全自动洗衣机控制器的设计.doc

1 论文题目 全自动洗衣机控制器的设计 摘 要 基于模糊控制的全自动洗衣机控制器自动控制系统 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 洗衣机 SPCE061A 精品文档 I欢迎下载 Subject Subject TheThe DesignDesign ofof thethe AutomaticAutomatic WashingWashing MachineMachine ControllerController 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 Key words Fuzzy Control Washing Machine SPCE061A 精品文档 I欢迎下载I欢迎下载 目目 录录 前前 言言 1 1 第第 1 1 章章 概述概述 2 2 1 1 设计背景 2 1 2 全自动洗衣机设计思路 3 1 3 全自动洗衣机设计内容 4 第第 2 2 章章 SPCE061ASPCE061A 的介绍的介绍 6 6 2 1 单片机的选择 6 2 2 凌阳单片机简介 6 2 3 SPCE061A 简介 8 2 3 1 性能 8 2 3 2 结构概览 9 2 3 3 芯片的引脚排列和说明 10 2 3 4 SPCE061A 的输入 输出接口 12 2 3 5 SPCE061A 精简开发板 13 第第 3 3 章章 模糊控制在全自动洗衣机中的应用研究模糊控制在全自动洗衣机中的应用研究 1818 3 2 模糊控制系统 19 3 2 1 模糊控制系统的组成 19 3 2 2 模糊控制器基本结构 20 3 3 基于模糊控制的全自动洗衣机控制器的设计 22 3 3 1 模糊控制输入量 23 3 3 2 模糊控制的输出量 24 3 3 3 模糊控制规则 25 第四章第四章 硬件设计硬件设计 2727 4 1 主要元器件介绍 27 4 1 1 重量传感器 27 4 1 2 浑浊度传感器 28 4 1 3 水位传感器 28 4 1 4 直流电机 29 4 2 U NSPCE061A的最小系统及外围电路 29 4 2 1 系统的时钟电路 30 4 2 2 语音输出电路 31 4 3 电源电路的设计 31 4 4 信号检测电路 33 4 5 洗涤电路 34 4 6 显示电路 35 精品文档 II欢迎下载II欢迎下载 4 6 1 状态显示电路 35 4 6 2 时间显示电路 35 4 7 语音报警电路 36 第第 5 5 章章 软件设计软件设计 3737 5 15 1 软件设计思路软件设计思路 3737 5 1 1 输入端口设置 37 5 1 2 输出端口设置 37 5 2 软件设计主流程图 38 第第 6 6 章章 系统调试系统调试 4040 6 1 静态调试 40 6 2 动态调试 41 6 3 软硬件联机调试 41 第第 7 7 章章 结束语结束语 4343 7 1 总结 43 7 2 心得体会 44 7 3 展望 44 致谢致谢 4646 参考文献参考文献 4747 附附 录录 4848 附录一 设计实物照片 48 附录二 电路图 49 精品文档 1欢迎下载1欢迎下载 前 言 洗衣机使人们告别了搓衣板 洗衣棒的手工洗衣时代 但是最初的洗衣机的自动 化程度并不高 洗衣的几个过程仍需要人工来进行切换 随着技术的发展 作为洗衣 机核心的电机驱动技术有了长足的发展 洗衣机也由最初的洗涤 脱水过程的手工切 换发展到半自动半手工切换 再发展到了现在的全自动洗衣机 洗衣过程的全自动化 并没有完全满足人的要求 目前 绝大多数洗衣机的电机驱动系统引入了微处理器 微处理器的引入使得洗衣机的功能更加强大 洗衣机生产行业通过对微处理进行编程 实现洗涤 脱水模式的多样化 满足用户洗涤不同衣质 不同污脏程度的衣物 而用 户在操作过程当中指需要按几个按键即可完成选择工作 同时 人们在原来洗衣方式 的基础上 通过优化洗衣机的结构 再与电机驱动相配合 来实现对洗衣机内部水流 的控制 从而使洗涤更彻底 本课题是以洗衣机作为被控对象 设计一套应用于洗衣机的采用模糊控制理论的 系统 目的是只用一个键就能完成洗衣所有功能 它有助于我国将模糊控制理论引入 家用电器领域 为我国家用电器智能化开拓思路 鉴于对全自动洗衣机在技术 经济上可行性的论证 以及洗衣机市场需求的分析 开始对该产品进行设计开发 由第四章开始进行硬件介绍 设计及调试分章进行阐述 首先进行整体设计 明确设计思路 建立方案和策略 之后开始硬件电路的设计 主 电路和外围电路采用独立设计 硬件电路构架建立后在其基础上进行软件设计 确定 程序设计总构思及各个独立程序 总体设计完成后进行组装 分模块进行调试 指示灯和语音模块调试 模数转化 模块调试 外设控制模块调试以及程序的调试 调试期间遇到不少问题 在经过不懈 努力下 问题一一解决 最后运行成功 本设计共分 7 章 第 1 章为概述总体设计思路 第 2 章介绍设计中应用的核心部 分凌阳单片机 第 3 章为模糊控制及其在设计中应用简介 第 4 章为硬件设计 第 5 章为软件设计 第 6 章为系统调试 第 7 章为结束与设计体会 精品文档 2欢迎下载2欢迎下载 第 1 章 概述 1 1 设计背景 随着人民生活水平的提高 人们需要更高水平的洗衣机 什么是真正全自动的洗 衣机 人们只需要把衣物放人机内 而衣物质地 洗涤程序等都是由洗衣机自动识别 和执行的 也就是 把人们在每次洗衣时按洗衣量选择水位 洗涤时间等烦琐工作中 彻底解放出来 一个智能的洗衣机 用户只需要投入衣物 按下启动按钮 则一切由 洗衣机自动完成因此 模糊智能型全自动洗衣机是目前自动化程序最好的洗衣机 模糊智能型全自动洗衣机是应用模糊逻辑控制 模糊逻辑控制简称模糊控制 是一 种基于模糊数学理论的新型控制方法 模糊控制中的模糊量描述是以模糊集合为基础 的 模糊控制的核心在于模糊控制器 模糊控制器在模糊控制中起十分关键的作用 模 糊洗衣机则是应用模糊控制器代替人脑来 分析 判断 工作程序可以在一定程 度上随时变化 因而具有人工智能 比普通微电脑更精确 更适用 模糊控制洗衣机通常采用如下的传感器来进行信息量的摄取 水位传感器 根据洗涤物的多少自动感知 设定并自动控制用水量 布质传感器 通过自动感知衣物重量和吸水程度 感知衣物的质料 进而决定洗 涤方式 水温传感器 可以根据环境温度和水温 自动决定洗涤时间 光电传感器 根据衣物洗涤过程中洗涤循环水的透光率 脏污程度 决定最佳 洗衣程序 这几个传感器收集到的信息 经过微电脑综合判定后 便自动选择出最适当的水 位位 洗涤时间和洗衣动作等工作参数 并按照衣物的大小及质地等信息 执行最佳 洗涤程序 因此 有人戏称它为 傻瓜 洗衣机 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 技术总是不停向前发展的 洗衣机也向着几个明显的方向发展 智能化 传统的洗衣机只按进水 漂洗 出水 甩干这几个工作过程进行合理组 合工作 而智能洗衣机除了实现上述的功能之外 还能对洗涤衣物的衣质 衣量 衣 物的污脏性质以及污浊度进行识别 并根据具体的情况选择合适的洗涤剂 水量和水 流状态进行有针对性的洗涤 洗衣机智能化技术有赖于微处理器和传感器的发展 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载 高效节能 不可再生能源日益减少和人类对能源要求量日益增加的矛盾 决定了 节能成为整个社会活动的趋势 对于洗衣机行业来说 要在保证洗净度的基础上实现 省电 节水 高效节能已经成为洗衣机行业发展必然的趋势 静音 噪音容易使人疲劳 造成神经系统紧张 从而影响睡眠 休息和工作 减 少噪音污染对提高生活质量具有相当的重要性 生活水平的提高 家用电器日益增多 家用电器的噪音已经成为提高生活质量的一个负面因素 所以 静音洗衣机也是洗衣 机行业发展的一个必然趋势 1 2 全自动洗衣机设计思路 模糊洗衣机之所以能模仿人的智能 主要是靠多种传感器感知收集各种信息数据 如 有自动感知水温高低 水量多少 衣料脏污程度的光电传感器 由此来决定洗衣粉的 投放量 有自动检测衣料重量 衣物浑浊度的传感器 以此自动选择相应的洗涤程序 有自动感知水位的水位传感器 来确定洗涤衣料的水量而又做到恰到好处 有自动感知 衣物脏污程度 漂洗浑浊度的光电传感器 来确定水温高低 洗涤时间和漂洗遍数 还 有根据室温和水温 而自动调整洗涤时间长短 以达到节电 节水的目的 传感器将各种感知收集的信息数据 输入模糊控制芯片进行综合处理判断后 发出 指令 指挥洗衣机自动选择相应的洗涤程序 并能根据洗衣中随时变化的因素进行相应 调整 以达到最佳洗涤效果 如漂洗 全自动洗衣机是预设两次漂洗程序 不管衣物脏污 是不是漂洗干净 它做完两次漂洗就了事了 而模糊洗衣机则不然 它通过红外光电传 感器 根据水质的浑浊度 来感知检查衣料的漂洗干净度 若没漂干净 电脑指挥洗衣机 继续漂 直到干净为止 首先 我们将设计的洗衣机硬件部分分为五大模块进行设计 主要分以下五大模 块 1 电源模块 将 AC 220V 的交流电转换成实验用的 DC 5V 直流电 给单片 机供电 2 检测模块 检测部分主要由各传感器和 A D 转换器实现 其又分为 衣物重 量 衣物污度检测 水位检测 其各部分检测结果通过 A D 转换器进入单片机 CPU 中 进行处理分析 由于实验条件影响 在设计模拟中我们用电位器来代替重量传感器和 浑浊度传感器改变输入量的输入值 精品文档 4欢迎下载4欢迎下载 3 控制模块 控制部分是整个智能洗衣机的关键部分 由单片机 SPCE061A 承 担处理工作 传感器将检测的数据信息传入到控制器中 在控制器中经过分析处理 CPU 将得到数据与标准数据进行比较 得出控制结果 如 加水量 洗涤时间等 并将 处理的结果输出至执行器动作 4 洗涤模块 洗涤部分主要由机械部分电动机以及驱动电机电路构成 通过 CPU 控制的电机正反转以及转速完成各种洗涤动作 5 语音模块 语音部分主要是一个小的扬声器 通过 CPU 的控制 报告洗涤的 进程 6 显示模块 显示部分是一组 LED 数码显示以及 9 组发光二极管组成的显示部 分 用来显示洗涤的时间以及洗涤的工序 1 3 全自动洗衣机设计内容 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 本设计在洗涤过程中采 用了实时模糊控制 提高洗衣质量 节约能源 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 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 因此我们确定了模糊控制器的输入输出量 洗衣机的模糊控制关系是一个多输入 多输出的控制系统 输入变量为浑浊度 重量 水位 输出变量有洗涤时间 脱水时 间 漂洗方式等 为了使控制效果好 设计简单 采用矛盾分析方法 具体控制策略为 1 根据 衣物重量确定水位高低 2 根据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 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载 输入量有水位 衣物重量和浊污程度 分别由水位传感器 重量传感器和浑浊度 传感器检测到 并放大经模数转换后送入单片机的输入端口 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 洗涤时间等 我们根据它的工作原理 给出了硬件结构框图 如图1 1所示 图 1 1 系统硬件设计框图 SPCE061A 水位传感器 浑浊度传感器 重量传感器 电机驱动电路 电机正转 电机反转 指示灯与 LED 数码 管显示 电路 语音报警电路 精品文档 6欢迎下载6欢迎下载 第 2 章 SPCE061A 的介绍 2 1 单片机的选择 本题目是设计全自动洗衣机的控制器 它主要采用单片机 由重量传感器 水位传 感器 混浊度传感器送来的推理参数信号被送到控制器的输入端口 控制器根据模糊推 理规则确定进水量 洗涤时间等 单片机输出相应的显示信号和驱动信号 方案一 此方案采用89C51单片机实现 单片机软件编程自由度大 可用编程实现 各种控制算法和逻辑控制 但是89C51需外接模数转换器来满足数据采样 如果系统增 加语音播放功能 还需外接语音芯片 对外围电路来说 比较复杂 且软件实现也较 麻烦 另外 51单片机需要用仿真器来实现软硬件调试 较为繁琐 方案二 此方案采用 SPCE061A 单片机实现 此单片机内置 8 路 ADC 2 路 DAC 且集 成开发环境中 配有很多语音播放函数 用 SPCE061A 实现语音播放极为方便 另外 比较方便的是该芯片内置在线仿真 编程接口 可以方便实现在线调试 这大大加快 了系统的开发与调试 方案比较 第一种方案设计外围电路复杂 实现比较困难 第二种方案的设计比较完善 由 于 SPCE061A 单片机的许多优点 可以节省许多时间与资金 我们决定采用第二种方案 2 2 凌阳单片机简介 在本设计中 其核心的控制元件就是 SPCE061A 芯片 为了更具体 更详细 更深 入了解这次设计 那么首先我们就来对这个芯片进行详细的介绍 随着单片机功能集成化的发展 其应用领域也逐渐地由传统的控制 扩展为控制 处理数据处理以及数字信号处理 DSP Digital Signal Processing 等领域 凌阳 的 16 位单片机就是为适应这种发展而设计的 她的 CPU 内核采用凌阳最新推出的 Microcontroller and Signal Processor 16 位微机处理器芯片 以下简称 nSP 围绕 nSP 所形成的 16 位 nSP 系列单片机 以下简称 nSP 家族 采用的是模块式集成结构 它以 nSP 内核为中心集成不同规模的 精品文档 7欢迎下载7欢迎下载 ROM PAM 和功能丰富的各种外设部件 nSP 内核是一个通用的和结构 除此 之外的其它功能模块均为可选结构 以及这种结构可大可小可有可无 借助这种通用 结构附加可选结构的积木式的构成 便可成为各种系列的派生产品 以适合不同场合 这样做无疑会使每种派生产品具有更强的功能和更低的成本 nSP 家族有有 以下特点 体积小 集成度高 可靠性好易于扩展 nSP 家族把各功能把 各功能部件模块化地集成在一个芯片里 内部采用总线结构 因为减少了各功能部件 之间的连接 提高了其可靠性和抗干扰能力 另外 模块化的结构易于系列的扩展 以适应不同用户的需求 具有较强的中断处理能力 nSPTM 家族的中断系统支持 10 个中断向量及 10 余个中断源 适合实时应用领域 高性能价格比 nSPTM 家族 片内带有高寻址能力的 ROM 静态 RAM 和多功能的 I O 口 另外 nSPTM 的指令系统 提供出具有较高运算速度的 16 位 16 位的乘法运算指令和内积运算指令 为其应用添 加了 DSP 功能 使得 nSPTM 家族运用在复杂的数字信号处理方面既很便利又比专 用的 DSP 芯片廉价 功能强 效率高的指令系统 nSPTM 的指令系统的指令格式紧 凑 执行迅速 并且其指令结构提供了对高级语言的支持 这可以大大缩短产品的开 发时间 低功耗 低电压 nSPTM 家族采用 CMOS 制造工艺 同时增加了软件激发 的弱振方式 空闲方式和掉电方式 极大地降低了其功耗 另外 nSPTM 家族的工 作电压范围大 能在低电压供电时正常工作 且能用电池供电 这对于其在野外作业 等领域中的应用具有特殊的意义 精品文档 8欢迎下载8欢迎下载 图 2 1 u n SP 家族的模块式结构 nSP 内核是一个通用的核结构 除此之外的其它功能模块均为可选结构 亦 即这种结构可大可小或可有可无 借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成 便可形成各种不同系列派生产品 以适合不同的应用场合 这样做无疑会使每一种派 生产品具有更强的功能和更低的成本 凌阳 16 位单片机主要的优点有 1 高性能价格比 nSP 家族片内带有高寻址能力的 ROM 静态 RAM 和多功能的 I O 口 另外 nSP 的指令系统提供具有较高运算速度的 16 位 16 位的乘法运算指令和内积运算指令 为其应用增添了 DSP 功能 使得 nSP 家族运用在复杂的数字信 号处理方面既很便 利 又比专用的 DSP 芯片廉价 2 功能强 效率高的指令系统 nSP 指令系统的指令格式紧凑 执行迅速 并且其指令结构提供了对高级语言 的支持 这可以大大缩短产品的开发时间 3 低功耗 低电压 2 3 SPCE061A 简介 2 3 1 性能 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 其主要性能如 下 16 位 nSP 微处理器 工作电压 内核工作电压 VDD 为 3 0 3 6V CPU IO 口工作电压 VDDH 为 VDD 5 5V I O CPU 时钟 0 32MHz 49 152MHz 内置 2K 字 SRAM 内置 32K 闪存 ROM 可编程音频处理 晶体振荡器 精品文档 9欢迎下载9欢迎下载 系统处于备用状态下 时钟处于停止状态 耗电小于 2 A 3 6V 2 个 16 位可编程定时器 计数器 可自动预置初始计数值 2 个 10 位 DAC 数 模转换 输出通道 32 位通用可编程输入 输出端口 14 个中断源可来自定时器 A B 时基 2 个外部时钟源输入 键唤醒 具备触键唤醒的功能 使用凌阳音频编码 SACM S240 方式 2 4K 位 秒 能容纳 210 秒的语音数据 锁相环 PLL 振荡器提供系统时钟信号 32768Hz 实时时钟 7 通道 10 位电压模 数转换器 ADC 和单通道声音模 数转换器 声音模 数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制 AGC 功能 具备串行设备接口 低电压复位 LVR 功和低电压监测 LVD 功能 内置在线仿真 ICE In Circuit Emulator 接口 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 nSP 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 2 3 2 结构概览 SPCE061A 单片机的内部结构如下图 2 2 精品文档 10欢迎下载10欢迎下载 图 2 2 SPCE061A 内部结构图 2 3 3 芯片的引脚排列和说明 SPCE061A 共有 84 个引脚 封装形式为 PLCC84 管脚排列图如图 2 3 所示 图2 3 管脚排列图 PLCC84 封装 精品文档 11欢迎下载11欢迎下载 SPCE061A 的各个管脚介绍如表 2 1 所示 表 2 1 管脚描述表 管脚名称 号 类型 描述 IOA 15 8 46 39 输入 输出 IOA 15 8 双向IO端口 IOA 7 0 34 27 输入 输出 IOA 7 0 通过编程 可设置成唤醒管脚 IOA 6 0 与ADC Line In输入共用 IOB 15 1 50 54 输入 输出 IOB 15 11 双向IO端口 IOB1057 输入 输出 IOB10 通用异步串行数据发送管脚Tx IOB958 输入输出IOB9 TimerB脉宽调制输出管脚BPWMO IOB859 输入 输出 IOB8 TimerA脉宽调制输出管脚APWMO IOB760 输入 输出 IOB7 通用异步串行数据接收管脚Rx IOB661 输入 输出 IOB6 双向IO端口 IOB562 输入 输出 IOB5 外部中断源EXT2的反馈管脚 IOB463 输入 输出 IOB4 外部中断源EXT1的反馈管脚 IOB364 输入 输出 IOB3 外部中断源EXT2 IOB265 输入 输出 IOB2 外部中断源EXT1 DAC112 输出DAC1数据输出管脚 DAC213 输出DAC2 数据输出管脚 X32I2 输入32768Hz晶振输入管脚 X32O1 输出32768Hz晶振输出管脚 VCOIN70 输入PLL的RC滤波器连接管脚 AGC16 输入AGC的控制管脚 MICN19 输入麦克风负向输入管脚 MICP21 输入麦克风正向输入管脚 V2VREF14 输出电压源2 0V产生5mA的驱动电流 可用作 外部ADC Line In通道的最高参考输入电 压 不可作为电压源 使用 MICOUT18 输出麦克风1阶放大器输出管脚 管脚外接电 阻决定AGC增益倍数 OPI17 输入麦克风2阶放大器输入管脚 VEXTRF23 输入ADC Line In通道的最高参考输入电压管 脚 VMIC25 输出麦克风电源 VADREF22 输出AD参考电压 由内部ADC产生 VDD5 69 输入逻辑电源的正向电压 精品文档 12欢迎下载12欢迎下载 VSS10 26 71 输入逻辑电源和IO口的参考地 VDDIO37 38 56 输入IO端口的正向电压管脚 VSSIO35 36 48 输入IO端口的参考地 AVDD24 输入模拟电路 A D D A和2V稳压源 正向电 压 AVSS15 输入模拟电路 A D D A和2V稳压源 参考地 RESET68 输入 低电平有效的复位管脚 SLEEP49 输出 睡眠模式 高电平激活 ICE7 输入激活ICE 高电平激 ICECLK 8 输入ICE串行接口时钟管脚 ICESDA9 输入输出ICE串行接口数据管脚 TEST3 输入测试模式时接高电平 正常模式时接地 GND或悬浮 ROMT47 输入测试闪烁存储器 正常模式时悬浮 N C55 输入正常使用时接地 N C4 输入正常使用时接地 N C6 输入正常使用时接地 PFUSE PVIN20 11 输入程序保密设定脚 用户慎重使用 2 3 4 SPCE061A 的输入 输出接口 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 u nSP 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 精品文档 13欢迎下载13欢迎下载 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 2 2 所示 表 2 2 I O 端口的组合控制设置 2 3 5 SPCE061A 精简开发板 1 SPCE061A 精简开发板 简称 61 板 实物图如 2 4 所示 它是以凌阳 16 位单片机 SPCE061A 为核心的精简开发 仿真 实验板 大小相当于一张扑克牌 是 凌阳科技大学计划 专为大学生 电子爱好者 等进行电子实习 课程设计 毕业设计 电子制作及电子竞赛所设计的 也可作为单 片机项目初期研发使用 61 板除了具备单片机最小系统电路外 还包括有电源电路 音频电路 含 MIC 输入部分和 DAC 音频输出部分 复位电路等 采用电池供电 方 便学生随身携带 使学生在掌握软件的同时 熟悉单片机硬件的设计制作 锻炼学生 的动手能力 也为单片机学习者和开发者创造了一个良好的学习条件和开发新产品的 机会 61 板上有调试器接口 Probe 接口 以及下载线 EZ Probe 接口 分别可接 凌阳科技的在线调试器 简易下载线 配合 unSP IDE 可方便地在板上实现程序的下 载 在线仿真调试 主要模块有 精品文档 16欢迎下载16欢迎下载16欢迎下载 电源输入模块 音频电路 包含 MIC 输入 DAC 音频功放输出 模块 按键模块 I O 端口接口模块 调试 下载接口模块 图 2 4 61 板实物图 2 开发方法 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 计算机 PROBE 用 户目标板三者之间的连接示意图 如图 2 5 和图 2 6 所示 精品文档 17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载 图 2 5 Pc 机 probe 以及目标板 图 2 6 实物连接图 精品文档 18欢迎下载18欢迎下载18欢迎下载 第 3 章 模糊控制在全自动洗衣机中的应用研究 3 1 模糊控制的基本知识 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 精品文档 19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载 3 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 3 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 模糊推理的合成规则进行模糊决策 得到模糊控制量为 ue R 模糊控制系统核心部分为模糊控制器 原理框图如图 3 1 精品文档 20欢迎下载20欢迎下载20欢迎下载 图 3 1 模糊控制系统的组成 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 3 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 精品文档 21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载 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 1 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 2 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 3 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 1 基于专家的经验和控制工程知识 2 基于操作人员的实际控制过程 3 基于过程的模糊模型 4 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 精品文档 22欢迎下载22欢迎下载22欢迎下载 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 l 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 2 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 3 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 精品文档 23欢迎下载23欢迎下载23欢迎下载 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3 2是全自动洗衣机的 模糊控制原理框图 图3 2 全自动洗衣机的模糊控制原理框图 3 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见图 3 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 3 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 3 5 精品文档 24欢迎下载24欢迎下载24欢迎下载 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 3 6 图 3 3 重量隶属度函数 图 3 4 衣质隶属度函数 图 3 5 脏污程度隶属度函数 图 3 6 脏污性质隶属度函数 3 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3 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3 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3 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3 10 精品文档 25欢迎下载25欢迎下载25欢迎下载 图 3 7 水位模糊子集隶属度函数 图 3 8 水流强度模糊子集隶属度函数 3 9 洗涤剂模糊子集隶属度函数 3 10 洗涤时间模糊子集隶属度函数 3 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 3 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 精品文档 26欢迎下载26欢迎下载26欢迎下载 表3 1 全自动洗衣机模糊控制规则表 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下 分别用 1 0 表示是 否状态 表 3 2 设计中的模糊规则表 重量浑浊度 传感 器检测 洗衣规 则 轻重净脏 水位转速 1 0 10 低 慢 洗衣机检测状 态 0 1 1 0 高 慢 精品文档 27欢迎下载27欢迎下载27欢迎下载 1 0 0 1 低 快 0 1 0 1 高 快 第四章 硬件设计 4 1 主要元器件的介绍 4 1 1 重