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高等教育自学考试本科毕业论文 单片机的全自动洗衣机自动控制系统设计 考生姓名： 准考证号： 专业层次： 本 科 院 （系）：机械与动力工程学 院 指导教师： 职 称： 讲 师 重庆科技学院 二 o 一 o 年十二月二十日 高等教育自学考试本科毕业论文 单片机的全自动洗衣机自动控制系统设计 考生姓名： 准考证号： 专业层次： 本 科 指导教师： 院 （系）：机械与动力工程学院 重庆科技学院 二 o 一 o 年十二月二十日 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 中文摘要 i 摘 要 基于模糊控制的全自动洗衣机控制器自动控制系统, 所有的电路都是在单片 机的控制下工作的，是以新一代凌阳16位单片机spce061a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。全自动洗衣机是一种全新的家用电器， 能够自动检测到衣物的重量和脏污程度，自动决定进水量，从而能自动完成洗衣 过程。洗涤程序是通过模糊推理得到的，故能达到好的洗涤效果。 本次硬件设计制作了单片机的接口和外围硬件电路，其中包括洗衣机状态检 测模块;显示电路和电机正反转电路等。以及软件程序的编写，其中包括主程序， 检测子程序，电机正反转子程序等。本系统还利用凌阳 spce061a 出色的语音功 能，对洗衣机进行报警与提示。最后是我们的联机调试，有软硬件配合完成整个 系统的基本功能。 关键词：模糊控制,单片机,全自动洗衣机,spce061a 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 英文摘要 ii scm full-automatic washing machine is automatic control system design abstract the automatic control system of the automatic washing machine controller based on fuzzy control with single chip computer spce061a can be implemented by intelligence control, so the quality of washing is improved and the source is saved. automatic washing machine is a new household appliance which can automatically detect the weight and degree of dirty and automatically determine the water, so it can automatically complete washing process. because washing procedure is adopted by the fuzzy reasoning, it can achieve a good washing effect. this hardware design has been produced mcu hardware interface and the external circuits, among them including the signal to collect the electric circuit , the electrical engineering is positive and negative to turn electric circuit etc. and the software procedure is wrote, which includes the main procedure, the data collects the sub- procedure, the electrical engineering is positive and negative to turn sub- procedure etc. finally, with the match of the soft and hardware, the basic function of the system is completed. keywords: fuzzy control,washing machine,spce061a 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 目录 iii 目 录 中文摘要中文摘要.i 英文摘要英文摘要ii 1 绪论绪论.1 2 全自动洗衣机自动控制系统的硬件设计全自动洗衣机自动控制系统的硬件设计.2 2.1 重量传感器重量传感器.2 2.2 浑浊度传感器浑浊度传感器3 2.3 水位传感器水位传感器.4 2.4 直流电机直流电机5 2.5 凌阳凌阳 1616 位单片机位单片机 spce061aspce061a.5 3 自动控制系统的电路设计自动控制系统的电路设计.7 3.1 系统的时钟电路设计系统的时钟电路设计.7 3.2 语音输出电路设计语音输出电路设计7 3.3 电源电路设计电源电路设计8 3.4 信号检测电路设计信号检测电路设计9 3.5 洗涤电路设计洗涤电路设计.10 3.6 显示电路设计显示电路设计.11 3.6.1 状态显示电路.11 3.6.2 时间显示电路.11 3.7 语音报警电路语音报警电路.12 4 软件设计软件设计13 4.1 全自动洗衣机中的模糊控制全自动洗衣机中的模糊控制.13 4.2 模糊控制系统模糊控制系统.14 4.2.1 模糊控制系统的组成14 4.2.2 模糊控制器基本结构15 4.3 基于模糊控制的全自动洗衣机控制器的设计基于模糊控制的全自动洗衣机控制器的设计16 4.3.1 模糊控制输入量17 4.3.2 模糊控制的输出量.19 4.3.3 模糊控制规则.20 4.4 软件设计思路软件设计思路.21 4.4.1 输入端口设置.21 4.4.2 输出端口设置.22 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 目录 iv 4.4.3 软件设计主流程图.22 5 结结论论24 致谢致谢.25 参考文献参考文献.26 论文原创性声明论文原创性声明 附录附录.i 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 1 绪论 1 1 绪 论 随着自动化技术的深入发展,单元技术和自动化技术的不断综合应用，使人 类从复杂、危险、繁琐的劳动环境中解放出来并大大提高控制效率。在现代科学 技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。自动控制是指在没 有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使 机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量） 自动地按照预定的规律运行。 为了实现各种复杂的控制任务，首先将被控制对 象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制 系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物 理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度，压力或飞行航迹等；而控制装 置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对 被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理的反馈控制系统。在反 馈控制系统中，控制装置对被控装置施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息， 用来不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行控制的任务，这 就是反馈控制的原理。 本文设计是基于模糊控制的全自动洗衣机控制器自动控制系统, 所有的电路 都是在单片机的控制下工作的，是以新一代凌阳 16 位单片机 spce061a 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。全自动洗衣机是一种全新 的家用电器，能够自动检测到衣物的重量和脏污程度，自动决定进水量，从而能 自动完成洗衣过程。洗涤程序是通过模糊推理得到的，故能达到好的洗涤效果。 文中硬件设计制作了单片机的接口和外围硬件电路。它包含洗衣机状态检测模块， 显示电路和电机正反转电路等。而软件程序的编写包括了控制主程序，检测子程 序，电机正反转子程序等。 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 2 全自动洗衣机自动控制系统的硬件设计 2 2 全自动洗衣机自动控制系统的硬件设计 硬件结构框图及软件流程图是该系统的重要组成部分,在整个控制过程中,模 糊控制软件起了决定性的作用。本设计中采用了凌阳公司的 spce061a 作为控制 核心，以单片机为核心结合接口芯片及外围电路以实现洗衣机的智能控制。其中 模糊控制器的设计是关键环节，采用传感器检测洗衣过程必需的物理量，进入模 糊控制器，通过模糊推理，实现对洗衣机自动识别衣量，自动识别肮脏程度，自 动决定水量功能的控制。通过几个传感器收集到的信息，包括衣物重量，水位， 衣物的脏污程度的信息，经过处理器综合判定后，便自动选择出最适当的水位、 洗涤时间和洗衣动作等工作参数，并按照衣物的大小及脏污程度等信息，执行最 佳洗涤程序。因此，即人们只需轻轻一按洗衣机的启动键，余下的事就都由洗衣 机自动完成了。为了使控制效果好,设计简单,采用矛盾分析方法：根据衣物重量 确定水位高低和洗涤过程中的浑浊度信息修正实际的洗涤时间的长短和漂洗次数 的多少。输入量分别由水位传感器，重量传感器和浑浊度传感器确定水位，衣物 重量和浊污程度，并经模数转换后送入单片机的输入端口，并经过控制器根据模 糊推理规则确定进水量，洗涤时间等。输出量有水流方式（电机正反转）和洗涤 时间等。我们根据全自动洗衣机的自动控制系统工作原理，给出了硬件结构框图， 如图 2.1 所示。 图 2.1 系统硬件设计框图 2.1 重量传感器 衣物重量检测电路如图2.2所示（见下页）.具体检测重量时,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 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 2 全自动洗衣机自动控制系统的硬件设计 3 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.主电机发电时间可直接通过检 测起动电容两端输出电势,并将此电势半波整流后,由光电隔离后放大整形为一矩 形脉冲系列的脉冲数而定.脉冲个数反映布阻抗的大小,脉冲个数多,布阻抗小,反 之亦然,据此通过模糊推理即可得到重量.如图1.3所示，衣量传感器能区分四档 衣量(多量、中多量、中少量、少量). 图 2.2 衣物重量检测电路 图 2.3 衣物重量的判断方法 2.2 浑浊度传感器 电路如图2.4，2.5所示（见下页）,浑浊度传感器安装在排水阀上端附近出 口管上。原理:利用二极管的光透过洗涤液射到光敏三极管,洗涤液的污浊程度影 响光透度,洗涤液越污浊,光透度越小,而光透的大小影响光敏三极管输出电压v, 一般光透度越大,v的值越大。因此通过检测v值可知光透度的大小。 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 2 全自动洗衣机自动控制系统的硬件设计 4 图2.4 浑浊度传感器的电路 图2.5 浑浊度程度 2.3 水位传感器 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。水位测量电路如图2.6所示（见下页）,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耦合接入数 字式谐振放大器a1,随着水位变化,谐振频率作相应变化,放大器在a点输出,经a2 整形,由c点输出,此时即可将数字量接到单片机。 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 2 全自动洗衣机自动控制系统的硬件设计 5 图 2.6 水位检测电路 2.4 直流电机 我们采用 5v 的直流电机，它有两根引出来的线，只要将一端接正另一端接 负，就可以使电机转起来，将两根线反接，直流电机就可以反过来转动。电机驱 动电路很简单。我们采用桥式驱动电路。 2.5 凌阳 16 位单片机 spce061a spce061a 是凌阳科技研发生产的性价比很高的一款十六位单片机。 spce061a 的开发是通过在线调试器 probe 实现的。它既是一个编程器（即程 序烧写器） ，又是一个实时在线调试器。用它可以替代在单片机应用项目的开发 过程中常用的软件工具硬件在线实时仿真器和程序烧写器。它利用了 spce061a 片内置的在线仿真电路 ice（in- circuit emulator）接口和凌阳公司的 在线串行编程技术。probe 工作于凌阳 ide 集成开发环境软件包下，其芯片的 仿真头直接连接到目标电路板上 spce061a 相应管脚，直接在目标电路板上的 cpu-spce061a 调试、运行用户编制的程序。probe 的另一头是标准 25 针打 印机接口，直接连接到计算机打印口与上位机通讯，在计算机 ide 集成开发环境 软件包下，完成在线调试功能。另外，凌阳十六位单片机具有易学易用的效率较 高的一套指令系统和集成开发环境。它的较高的处理速度使 unsp能够非常容 易地、快速地处理复杂的数字信号。在此环境中，不仅可以支持标准 c 语言和汇 编语言，可以实现 c 语言与凌阳汇编语言的互相调用为软件开发提供了方便的条 件。 输入/输出接口（简称为 i/o 口）是单片机与外设交换信息的通道。输入端口 负责从外界接收检测信号、键盘信号等各种开关量信号。输出端口负责向外界传 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 2 全自动洗衣机自动控制系统的硬件设计 6 送由内部电路产生的处理结果、显示信息、控制命令、驱动信号等。unsp内 有并行和串行两种方式的 i/o 口。并行口线路成本较高，但是传输速率也较高； 与并行口相比，串行端口的传输速率较低但可以节省大量的线路成本。 spce061a 有两个 16 位的通用并行口：a 口和 b 口。这两个端口的每一位都可 通过编程单独定义成输入或输出口。spce061a 提供了 32 位控制结构的 i/o 端口， 每一位都可以单独用于数据输入或输出。每个独立的位可通过以下 3 种控制向量 来作设定： i/o 数据向量 data i/o 方向向量 direction i/o 方式向量 attribution 每 3 个对应的控制向量组合在一起，形成一个控制字，用来定义相对应 i/o 端口位的输入输出状态和方式。例如，假设需要 i/o 口是带下拉输入引脚，则相 对应的 data、attribution 和 direction 的值均被设为“0”。如果需要 i/o 口是带唤醒 功能的悬浮式输入引脚，则 data、attribution 和 direction 的值被设为“010”。与 其它的单片机相比，spce061a 除了每个 i/o 口可以单独定义其状态外，每个对 应状态下的 i/o 口是端口性质电路都是内置的，在实际的电路中不需要再外接。 例：设 i/o 口为带下拉电阻的输入端口，在连接硬件时不用再外接下拉电路。a 口和 b 口的 data、attribution 和 direction 的设定值均在不同的寄存器里，用户在 进行端口设置时要特别注意这一点。i/o 端口的组合控制设置如表 1.1 所示： 表 2.1 i/o 端口的组合控制设置 directionattributiondata功能 是否带 唤醒功 能 功能描述 000下拉是带下拉电阻的输入引脚 001上拉是带上拉电阻的输入引脚 010悬浮是悬浮式输入引脚 011悬浮否悬浮式输入引脚 100 高电平输出 （带数据反相 器） 否 带数据反相器的高电平输出 （当向数据位写入“0”时输出 “1”） 101 高电平输出 （带数据反相 器） 否 带数据反相器的低电平输出 （当向数据位写入“0”时输出 “1”） 110低电平输出否 带数据寄存器的低电平输出 （无数据反相功能） 111高电平输出否 带数据寄存器的高电平输出 （无数据反相功能） 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 自动控制系统的电路设计 7 3 自动控制系统的电路设计 3.1 系统的时钟电路设计 unsp 的系统时钟信号和 cpu 的工作时钟信号 cpuclk 均来自其时钟系统。 其时钟系统基本上由三部分组成：锁相环 pll 倍频电路，可编程分频计数器以及 时基信号发生器。通过 pll 对实时时钟 32768hz 尽心倍频处理，产生出 fosc 信 号，作为系统的时钟源。unsp 内核的外围中只有 32768hz 的时钟电路。其接法 如图 3.1 所示。 图 3.1 系统时钟电路 3.2 语音输出电路设计 凌阳单片机的语音数据经过解码后直接送到 dac 口输出。也就是说，它输出 的仅仅是高低正电压，只能使扬声器的振片在一个方向振动。要想具有较好的乐 质，还需要对输出的电压进行转化，也就是将正电压变换成正负平分的电压。 另外，系统的输出口有可能存在高频干扰信号，所以在电路中加入了 rc 并 联高频滤波电路。三极管用来放大 dac 的输出，语音输出电路如图 3.2 所示。 图 3.2 语音输出电路 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 自动控制系统的电路设计 8 3.3 电源电路设计 在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。它是由电源变压器、 整流、滤波和稳压电路等四部分组成。电源变压器是将交流电网 220v 的电压变 为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。由于此 脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑 的直流电压但这样的电压还随电网电压波动(一般有士 10左右的波动)、负载 和温度的变化而变化因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路 的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。 在此硬件电路中，我们需要电压稳定的直流供电系统。本系统是将 220v 的 交流的电压分别变为+5v（硬件电路） 。在小功率整流电路中(1kw 以下)，常见的 几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。这里采用的是单向桥式 整流电路。整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二 极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。滤波电路用于滤 去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器 c，或与负载串联电感器上，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。 在此选用的是在负载两端并联电容器 c。 由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器 c 在电源供给的电压升高 时，能把部分能量存储起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来使负载电 压比较平滑，即电容 c 具有平波的作用。 在滤波电路后接入输出电压固定的集成稳压器，由于它只有输入、输出和公 共引出端，因此有被称为三端式稳压器，三端式稳压器有启动电路、基准电压电 路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。电路如图 3.3 所示。 图 3.3 电源电路 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 自动控制系统的电路设计 9 5v 直流电压经过 spy0029 后给整个系统供电。spy0029 是凌阳公司设计的电 压调整 ic，采用 cmos 工艺。spy0029 具有静态电流低、驱动能力强、线性调整 出色等特点。图中的 vddh 为 spce061a 的 i/o 电平参考，接 spce061a 的 51 脚， 这种接法使得 i/o 输入输出高电平为 3.3v;vddp 为 pll 锁相环电源，接 spce061a 的 7 脚；vdd 和 vdda 为数字电源，分别接 spce061a 的 15 脚和 36 脚；avss1 是 模拟地，接 spce061a 的 24 脚；vss 是数字地，接 spce061a 的 38 脚。avss2 接音 频输出电路的 avss2。 硬件电路如图 3.4 所示。 图 3.4 最小系统的电源电路 3.4 信号检测电路设计 普通全自动洗衣机的检测部分一般都是由传感器以及对应的 a/d 和 d/a 转换 来完成的，而检测的内容一般为被洗衣物的重量、被洗衣物的脏净程度和水位。 在我们模拟过程中，由于时间与经费的限制，我们用电位器代替了传感器的 检测，通过给不同的电位器值来让系统 cpu 检测需要洗涤的时间和强度。我们用 两个电位器来分别模拟洗衣机的脏净检测和衣物重量检测。用 2k 的电位器来模 拟重量传感器，当电阻值在 0-1000 之间时我们给它定义为衣物重量较轻，若值 在 1000-2000 时我们定义为比较重；同样，我们用 2k 的电位器模拟了浑浊度传 感器，电阻值在 0-1000 之间时我们定义为脏度轻，若在 1000-2000 时脏污程度 比较重；我们用水位传感器来检测水位的高低。我们是水位传感器相当于液位开 关，是膜片-触头开关式。当水满时开关自动闭合，三极管 9013 导通，则给输入 口一个低位信号。在进水期间，三极管 9013 处于断开状态，系统不断检测水位 传感器，若水位传感器检测到水满时，就使三极管 9013 导通，停止进水。由于 spce061a 单片机有 7 路模拟量输入口 ioa0-ioa6，所以我们可以将传感器输出的 模拟量直接接入 ioa3,ioa4,ioa5.硬件电路如图 3.5 所示（见下页） 。 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 自动控制系统的电路设计 10 图 3.5 系统检测电路 3.5 洗涤电路设计 电机的驱动采用双向 pwm 脉宽调制方式控制。采用这种控制方式可以方便地 实现电机的正反转和转速变化。电机驱动电路如图 3.6 所示。其工组原理为当 iob8 端口为低电平、iob9 端口为高电平时，三极管 q5 导通，q5 导通又导致 q3 和 q2 导通，则电流从电源通过 q2、直流电机和 q3 构成回路；当 iob8 端口为高 电平、iob9 端口为低电平时，三极管 q6 导通，q6 导通又导致 q4 和 q1 导通，则 电流从电源通过 q1、直流电机和 q4 和 q1 导通，则电流从电源通过 q1、直流电 机 和 q4 构成回路，且电流方向和前面相反，即电机转向发生变化。通过控制 iob8 口和 iob9 口电平的高低和高电平导通的时间，就可以控制电机的正、反转 和转速。电机控制电路图如 3.6 所示： 图 3.6 电机控制电路 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 自动控制系统的电路设计 11 3.6 显示电路设计 3.6.1 状态显示电路 d0、d1、d2、d3 为衣物检测状态显示，d0、d1、d2、d3 分别表示为衣 物轻，衣物重，脏度低，脏度重。其组合情况有四种，如下表示。当检测完 衣物的状态后，洗涤模块开始动作，各指示灯显示相应的工作状态 d4：进水 指示灯；d5：洗涤指示灯；d6：漂洗指示灯；d7：排水指示灯；d8：脱水指 示灯。 表 3.1 状态显示电路 3.6.2 时间显示电路 8 段 led 时一种常用的数码显示屏。这种数码管的每个线段都是一个发光二 极管，因而把它叫做 led 数码管。如果将其接入正 5v 的电源则需要接下拉电阻。 但在此系统中，led 显示直接接在凌阳单片机的输出口。这种微机输出口的最大 驱动能力不会超过 14ma，所以本系统直接将 led 接在了凌阳单片机的输出口。 洗衣机洗衣时间一般在几十分钟左右，所以我们设计了两位一体的显示器， 显示时我们不需要小数点。本次设计我们选择的八段数码显示管为共阴数码管， 是在各洗涤过程中显示所需的时间其记数方式为倒记时。时间显示电路图如 3.7a，3.7b 所示（3.7b 见下页）： 3.7a 时间显示电路 d0+d2：衣物轻且脏度低d0+d4：衣物轻且脏度高 d1+d2：衣物重且脏度低d1+d4：衣物重且脏度高 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 自动控制系统的电路设计 12 图 3.7b 时间显示电路图 3.7 语音报警电路 本次设计的要求为整个系统在运行结束是及时发出声音,来提醒人们洗衣结 束。语音是 spce061a 的一大特点.应用 spce061a 可以方便的实现语音的录放,该 芯片拥有 8 路 10 位精度 ad.其中 1 路 ad 为音频转化通道,并且内置有自动增益电 路.这为实现语音录入提供了方便的硬件条件.2 路 10 位精度的 da,只需要外接 2 个功放(lm386)即可完成语音的播放。而且它支持标准的 c 语言,可以实现 c 语言 与凌阳汇编语言的相互调用。如图 3.8 所示： 图 3.8 系统报警电路 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 4 软件设计 13 4 软件设计 本次设计是基于模糊控制理论上的全自动洗衣机，用户只需要将衣物放进洗 衣机，按下启动键，洗衣机就能自动完成洗涤-漂洗-脱水等一系列操作，当然 本次设计中还考虑到半自动时的情况，用户可以根据自己的需求自由选择洗衣机 将要进行什么工作，这一点是通过按键来实现的。 4.1 全自动洗衣机中的模糊控制 在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的关键， 系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。然而，对于复杂的系统， 由于变量太多，往往难以正确的描述系统的动态，于是工程师便利用各种方法来 简化系统动态，以达成控制的目的，但却不尽理想。换言之，传统的控制理论对 于明确系统有强而有力的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统，则 显得无能为力了。因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题。自从 zadeh 发 展出模糊数学之后，对于不明确系统的控制有极大的贡献，自七年代以后，便 有一些实用的模糊控制器相继的完成，使得我们在控制领域中又向前迈进了一大 步。 模糊控制涉及了五个主要部分，即:定义变量、模糊化、知识库、逻辑判断 及反模糊化，以下将就每一部分做简单的说明： (1)定义变量：也就是决定程序被观察的状况及考虑控制的动作，例如在一 般控制问题上，输入变量有输出误差 e 与输出误差之变化率 ce，而控制变量则为 下一个状态之输入 u。其中 e、ce、u 统称为模糊变量。 (2)模糊化（fuzzify）：将输入值以适当的比例转换到论域的数值，利用口 语化变量来描述测量物理量的过程，依适合的语言值（linguisitc value）求该 值相对之隶属度，此口语化变量我们称之为模糊子集合（fuzzy subsets） 。 (3)知识库：包括数据库（data base）与规则库（rule base）两部分，其 中数据库是提供处理模糊数据之相关定义；而规则库则藉由一群语言控制规则描 述控制目标和策略。 (4)逻辑判断：模仿人类下判断时的模糊概念，运用模糊逻辑和模糊推论法 进行推论，而得到模糊控制讯号。此部分是模糊控制器的精髓所在。 (5)解模糊化（defuzzify）：将推论所得到的模糊值转换为明确的控制讯号 做为系统的输入值。 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 4 软件设计 14 4.2 模糊控制系统 模糊控制系统是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种 非线性系统。模糊控制与经典控制的根本区别在于它并不需要建立被控对象(或 过程)的精确数字模型，而是完全凭人的经验，应用了人的思维和逻辑推理方法 来“直观”地进行控制。 4.2.1 模糊控制系统的组成 模糊控制系统主要有以下四个部分组成: (1)模糊控制器:它是模糊控制系统的核心，它是以模糊逻辑推理为主要组成 部分，同时又具有模糊化和去模糊化功能的控制器，根据控制系统的需要，即可 选用系统机，又可选用单板机或单片机; (2)输入/输出接口装置:通过输入/输出接口从被控对象获取数字信号，送至 模糊控制器，并将模糊控制器决策出的输出数字信号经过数模转换，将其转变为 模拟信号，送给执行机构去控制被控对象; (3)广义对象:包括被控对象与执行机构，被控对象可以是线性的，也可以是 非线性的、定常或时变的等多种情况; (4)传感器:传感器将被控对象或将各种被控量转换为电信号，它在模糊控制 系统中占有非常重要的位置，因此它的精度影响着整个控制系统的精度。 其基本工作原理是:微机经中断采样获取被控制量的精确值，然后将此量与 给定值比较得到偏差信号。 。一般选偏差信号 e 作为模糊控制器的一个输入量， 把偏差信号 e 的精确量进行模糊化变成模糊量，偏差 e 的模糊量可以用相应的模 糊语言表示，得到了偏差 e 的模糊语言集合的一个子集。再由模糊子集和模糊控 制规则(模糊关系)根据模糊推理的合为:。模糊控制系统核心部分为模糊 ue r 控制器。原理框图如图 4.1 所示：成规则进行模糊决策，得到模糊控制量。 图 4.1 模糊控制系统 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 4 软件设计 15 模糊控制过程可概括为下述 4 个步骤: (1)根据本次采样得到的系统的输出值，计算所选择系统的输入变量: (2)将输入变量的精确值变为模糊量; (3)根据输入变量(模糊量)及模糊控制规则，按照模糊推理合成规则推理计 算输出控制量(模糊量); (4)由上述得到的控制量(模糊量)计算精确的输出控制量，并作用于执行机 构。 4.2.2 模糊控制器基本结构 自 1974 年英国科学家 mamdani 首次将模糊控制理论应用于蒸汽机控制后， 模糊控制在工业过程控制、家电、交通运输等方面得到了广泛的应用。20 多年来， 出现了各种各样的模糊控制器，具体有以下几种:简单模糊控制器，模糊自调整 控制器，模糊 pid 控制器，模糊自组织控制器，模糊自适应控制器，专家模糊控 制器和模糊神经网络控制器等。模糊控制器输入变量的个数称为维数，按维数可 将模糊控制器分为一维模糊控制器、二维模糊控制器和多维控制器。目前一维模 糊控制器应用于一阶被控对象较多，但由于这种控制器的输入变量只有一个，动 态控制性能不佳。虽然从理论上，维数越高，控制越精确，但是维数太高会造成 控制规则过于复杂，控制算法的实现也会相当困难。因此目前广泛应用的是二维 模糊控制器。 模糊控制器的基本结构包括四个部分: （1）模糊化：模糊化的基本思想是定义一个模糊语言映射作为从数值域至 语言域(符号域)的模糊关系，从而在数值测量的基础上，将数值域中的数值信号 映射到语言域上，为实现模糊推理奠定基础。因此它实质上是模糊控制器的输入 接口，其作用是将输入的精确量转换成模糊化量。模糊化的具体过程如下: 首先对这些数量进行处理，以变成模糊控制器要求的输入量。 将上述已经处理过的输入量进行尺度变换，使其变化到各自的论域范围。 将已经变换到论域范围的输入量进行模糊处理，使原先精确的输入量变成 模糊量，并用相应的模糊集合来表示。 对于一个模糊输入变量 e，其模糊子集通常可以以这种方式划分:e:负 大， 负中，负小，零，正小，正中，正大卜nb，nm，ns，20，ps，pm，pb。 （2）知识库：知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标。它 通常由数据库和模糊控制规则库两部分组成。 数据库存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量，若论域 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 4 软件设计 16 为连续域，则为隶属度函数。在规则推理的模糊关系方程求解过程中，向模糊推 理提供数据。 规则库包括了用模糊语言变量表示的一系列控制规则。通常由一系列的关系 词连接而成，如 if 一 then，else，also，end，or 等。它们反映 t 控制专家的 经验和知识。规则的条数与模糊变量的模糊子集划分有关，划分越细，规则条数 越多，但并不代表规则的准确度越高，准确性还与专家知识的准确度有关。 模糊控制规则的生成主要有四种方法: 基于专家的经验和控制工程知识； 基于操作人员的实际控制过程； 基于过程的模糊模型； 基于学习。 (3)模糊推理：模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模拟人的基于模糊概念 的推理能力。模糊推理根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解模 糊关系方程， 并获得模糊控制量的功能部分。该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推 理规则来进行的。 (4)清晰化：推理结果的获得，表示模糊控制的规则推理功能己经完成。但是 这个结果仍然是一个模糊矢量，不能直接用来作为控制量，还必须进行一次转换 清晰化 (或解模糊)。 清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量(模糊量)变换为实际用于控制的清 晰量。它包含以下两部分内容: 将模糊的控制量经清晰化变换，变成表示在论域范围的清晰量; 将表示在论域范围的清晰量经尺度变换变成实际的控制量。 常用的清晰化有 3 种:重心法、最大隶属度法、加权平均法。 4.3 基于模糊控制的全自动洗衣机控制器的设计 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板，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、洗涤剂投放量和 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 4 软件设计 17 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、洗涤 剂投放量、水流强度和水流方式（电机转速）是被控对象的主要参量，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。模糊控制器设计由模糊化、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。图4.2是全自动洗衣机的模糊控制原理框图： 图4.2 全自动洗衣机的模糊控制原理框图 4.3.1 模糊控制输入量 模糊控制输入量是模糊推理的前件，对于全自动洗衣机模糊控制器而言，主 要有重量、衣质、脏污程度和脏污性质等四个输入量。这四个输入量的模糊子集 隶属函数设计如下： 重量：论域的语言值定义为多、较多、较少、少四种，其模糊子集隶属度函数 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 4 软件设计 18 见图4.3； 衣质： 论域的语言值定义为化纤、混纺、棉布三种，其模糊子集隶属度函数见 图4.4； 脏污程度：论域的语言值定义为很脏、一般脏、不太脏三种模糊子集隶属度函 数见图4.5； 脏污性质：论域的语言值定义为油性、中性和泥性三种，模糊子集隶属度函数 见图4.6。 图 4.3 重量隶属度函数 图 4.4 衣质隶属度函数 图 4.5 脏污程度隶属度函数 图 4.6 脏污性质隶属度函数 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 4 软件设计 19 4.3.2 模糊控制的输出量 全自动洗衣机模糊控制的输出是模糊推理的后件，主要包括水位、洗涤时间、 洗涤剂投放量和水流强度四个量。这四个输出量的模糊子集隶属函数设计如下： 水位：论域的语言值定义为高、较高、较低、低四种，其模糊子集隶属度函数 见图4.7 水流强度：论域的语言值定义为强、中和弱三种，其模糊子集隶属度函数见图4.8 洗涤剂投放量：论域的语言值定义为多、较多、中、较少和少五种，其模糊子 集隶属度函数见图4.9 洗涤时间：论域的语言值定义为很长、长、较长、中、较短、短、很短七种， 其模糊子集隶属度函数见图4.10（见下页） 图 4.7 水位模糊子集隶属度函数 图 4.8 水流强度模糊子集隶属度函数 图 4.9 洗涤剂模糊子集隶属度函数 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 4 软件设计 20 图 4.10 洗涤时间模糊子集隶属度函数 4.3.3 模糊控制规则 全自动洗衣机的模糊控制规则即洗衣机控制策略，是实现最佳洗涤效果的经 验结晶。采用if-then 规则，其表达形式为： if（衣量）is（重量的某个语言值）and（衣质）is（衣质的某个语言值） and（脏污程度）is（脏污程度的某个语言值）and（脏污性质）is（脏污性质的 某个语言值）then水位is（水位的某个语言值）and（水流强度）is（水流强度 的某个语言值）and（洗涤时间）is（洗涤时间的某个语言值）and（洗涤剂） is（洗涤剂的某个语言值）为了简洁地给出模糊控制规则表，对于变量的语言值 可采用下面的数字定义： 水位：（低、较低、较高、高）=（1、2、3、4） 水流：（弱、中、强）=（1、2、3） 洗涤剂：（少、较少、中、较多、多）=（1、2、3、4、5）洗涤时间： （短、较短、中、较长、长）=（1、2、3、4、5） 在上述定义下，结合洗涤实际过程，可得到如表 4.1 所示的模糊控制规则。 控制规则用四位数字表示，第一位是水位高低、第二位是水流强度、第三位是洗 涤剂投放量、第四位是洗涤时间，如“4355”表示高水位、强水流、多洗涤剂、 长洗涤时间的控制方式。 上述为模糊控制在全自动洗衣机控制器中的应用。在本次设计中由于时间与 经费的限制，我们输入的模糊量有重量、浑浊度。输出量有水位、洗涤时间，洗 涤强度。 重量：论域的语言值定义为轻、重； 脏污程度：论域的语言值定义为净、脏； 水位：论域的语言值定义为高、低； 水流强度：论域的语言值定义为慢、快； 对洗衣机工作情况设计模糊规则表如表 4.2 所示：(分别用 1、0 表示是、否 状态)： 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 4 软件设计 21 表 4.1 全自动洗衣机模糊控制规则表 衣物很脏一般脏不太脏 衣质衣量泥性油性泥性油性泥性油性 多435543554234424442234233 较多324432553233324332223223 较少223322442222223321112121 化 纤 少112311331122112211111111 多435543554334434542244234 较多334533553234324432233223 较少223422442223223321112122 混 纺 少122312331122112211111111 多435543554335434543244334 较多334533553234334432233233 较少233423452234223422122223 棉 纺 少122312341222122311111111 表 4.2 设计中的模糊规则表 4.4 软件设计思路 全自动洗衣机模糊控制系统软件由主程序、多个功能子程序两个层次组成。 主程序中既有模糊控制程序, 也有用户根据实际需要设置的用户程序。主程序完 成初始化、键查询处理、洗涤、漂洗、脱水等操作; 子程序包括显示子程序、衣 物重量检测子程序、进水子程序、洗涤子程序、漂洗子程序、脱水子程序、时钟 中断子程序等。 4.4.1 输入端口设置 1、ioa3:衣服脏净检测输入端口。实际中对脏净程度的检测是根据安装在 排水口的红外线光电传感器，通过分析透光率的变化曲线，来检测浊污程度的。 重量浑浊度 传感器 检测 洗衣规则 轻重净脏 水 位 转 速 1010 低慢 0110 高慢 1001 低快 洗衣机检测状态 0101 高快 重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 4 软件设计 22 但考虑设计经费采用电位器来代替，并以其电位器的值来反映。 当此端口输入电压为 02.5v 左右（电位器值为 01k 左右）时，表示衣物 较干净； 当此端口输入电压为 2.55v 左右（电位器值为 1k2k 左右）时，表示衣 物较脏； 2、ioa4:衣物质量检测输入端口。实际中采用可称重的压力传感器来进行 衣物质量的检测。实验设计时采用电位器来代替。 当此端口输入电压为 02.5v 左右（电位器值为 01k 左右）时，表示衣物 较轻； 当此端口输入电压为 2.55v 左右（电位器值为 1k2k 左右）时，表示衣 物较重； 3、ioa5:水位检测输入端口。本次设计时采用开关式水位传感器。用其 0，1 状态来显示水位是否达到设定值。当达到设定水位时水位传感器闭合，为 1 状态。 4.4.2 输出端口设置 （1）ioa8和 ioa9：控制电机正反转输出端口 当 ioa8=1 且 ioa9=0 时，电机正转 当 ioa8=0 且 ioa9=1 时，电机反转 （2）ioa12和 ioa13：衣物脏净显示端口，用发光二极管显示 当 ioa12=1 且 ioa13=0 时,表示衣物较干净 当 ioa12=1 且 ioa13=1 时,表示衣物较脏 （3）ioa14和 ioa15：衣物质量显示端口，用发光二极管显示 当 ioa14=1