科研训练报告封皮

1、内蒙古工业大学本科研训练学校代码： 10128学 号：201210101011 科研训练报告（题 目：超声波洗衣机智能控系统设计学生姓名：方雪松学 院：机械学院系 别：机械系专 业：机械设计制造及自动化班 级：机12-1指导教师：程海鹰 副教授二 一五 年 十二 月 目 录第一章 研究意义及国内外发展现状11.1研究意义11.2国内外洗衣机的发展概述11.3洗衣机控制技术现状及趋势2第二章 研究内容及技术路线32.1超声波清洗的原理32.2 单片机选型32.3控制系统总体方案4第三章 本文的方案设计及构思63.1远程控制系统设想63.2远程控制系统的体系结构设计73.2.1屏幕控制模块73.2

2、.2鼠标控制模块73.2.3键盘控制模块73.3可行性分析8参考文献10第一章 研究意义及国内外发展现状1.1研究意义  随着计算机技术的快速发展，计算机技术被广泛应用于智能控制的领域中。智能化、数字化已经成为了家电发展的趋势。作为物美价廉的微处理器，单片机以其集成度高、运算速度快、体积小、运行可靠、价格低廉等特点，在过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器及网络技术等方面得到了广泛的应用。而且超声波技术的良好发展趋势，所以智能超声波洗衣机智能控制系统就是应用的一个典型例子。洗衣机是现代人必备的日常生活家电，它的发明和应用使人们的洗衣工作变得省时又省力，很好地缓解了人们在

3、家务劳动方面的压力。而随着人们对生活质量的不断追求，普通的洗衣机已经不能满足部分人的需求，所以研究多功能的智能超声波洗衣机具有重大的意义。 本设计课题主要是以单片机作为核心控制器件来设计超声波洗衣机的智能控制系统，实现对洗衣机洗衣过程的全自动控制。所谓智能超声波洗洗衣机，是指洗衣机能在洗涤、漂洗和脱水三种功能之间自动转换，无需人工介入。这种洗衣机一般采用套桶式结构，它具有体积小、容量大、磨损小、省时又省力的优点。这种洗衣机装有控制器，自动完成进水、洗涤、排水、漂洗、脱水和报警等程序。这样做不但减少人们洗衣的步骤，也能缩短人们的洗衣时间，让人们生活变得更加方便。1.2国内外洗衣机的发展概述 17

4、66年美国人Schaefer发明了第一台洗衣机，采用肋板来模仿人手对衣物搓洗。经过漫长的一个世纪的发展，现代洗衣机雏形才得以出现，并得到了蓬勃发展。 1874年，手摇的木制洗衣机被另一个美国人比尔·布莱克斯发明了，1910年，世界上第一台电动洗衣机被美国人菲舍尔研制成功了。这台电动洗衣机的出现，才真正标志着人类的家务劳动真正进入了自动化时代1。进入了电气化时代以后，人们日益完善了洗衣机的功能，洗衣形式也渐渐的固定为:搅拌式洗衣机、波轮洗衣机、滚筒式洗衣机2。 随着社会的不断进步，人们给洗衣机提出了越来越高的要求。除满足基本洗衣功能外，开始关注它的环保性、适用性、可靠性、智能程度以及节

5、约能耗等方面。所以，环保、节能也是洗衣机发展的一大方向。 从改革开发开始，我国开始了对洗衣机的研究，和电视机一样作为骨干家电，洗衣机的发展还是很迅速的。它的发展历程基本可以划分为以下三个阶段: 1)初期起步阶段:可以从上世纪八十年代中期算起，到八十年代末期截止。这一阶段主要体现为技术的集中引进。2)平稳发展阶段:这个阶段是从上世纪八十年代末期开始，一直到九十年代中期截止。这个时期，我们国家各洗衣机企业，无论是质量水平还是技术水平都稳步的在提高，生产成本也得到持续降低。3)激烈竞争阶段:这个阶段是从上世纪九十年代中期开始，洗衣机行业的竞争是相当激烈。 现如今，我国的洗衣机企业已经发展成熟。但是，

6、和日韩、欧美各国家相比，我们国家的技术依然比较落后，一些技术的关键还没有完全掌握。对新洗衣机的设计、研发都还处在模仿阶段。所以，在竞争这么激烈的情况下，要想在不断增长的市场中占据一定份额，就一定要提高自主设计、开发新洗衣机的能力。在模仿的基础上，消化吸收引进的技术，掌握好洗衣机设计的关键，这样才能逐步提高我们的设计水平。1.3洗衣机控制技术现状及趋势 洗衣机采用哪种控制技术，主要是由其采用哪种程控器决定的。目前市场上较常用的洗衣机控制方式主要有:电子程控器控制和电脑程控器控制。 电子程控器要比电脑程控器简单，它主要是由微型同步电机、凸轮组、减速机构、引出线和簧片触点等组成，其中微型同步电机为程

7、控器提供动力。微型同步电动机经过减速机构，驱动各凸轮组一圈圈的转动。各凸轮组控制的电触点，都可当作单刀双位或者单刀三位开关，这些开关会随着凸轮的转动按照一定的规律被关闭、打开。这样就使得洗衣过程被连续的进行3。第二章 研究内容及技术路线 2.1超声波清洗的原理超声波5是一种频率超出人类听觉范围20HZ以上的声波。超声波很像电磁波，能折射、聚焦和反射，然而和电磁波又不同，电磁波可以在真空中自由传播，而超声波的传播要依靠弹性介质。其传播时，使弹性介质中的粒子振荡，并通过介质按超声波的传播方向传递能量，这种波可分为纵向波和横向波。在固体内，两者都可以传送，而在气体和液体内，只有纵向波可以传送。超声波

8、能够引起质点振动，质点振动的加速度与超声频率的平方成正比。因此，几十千赫兹的超声会产生极大的作用力，强超声波在液体中传播时，由于非线性作用，会产生声空化。在空化气泡突然闭合时发出的冲击波可在其周围产生上千个大气压力，对污层的直接反复冲击，一方面破坏污物与清洗件表面的吸附，另一方面也会引起污物层的破坏而脱离清洗件表面并使它们分散到清洗液中。气泡的振动也能对固体表面进行擦洗。气泡还能“钻入”裂缝中做振动，使污物脱落。对于有油脂性污物，由于超声空化作用，两种液体在界面迅速分散而乳化，当固体粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子即脱落。空化气泡在振动过程中会使液体本身产生环流，即所谓声

9、流。他可使振动气泡表面存在很高的速度梯度和粘滞应力，促使清洗件表面污物的破坏和脱落，超声空化在固体和液体表面上所产生的高速微射流能够除去或削弱边界污层，腐蚀固体表面，增加搅拌作用，加速可溶性污物的溶解，强化化学清洗剂的清洗作用。此外，超声振动在清洗液中引起质点很大的振动速度和加速度，亦使清洗件表面的污物受到频繁而激烈的冲击。由上述超声清洗原理可知，凡是液体浸到空化产生的地方都有清洗作用，不受清洗件表面复杂形状的限制，如部件表面的空穴、凹槽、狭缝和深孔、微孔都能得到清洗，而这些部件用一般刷洗方法是不能清洗干净的。2.2 单片机选型 电脑板的设计中，单片机是设计的主体10，和其它控制电路一起组成洗

10、衣机的控制系统。洗衣机故障时，如果能排除机械系统和电脑板外接部件，就要首先检测判定单片机的外围的控制电路，最后再看单片机本身是否有故障。脑程控器根据接受到的操作面板的动作指令，给外接部件送出执行命令，使得电动机、进水电磁阀、排水牵引器等通电运行;同时，程控器还要监测洗衣机的各部件的工作状态，判定工作正常与否，一旦有异常，就立刻送出停止的命令、蜂鸣器鸣叫报警。这些功能都是由电脑程控器和各种配合电路配合着来实现。基于研究与实际的情况，本设计选用NEC6的78F系列的单片机来实现洗衣机电脑程控器的各控制要求。另外，从开发环境上讲，NEC单片机可以用汇编语言，也可以用结构汇编或者C语言编译器，并且均有

11、对应的开发调试工具。开发调试工具除了硬件开发系统(仿真器)以外，还能提供软件仿真，用户只需1台个人电脑，就可以完成系统仿真，仿真软件还可以免费提供。2.3控制系统总体方案 超声波洗衣机经由电脑板控制后，洗涤模式更人性化，外形更美观，操作界面更友好更易接受，设计想象空间也变的更大，可以说电脑程控器式超声波洗衣机代表了洗衣机技术的重要发展方向。 电脑程控器式超声波洗衣机的电脑板，经由接插件、线束连通其他电气部件，通过按键、旋钮、LCD屏、LED、蜂鸣器等部件实现和用户的交互功能。按照用户选择的洗涤模式和洗涤参数，电脑板选择不同程序，协调其它电气部件，自动的完成整个洗涤过程。从这种意义上看，洗衣机的

12、电脑板就像人类的大脑，所以，它的设计水平也就决定了洗衣机的智能化程度，是洗衣机的最关键的部件之一8。 为了设计水平达到当前电脑洗衣机设计的最高水平，整机厂要求: 1)电脑板必须能够根据测速电机给的反馈信号，自动的判断并纠正脱水转速及衣物的当前状态，降低衣服的含水率，同时尽可能减小振动。 2)智能化的判断外界环境的变化并能给出适当的响应，如进水、排水情况，电网波动及停电等。在停电时要自动的记忆系统当前状态，来电后自动开始洗涤。 3)要有故障自诊断及自保护功能，当电压、电流或零部件损坏的时候，要可以自动的给出声光告警并且能自保护。设计方案计划主控制电脑板和显示部分电脑板分开，这样做一是为了洗衣机控

13、制界面美观大方，满足客户工业设计的要求，二是满足客户多变种的需求。可以采用同一块主控制电脑板搭配以不同的显示板，以达到区分洗衣机档次、满足不同顾客的审美观的目的。控制系统主要功能部件及模块主要有:旋钮、显示屏、蜂鸣器、可控硅、开关电源模块、人机接口电路、通讯电路、复位电路、阀的控制与检测等等。为了满足以上客户要求，设计者细致的分析、计算了集成电路设计、元器件选型、以及软件设计等方面，最后在综合考虑了各方面因素后，得到如图2.1所示的控制系统总体框架图：变频器、称重驱动电动机水位传感器温度传感器浊度传感器门锁检测门锁预洗阀主洗阀排水阀控制板显示板图2.1控制系统总体框架图 第三章 本文的方案设计

14、及构思 在本章中，大体设计都是借鉴前任的已有成果，在此基础上增加自己的创新设计部分。所以本设计选用NEC78F0513为控制核心，采用按键旋钮和LCD显示模块作为人机接口的输入输出设备。加热管、风机和电动机采用交流220V市电驱动，CPU与这些部件之间，通过数据锁存、I/O缓冲、光电隔离触发器和可控硅等来进行控制。门感应开关、过热保护开关、温度传感器等组成自动控制和保护电路4。采用的系统框图如图3.1所示。变频器通讯UI通讯MCU门锁加热管传感器开关电源阀水位传感器图3.1系统框图从洗涤方式来看，超声波洗涤技术将推动洗衣机的发展，甚至会给洗衣机带来根本性的变革。从算法来看，神经网络控制算法，遗

15、传算法等的研究，也将可以用于洗衣机控制，且可以预见，必定能进一步的优化控制过程，从而达到水电的节省。但是从人机界面来看，可以朝着高科技智能化、人性化、交互式等方向发展研究。并且可以预测，手势识别、语音识别、远程控制等，都很可能成为今后洗衣机界面的新面貌新特征。综合以上需要改进的方面，本文决定对超声波洗衣机智能控系统增加远程控制系统。3.1远程控制系统设想 随着计算机网络的飞速发展，人们可以很方便地从Internet上获取和自己工作生活密切相关的信息，世界也真正变成一个地球村，我们可以和世界上其他任何一个人通过计算机网络进行沟通，信息资源达到了高度的共享从这一点得到启发，希望能够设计一个远程控制

16、系统，通过他可以在家里控制家里卧室直接控制计算机，来间接地控制超声波洗衣机的CPU9进行洗衣操作，这样既省时间有声工作量。3.2远程控制系统的体系结构设计该远程控制系统由服务器端和客户端2个部分组成，客户端可以通过鼠标和键盘控制服务器端的计算机，同时还可以相互传输文件其体系结构如图3.2所示，主要由屏幕控制模块、鼠标控制、键盘控制3个模块组成下而具体说明各个模块的功能屏幕控制块鼠标控制模块远程控制系统键盘控制模块3.2.1屏幕控制模块可以让客户端用户实时监控服务器端计算机的运行状态客户端以一定频率向服务器发送请求，服务器响应客户端请求将自己的屏幕拷贝下来并将这些信息发送给客户端，客户端接收到这

17、些信息之后以图形的形式显示出来，为鼠标和键盘控制提供图形化接口。3.2.2鼠标控制模块可以让控制端用户通过鼠标控制服务器端的计算机其实现过程是控制端软件先捕捉鼠标在图形化接口(屏幕控制模块所提供的)中的动作，再将这些信息发送到超声波洗衣机的CPU端7，最后超声波洗衣机的CPU端的服务程序获得操作命令，这样就如同在超声波洗衣机的CPU端的操作系统上进行了相应的鼠标操怅如果动作是在“甩干”图标上双击，则远程控制系统超声波洗衣机的CPU端的“甩干”操作命令就会被执行。3.2.3键盘控制模块可以让控制端用户通过键盘控制超声波洗衣机的CPU端计算机的输入，其实现过程是控制端软件先捕捉键盘在图形化接口(屏

18、幕控制模块所提供的)中的动作，再将这些信息发送到超声波洗衣机的CPU端，超声波洗衣机的CPU端的程序向操作系统发送这个动作的消息，这样就如同在超声波洗衣机的CPU端的操作系统上进行了相应的实际操作如果超声波洗衣机的CPU端的“甩干”为当前的操作命令，则控制端的键盘操作就如同有人在超声波洗衣机的CPU端利用“甩干”直接操作。进行屏幕控制、键盘控制和鼠标控制模块是在网络状况较好的情况下才会有较快的响应速度，如果网络状况不好可以直接采用网线对控制端电脑网线插口和超声波洗衣机的CPU端的网线插口进行连接。本章从控制系统用户界面着手，介绍了控制系统总体结构设计方案，设计方案是主控电脑和超声波洗衣机的CP

19、U分开连接构成，这样不但是洗衣机控制界面更加美观大方，满足客户工业设计的要求，而且能够满足客户多种需求。即面对面操作和远程控制操作。可以采用同一块主控制电脑版以搭配不同的显示超声波洗衣机的CPU板，以达到区分洗衣机档次，满足不同客户的使用及审美需求。3.3可行性分析21世纪是信息化的世纪，各种电信和互联网新技术推动了人类文明的巨大进步。本文介绍的数字化家居控制系统可以使得人们可以通过手机或电话在任何时候、任意地点对家中的任意电器（空调、热水器、电饭煲、灯光、音响、DVD录像机）进行远程控制；也可以在下班途中，预先将家中的空调打开、让热水器提前烧好热水、电饭煲煮好香喷喷的米饭等；而这一切的实现都

20、仅仅是打一个简单的电话。此外，该系统还可使家庭具有多途径报警、远程监控等多种功能，如果不幸出现某种险情，您和110可以在第一时间获得通知以便进一步采取行动。舒适、时尚的家居生活是社会进步的标志，智能家居控制系统能够在不改变家中任何家电的情况下，对家里的电器、灯光、电源、家庭环境进行方便地控制，使人们尽享高科技带来的简便而时尚的现代生活。实现远程智能化离不开运算和控制单元，本系统采用MCU(SM8952AC25P)作为主控器件，单片机应用系统由硬件和软件组成。硬件由单片机扩展的存储器、输入/出设备以及各种实现单片机系统控制要求的接口电路和有关的外围电路芯片或部件组成；软件由单片机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序和管理程序组成。在单片机应用系统开发的过程中，应不断调整软、硬件，协调地进行软、硬件设计，以提高工作效率，当系统硬件和软件紧密配合、协调一致，就可以组成高性能的单片机应用系统。本课题完成了单片机应用系统其开发过程的系统的总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试，根据开发的实际需要，相互协调、交叉，有机的进行。本设计的MCU与各个芯片和模块的接口、各