏度及初始水位高低情况等输入量，来决定洗涤时间、水流强弱、洗涤剂用量以及脱水时间等。因此，系统的被控对象主要是洗涤时间、水流强弱、洗涤剂用量及脱水时间等，即输出量。洗衣机中被控对象的运动规律极其复杂，很难用数学语言的形

26、式来表达。而模糊控制无需建立被控对象的数学模型。因此适用于洗衣机控制。模糊型洗衣机无需人为按键设置水位、水流方式、洗涤时间、清洗时间和脱水时间，用户只需放进待洗衣物，按下启动键，洗衣机便能自动完成洗涤过程，实现了真正的“全自动”。模糊洗衣机要求控制系统能根据测得的衣质、衣量情况。确定适当水位、水流强度、洗涤时间、洗涤剂用量，并根据肮脏度的变化合理地修正洗涤时间，以达到节水和节能的目的。模糊控制是一种建立在模糊数学理论基础之上的基于规则的智能控制方法,它的理论方法、实现技术都和传统的控制理论和技术有极大的区别. 作为一种较新的智能控制方式,模糊控制也要遵循一定的规律和法则,也即模糊控制具有一种与

27、之相应的机制和原理。对于模糊控制来说,其核心在于模糊控制器。也就是说,模糊控制的机理是通过模糊控制器来体现的。模糊控制器的思想来自人们在生产实践中对被控对象的控制。模糊控制器对被控对象的控制依据的是人类的模糊控制经验或意念并表现为模糊控制语句形式的描述。在模糊控制语句中，含有人类对环境的模糊检测和对被控制对象的模糊命令。在人执行的模糊控制中，对环境的模糊检测是由人的感观对环境进行接触并通过头脑的智能过程实现的。而目前人们所研究的模糊控制是由计算机而不是由人去执行的，因此在计算机中必须有能较好地完成人在模糊控制中所完成有关工作的功能。图3.1是一模糊控制器的结构框图。它由模糊化接口、反模糊化接口

28、、知识库和决策逻辑组成，模糊控制器各部分功能分述如下: (1) 模糊化接口功能。完成被控制对象有关状态的精确量向相应模糊量的转换； (2) 存储知识库。计算机应能把用于模糊控制的知识库存储在内部,以供知识推理时使用。知识库由数据库和语言控制规则库组成。数据库即是隶属函数集,语言控制规则库即是模糊控制规则库；(3) 决策功能。它是模糊控制器的核心功能。模糊控制器模拟人类的决策能力进行模糊决策； (4) 反模糊接口功能。其作用是把模糊控制器执行决策后产生的模糊控制量转换成合适的精确控制量。模糊控制器的工作过程简述如下：知识库用于存储模糊量和模糊控制规则,并向模糊化接口提供模糊量的隶属函数形态。这样

29、，模糊化接口在接收到外部的精确量输入后,就可将其转换成对应的模糊量及隶属度。知识库也向反模糊化接口提供模糊量的隶属函数形态,反模糊化接口则根据输出的模糊量及隶属度,转换成与之对应的精确量。同时,知识库向决策逻辑提供控制规规则,由决策逻辑执行推理过程,推断出输出模量。图3.1 模糊控制器的结构框图3.2 模糊化在洗衣机中的应用智能型洗衣机的控制器是一个多输入、多输出的控制系统, 它应用了模糊控制技术。输入变量有布质、布量、脏污程度、脏污性质、温度。输出变量有水位、水流、洗涤时间、脱水时间、洗涤剂投放量、漂洗方式和次数六种结果。为了使控制效果既好又使控制简单, 采取矛盾分析方法, 具体策略是:1根

30、据布质、布量确定水位高低和水流强度；2根据布质、布量和温度确定初始的洗衣时间；3根据洗涤过程中的浑浊度信息来修正实际的洗涤时间长短和漂洗次数的多少。1. 水位设定的模糊控制(1)模糊量的定义:布质的模糊子集为化纤,棉布；布量的模糊子集为少,中,多；水位的模糊子集为少,低,中,高；根据经验和实验数据,各模糊子集的隶属函数采用梯形与三角形隶属函数,模糊变量布质、布量、水位的隶属函数如图2、图3、图4 所示。(2)根据实际操作经验可总结出如表1所示的水位模糊控制规则表。2. 水流强度的模糊控制(1)水流强度的模糊量可定义为:弱,中,强,其隶属度函数如图5所示。(2)根据实际操作经验可总结出如表2所的

31、水流强度模糊控制规则表。3. 洗衣设定时间的模糊控制(1)洗衣设定时间和温度的模糊量定义如下:洗衣设定时间的模糊子集为很短, 短,较短,中,较长,长,很长；其隶属度函数如图6所示。温度的模糊子集为低,中,高。(2)根据实际操作经验可总结出如表3所示的洗衣设定时间模糊控制规则表。4实际洗涤时间的调整方法洗衣过程中必须根据实际洗涤衣物的脏污程度和脏污性质的不同,对洗涤时间做适当的修正,以保证洗净度高,洗衣时间又不过长。表4所示为洗衣修正时间模糊控制规则表。洗衣修正时间的模糊子集为负多,负少,零,正少,正多；脏污程度的模糊子集为轻,中,重；脏污性质的模糊子集为泥性,中性,油性。3.3 模糊推理洗衣机

32、模糊控制系统的主要工作就是依据语言规则进行模糊推理决策。因此在进行模糊规则推理之前，先要确定好语言控制规则(即知识库)。语言控制规则是根据经验知识来确定的。并在实验过程中不断加以修正和完善。它相当于计算机程序设计语言的条件语句：“IF THEN ”。根据输入量与输出量的分级组合，对于水流强度和洗涤时间可以用以27(=3x3x3)条模糊规则来表示。规则一：如果负载偏小，衣质化纤织品偏多，且水温偏高；那么将水流特弱。洗涤时间特短。规则二：如果负载偏大衣质化纤织品偏多，且水温偏高：那么将水流中等洗涤时间中等。3.4反模糊化输出反模糊化就是要将语言表达的模糊量恢复到精确的数值。即要根据输出模糊子集的隶

33、属度计算出确定的值。反模糊化采用质心法。质心法对于输出变量模糊子集三角形定义，其汇编语言编程相当复杂。为简化编程，输出变量模糊子集采用单值定义。这样反模糊化过程编程就大为简化。结束语通过对毕业设计论文的方案设计与提出，程序的设计与编程等过程。使我对四年来所学的知识有了一个清晰明确的总体概括，具体体现在：通过本次毕业课题设计。，我了解到洗衣机控制器的主要设计思路，巩固了自己所学电气控制方面的大量学科知识，也加深了诸如AutoCAD绘图软件、Office办公软件、等一系列设计毕业课题论文所需要的必须辅助技能的使用熟练程度，另外还有专门值得一提的是对新生事物的熟悉和迅速掌握其特性规律、结构原理及相关功能作用的认知能力有了大幅提高，这是关键的，也是我最看重的，最珍惜的。同时，也了解到洗衣机控制器系统具体步骤措施、这其中的要点难点、技术处理，和作为主控制器的AT89C51单片机的工作原理以及电源电路的内部功能结构，完成毕业课题