全自动洗衣机模糊控制系统研究与设计

摘要模糊技术是智能化技术的一个重要组成部分。模糊逻辑有别于传统逻辑和数理逻辑，它通过隶属函数恰当地描述事物的模糊性，并把具有模糊现象和模糊概念的事物处理成精确的东西。将模糊逻辑与单片机控制技术结合起来是智能控制技术的一个重要发展方向。本文将模糊技术与微电脑技术结合起来应用于洗衣机控制系统的开发，目的在于开发出性价比较高的控制系统，提高产品市场竞争力。文中主要描述模糊型全自动智能洗衣机控制系统的开发过程，根据实际需求来设计洗衣机的功能，整个过程包括硬件电路布局和设计、软件设计和整体调试三个方面。设计出的控制系统具有液晶显示、语音提示等功能，可以在多种模式下操作，控制起来十分方便。关键词：模糊控制；洗衣机；单片机；软硬件设计AbstractFuzzytechnologyisanintegralpartofintelligenttechnology.Differentfromtraditionallogicandsymboliclogic,thefuzzylogicdescribesthefuzzyqualitybymembershipfunction,andprocessedthefuzzyconceptionandphenomenaintoprecisedata.ItisanimportantdirectionoftheintelligentcontroltechnologytocombinethefuzzylogicwiththeMCUcontroltechnology.Applyingthecombinedtechnologyoffuzzylogicandmicrocomputertothedevelopmentofthewashingmachine'sprogramcontrolboard,thisdissertationistodevelopaprogramcontrolboardwithbettercompetitiveedgeinquality,priceandmarket.Thedesignofthecontrolboard,whichismainlydescribedinthispaper,isconcernedwiththefollowingthreeaspects:hardwarecircuitlayout,softwarefunctionandoveralldebugging.EquippedwithanLCDandanvoicemodule,thefinaldesignmodelhavemorefunctionsandcanbeoperatedconvenientlyinmultiplemodes.Keywords:fuzzycontrol;washingmachine;Singlechipmicrocomputer；softwareandhardwaredebugging目录1绪论 11.1控制理论发展 11.2智能控制的发展与现状 21.3洗衣机的主要参数 21.3.1水位 21.3.2水流 31.3.3洗衣时间 41.3.4漂洗方式 41.3.5脱水时间 41.4本文的内容与结构 42洗衣机控制系统的模糊控制理论 52.1概论 52.2模糊集合 52.2.1模糊集合 52.2.2隶属函数 52.3模糊关系和模糊矩阵 62.4模糊语言和模糊条件句 62.4.1模糊语言 62.4.2模糊控制规则 72.5模糊控制规则和控制算法 72.6基于模糊控制的全自动洗衣机控制系统的设计 82.6.1系统的结构设计 92.6.2系统模糊化设计 92.6.3系统模糊化决策设计 102.6.4系统清晰化设计 112.7小结 123全自动洗衣机模糊控制系统的硬件设计 133.1全自动洗衣机模糊控制系统硬件总体设计 133.1.1控制系统的硬件框图 133.1.2控制系统的功能模块概述 133.2功能模块电路的具体设计 143.2.1处理器的选型和模块电路设计 143.2.2电源模块电路设计 163.2.3传感器模块电路设计 173.2.4硬币检测模块电路设计 203.2.5语音与显示模块电路设计 223.2.6键盘输入模块电路设计 253.2.7晶闸管驱动电路设计 253.2.8A/D转换器模块电路设计 293.3保护电路设计 303.3.1电磁干扰原因分析 303.3.2硬件保护具体措施 313.4小结 354全自动洗衣机模糊控制系统的软件设计 374.1软件平台与编程语言 374.1.1KEIL软件介绍 374.1.2C51特点与应用 384.2系统主程序与主要应用模块子程序流程图 384.2.1主程序控制流程图 394.2.2主要模块子程序流程图 404.3小结 455系统软硬件调试 465.1硬件调试 465.1.1硬件调试方法 465.1.2硬件调试出现的问题及解决办法 475.2软件调试 475.2.1软件调试方法 475.2.2软件调试出现的问题及解决办法 475.3联调后的控制系统使用说明 485.3.1拨码开关说明 485.3.2按键说明 495.3.3手动工作模式下的三种洗涤模式 495.3.4液晶显示内容说明 495.3.5洗衣机控制系统全自动工作模式的使用步骤 495.3.6洗衣机控制系统手动工作模式的使用步骤 505.4小结 50结束语 51致谢 52参考文献 53附录A洗衣机控制系统实物图 54附录B部分模块电路实物图 55附录C洗衣机控制箱及模拟洗衣机 56附录D部分源程序 57附录E全自动洗衣机模糊控制系统总图 701绪论随着现代社会生活节奏的不断加快和人们生活水平的不断提高，人们对各种方便、快捷的家用电器需求量越来越大，洗衣机作为人们提高生活效率，追求生活质量的基本条件，也愈来愈成为不可或缺的生活用具。在工业发达国家，洗衣机的普及率已达到相当高的程度，但由于现阶段国情，洗衣机在我国的普及程度较低，农村更甚。随着人民生活水平(特别是乡村生活水平)的不断提高，社会上对洗衣机的需求量越来越大，而且随着生活质量的不断提高，人们对洗衣机的功能要求越来越高，使得洗衣机的更新较快，因此，洗衣机做为人们追求现代生活的一个基本要求在我国有着极大的市场。洗衣机技术发展日新月异，产品类型众多，但从总体来看，人们对洗衣机的基本要求应是:省时、省水、省电，磨损率小，操作方便，功能完善等。以上特点从技术的角度可由洗衣机的洗涤方式和控制方式这两个基本特性决定。目前存在的洗涤方式有波轮式(又称涡卷式)、搅拌式、滚筒式、喷流式、喷射式和超声波式等多种，在我国比较普及的洗涤方式是波轮式，超声波式洗涤方式则代表着国际上的发展方向。对洗衣机技术的发展使得人们期望在采用一种较好洗涤方式的同时，希望洗衣机的控制部分能在洗涤过程中对衣物重量、脏度，洗涤剂的浓度，水的硬度、温度等影响洗涤效果的诸多因素进行检测，并能对这些检测结果做出合理反应，从而得到比较理想的洗涤效果。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，足以实现上述功能；另外，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。1.1控制理论发展控制理论是与人类社会发展密切联系的一门学科，是控制科学的核心。控制理论作为一门科学，它的产生可追溯到18世纪中叶英国的第一次技术革命。现在，随着通讯技术及信息处理技术的迅速发展，更加推动了控制理论不断地向前发展。控制理论的发展过程一般可以分为三个阶段[1]。第一阶段二十世纪40--60年代，称为“古典控制理论时期”；第二阶段二十世纪60—称为“现代控制理论时期”；第三阶段二十世纪70年代末至今。70年代末，控制理论向着“大系统理论”和“智能控制”方向发展，前者是控制理论在广度上的开拓，后者是控制理论在深度上的挖掘。1.2智能控制的发展与现状传统控制是经典控制和现代控制理论的统称，它们的主要特征是基于模型的控制。由于被控对象越来越复杂。其复杂性表现为高度的非线性，高噪声干扰、动态突变性以及分散的传感元件，分层和分散的决策机构、多时间尺度，复杂的信息结构等，这些复杂性都难以用精确的数学模型(微分方程或差分方程)来描述。除了上述复杂性以外，往往还存在着某些不确定性，不确定性也难以用精确数学方法加以描述。然而，对这样复杂系统的控制性能的要求越来越高，这样一来，基于精确模型的传统控制就难以解决上述复杂对象的控制问题。在这样复杂对象的控制问题面前，人们将人工智能的方法和反馈控制相结合，解决复杂系统面临的复杂控制系统的难题。近几十年来，自动控制技术由于人工智能、控制理论和计算机科学的交叉取得了很大的进展，形成了新的一代控制理论—智能控制理论。虽然，从不同的认识论和方法论出发的各类控制理论，诸如分层递阶自组织控制、模糊控制、专家控制、脑模型控制和手动控制等竟相发展，但它们都处于探索、开拓和发展的时期，系统的理论体系还没有形成。表1-1给出了智能控制大事年[2]。洗衣机整个工作过程的控制是由程控器实现的，它一般分机械式和电子式(又称微电脑式)两种。机械式程控器由微型同步电机、减速机构、凸轮机构、簧片组及相应控制机构组成:微电脑程控器由MCU、稳压电源、监测信号开关、震荡器、蜂鸣器、功能键、显示电路、可控硅控制电路等组成，由于它采用了无触点控制，因此，比机械程控器的功能齐全，结构简单，且控制精度高，模糊逻辑在控制领域已取得了相当的进展，运行可靠。目前，利用单片机进行模糊控制只要是用数字单片机组成硬件结构，而以软件执行模糊化，模糊推理及反模糊化工作，这种方式价格低，灵活性高，通用性强，特别适于家用消费类产品的应用。1.3洗衣机的主要参数洗衣机做为一种家电产品，需要达到的性能指标包括洗净性能、漂洗性能、脱水性能、排水性能和磨损性能等，其各主要性能指标的实现最终要依赖于洗衣过程中的各控制量，洗衣机的主要控制量有以下五个方面。1.3.1水位水本身是一种洗涤剂，具有除污功能，但并非水越多去污能力就越强约用水，不同的洗衣量所用的水量也不同，但目前还不能完全做到这一点，只能根据衣物量对水位大致分级。表1-1智能控制大事年表时间事件1965年美国普渡大学的K.S.Fu教授于60年代中期提出的，他在1965年发表的论文中率先提出把人工智能的启发式推理规则用于学习系统，这篇开创性论文为自动控制迈向智能化揭开了崭新的一页1966年Mendel于1966年在空间飞行器的学习控制中应用了人工智能技术，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)”一词1971年Fu发表了重要论文，提出了智能控制就是人工智能与自动控制的交叉的“二元论”思想1974年1974年英国的Mamdani教授首次成功地将模糊逻辑用于蒸汽机控制，开创了模糊控制的新方向1977年Saridis的专著出版，并于1979年发表了综述文章，全面地论述了从反馈控制到最优控制、随机控制及自适应控制、自组织控制、学习控制，最终向智能控制发展的过程，提出了智能控制是人工智能、运筹学、自动控制相交叉的“三元论”思想及分级递阶的智能控制系统框架1984年Astrom发表了论文，这是第一篇直接将人工智能的专家系统技术引入到控制系统的代表，明确地提出了建立专家控制的新概念1984年Hopfield提出的Hopfield网络及Rumelhart提出的BP算法1985年IEEE在美国纽约召开了第一界智能控制学术讨论会1987年在美国费城由IEEE控制系统学会与计算机学会联合召开了第一界智能控制国际会议1992年美国国家自然科学基金委员会和美国电力研究院联合发出《智能控制》研究项目倡议书1993年美国IEEE控制系统学会智能控制专业委员会成立专家小组，专门探讨智能控制领域“智能控制”的含义1994年召开了94IEEE全球计算智能大会，将模糊系统、神经网络、进化计算三方面的内容综合在一起召开，这三个新学科己经成为研究智能控制的重要基础1.3.2水流静止的洗涤剂不能产生良好的洗涤效果，要把污秽从衣物表面洗除掉，并对衣物施加清洗动力，就需要洗衣机能够执行搅拌，搓，揉，摩擦，卷搅，翻滚等动作。洗衣机对衣物输出的能t大，去污效果明显，但在某种程度上会造成衣物的损伤，因此应对不同质地，不同重A的衣物采用不同的能f输出方式，从控制的角度就表现为水流方式的不同。1.3.3洗衣时间衣物在洗衣机中洗涤时间过长会使衣物受到较大磨损，因此，应针对不同质地和不同衣物量来确定洗衣时间。1.3.4漂洗方式漂洗的作用在于去污和去掉残存的洗涤剂，漂洗方式的选择同样与衣物t和衣物质地有关。1.3.5脱水时间全自动洗衣机中，脱水过程是洗衣操作的最后一个过程。一般情况下，脱水时间愈长，衣物甩干程度愈强，但织物中与纤维相吸附而残留的水分无法通过脱水方式去掉，这种类型的残留水分的多少与衣物质地有关，同样质地下又与重量有关，因此也应对脱水时间分档。1.4本文的内容与结构本文的内容共分5章与结论；第1章“绪论”概括了智能控制发展过程与现状；第2章“洗衣机控制系统的模糊控制理论”分析了模糊控制的基本概念、控制系统结构与基本算法；第3章“全自动洗衣机模糊控制控制系统的硬件设计”分析了系统的组成和基本工作原理等、介绍了详细的电路组成和实现；第4章“全自动洗衣机模糊控制控制系统的软件设计”着重介绍了洗衣机控制系统的模糊控制算法的软件实现、软件实验平台的结构及相关的技术问题、系统主程序与各应用模块子程序的编写；第5章“系统软硬件调试”着重介绍了本设计采用的软硬件调试方法，遇到的问题及解决办法，同时全自动模糊控制洗衣机的基本使用方法；最后在“结论”部分对本课题研究工作进行总结，并对今后的工作提出改进建议。2洗衣机控制系统的模糊控制理论2.1概论模糊逻辑是FuzzyLogic的中文译意，它有别于传统逻辑和数理逻辑。传统逻辑和数理逻辑一般用于解决精确问题，但对于很多实际问题(如语言学，心理学，社会科学等)它们则显得“力不从心”，模糊逻辑却适于这些问题的求解。模糊逻辑通过隶属函数恰当地描述事物的模糊性，并把具有模糊现象和模糊概念的事物处理成精确的东西。1963年，美国的自动控制理论专家扎德(L.A.Zadeh)在加州大学提出的模糊集合理论标志着模糊逻辑的诞生：1974年，伦敦的QueenMary学院的马丹尼(E.H.Mamdani)首次用模糊逻辑和模糊推理实现了第一个实验性的蒸汽机控制，并取得了比传统控制更好的效果，从而宣告了模糊控制的问世。本章主要对设计过程中用到的一些模糊逻辑和模糊控制中的理论做了一些简单的介绍，以为后面的设计工作打下理论基础。2.2模糊集合2.2.1模糊集合为了描述具有模糊性的事物，人们引入了模糊集合的概念。模糊集合是模糊理论的基础，可简单地表述为:一般而言，在不同程度上具有某种特定性质的所有元素的总和称为模糊集合。[3]2.2.2隶属函数在模糊理论中，对模糊性的描述是通过隶属函数实现的.隶属函数是模糊数学中最基本和最重要的概念.在定义隶属函数之前，先给出特征函数的概念:对于给定论域U的子集A，映射定义为：则称为集合A的特征函数，它说明论域U中的每个二值函数对应于一个集合A。隶属函数的定义：用于描述模糊集合，并在[0，1]闭区间可以连续取值的特征函数叫做隶属函数。隶属函数用表示，其中表示模糊集合A，而x是的元素。隶属函数满足。隶属函数的确定并没有统一的方法，用不同的方法所确定的隶属函数并不同，一个隶属函数的准确与否主要是看它与实际是否相一致。隶属函数的确定方法有很多种，在实际应用中，较多采用统计法，它是对模糊性事物的可能性程度进行统计的一种方法。2.3模糊关系和模糊矩阵首先给出模糊关系的定义：以集合A和B的直积A×B，即作为论域的一个模糊子集，称为集合A到B的模糊关系，可记为。若，则称(简记为)为(a,b)具有关系的程度。模糊矩阵用于表示模糊关系，本质上二者是一致的，因此，也用来表示模糊矩阵。定义模糊矩阵如下:设存在有限集，，则A×B中的模糊关系可表示为m×n阶矩阵：此矩阵称为模糊矩阵用表示模糊矩阵中的元素，则模糊矩阵表示为：。2.4模糊语言和模糊条件句2.4.1模糊语言广义上讲，一切具有模糊性的语言都可称为模糊语言，它包括自然语言和数学上的模糊语言。狭义的模糊语言是指数学上的模糊语言，由于它可用于研究语言的模糊性和推理，因此在模糊控制中具有极为重要的地位。由于在模糊控制中所使用的控制规则是人们在实际工作中的经验总结，因此它们一般是用人们的语言来表达的，即模糊控制规则是用模糊语言表示的，所以在模糊语言中，语言变量是一个相当重要的概念，其定义如下：语言变量是由一个五元体(N，T(N)，U，M，G)来表征的变量，其中各个元素的意义为：(1)N是变量名称，即单词X,如年龄，高矮，颜色，体积等。(2)T(N)是N的语言变量真值的集合，每个语言真值都是U上的模糊集合。T(N)的元素可分为原始项和合成项两类，原始项是表示语言真值的最小单位，如少年，老年等：合成项则可由原始项和语气算子、否定词、联结词等组成。(3)U是N的论域。(4)M是词义规则，词义用表示，。词义规则M规定了U中元素y对的隶属度。(5)G是词法规则，它规定原则词，即原始项构成合成项之后的词义变化，如在组成合成词时，要用到联结词“且”，则语法规则为：2.4.2模糊控制规则模糊控制规则的表现形式一般可用三种条件语句形式表示。在模糊条件语句中其前提部分称为前件，结论部分则为后件。“ifAthenB”型设有论域X，Y，若存在X×Y上的二元模糊关系，则隶属函数为其中：，。用模糊矩阵可表示为。“ifAthenBelseC”语句设有论域X，Y，Z，，，则有二元模糊关系的隶属函数为：用模糊矩阵可表示为：。“ifAandBthenC”语句设有论域X，Y，Z，，，则有三元模糊关系的隶属函数为：用模糊矩阵表示为。2.5模糊控制规则和控制算法模糊控制要建立在一系列模糊控制规则的基础上，在实际控制中，通常把有关控制规则加以处理产生相应的控制算法，模糊控制器就是以相应的算法去控制被控对象工作的。模糊控制是对系统控制经验的总结，它们用模糊条件语句来表述。模糊控制规则的生成主要有四种途径；根据专家经验或过程控制知识生成；根据过程的模糊模型生成；根据对手工控制操作的系统观察和测t生成；根据学习算法生成。这些方法并不互相排斥，它们的有效综合可以生成规则基(所有控制规则的全体称为模糊控制器的规则基)。在模糊控制器中所需考虑的所有数据(包括输入t和输出t的论域，论域中模糊变量值的范围，论域的归一化或整数化，模糊变t的隶属度等)的总体称为模糊控制的数据基。数据基和规则基合起来称为模糊控制器的知识基。数字计算机要实现模糊控制必须执行一定的算法。这些算法的目的就是从输入的连续精确量中，通过模糊推理过程，求出相应的精确控制值。模糊控制算法包括多种形式，主要有关系矩阵法，查表法，解析式法和计算法。[5]2.6基于模糊控制的全自动洗衣机控制系统的设计传统洗衣机的使用依赖于人们对被洗涤衣物的重量、质地、脏污程度和脏污性质的判断，并据此来确定洗涤时间和洗涤方式。如果洗衣机操作人员的经验不足不能掌握其正确的操作方法，就可能对洗衣机造成功能上的浪费。随着模糊控制技术应用的广泛开展以及家电智能化的社会需求，智能洗衣机日益成为洗衣机行业的主流产品。它能够完成除开启电源、放取衣物之外的全部功能，并保证高质量的洗涤效果。全自动洗衣机的核心是单片机控制系统，它具有检测和控制功能。检测功能是指通过一系列传感器来检测衣量、衣质、脏污程度、脏污性质等指标；控制功能是指根据所检测到的信息来决定洗涤水位、水流方式和洗涤时间等。设计全自动洗衣机的关键就是如何根据检测到的各项指标来决定洗涤的程式。由于洗衣过程的控制对象难以用精确的数学模型来描述，所以采用传统的控制方法难以取得理想的洗涤效果。而模糊控制方法却能很好地解决这个问题，因为这种方法具有不必建立精确模型、易于实现、与人的思维方式相一致的特点，它为洗衣机全自动功能的实现提供了一条有效的途径。从现在市场上能见到的全自动洗衣机的运行过程可以看出，洗涤时间、水流方式（电机转速）等是被控对象的主要参量，水温、衣量、衣质以及衣物的脏污程度和脏污性质是被控对象的主要输入变量。比如对于衣物的脏污程度，人们通常用很脏、一般脏、不太脏等这类模糊语言来描述。事实上，脏污程度和脏污性质的区分并不存在一个明确的界限。因而，对于洗涤过程，输入和输出之间很难找到一个精确的数学模型来描述，用常规的方法难以达到理想的效果，而采用模糊控制技术则能很好地解决这个问题。模糊控制是在总结人们生产实践经验的基础上，通过对输入量模糊化后，根据一定的模糊控制规则，决定对被控对象采用相应的控制策略。模糊控制的优势在于它不需要知道被控对象或过程的数学模型、对于不确定系统，如非线形系统能有效地控制并且具有较强的鲁棒性。模糊控制系统设计由模糊化、模糊推理和反模糊化三部分组成，它们都建立在知识库的基础之上。2.6.1系统的结构设计根据要求，洗衣机模糊控制系统可以设计成一个多输入多输出模糊控制系统，系统的机构如图2-1所示，其输入变量外部温度的模糊量K，水的浑浊度的模糊量D，布质布量决定布阻抗的模糊量C。输出变量为水流的模糊量S，洗涤时间模糊量T。图2-1模糊控制的系统图2.6.2系统模糊化设计1．确定各输入、输出变量的变化范围、量化等级。针对以上三个语言变量，三个输入语言变量的量化等级都为3级，即，K＝{“高”、“中”、“低”}，D＝{“浑”、“中”、“清”}，R＝{“大”、“中”、“小”}。两个输出语言变量的量化等级5级，S＝{“特强”、“强”、“中”、“弱”、“特弱”}，T＝{“特长”、“长”、“中”、“短”、“特短”}。2．在各输入和输出语言的量化域内定义模糊子集。 首先确定各语言变量论域内模糊子集的个数。本论文在这里取5个模糊子集，即PB、PS、ZE、NS、NB。各语言变量模糊子集通过隶属度函数来定义。本文这里的量化方式是采用线性量化，即如：表2-1表2-1模糊集的隶属度函数浑布阻抗浊度水温大中小低中高低中高低中高高水流特强强强强强中中中中时间特长长中长长中长中中中水流强中中中中中中弱弱时间长中短长中中中中短低水流弱弱弱弱弱弱弱弱特弱时间中中短中短短中短特短图2-2水温、浑浊度、布阻抗的隶属度函数图图2-3洗涤时间和水流强度的隶属度函数2.6.3系统模糊化决策设计在这里考虑到所选择的输入模糊量水温、布量、布质和输出模糊量洗涤时间和洗涤强度的关系。即有如下控制规则：规则1：如果水温高、浑浊度高、且布阻抗大，则洗涤时间中和水流为强；规则2：如果水温中、浑浊度高、且布阻抗大，则洗涤时间长和水流为强；规则3：如果水温低、浑浊度高、且布阻抗大，则洗涤时间特长和水流为特强；规则4：如果水温高、浑浊度中、且布阻抗大，则洗涤时间短和水流为中；规则5：如果水温中、浑浊度中、且布阻抗大，则洗涤时间中和水流为中；规则6：如果水温低、浑浊度中、且布阻抗大，则洗涤时间长和水流为强；规则7：如果水温高、浑浊度低、且布阻抗大，则洗涤时间短和水流为弱；规则8：如果水温中、浑浊度低、且布阻抗大，则洗涤时间中和水流为弱；规则9：如果水温低、浑浊度低、且布阻抗大，则洗涤时间中和水流为弱；规则10：如果水温高、浑浊度高、且布阻抗中，则洗涤时间中和水流为中；规则11：如果水温中、浑浊度高、且布阻抗中，则洗涤时间长和水流为强；规则12：如果水温低、浑浊度高、且布阻抗中，则洗涤时间长和水流为强；规则13：如果水温高、浑浊度中、且布阻抗中，则洗涤时间中和水流为中；规则14：如果水温中、浑浊度中、且布阻抗中，则洗涤时间中和水流为中；规则15：如果水温低、浑浊度中、且布阻抗中，则洗涤时间长和水流为中；规则16：如果水温高、浑浊度低、且布阻抗中，则洗涤时间短和水流为弱；规则17：如果水温中、浑浊度低、且布阻抗中，则洗涤时间短和水流为弱；规则18：如果水温低、浑浊度低、且布阻抗中，则洗涤时间中和水流为弱；规则19：如果水温高、浑浊度高、且布阻抗小，则洗涤时间中和水流为中；规则20：如果水温中、浑浊度高、且布阻抗小，则洗涤时间中和水流为中；规则21：如果水温低、浑浊度高、且布阻抗小，则洗涤时间长和水流为中；规则22：如果水温高、浑浊度中、且布阻抗小，则洗涤时间短和水流为弱；规则23：如果水温中、浑浊度中、且布阻抗小，则洗涤时间中和水流为弱；规则24：如果水温低、浑浊度中、且布阻抗小，则洗涤时间中和水流为中；规则25：如果水温高、浑浊度低、且布阻抗小，则洗涤时间特短和水流为特弱；规则26：如果水温中、浑浊度低、且布阻抗小，则洗涤时间短和水流为弱；规则27：如果水温低、浑浊度低、且布阻抗小，则洗涤时间中和水流为弱；2.6.4系统清晰化设计精确化计算就是把语言表达的模糊量回复到精确的数值，也就是根据输出模糊子集的隶属度计算出输出的确定值。根据系统的控制规则，控制表如下：表2-2和表2-3表2-2洗涤时间控制表布阻抗布阻抗大布阻抗中布阻抗小水温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长中中长短中中多中长特长中长长中中长表2-3洗涤水流控制表布阻抗布阻抗大布阻抗中布阻抗小水温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强中中中短中中多强强特强中长长中中长2.7小结 本章主要是简单地介绍了模糊控制的基本知识。并分析了全自动洗衣机的模糊控制的系统结构，进行了系统模糊化的决策设计和清晰化设计。3全自动洗衣机模糊控制系统的硬件设计3.1全自动洗衣机模糊控制系统硬件总体设计3.1.1控制系统的硬件框图全自动洗衣机控制系统上选用AT89S52作为核心控制器，用来作为数据采集、模糊信息处理、显示和输入输出控制。图3-1洗衣机硬件系统的框图3.1.2控制系统的功能模块概述系统可分为一下几个基本功能模块：处理器模块——选取单片机为核心处理器，进行信息采集、综合和控制。电源模块——采用7805、7809来组成5V、9V的稳定电压输出，同时有与单片机系统相隔离的-6V负电压产生电路。传感器模块——采用频率式水位传感器测桶内水位；数字传感器DS18B20测水温；采用红外光光电对管进行浑浊度检测；采用耦合变压器测主电机发电时间来测量一定水位下的布阻抗，并进行布质布量的检测；硬币检测模块——用震荡电路和红外对管进行硬币检测；语音与显示模块——采用SX6288语音芯片进行语音提示，用12864液晶显示屏进行状态显示；键盘输入模块——采用四个独立式键盘，和一个二位拨码开关；晶闸管驱动模块——采用过零负电压光耦驱动晶闸管，进而控制牵引器、电机等执行装置工作。3.2功能模块电路的具体设计3.2.1处理器的选型和模块电路设计微处理器是全自动洗衣机模糊控制系统的核心，选好微处理器将是设计成败的关键，市面上常见的微型CPU有一下几个系列：(1)PIC系列PIC单片机系列是美国微芯公司（Microchip）的产品，它的CPU采用RISC结构，分别有33、35、58条指令，属精简指令集。采用Harvard双总线结构，运行速度快，它能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理，这种指令流水线结构，在一个周期内完成两部分工作，一是执行指令，二是从程序存储器取出下一条指令，这样总的看来每条指令只需一个周期，这也是高效率运行的原因之一。此外，它还具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。PIC系列单片机共分三个级别，即基本级、中级、高级。PIC系列单片机的I/O口是双向的，其输出电路为CMOS互补推挽输出电路。I/O脚增加了用于设置输入或输出状态的方向寄存器，当置位1时为输入状态，且不管该脚呈高电平或低电平，对外均呈高阻状态；置位0时为输出状态，不管该脚为何种电平，均呈低阻状态，有相当的驱动能力，低电平吸入电流达25mA，高电平输出电流可达20mA。该系列单片机的专用寄存器（SFR）并不像51系列那样都集中在一个固定的地址区间内(80～FFH)，而是分散在四个地址区间内。只有5个专用寄存器，得反复地选择对应的存储体，这多少给编程带来了一些麻烦。(2)AVR系列AVR单片机是Atmel公司推出的较为新颖的单片机，其显著的特点为高性能、高速度、低功耗。它取消机器周期，以时钟周期为指令周期，实行流水作业。AVR单片机指令以字为单位，且大部分指令都为单周期指令。而单周期既可执行本指令功能，同时完成下一条指令的读取。通常时钟频率用4～8MHz，故最短指令执行时间为250～125ns。该系列的型号较多，但可用下面三种为代表：AT90S2313(简装型)、AT90S8515、AT90S8535(带A/D转换)。通用寄存器一共32个（R0～R31），前16个寄存器（R0～R15）都不能直接与立即数打交道，因而通用性有所下降。AVR系列没有类似累加器A的结构，它主要是通过R16～R31寄存器来实现A的功能。在AVR中，没有像51系列的数据指针DPTR，而是由X（由R26、R27组成）、Y（由R28、R29组成）、Z（由R30、R31组成）三个16位的寄存器来完成数据指针的功能(相当于有三组DPTR)，而且还能作后增量或先减量等的运行。(3)51系列51系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器。它的处理对象不是字或字节而是位。它不仅能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。虽然其他种类的单片机也具有位处理功能，但能进行位逻辑运算的实属少见。51系列在片内RAM区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间，十六个字节，单元地址20H～2FH，它既可作字节处理，也可作位处理（作位处理时，合128个位，相应位地址为00H～7FH），使用极为灵活。这一功能无疑给使用者提供了极大的方便，因为一个较复杂的程序在运行过程中会遇到很多分支，因而需建立很多标志位，在运行过程中，需要对有关的标志位进行置位、清零或检测，以确定程序的运行方向。而实施这一处理（包括前面所有的位功能），只需用一条位操作指令即可。有的单片机并不能直接对RAM单元中的位进行操作，如AVR系列单片机中，若想对RAM中的某位置位时，必须通过状态寄存器SREG的T位进行中转。51系列的I/O脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平（复位时，各I/O口均置高电平）。当该脚作输出脚使用时，则为高电平或低电平均可。低电平时，吸入电流可达20mA，具有一定的驱动能力；而为高电平时，输出电流仅数十μA甚至更小（电流实际上是由脚的上拉电流形成的），基本上没有驱动能力。其原因是高电平时該脚也同时作输入脚使用，而输入脚必须具有高的输入阻抗，因而上拉的电流必须很小才行。作输出脚使用，欲进行高电平驱动时，得利用外电路来实现，I/O脚不通，电流经R驱动LED发光；低电平时，I/O脚导通，电流由该脚入地，LED灭（I/O脚导通时对地的电压降小于1V，LED的域值1.5～1.8V）。综上所述，本次设计采用51系列，而51系列的典型产品是AT89S52。AT89S52是一种40引脚双列直播式芯片。它含有4KB可反复烧录及擦除内存和128字节的RAM，有32条可编程控制的I/O线，5个中断发源，指令与MCS-51系列完全兼容。选用它作为核心控制新片，可使电路极大地简化，而且程序的编写及固化也相当方便、灵活。选用它设计制作全自动洗衣机控制电路，该电路的组成相对简单，工作原理清晰，易于理解。图3-2单片机最小系统图3-2为单片机最小系统图，该单片机采用24MHZ晶振，既可以设定较为准确的波特率，又可以产生频率较高的方波，作为硬币检测的基波。复位电路采用了上电和按键的结合的复位电路。EA脚接高电平，单片机读取内部程序存储器。3.2.2电源模块电路设计本设计中电源模块如图3-3所示。当接通市电220V时，由变压器T1的次级分离两种的交流电压：一路为12V交流电，经整流、滤波后，供给三端固定集成稳压器7809的输入端，再经C25、C28滤波输出＋9V电压，+9V再供给7805，使其产生5V电压作为单片机系统的电源使用[12]，同时+9V电源将作为投币器电机电源和标准5V产生电路的电源，将在以后的章节中进行讲解；另一路为6V交流电，经整流后作为晶闸管的触发电压。两路互不干扰，有效的保证了系统的稳定性。图3-3低压电源模块图3.2.3传感器模块电路设计传感器作为模糊控制系统的信息采集部分，对系统来说非常重要。在本设计中需要测的信息有水位、水温、混作度、布阻抗，下面将对其对应的检测电路进行分析和设计。水位检测电路水位检测的精度直接影响洗净度、水流强度、洗涤时间等参数。对于模糊控制的洗衣机,要求水位的检测必须是连续的,故常采用谐振式水位传感器。谐振式水位传感器是利用电磁谐振电路LC作为传感器的敏感元件,将被测物体的变化转变为LC参数的变化,最终以频率参数输出。其工作原理是:将水位的高低通过导管转换成一个测试内腔气体变化的压力,驱动内腔上方的一块隔膜移动,带动隔膜中心的磁芯在某线圈内移动,从而线圈电感发生变化。由此引起谐振电路的固有频率随水位变化。水位传感器内部电路如图3-4所示,为便于与单片机接口,水位传感器采用数字振荡电路,电感与电容组成的三点式振荡电路经C2耦合反相器CD4069，随着水位变化,谐振频率作相应变化,先经4069整形,再由a点输出,此时即可将数字量接到单片机的P33口。图3-4水位传感器内部电路图水温度检测电路水温对洗涤效果影响很大，一般来说，温度越低，洗涤时间就越长，为了测水温，本设计采用DS18B20温度传感器进行测温。其特点为独特的一线接口，只需要一条口线通信、多点能力，简化了分布式温度传感应用无需外部元件可用数据总线供电，电压范围为3.0V至5.5V无需备用电源测量温度范围为-55℃至+125℃。华氏相当于是-67°F到257华氏度-10℃至+85℃C范围内精度为±0.5℃。该DS18B20的数字温度计提供9至12位（可编程设备温度读数。信息被发送到从DS18B20通过1线接口，所以中央微处理器与DS18B20只有一个一条口线连接。为读写以及温度转换可以从数据线本身获得能量，不需要外接电源。因为每一个DS18B20的包含一个独特的序号，多个DS18B20可以同时存在于一条总线。这使得温度传感器放置在许多不同的地方。它的用途很多，包括空调环境控制，感测建筑物内温设备或机器，并进行过程监测和控制。图3-5为其接线图，2口为数据输出口，一般需要加4.7K的上拉电阻。图3-5水温检测电路浑浊度检测电路经查阅资料得知洗涤剂的浑浊度与光透度的关系如图3-6，通过检测水的光透度就能得出洗涤剂浑浊度。本设计选用红外光电传感器测光透度，由红外发射管发出一定红外光，红外接收管在另一侧接收红外线，红外线在溶液中的光透度就取决于接收方产生光电电流的大小。光电流经整形处理后就能得到光透度，洗涤液的污浊程度影响光透度，洗涤一段时间后，洗涤液越污浊，光透度越小，通过光透度进而推出水的浑浊度。本设计采用TR5000型红外对管，光电流经电阻转化为电压，经AD转换将信息传给单片机，单片机经分析得出水的浑浊度[8]。时间清时间清浑光透度图3-6浑浊度与光透度的关系图3-7浑浊度检测模块图布阻抗检测模块电路布阻抗检测电路原理如图3-8所示。具体检测时，首先注入一定的水位，然后起动主电机旋转，接着断电让主电机以惯性继续运转直到停止。在主电机断电惯性旋转时间内，主电机处于发电状态，会产生感应电动势输出。显然，随着布阻抗大小的不同，主电机处于发电机状态的时间长短也不同。因此，只要检测出主电机处于发电机状态的时间长短，就可以反过来推理出布阻抗的大小。主电机发电时间愈长，布阻抗就愈小；反之布阻抗就愈高.主电机发电时间可耦合变压器两端输出电势，并将此电势全波整流后，经送到AD转换器，单片机记录超过一定时间时内的电压峰值数，电压峰值数反映布阻抗的大小，峰值个数多，布阻抗小，反之亦然。图3-9为耦合变压器布阻抗检测电路。图3-8处于发电状态的电动机发电时间对比图3-9布阻抗检测电路3.2.4硬币检测模块电路设计为了使设计的全自动洗衣机在学生宿舍、职工公寓等地方有更好的应用，本设计加入了硬币检测电路，可分为以下几个子模块电路；硬币材质识别、硬币直径识别、进币口电机驱动电路。所投硬币只有材质和直径符合真币的标准，进币口电机才让其进入。硬币材质识别电路功能模块最重要的是产生高频信号的线圈，当没有任何铁质物品进入线圈时，这个高频方波振荡电路输出的频率是很稳定的，一致的高频信号，当有铁质物品进入时，这个线圈这个的电感值变化，从而引起振荡电路输出的高频信号频率变化，只要通过检测这些变化值，便可以区分出真假币。方波由单片机P3.5（T1）产生，经三极管放大送到线圈COIL上，电路中的C2和VD1、VD2构成二倍压检波电路，检波电路输出信号的平均值是直流成分，它的大小表示了检波电路输出信号的平均幅值大小，检波电路输出信号幅度大，其平均值大，这一直流电压值就大，反之则小。L4、R11、C9构成陷波器，滤除干扰信号，使输出信号更加稳定。输出分压经精密可变电阻分压调节再送到10位ADTLC1543的A0口。单片机读取AD值再和存储器E2PROM24C04保存的值进行比较，判断是真币还是假币。存储值为测试30枚不同年份真币时电压的最大值和最小值，输出电压在此范围内的认为材质是符合真币的。图3-10硬币材质识别电路E2PROM24C04为ATMEL公司生产的掉电存储器，I2C总线接口，可对数据保存可达100年，并支持多次擦写，可擦写10万次以上。且价格便宜，安全满足本设计的应用需求。图3-11为其接线图。图3-11EEPROM存储电路硬币直径识别电路硬币直径识别采用三个红外对管，安装在投币口的固定位置。无币时，光电接收管导通，输出高电平。有硬币通过时，其边缘将堵住光眼，将输出低电平，单片机将检测到该低电平。只有各对光眼都正常工作，且符合先后条件时，单片机会产生一个控制信号驱动进币口电机，硬币就能通过币道，通过后又关闭进币口。如果所投硬币不符合样币标准，则不能开启进币口，币道不通，投币失败。图3-12硬币直径识别电路进币口电机驱动电路进币口电机驱动电路如下图，当PWM+为低电平PWM-为高电平Q1、Q5、Q6导通，Q9、Q7、Q4截止；电机正转，进币口开启；当PWM+为高电平PWM-为低电平Q9、Q7、Q4导通，Q1、Q5、Q6截止，电机反转转进币口关闭。D3-D6为续流二极管起续流保护作用。图3-13进币口电机驱动电路3.2.5语音与显示模块电路设计为了使设计的全自动洗衣机更加人性化，控制系统上有语音模块和液晶显示模块，可完成语音提示、报警、状态显示等功能。语音模块语音芯片选用SYN6288，中文语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/价比更高，效果更自然的一款中高端语音合成芯片。SYN6288通过异步串口（UART）通讯方式，接收待合成的文本数据，实现文本到语音（或TTS语音）的转换。SYN6288语音合成芯片--功能特点：支持GB2312、GBK、BIG5和UNICODE内码格式的文本；清晰、自然、准确的中文语音合成效果；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处理算法，可正确识别数值、号码、时间日期及常用的度量衡符号；具备很强的多音字处理和中文姓氏处理能力；支持多种文本控制标记，提升文本处理的正确率；每次合成的文本量最多可达200字节；支持多种控制命令，包括：合成、停止、暂停合成、继续合成、改变波特率等；支持休眠功能，在休眠状态下可降低功耗；支持多种方式查询芯片工作状态；支持串行数据通讯接口，支持三种通讯波特率：9600bps，19200bps、38400bps；支持16级音量调整；播放文本的前景音量和播放背景音乐的背景音量可分开控制；可通过发送控制标记调节词语语速，支持6级词语语速调整；芯片内固化有多首和弦音乐、提示音效和针对某些行业领域的常见语音提示音；内部集成19首声音提示音，23首和弦提示音，15首背景音乐；最终产品提供SSOP贴片封装形式；体积业内最小；芯片各项指标均满足室外严酷环境下的应用；图3-14SYN6288语音模块接线图语音与显示模块电路设计液晶显示模块选用带中文字库的128X64，它是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示。表3-112864液晶模块接口定义表[15]管脚号管脚名称电平管脚功能描述1VSS0V电源地2VCC3.0+5V电源正3V0-对比度（亮度）调整4RS(CS）H/LRS=“H”,表示DB7——DB0为显示数据RS=“L”,表示DB7——DB0为显示指令数据5R/W(SID)H/LR/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7——DB0R/W=“L”,E=“H→L”,DB7——DB0的数据被写到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信号7DB0H/L三态数据线8DB1H/L三态数据线9DB2H/L三态数据线10DB3H/L三态数据线11DB4H/L三态数据线12DB5H/L三态数据线13DB6H/L三态数据线14DB7H/L三态数据线15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式16NC-空脚17/RESETH/L复位端，低电平有效18VOUT-LCD驱动电压输出端19AVDD背光源正端（+5V）20KVSS背光源负端低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。根据12864液晶模块的接口定义表，我们采用串行通信方式，设计了显示模块的电路，如图3-15：图3-1512864的模块接线图3.2.6键盘输入模块电路设计图3-16键盘输入图独立式按键是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。每根I/O口线上按键的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。控制系统开关也是如此。他们的用途将在第四、五章使用说明中进行详细描述。3.2.7晶闸管驱动电路设计在全自动洗衣机模糊控制中需要控制的主要对象有电机、进水阀、排水牵引器。为了适应全自动洗衣机的基本要求，同时减少电路的复杂程度，这些设备的工作电压全部选为220V交流。本设计主控板上的电源都是低压电，实现用低电压的直流电来控制较高电压（220V）的交流电。这是硬件首先要解决的任务，而能解决这个问题的常用功率开关器件中，首推晶闸管。双向晶闸管特性简介晶闸管，又名可控硅，是目前世界上应用最广泛的半导体功率开关组件。现在在单片机应用系统中广泛应用晶闸管作为功率组件已是一种不可逆转的方向。作为本系统的主要功率开关组件，也是一个重要的功能部分，有必要了解晶闸管的原理及特性：晶闸管类型繁多，但只有单向、双向和可关断三种结构。这里只介绍双向晶闸管的原理和特性。双向晶闸管也称双向三极半导开关组件（BidirectionalTriodeThyristor）,作为交流开关它有很广泛的应用。它和单向晶闸管的区别是：第一，它在触发之后是双向导通的；第二，在门极中所加的触发信号不管是正的还是负的都可以使双向晶闸管导通。它可以看作由两个单向晶闸管反向并联组成，能负压触发。单向晶闸管只能正压触发。图3-17双向晶闸管结构与电路符号图双向晶闸管是从N型硅单晶片的两侧扩散P型材料，形成PNP结构；然后分别在两个P型材料上再形成N型材料，从而形成五层三端特殊的NPNPN结构，如图。一般把和门极G接近的电极称电极1，也是参考电极；另一个电极称电极2。双向晶闸管在触发之后，主电路的电流可双向流过；而在控制触发方面，双向晶闸管也具有双向性，故双向晶闸管在触发时有四种触发方式：第一象限触发：MT2+，G+。这时对于参考电极MT1而言，电极MT2的电压为正；门极G的触发电流为正。第二象限触发：MT2+，G-。这时电极MT2的电压为正；门极G触发电流为负。第三象限触发：MT2-，G-。这时MT2的电压为负；门极G触发电流为负。第四象限触发：MT2-，G+。这时电极MT2的电压为负；门极G触发电流为正。绝大多数双向晶闸管的最高触发灵敏度在第一、第三象限。双向晶闸管是双向导通的，它从一个方向过零进入反向阻断状态只是一个十分短暂的时间，一般只是用于60Ηz或频率小于60Ηz的正弦电压电源中。当负载是感性的时候，由于电流的滞后性，有可能会使得电压在过零时电流仍然存在而导致双向晶闸管的失控。为了使它能够正确工作，应抑制双向晶闸管中的电压上长率dy/dt，也就是在双向晶闸管的两个主电极MT1、MT2之间加上RC回路。双向晶闸管的特性如下页图。这个特性和单向晶闸管的正向特性有点相近；只不过多了一个完全相同的反向特性而已，可见双向晶闸管具有双向导通及控制的性质。在这两个象限中，双向晶闸管能够实现最可靠触发导通。而第二、四象限一般是不用于触发工作。图3-18双向晶闸管特性1.正向特性：当u>0时对应的曲线是正向特性。由图3-18可看出，晶闸管的正向特性可分为关断状态OA段和导通状态BC段两个部分。当控制极电流IG=0时，逐渐增加正向电压，观察阳极电流的变化情况。开始时，三个PN结中有一个为反向偏置，晶闸管处于关断状态，只有很小的正向漏电流。当电压加大到正向转折电压时，晶闸管突然导通，进入伏PV安特性的BC段。此时晶闸管可通过较大电流，而管压降很小，这种导通方法极易造成晶闸管击穿而损坏，应尽量避免。若在控制极与阴极间加上触发电压，则会降低转折电压。控制极IG越大，转折电压就越低(IG2>IG1>0)。导通后，若电流降低到小于维持电流IH时，晶闸管将由导通变为关断。2.反向特性：当u<0时，对应的曲线称为反向特性。当晶闸管加反向电压时，三个PN结中有两个是反向偏置，只有很小的反向漏电流IR。反向电压增加到一定数值后，反向电流急剧增加，使晶闸管反向击穿，将这一电压值称为反向转折电压UBR。晶闸管的反向特性与二极管相似，此时，晶闸管状态与控制极上是否加触发电压无关。双向晶闸管触发电路本设计中双向晶闸管接通的都是一些功率较大的用电器，且连接在强电网络中，其触发电路的抗干扰问题很重要，通常都是通过光电耦合器将单片机控制系统中的触发信号加载到可控硅的控制极。为减小驱动功率和可控硅触发时产生的干扰，交流电路双向可控硅的触发常采用过零触发电路。实际驱动控制电路如图3-19所示，其作用是控制洗衣机的进水阀、牵引器和电动机的正反转。完成洗衣机的进水、排水以及驱动电机洗衣功能。采用光电耦合器将主电路与控制电路进行隔离，能有效的防止外电路对控制班的干扰。主电机选用电容启动电机，这种电机噪声低、起动转矩大、转速较高，而且成本比较低。驱动电机的双向晶闸管选用SM8LZ47，可承受最大电压800V，最大电流8A；驱动进水阀和牵引器的双向晶闸管选用SM2LZ47，最大电压800V，最大电流2A。5V以上电压就能将其促发导通。图3-19电机正反转驱动电路双向晶闸管用正电压触发，交流的两半周所需要的触发电流相差很大，因此最好用负电压触发。图3-20为触发电压产生电路，其正输出和220V交流电的零线相连，形成负压触发电路。当单片机输出低电平驱动光电耦合器时，负压触发电路工作，双向晶闸管导通。图3-20驱动电压产生电路3.2.8A/D转换器模块电路设计本设计中硬币检测、浑浊度检测、布阻抗电路等都需要将电压模拟量转换到数字量，而且它们对AD转换速度、转换精度都有一定要求。同时受单片机接口数量限制，不能采用冰箱通信接口，经实际验证，TLC1543满足本设计所有需求TLC1543是美国TI司生产的多通道、低价格的模数转换器。采用串行通信接口，具有输入通道多、性价比高、易于和单片机接口的特点，可广泛应用于各种数据采集系统。TLC1543为20脚DIP装的CMOS10位开关电容逐次A/D逼近模数转换器，引脚排列如图1所示。其中A0～A10（1～9、11、12脚）为11个模拟输入端，REF+（14脚，通常为VCC）和REF-（13脚，通常为地）为基准电压正负端，CS（15脚）为片选端，在CS端的一个下降沿变化将复位内部计数器并控制和使能ADDRESS、I/OCLOCK（18脚）和DATAOUT（16脚）。ADDRESS（17脚）为串行数据输入端，是一个1的串行地址用来选择下一个即将被转换的模拟输入或测试电压。DATAOUT为A/D换结束3态串行输出端，它与微处理器或外围的串行口通信，可对数据长度和格式灵活编程。I/OCLOCK数据输入/输出提供同步时钟，系统时钟由片内产生。芯片内部有一个14通道多路选择器，可选择11个模拟输入通道或3个内部自测电压中的任意一个进行测试。片内设有采样-保持电路，在转换结束时，EOC（19脚）输出端变高表明转换完成。内部转换器具有高速（10µS转换时间），高精度（10分辨率，最大±1LSB不可调整误差）和低噪声的特点。LC1543有个控制输入端CS、I/OCLOCK、ADDRESS和一个数据输出端DATAOUT遵循串行外设接口SPI协议，要求微处理器具有SPI口。但大多数单片机均未内置SPI口（如目前国内广泛采用的MCS51和PIC列单片机），需通过软件模拟SPI协议以便和TLC1543接口通信。TLC1543芯片的三个输入端和一个输出端与51系列单片机的I/O口可直接连接，具体连接方式可参见图3-21。图3-21TLC1543A/D转换器模块电路图为了使TLC1543测值更灵敏，本文设计了一个标准5V电压源，作为其参考和工作电源。如图3-22，LM336输出5V参考，OP07进行跟随放大，起高了它的驱动能力。图3-22标准5V电源3.3保护电路设计一个完整的全自动洗衣机控制系统的设计，不仅要实现功能电路的设计，还要完成抗干扰等保护电路的设计。3.3.1电磁干扰原因分析由于外部原因导致的干扰，例如打雷或者别的家用电器干扰，造成控制面板上的按键失灵且无法复位，或者程序出现死机故障，或者电机出现误动作，水位误判等。由于内部电路向外部辐射导致其他家电的干扰，例如，洗衣机电机启动瞬间，电视机图像出现雪花点，电灯出现闪烁，收音机出现杂音等。具体来说，原因如下：电机频繁的换向电机正传和反转时，由于其电路是感性负债，在启动瞬间会产生较大的启动电流，在切断回路时电感两端将产生很高的瞬间电压，这样会产生高频信号。另外，电机在工作中，火花骚扰所产生的脉冲骚扰可以通过空间和电源线发射出去。如果这些高频信号串入PCB板，将引起输入和输出的信号干扰。因此，这种干扰既能对洗衣机内部电脑板造成干扰也能使外部电器受到影响。可控硅的频繁导通与关断可控硅工作时，在瞬间开通或关闭很大的电流，对电源而言是非线性负载，其电流为非正弦波，往往是上升沿和下降沿很陡的梯形波，因此含有丰富的谐波。谐波能使功率因数下降，电源电压波动甚至产生缺口，高次谐波还将向外辐射。这种干扰既能对洗衣机内部电脑板造成干扰也能使外部电器受到影响。布线不合理电脑板布线不合理：例如输入输出端用的导线平行相邻，造成信号的反馈耦合。导线过宽，导致线间绝缘电阻下降或击穿。导线拐角处为方形或锐角，造成高频信号骚扰。导线铜箔面积过大，导致发热时铜箔膨胀和脱落。整机线束布线不合理：例如把信号线和大电流缆线捆绑在一起，引起大电流导线中的高频骚扰信号串入信号线，导致信号输入的误差。接地线过短过细，无法有效吸收和抑制高频骚扰信号。以上不合理的布线都将给洗衣机内部或者外部造成干扰。3.3.2硬件保护具体措施 根据上文分析并结合实际，本论文在设计全自动洗衣机模糊控制系统时采用了一下几种硬件保护措施：压敏电阻过压电路为防止从电源系统引入干扰，在电源入线端并联压敏电阻，能够有效防止电源的过压，可在一定程度上抑制瞬态干扰。压敏电阻是一种限压型保护器件。压敏电阻的最大特点是当加在它上面的电压低于它的阈值"UN"时，流过它的电流极小，相当于一只关死的阀门，当电压超过UN时，流过它的电流激增，相当于阀门打开。利用这一功能，可以抑制电路中经常出现的异常过电压，保护电路免受过电压的损害。本设计电源电路中就使用了氧化锌压敏电阻，这里使用的压敏电阻压敏电压为470V，当瞬态的浪涌电压最大值（非有效值）超过470V时，压敏电阻就是体现它的钳位特性，把过高的电压拉低，让后级电路工作在一个安全的范围内。在实际电路中压敏电容为入线后第一个元器件，在变压器接口之前，能有效的保护后级电路，防止高频干扰。图3-23压敏防干扰设计晶闸管保护电路加在晶闸管上的正向电压上升率dv/dt如果过大，由于可控硅结电容的存在而产生较大的位移电流，该电流可以实际上起到触发电流的作用，使可控硅正向阻断能力下降，严重时引起可控硅误导通。为抑制dv/dt的作用，可以在晶闸管两端并联R-C阻容吸收回路。其实质是利用电容器两端电压不能突变和电容器的电场储能以及电阻使耗能元件的特性，把过电压的能量变成电场能量储存在电场中，并利用电阻把这部分能量消耗掉。同理，该保护回路对电路中的高频骚扰信号也可以起到衰减和抑制的作用。图3-24晶闸管保护电路接地保护电路全自动洗衣机中常常采用两种方法对干扰信号进行抑制，一种是接地法，一种是电源滤波法。如图所示，洗衣机中的接地线把外壳和内部金属底板等和大地相连。接地线1为外部提供，接地线2为洗衣机内部金属板等和金属外壳连接。这样，接地线不仅可以起到安全保护的作用，还可以起到将干扰信号通过接地线吸收的作用。因此这是一种简便有效的方法。然而工作接地的接地线总有一定的电阻和分布电感，一般电阻很小可以忽略，但高频时电感的感抗不能忽略。因此对高频信号还应提出有效解决办法。由铁氧体磁环组成的吸收式滤波器正是这样一种有效滤波装置。铁氧体磁环可以极大地衰减几十到几百兆赫兹的高频信号。图中电源线3上的就是铁氧体磁环滤波器。图3-25洗衣机接地系统铁氧体一般做成中空型，导线穿过其中。当导线中的电流穿过铁氧体时低频电流可以几乎无衰减地通过，但高频电流却会受到很大的损耗，转变成热量散发，所以铁氧体和穿过其中的导线即成为吸收式低通滤波器。它可以等效为电阻和电感的串联，但电阻值和电感量都是随着频率而变化的。铁氧体滤波器可以做成多种形式，通常磁环滤波器可以做成圆型，柱形和矩形等形状。圆磁环可套在元件引脚或导线上，柱形磁环用于圆型电缆，矩形磁环用于扁型电缆。具体运用时，导线应与磁环内径紧密相贴，不要留太大空隙，这样导线上电流产生的磁通可基本都集中在磁环内，从而增加滤波效果。为了增加阻抗可以把导线在磁环上多绕二圈，也可用穿孔磁环，增加匝数。3.3.2本设计采用的隔离技术有：①物理隔离，指对小信号低电平的隔离，其信号连线应尽量远离高电平大功率的导线，以减少噪声和电磁场的干扰。例如信号电缆和功率电缆分开，并保持一定的距离；在设计电路时，高电压区相对集中，能有效防止信号干扰。②光电隔离，其目的是使两个电路的电联系相互独立，从而割断噪声从一个电路进入另一个电路的通路。本设计中主要使用光电耦合器进行光电隔离，主要应用于晶闸管驱动电路，具体可参看本论文的第三章全自动洗衣机模糊控制系统硬件设计。合理布线的印刷电路板可以在一定程度上防止电磁干扰。常见的布线原则如下：电源线设计：根据印刷线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻，降低耦合噪声；地线设计：接地线应尽量加粗最好不少于3mm，TTL、CMOS器件的地线要呈辐射网状，避免环形，而且要构成闭环路，数字地与模拟地分开。晶振布线与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，时钟线要远离I／O线，晶振外壳接地并固定。各部件之间的引线要尽量短，电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号之间注意隔离，尽可能把干扰源(如电机、可控硅等)与敏感元件远离。元件面和焊接面应采用相互垂直、斜交或者弯曲走线，避免相互平行以减小寄生耦合，避免相邻导线平行段过长。尽量采用多层印制电路板，多层板可提供良好的接地网，可防止产生地电位差和元件之间的耦合。布线时拐角尽可能大于90度，以尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。图3-26为结合实际需求设计的PCB。图3-26控制板的PCB图3.3.2晶闸管过零触发是指使双向晶闸管的开关过程在电源电压为零或电流为零的瞬间进行触发。这样，负载的瞬态浪涌电流和射频对系统的干扰最小，可控硅的使用寿命也可以提高。关键是晶闸管触发电路的设计，必须做到安全可靠，并提供必要的保护电路。图3-27为是晶闸管过零检测部分的电路图。图3-27晶闸管过零检测电路交流信号经过变压器降至12V。再经分压接到Q12上，当三极管基极电压低于0.7V，三极管Q12截至，单片机的P3.2引脚被上拉到为高电平；一旦三极管Q12基极电压高于0.7V时，三极管导通，外部中断0接口P3.2引脚为低电平，此时单片机就可以采样到主电路电压过零时的信号，进入外部中断，合理控制其他I/O。3.3.2全自动洗衣机的主电机及牵引器工作电流都比较大，其短路时电流更大，将会烧坏晶闸管等控制系统中的强电部分器件。因此必须设计故障保护电路，在洗衣过程中发生短路等其他故障时及时切断电路。在主电路中加入3A的熔断器，当电路超过限度时就及时熔断，保护控制系统不受损坏。全自动洗衣机在待机状态时，就要切断电路，以保护用户及控制系统本身。本设计使用12V继电器，采用三极管驱动方式进行继电保护。图3-28继电和过电路保护电路3.4小结本章首先从总体上介绍全自动洗衣机模糊控制控器的硬件原理，包括系统结构图、硬件原理图与PCB图，后按顺序介绍各功能模块的原理与应用。处理器是洗衣机的控制核心，首先介绍，也是重点介绍，包括其应用特性、优点等；后按着洗衣机输入、输出顺序介绍，并加强了对晶闸管电路设计的叙述。最后介绍了保护电路的设计，使得整个全自动洗衣机模糊控制系统的设计更加完善。4全自动洗衣机模糊控制系统的软件设计软件设计是全自动洗衣机模糊控制系统的主要设计任务之一。选好开发语言及对应的软件开发平台，根据硬件基础绘制简单易懂的程序流程图将对软件编程与调试起着举足轻重的作用。4.1软件平台与编程语言4.1.1KEIL软件介绍KeilμVision是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，μVision2IDE是KeilC51基于Windows的开发平台，KeilC51软件是众多单片机应用开发的优秀软件之一，它集编辑，编译，仿真于一体，支持汇编,PLM语言和C语言的程序设计，界面友好，易学易用。用户开发和调试单片机C语言源代码的最理想的工具之一。其主要界面如图4-1所示。图4-1KEIL软件界面4.1.2C51特点与应用51单片机的编程语言常用的有二种，一种是汇编语言，一种是C语言。汇编语言的机器代码生成效率很高但可读性却并不强，复杂一点的程序就更是难读懂，而C语言在大多数情况下其机器代码生成效率和汇编语言相当，但可读性和可移植性却远远超过汇编语言，而且C语言还可以嵌入汇编来解决高时效性的代码编写问题。对于开发周期来说，中大型的软件编写用C语言的开发周期通常要小于汇编语言很多。综合以上C语言的优点，所以设计时选择了C语言。KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。C51编译器是一个具有优化功能的编译器，它共提供六级优化功能。确保生成目标代码的最高效率(代码最少，运行速度最快)。C51强大功能及其高效率的重要体现之一在于其丰富的可直接调用的库函数，多使用库函数使程序代码简单，结构清晰，易于调试和维护。还有，从堆栈方面看，当使用汇编时，最烦的一件事是RAM的使用。使用RAM就不得不提到堆栈。堆栈是RAM中一段用作保存地址和快速保存值的寄存器。使用汇编编程，我们要防止堆栈使用的寄存器被我们使用并改动。这样，我们应把堆栈的起地址放在我们使用的寄存器地址之后，把最大的可能内存全给了堆栈，这是为了使堆栈有最大的空间去保存值和减少溢出的可能性。由于这个原因，我们要不断修改堆栈的起地址，要把使用到的寄存器放在堆栈之前。C51的编译器会自动完成这一点，这样便使我们有更大的精力放在程序功能的代码实现上，提高编程效率和减少出错率。C51缺点是占用空间大，效率低，实时性也比汇编差，所以在系统要求实时性强时，也可以考虑嵌套调用汇编语言，KeilC51嵌套调用汇编比较方便、简单。4.2系统主程序与主要应用模块子程序流程图全自动洗衣机的工作流程如图所示，首先测布阻抗，再确定桶内加水量，通过测试浑浊度来修正洗涤时间，确定洗涤和漂洗次数。洗涤完毕后自动切断。根据工作流程设计控制软件，控制软件由主程序、各种子程序和中断服务程序组成。所有模糊推理在洗涤之前都基本执行完毕，所以在程序判别出是启动并且是自动程序后，就开始进行一系列的检测工作。在推理工作完成之后，开始进行洗涤工作。在洗涤过程中若产生故障，则系统会自动报警。图4-2全自动洗衣机工作流程4.2.1主程序控制流程图软件主程序流程图如图4-3所示。衣物洗涤过程：开启洗衣机，选择自动或者手动方式，若为手动则设定洗衣参数，否则进入自动方式。检测衣物清洗前状态，进而自动选择相应的洗衣参数，调用相应的洗涤程序，完成模糊规则对衣物洗涤的控制。图4-3主程序流程图4.2.2主要模块子程序流程图键盘模块流程图如图4-4所示，为键盘子程序流程图。它的功能特点是：1号键进行自动和手动切换，进入手动状态后才能按2号键，就可以在不同的洗涤模式进行切换，按3号键，确定洗涤模式；而4号键就是开始与暂停的功能键。温度采集模块程序设计温度采集模块为单总线器件DS18B20，每次访问他必须严格遵守1-wire总线的命令序列，它的典型的命令序列如下：第一步：初始化；第二步：ROM命令跟随需要交换的数据；第三步：功能命令跟随需要交换的数据。如果出现序列混乱，则单总线器件不会响应主机。但是，这个准则对于搜索ROM命令和报警搜索命令例外，在执行两者中任何一条命令之后，主机不能执行其后的功能命令，必须返回至第一步。(1)初始化命令对1-wire器件的所有操作都是从初始化开始的，初始化过程由主机的复位脉冲和1-wire器件的应答脉冲组成。对1-wire器件的复位脉冲实际上是主机通过拉低总线来实现的，主机通过拉低总线480um以后再把总线拉高使总线上所有1-wi