模糊控制全自动洗衣机控制系统 2012.05

毕 业 设 计（论 文）题目：模糊控制洗衣机控制系统设计（英文）： design of control system of fuzzy control washing machine院 别： 机电学院 专 业： 机械电子工程 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： 模糊控制洗衣机控制系统设计摘要基于模糊控制的全自动洗衣机自动控制系统，以单片机89C52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1。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中所必需的物理量，进入模糊控制器，通过模糊推理，实现对洗衣机自动识别衣质，衣量，自动识别脏污程度，自动决定水量等功能的控制。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，模糊控制软件起到了决定性的作用。本设计将模糊控制引入洗衣机控制系统中，根据洗衣机的工作特点，重点阐述其模糊决策系统，并给出洗衣机的控制程序流程图2。关键词：模糊控制；洗衣机；单片机Design of Control System of Fuzzy Control Washing MachineABSTRACTBased on fuzzy control completely automatic washer automatic control system,it used the monolithic integrated circuit 89C51 as the control core.It realizes the intelligent control and enhaced the quality of washing clothed,save the energy.Fuzzy controllers design is the essential link.It uses the sensor to examine the essential physical quantity of the wash clothes process,they enter the fuzzy controller,through the fuzzy reasoning,realizes of the washer automatic diagnosing clothes nature,the clothes quantity,the automatic diagnosing dirty degree,automatically deciding the water volume,function and so on.The hardware arthitecture diagram and the software flow chart are the important constituent of this system.In entire controlled process,Fuzzily controlled software plays the decisive role.In this paper,fuzzy control is introduced into washing machine control system.On the basis of researches in washing machine working character,fuzzy deciding system is presented.At last it gives a working program diagram.Key words: fuzzy control;washing machine; monolithic integrated circuit目录1绪论11.1国内外研究现状11.2全自动洗衣机的发展前景21.3全自动洗衣机的设计目的31.4模糊控制理论简介31.5研究内容及章节安排42传动系统结构设计52.1减速离合器的结构52.1.1离合器结构52.1.2行星减速器结构72.2本章小结83硬件设计93.1全自动洗衣机设计方案93.2最小系统设计103.2.1CPU选型103.2.2单片机的存储器和寄存器133.3A/D转换模块设计143.4传感与检测模块183.5传感检测方法203.6显示模块设计223.7本章小结244模糊控制254.1模糊控制器254.2模糊控制实现方法254.2.1基本结构和控制过程254.2.2洗衣机洗涤性能影响因素264.2.3模糊控制器的设计274.3本章小结315软件设计325.1寄存器325.2流程图及其代码335.3软件仿真565.3.1水位确定565.3.2水流强度确定575.3.3洗涤时间确定605.3.4修正时间确定635.4本章小结65总结与展望66参考文献67致谢68附录A69附录B70模糊控制全自动洗衣机控制系统1绪论1.1国内外研究现状要想模糊控制取得良好的控制效果，关键在于需要有一个完善的控制规则。模糊规则是人们通过对过程或者对象模糊信息的归纳得到的。然而由于在复杂的工业工程中，尤其是对高阶、时变参数、大时滞、非线性和随机干扰严重的复杂控制过程。人们的认识通常比较贫乏或难以总结完整的经验。因此，这就使得单纯的模糊控制在某些情况下很糟糕。适应不同的运行状态十分困难，从而影响了控制效果3。目前，模糊控制的研究主要可以分为常规模糊控制，高性能模糊控制，复合模糊控制这三大类4。1、常规模糊控制它是由输入和输出变量模糊化，模糊推理和决策算法，模糊判决等部分组成的一种语言控制器。在实现的过程中，计算机首先把采集到的控制信息通过语言控制规则进行模糊推理和模糊决策，求得控制量的模糊集，再经过模糊判决得到输出控制的精确量，作用于被控对象，使被控过程满足控制要求。在目前的实际应用中，模糊控制通常有两种组成方式：一种是利用硬件芯片直接实现模糊控制的模糊控制器。虽然推理速度快，控制精度高。但是价格高，输入输出以及模糊控制规则有限并且不够灵活。因此，只能适用于单调，或者机械性操作控制。另一种是通过软件上的模糊控制算法代替数字控制器的控制算法的模糊控制器。它成本低、使用灵活、应用范围广，是目前的主流。2、高性能模糊控制（1）自校正模糊控制：它克服了推理决策的单调性和局限性，采用加权推理决策，并引入协调因子，根据系统偏差e和偏差EC的大小，预测控制系统中的不确定量并选择一个最佳的控制参数或控制规则集，在线自动调整保守和大胆控制的混合程度。从而更全面，确切地反映出人对诸因素的综合决策思想，提高系统的控制精度和鲁棒性能。（2）自组织模糊控制：此类模糊控制能自动对系统本身的参数或控制规则进行调整，使系统不断完善，以适应不断变化的情况，保证控制达到所希望的效果。它根据自动测量得到的实际输出特征和期望特征的偏差，确定输出响应的校正量并转化控制校正量，调整模糊控制规则，作用于被控对象。其基本特征是：控制算法和规则可以通过在线修改，变动某几个参数使控制结果发生改变。（3）多变量模糊控制：基于上述模糊控制技术，将一个多变量模糊控制转化为多个互不干扰的单变量模糊控制的组合，利用补偿的方法，消除多变量模糊控制系统间的耦合。多余多变量模糊控制，由于控制通道的特性不同，控制规则也可能不同，在进行控制时，为了便于控制，易于实现，适用一张控制查询表，通过调整不同的参数，来实现不同控制，提高控制系统的稳定性和灵活性。3、复合模糊控制虽然模糊控制不需要精确的数学模型，对于处理非线性、时变以及纯滞后等复杂系统是一条很有效的途径。然而，自身也存在不具有学习和适应能力，控制精度较低等缺陷5。因此，将模糊控制与于其他智能控制技术结合是目前研究的新热点。当今，最流行的三种复合控制分别是：模糊控制与专家控制结合、模糊神经网络和基于遗传算法优化的模糊控制。1.2全自动洗衣机的发展前景从古到今，洗衣机都是一项难以逃避的家务劳动，而在洗衣机出现以前，对于许多人而言，它并不像田园诗描绘的那样充满乐趣，手搓、棒击、冲刷、甩打、这些不断重复的简单的体力劳动，留给人的感受常常是：辛苦劳累。1858年，汉密尔顿史密斯制成了世界上第一台洗衣机。1874年，“手洗时代”受到了前所未有的挑战，美国人比尔布莱克斯发明了世界上第一台人工搅动洗衣机。1911年美国人又研制了世界上第一台电动洗衣机。1920年美国的玛依塔格公司又把洗衣机的木制桶改为铝制桶体，第二年又把铝制桶体改为外层铸铝，内层为铜板的双层结构。1936年，他们又将搪瓷用于洗衣机桶体。与此同时，世界各地也相继出现了洗衣机。欧洲国家研究成功了喷流式洗衣机和滚筒式洗衣机6。1932年后，美国一家公司研制成功了第一台前装式滚筒全自动洗衣机，洗涤、漂洗和脱水都在同一个滚筒内自动完成，使洗衣机的发展跃上了一个新台阶。这种滚筒洗衣机，目前在欧洲、美洲等地得到了广泛的应用。第二次世界大战结束后，洗衣机得到了迅速的发展，研制出具有独特风格的波轮式洗衣机。这种洗衣机由于其波轮安装在洗衣桶底，又称涡卷式洗衣机。全自动洗衣机的发展首先表现在洗涤方式发生巨大变化。原先大多侧重于水流的改变，动力的加大。现在，超音波、电解水、臭氧和蒸汽洗涤的运用，使洗衣机的去污能力从单纯依靠洗衣粉、洗涤剂的化学作用和强弱变化的水流机械作用，向更高层次的健康、环保洗涤方式转变，特别是电解水、超音波技术在洗衣机行业的运用几乎改变了洗衣机的历史洗衣不用或少用洗衣粉、洗涤剂，减少化学品对皮肤的损害和对环境的污染。电解水、臭氧、蒸汽的杀菌除味及消毒功能倍受青睐，引发了洗衣机消费健康潮。另一种变化就是高度自动化、智能化、人性化。从半自动、全自动到现在流行的人工智能、模糊控制，只需按一下按钮一切搞定！同时，用户可以按照自己的洗衣习惯，自主选择时间和方式，自编和记忆程序让用户真正做到随心所欲。人性化还表现在适用的方便和舒适，如子母分洗洗衣机可以做到不同衣物分开洗；斜桶和顶开滚筒可以做到取放衣物方便不需深弯腰；蒸汽烘干功能使得晾晒更加方便，DD直驱电机在节能降噪方面效果更加突出，等等。另外，大容量成为不变的趋势。前几年，洗衣机容量多为45公斤，6公斤的大容量尚很少见。现在，7公斤的容量已经很普遍，8公斤的也正常。现代人居空间不断扩大，对宽敞、舒适、方便的要求更多，大能容小，大容量洗衣机一台可顶一套。业内人士表示，尖端洗涤技术的革新，所表现出的洗衣方式更加注重健康和个性化，已在市场发展中倍受欢迎。1.3全自动洗衣机的设计目的目前中国洗衣机市场正进入更新换代期，市场潜力巨大，人们对洗衣机的要求也越来越高，目前的洗衣机主要有强弱洗涤功能，进排水系统故障自动诊断功能，暂停等七大功能，在许多方面还不能达到人们的需求。这就要求设计者们有更高的专业和技术水平，能够提出更多好的建议和新的课题，将人们的需要变成现实，设计出更节能，功能更全面，更人性化的全自动洗衣机。目前的洗衣机都没有实现全方面的兼容，大多洗衣的厂家都注重各自品牌的洗衣机的特长，突出一两个与别的洗衣机不同的个性化的功能，洗衣机的各项功能是由单片机控制实现的，单片机的体积小，控制功能灵活，因此，设计出基于单片机的全自动洗衣机控制电路系统具有很强的实用性。1.4模糊控制理论简介模糊控制是智能控制的一种典型形式,作为智能控制的一个分支。模糊数学和模糊控制的概念是加利福尼亚大学教授扎德提出的。1974年英国伦敦大学教授EHManidani首先应用模糊控制逻辑研制成功模糊控制器。1979年，英国IJProcyk和EHManidani研制成功自组织模糊控制器，标志着模糊控制器“智能化”程度的进一步提高。1984年年底国际模糊系统学会成立。模糊控制理论从提出至今虽然只有20多年，但是无论是在模糊控制的算法、模糊推理决策、工业控制应用、模糊系统集成，以及自学习、自适应和工程应用方面都取得了长足的进步7。与传统控制理论相比，模糊控制有两大不可比拟的有点：第一，模糊控制在许多应用中可以有效且便捷的实现人的控制策略和经验，这一优点自从模糊控制诞生以来就一直受到人们密切的关注；第二，模糊控制不需要被控对象的数学模型即可实现较好的控制，这是因为被控对象的动态特性已隐含在模糊控制器输入、输出模糊集及模糊规则中8。所以模糊控制被越来越多的应用于各个领域，尤其是被广泛应用于家电系列中，基于模糊控制的洗衣机就是其中的一个典型实例。1.5研究内容及章节安排本设计主要研究内容在上述文中以全面阐述，主要是将模糊控制的思想引入洗衣机的控制中，通过该思想的引入，使得洗衣机的工作更加简单，易操作化。在接下来的论述中，主要涉及到该控制系统的硬件设计，其中包括最小系统设计，A/D转换模块设计，传感与检测模块和显示模块的设计，然后是该设计的重点部分，即模糊控制的实现方法，主要涉及到模糊控制规则及模糊控制器的设计。模糊控制后，是软件设计部分，这其中包括流程图和代码，以及软件仿真阶段。652传动系统结构设计传动系统主要由电动机、减速离合器组成。套桶式全自动洗衣机使用一台电动机完成洗涤和脱水。洗涤时，波轮转速较低（140200 r/min）；而脱水时，脱水桶转速较高（约800r/min）。因此，要对电动机1370r/mim的输出转速经常减速处理，以适应两项工作的不同要求，这主要由洗衣机的传动系统来完成，传动系统的工作示意如下：波轮（约140-200r/min）行星齿轮（减速比为1/4-1/4.8）700-800r/min电动机（约1370r/min）脱水桶、波轮V带（减速比约1/1.71/2）图2.1 传动系统结构图2.1减速离合器的结构早期设计的小波轮全自动动洗衣机的离合器没有减速功能，故洗涤和脱水转速相同。新型大波轮全自动洗衣机的离合器都具有洗涤减速功能，称为减速离合器，其种类很多，但主要结构和工作原理基本相同。目前应用最广泛的有两种：单向轴承式减速离合器与带制动式减速离合器。选用单向轴式减速离合器。单向轴承式减速离合器主要由离合器和行星减速器两部分组成。2.1.1离合器结构离合器主要结构如图2.2。离合器中部有两根轴：输入轴1和脱水轴18。输入轴1的下端加工成四方形，与之相配的带轮3和离合套20的内孔也是方形。离合套20和带轮3被螺母2固定在输入轴1上，由于方轴与方孔的紧密配合，从而带轮3、输入轴1和离合套30联成了一体。输入轴1的上端加工成齿形花键，和行星减速器的中心轮内孔配合联接输入轴1的外部是脱水轴18。在衣服洗涤时，脱水轴静止不转；而洗涤结束后，脱水轴应将带轮3的高转速直接传递给脱水桶，完成脱水功能。这种转换功能是由方丝离合弹簧4完成的。方丝离合弹簧的形状呈锥形，上端几圈的直径比下端略小一些。由于脱水轴18和离合套20的外径比方丝离合弹簧的内径略大，在自由状态时，方丝离合弹簧就抱紧在离合套20和脱水轴18的外壁上。当带轮带动离合套向弹簧旋紧方向旋转时，通过方丝离合弹簧就将带轮3的转动由离合套20传递到脱水轴18，这就是“合”时的脱水状态。在洗涤时，可以就将方丝离合弹簧向反方向旋松，使其内径变大，从而与离合套20脱离接触，这就是“离”时的洗涤状态。实现弹簧旋松的机构是棘轮棘爪装置，图2.3是其工作原理简图。方丝离合弹簧下端的弹簧卡2卡在棘轮3的内槽中，通过棘爪5的摆动使棘轮3转动，从而带动方丝离合弹簧向旋松方向转动。图2.2 离合器结构装配图图2.3 棘轮棘爪装置2.1.2行星减速器结构行星减速器结构如图2.4所示。减速器外罩8和减速器底盖10用螺钉紧固在一起，再安装在法兰盘12上，法兰盘12和脱水轴2通过锁紧块13固定在一起，因为法兰盘12和脱水桶相联接，所以减速器外罩8、减速器底盖10、法兰盘12和脱水桶成一整体。减速器底盖10有上、下两个止口，从而保证了减速器和脱水轴2安装时的同心度。对行星减速器来说，输入轴1是动力的传入轴，其花键端插入中心轮11的内孔中。行星轮4共有4个，与中心轮11以及内齿圈6相啮合。内齿圈6通过其圆周槽卡在减速器底盖10上，与之联成一体。行星轮通过销轴5安装在行星架7上，当行星轮绕中心轮公转时，将带动行星架一起旋转。波轮轴9两端都加工成齿形花键，其下端与行星架7联接，上端与波轮相联，从而使波轮以低速旋转洗涤衣物。图2.4 行星减速器结构装配图2.2本章小结本章主要介绍了洗衣机传动部分最重要的结构即减速离合器的结构。单向轴式减速离合器主要包括离合器和行星减速器。3硬件设计针对上文的功能，硬件电路应包括七个部分：微处理器控制电路、显示电路、采样电路、电机控制电路、进水阀控制电路、排水阀控制电路和按键报警电路。通过这几个部分电路的协调工作，洗衣机能模拟人脑进行操作。3.1全自动洗衣机设计方案本系统实现了对洗衣机整个洗衣过程的控制，包括用户参数输入、洗衣、漂洗、排水和脱水等阶段。控制系统主要由数字控制电路和机械控制电路二大模块构成数字控制电路负责控制洗衣机的工作过程，主要由89C52单片机、三位共阳数码管、按键、蜂鸣器、LED指示灯组成；机械控制电路实现传感器检测、电机驱动、进水、排水等功能，主要由水位检测器、电动机、传动系统部件、进水排水电磁阀组成。1、洗衣机面板上有5个按键K1，K2，K3，K4，K5K1为启动/暂停键：按奇数次视为启动，偶数次视为暂停。K2用于洗衣程序选择：按一下选择洗涤，按两下选择漂洗，按三下选择脱水。K3用于洗衣方式选择：按一下选择标准洗方式，按两下选择快速洗方式，按三下选择轻柔洗方式K4用于水位选择：按一下进水至低水位，按两下进水至中水位，按三下进水至高水位。K5用于时间选择：按一下洗衣时间短，按两下洗衣时间适中，按三下洗衣时间长。2、洗衣机自检洗衣机上电后，先进行自检，包括检查安全开关，排水阀状态，进水阀工作过程，电机的运转等，若发现异常现象则蜂鸣器响，报警灯亮。3、洗衣程序（1）洗涤过程通电后，若不选择洗衣周期，则洗衣机从洗涤过程开始。进入洗涤过程，首先进水阀接通，开始向洗衣机供水，当到达要求水位时，进水阀通电关闭，停止进水；电机M接通，带动波轮旋转，形成洗衣水流。电机M是一个正反转电机，可以形成往返水流，有利于洗涤衣物。（2）漂洗过程与洗涤过程操作相同，只是时间短一点。（3）脱水过程洗涤或漂洗过程结束后，电机M停止转动，排水阀M接通，开始排水。排水阀动作的同时，电机M也接通，使电机可以带动内桶转动。当水位低到一定值时，再经过一段时间后，电机开始正转，带动内桶高速旋转，甩干衣物。4、显示洗涤、漂洗和脱水时间都通过倒计时的方式显示在3个LED上，依次为分位，秒十位，秒个位，此外，还有发现异常现象是错误信息的显示。5、参数处理要对洗衣机进行控制，首先要用各种传感器不断地检测相关的状态，以作为控制的依据。其中，污浊度传感器，温度传感器和负载传感器是模拟信号，需要经过A/D转换变成数字信号，而水位传感器本身就是数字信号，把布质、布量、温度、脏污程度等输入量输入到模糊控制器中，从而输出水位，水流强度，洗涤时间等参数，所有的模糊推理在洗涤前基本执行完毕。单片机接受到这些传感器的信号以后，经过一系列处理作出反应，从而控制洗衣机的工作。3.2最小系统设计对51系列单片机来说，单片机+晶振电路+复位电路，便组成了一个最小系统。在硬件设计中，首先要处理的问题是微处理器的控制电路，即CPU的选型。本次设计主要从以下几种系列的单片机中选择11。3.2.1CPU选型1、PIC系列PIC系列单片机系列是美国微芯公司的产品，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和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48MHz，故最短指令执行时间为250125ns。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（R0R31），前16个寄存器（R0R15）,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R16R31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12。它的处理对象不是字或字节而是位。它不仅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20H2FH,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00H7FH）,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），只需要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系类的另一个有点是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。八位除以八位的除法指令，商为八位，精度嫌不够，用的不多。而八位乘八位的乘法指令，其积为十六位，精度还是能满足要求的，用的较多。做乘法时，只需一条指令就行了，即MULAB（两个乘数分别在累加器A和寄存器B中。积的低位字节在累加器A中，高位字节在寄存器B中）。很多的八位单片机都不具备乘法功能，作乘法时还得编上一段子程序调用，十分不便。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口均置为高电平）。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A甚至更小（电流实际上是由脚上的上拉电流形成的），基本上没有驱动能力。其原因是高电平时该脚也同时作为输入脚使用，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1.51.8V）。综上所述，我们本次设计采用51系列，而51系列的典型产品是8051。8051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芯片，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13。89C52的引脚图如图3.1所示。图3.1 89C52引脚给出51单片机最小系统原理图如下：图3.2 51单片机最小系统原理图3.2.2单片机的存储器和寄存器89C52单片机存储器用的是哈佛（Harvard）即程序存储器空间和数据存储器空间是各自独立的，两种存储器各自有自己的寻址方式和寻址空间。这种结构对于单片机“面向控制”的实际应用极为方便、有利。89C52单片机程序存储器和数据存储器的扩展能力分别可达64KB，寻址和操作简单方便。89C52的存储器空间有ROM（程序存储器，只能读）和RAM（数据存储器，可读可写）两类。程序存储器（ROM）:89C52的片内程序存储器容量为8KB，地址从0000H开始，用于存放程序和表格常数。数据存储器（RAM）:89C52的片内数据存储器为256B，地址为00H-FFH,用于存放运算的中间结果、数据暂存以及数据缓冲等。在这256B的RAM中，有32个字节单元可指定为工作寄存器，这同一般微处理器不同。89C52的片内RAM和工作寄存器排在一个队列里统一编址。89C52单片机内部还有SP,DPTR等特殊功能寄存器，它们也同256字节RAM在一个队列里编址，地址为80H-FFH。在这256字节RAM单元中有21个特殊功能寄存器（SFR）,在这些特殊功能寄存器中还包括P0-P3口锁存器14。3.3A/D转换模块设计A/D转换器种类很多，按及入口方案来分，可分为并行接口和串行接口两类。串行接口又分为三线式接口和两线式接口两种。由于89C52串行口有限，而本次设计也用到了很多串口，而且我们需要一个多通道的转换器，而MAX192正是满足这种要求，其转换精度也高，所以本次设计我们采用MAX192。MAX192是一种低功耗、单电源、8通道、串行的10位A/D转换器。由于该芯片在片外已有采样跟踪保持电路，内部时钟电路和内部参考电压源，所以在应用时，所需外围元件极少，与单片机连接也只占有4-5条口线，因此，用MAX192构成的数据采集系统具有硬件结构简单、体积小和功耗低的优点。MAX是美国美信公司设计的一个10位A/D转换器，它的信号输入有两种方式：8通道单端输入和4通道差分输入，具有极高转换速度。其4线串行接口与SPI、QSPI、MicroWire等串行总线兼容，具有内部时钟方式和外部时钟方式，内带4.096V的基准电压，也可用外部基准电压15。1、MAX192的引脚图与典型接线图如图。图3.3 MAX192引脚图与典型接线图2、MAX192控制字（1）MAX192控制字占一个字节，其格式见表3.1。表3.1 控制字节的含义Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0STARTSEL2SEL1SEL0UIN/BIPSGL/DIFPD1PD0注： 1.START:转换开始位。逻辑“1”有效。 2.SEL0-2：通道选择位。选择所需转换信号所连接的通道。 3.UNI/BIP:单/双极性信号转换模式选择位。1=单极性信号；0=双极性信号。对于单极性信号，模拟输入中0VVREF的电压被转换；对于双极性信号，- VREF/2+VREF/2的信号被转换。 4.SGL/DIF：输入信号形式选择位。“1”为单端信号输入，“0”为差分信号输入。 5.PD0-PD1：时钟模式及省电模式选择位。（2）MAX192单端方式（SGL/DIF=1）通道选择如表3.2所示。表3.2 单端方式通道选择SEL2SEL1SEL0CH0CH1CH2CH3CH4CH5CH6CH7AGND000+_100+_001+_101+_010+_110+_011+_111+_（3）MAX192查分方式（SGL/DIF=0）通道选择如表3.3所示。表3.3 查分方式通道选择SEL2SEL1SEL0CH0CH1CH2CH3CH4CH5CH6CH7AGND000+_100+_001+_101+_010+_110+_011+_111+_（4）MAX192的时钟和掉电选择如表3.4所示。表3.4 时钟和掉电选择PD0PD1器件模式11外部时钟方式10内部时钟方式01速掉电模式（Fast Power-Down Mode）00全掉电模式（Full Power-Down Mode）3、MAX192的工作原理MAX192器件采用逐次逼近转换技术及输入采样/保持电路把模拟信号转换成10位的数字信号输出，模拟信号有单端输入和差分输入两种输入方式，输入电压范围分单极性（0-40.96V）和双极性（-4.096/2-4.096/2V）两种，每做完一次A/D转换，需从串行数据输入端输入以“1”开始的8位控制字对器件初始化，内部控制逻辑控制A/D转换16。当MAX192的CS端有效时，在时钟SCLK的每一个上升沿把一个最高位为“1”的控制字节的各位送入输入移位寄存器，控制器收到控制字节后，选择控制字节中给定的模拟通道，并在SCLK的下降沿启动转换。在启动转换后，MAX192可以使用外部串行时钟或内部时钟来完成逐次逼近转换。在两种时钟方式中，数据的移入/输出都由外部时钟来完成。转换结束后的数据是由DOUT端读出的。应该注意，数据的输出时高位在先，低位在后，有效位为10位。在单极性输入方式下，输出的是标准二进制码，对于差分方式下的双极性输入，其输出是莫二补码。需要注意的是，在单极性输入方式下，转换完成后的10位数据在移位寄存器中存放时，在数据的首部添了一个“0”，在尾部添加了5个“0”，这样，要得到最终的正确结果，需要把这16位数（包括10位有效数据）右移5位。在编写采样程序时，送完一字节控制字，何时读转换结果，有两种判断方法：一是看SSTRB信号是否变高，二是延时多少s（最大位10s）。3.4传感与检测模块当前国内洗衣机都需人工设置, 人工设置过程如下: 首先由用户观察估计洗涤物的量, 然后设定水位和选洗涤剂的量, 再根据布质选择洗涤方式, 然后选择洗涤时间( 如: 12 秒、9 秒、6 秒、3 秒) 和清洗次数( 如: 2 次、1 次) 以及脱水时间( 如: 6 秒、3 秒) 。由此可见, 人工设置必须经过一系列繁琐的选择, 所以对用户对象具有一定的局限性, 此外, 用户设置不合理也会造成布料的磨损和水电的浪费现象。为解决这些问题需在洗衣机中引入传感技术, 模糊推理技术模仿人的思维, 实现洗衣机的智能化17。本次设计中用到4个传感器，分别为：TS污浊度传感器、温度传感器、负载传感器和水位传感器。其中，污浊度、温度和负载传感器输出的都是模拟信号，需要通过A/D转换才能作为单片机的控制信号，而水位传感器本身输出的就是数字信号，所以不需要通过A/D转换，直接可用做单片机的控制信号18。1、TS污浊度传感器内部原理图如图3.4所示。污浊度检测传感器的主要原理是光电耦合器，而普通的光电耦合器不能有效的检测洗衣机水的浑浊度。光电耦合器的光源必须是红外光才能准确的检测浑浊度。TS浊度传感器是GE公司开发的一种专门用于家电产品的低成本传感器，主要用于洗衣机、洗碗机等产品的水污浊程度的测量。图3.4 浊度传感器内部原理接线图2、温度传感器温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。热电偶应用很广泛，因为它们非常坚固而且不太贵。热电偶有多种类型，它们覆盖非常宽的温度范围，从-200到2000。它们的特点是:低灵敏度、低稳定性、中等精度、响应速度慢、高温下容易老化和有漂移，以及非线性。另外，热电偶需要外部参考端。我们常用的温度传感器有DS18B20、AD590等，它们都是集成温度传感器。DS18B20输出是数字信号，可以直接和单片机相连，而且硬件连接电路少，但需要对其进行复杂的软件编程。AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数。AD590的测温范围为-55+150。AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反响电压，因而器件反接也不会被损坏。输出电阻为710MW。精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为0.3。本设计我们选用AD590作为温度传感器。AD590比DS18B20精度更高、线性度误差小，且不需要温度报警和复杂的程序编程，非常适合用于洗衣机的温度检测传感器。3、负载传感器根据模糊控制要求，负载检测是通过检测电动机的反电动势来实现的，而电动机的反电动势比单片机所用电压大的多，不能直接采样，必须经过隔离。采用线性光电耦合器既能隔离高电压和干扰，又能得到满意的检测信号。4、水位传感器，原理图如图3.5所示。谐振式水位传感器，采用了新型的传感原理，把水位的高低，通过水位传感器直接变成水位与频率的对应关系。衣物的洗净度、水流强度、洗涤时间等参数的检测，对模糊控制洗衣机在节水、节能、减少洗涤时间方面起决定性的作用。图3.5 水位传感器原理图3.5传感检测方法（1）布量检测洗涤电机带动负载运转时, 突然切断电源, 由于惯性作用, 会维持短时间旋转, 这时转子剩磁切割定子绕组而产生感应电势, 该电势可以从定子绕组两端检出。由于衣物的阻尼作用, 电机转速迅速下降, 感应电势相应衰减, 其衰减时间与衣物量成一定比例19。由于测反电势的方法不需增加专用传感器, 只需从电机起动电容两端取出信号, 经过隔离、放大、整形后, 由计算机检测出反电势的脉冲个数, 即可得到衣物量的信息。衣物的阻尼( 衣物量) 与感应电势的关系还可用以下方法判定: 当电机停转时, 如果衣物量少, 阻尼小, 则反电势衰减慢, 其脉冲周期T 较小; 反之, 衣物量多,阻尼大, 则反电势衰减较快, 其脉冲周期T 较大。为了更加准确地检测布量, 也可同时用两种方法进行综合判断, 见图3.6。图3.6衣物的阻尼与感应电势的关系（2）布质检测棉质衣物和化纤衣物在不同水位有不同的阻尼,反应在电机停转时感应电势的脉冲个数的特性如图3.7。从图中可以看出, 当衣物是化纤时, 两种测定过程中得到的脉冲数差值较小, 而衣物是棉质时, 两种测定过程中得到的脉冲数差值较大。对于棉质衣物,它的软硬不同, 洗涤方式也有差异, 毛巾是柔软的棉织品, 而牛仔裤是硬质棉织品, 洗涤上应有差别。故在区别衣物是棉质时, 就应进一步判定它是软质还是硬质的棉织品, 棉织品的软硬是根据其吸水特性进行检测的。在进行质地测定前, 测出该时的水位值。在进行质地识别时, 由于电机进行24秒的启停运转, 会使衣服进一步吸水而令水位下降。在质地识别后, 再测出水位值, 利用两者的差值, 可以判别出棉织品是软质的还是硬质的衣物,如图3.8所示。差值较大, 说明衣物是硬质的, 差值较小, 说明是软质的。图3.7 电机停转时感应电势的脉冲数图3.8 判断棉衣软、硬质地（3）温度检测水温的检测较为简单, 温度传感器安装在洗衣外桶的底部, 通过这个传感可以在任何时候检测水温。（4）脏污检测衣物的脏污( 包括脏污程度和脏污性质) 检测是由安装在排水口的红外光电传感器, 通过分析透光率的变化关系, 从而检测脏污程度和脏污性质。图3.9为洗涤过程中, 红外光电传感器透光率的变化曲线。从图3.9( a )可以看出, 脏污程度较重的, 在洗涤一段时间后, 透光率变化较大; 脏污程度较轻的, 在洗涤一段时间后, 透光率变化较小。图3.9( b) 中的两条曲线在洗涤一段时间后比较接近, 但其变化速率不一样。对于油污性质的脏污, 由于其溶解速度慢, 因而透光率的变化率较小; 反之, 对于泥性脏污, 由于易于脱落, 因而透光率的变化较大。因此, 可通过检测红外光电传感透光率变化的绝对量和相对量, 检测衣物的脏污程度和脏污性质。图3.9 红外光电传感器透率的变化曲线3.6显示模块设计为方便用户使用和操作洗衣机，需要在洗衣机的操作面板上设置显示器。显示器有LED和LCD两种。LCD（Liquid Crystal Display）是液晶显示器英文名称的缩写，液晶显示器是一种被动式的显示器，即液晶本身并不发光，而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特征，达到白底黑字或黑底白字显示的目的。LED（Light Emiting Diode）是发光二极管英文名称的缩写。LED显示器是由发光二极管构成的，所以在显示器前面冠以“LED”。本次设计只是显示时间，所以采用LED就可以达到目的了。1、LED显示器的结构常用的LED位8段或7段。每一段对应一个发光二极管。这种显示器有共阳极和共阴极2种。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连在一起，通常此公共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极LED显示器的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压，当某个发光二极管接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。为了使LED显示器显示不同的符号或数字，就要把不同段的发光二极管点亮，这样就要为LED显示器提供代码，因为这些代码可使LED相应的段发光，从而显示不同字型，因此该代码称之为段码（或称为字型码）。2、LED显示器工作原理LED显示器有静态显示和动态显示2种方式。LED显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极（共阳极）连接在一起并接地（或+5V）；每位的段码线（a-dp）分别与一个8位的锁存器输出相连。之所以称之为静态显示，是因为各个LED的显示字符一经确定，相应锁存器锁存的段码输出将维持不变，直到送入另一个的段码为止。正因为如此，静态显示器的亮度都较高，但静态显示的缺点是占用口线太多，如果显示器的位数太多，则需要加锁存器，因此一般情况下采用动态显示。在多位LED显示时，为简化硬件电路，通常将所有位的段码线相应段并联在一起，由1个8位I/O口控制，形成段码线的多路复用，而各位的共阴极或共阳极分别由相应的I/O线控制，形成各位的分时选通。本次设计中我们采用的是3位共阳极数码管，其中段码线占用一个8位I/O口，而位选占用3位I/O口。由于各位的段码线并联，8位I/O口输出的段码对各个显示位来说都是相同的。因此，在同一时刻，如果各位位选都处于选通状态的话，3位LED将显示相同的字符。若要各位LED能够显示出与本位相应的显示字符，就必须采用动态显示，即在某一时刻，只让一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选处于关闭状态，同时，段码线上输出相应位要显示的字符段码。这样，在同一时刻，3位LED中只有选通的那位显示字符，而其他2位则是熄灭的。同样，在下一时刻，只让下一位的位选处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，在段码线上输出将要显示字符的段码，则同一时刻，只有选通位显示出相应的字符，而其他各位都是熄灭的。如此循环下去，就可以使各位显示出将要显示的字符。虽然这些字符是在不同时刻出现的，而在同一时刻，只有一位显示，其他各位熄灭，但由于LED显示器的余晖和人眼的视觉暂留作用，只要每位显示间隔足够短，则可以造成多位同时亮的假象，达到同时显示的效果。LED不同位显示的时间间隔应根据实际情况而定。发光二极管从导通到发光有一定的延时，导通时间太短，则发光太弱，人眼无法看清，但也不能太长，因为要受限于临界闪烁频率，而且时间越长，占用CPU时间也越多，本次实际我们采用1ms延时。显示模块在硬件电路中的接线方式如下图：图3.10 LED显示接线图3.7本章小结本章主要进行的工作是对控制系统中硬件的设计，包括最小系统设计，其中包括CPU选型，存储器和寄存器的设计；A/D转换模块设计；传感与检测模块设计，传感检测方法，显示模块设计。通过该章节的设计，确定了洗衣机控制系统中所搭配的硬件，特别是传感与检测模块的设计，是硬件设计中的重中之重。因为洗衣机的模块化中的各个量都是通过传感器的检测得出的数据。因为传