智能型全自动洗衣机控制系统山科毕业论文

.36/36智能型全自动洗衣机控制系统目录摘要21绪论31.1模糊控制的介绍31.1.1模糊控制的定义与特点31.12模糊控制的发展51.1.3模糊控制存在的主要问题61.2模糊控制技术在洗衣机中的应用与原理61.3本课题的意义与来源72洗衣条件82.1衣服的质料82.2水与洗涤剂82.3洗衣时间和脱水时间93控制系统的硬件设计93.1衣量衣质检测93.2水位水温检测133.3水的透光率检测144模糊控制系统硬件电路174.1模糊控制洗衣机的功能要求174.2模糊控制系统的硬件电路175模糊控制实现方法195.1基本结构和控制过程195.1.1全自动模糊控制洗衣机的结构195.1.2洗衣过程中所执行的动作205.2模糊规则205.2.1输入变量的模糊化与隶属度函数215.2.2输出变量的模糊化与隶属度函数225.2.3模糊规则与模糊推理235.3模糊控制系统的软件设计246结束语28致28参考文献29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，它们的结合方式可分为两种:模糊型单片机和数字型单片机的模糊化，目前应用较广泛的是后者。模糊控制是以模糊数学为基础发展起来的一种新的非线性的控制方法，对那些无法取得数学模型或数学模型相当粗糙的系统可以取得较满意的控制效果，解决了一些用传统方法无法解决的问题。近年来，模糊控制在家用电器控制中得到较广泛的应用，采用模糊控制技术的洗衣机具有自动识别衣质、衣量，自动识别肮脏程度，自动决定水量，自动投入恰当的洗涤剂等功能，不仅实现了洗衣机的全面自动化，也大大提高了洗衣的质量，具有很强的实用性和较好的发展前景。本文深入研究了全自动洗衣机的模糊控制系统结构，确定了控制器的输入、输出变量，设计了输入输出变量的隶属函数．分析了输入输出变量的相关性。建立了模糊控制规则库，给出了软件设计思想与模糊推理程序流程。关键词：模糊控制；单片机；全自动洗衣机Abstract：Fuzzytechnologyisanimportantpartoftheintelligenttechnology.Diferentfromtraditionallogicandsymboliclogic,thefuzzylogicdescribesthefuzzyqualitythroughtheslavefunction,andturnthefuzzyconceptionandfuzzyphenomenaintoexactness.CombingthefuzzylogicwiththeMCUcontroltechnologyisanimportantdirectionoftheintelligentcontroltechnology,whichcanbeachievedin2ways:oneisfuzzyMCU,andtheotheroneisdigitalMCU,whichachievesthefuzzycontorlthroughsoftware,nowthistechnologyisusedwidely.Fuzzycontrolwithfuzzymathematicsforakindofnewnotlinecontrolmethodthatthefoundationdevelop,tothosecantacquisitionmathematicsmodelorveryroughsysteminmodelinmathematicsescanobtainthesatisfiedcontrolresult,resolvingthesomeusetheproblemthattraditionalmethodcantresolve.Inrecentyears,thefaintnesscontrolstocontrolathomeappliancestheinsidegetstheextensiveapplication,adoptingthetechnicalwashingmachineinmistycontrolhavetheautoidentifiesthedressquality,dressmeasures,identifyingthedirtydegreeautomatically,theautomaticdecisionwatermeasures,throwinginanetc.functionautomatically,notonlyrealizesthewashingmachineautomatecompletely,butalsoincreasedingconsumedlythequantitythatdolaundry,havetheverystrongfunctionwiththegooddevelopmentforeground.ThearticleresearchesthestructureoffuzzycontrolAutomaticwashingmachine、Theinptvariableandoutputvariableofcontrollerisdetermined，thenthemembershipfunctionofin—putvariableandoutputvariableisdesigned、Rulesrepositorybasedonorthogonalexperimentsissetup、Thedesignphiloso—phyofsoftwareandfuzzyreasoningprogramflowchatarepro—videdhere．Keywords：Fuzzycontrolmethods；Singlechipmicro-computerAutomaticWashingMachine1绪论1.1模糊控制的介绍1.1.1模糊控制的定义与特点模糊逻辑控制(FuzzyLogicControl)简称模糊控制(FuzzyControl)，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的畴。模糊控制系统是一种自动控制系统，它是以模糊数学﹑模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数学控制系统。它的核心是具有智能性的模糊控制器。无疑，模糊逻辑控制系统是一种典型的智能控制系统，在控制原理上它应用模糊集合论﹑模糊语言变量和模糊逻辑推理的知识，模拟人的模糊思维方法，对复杂的过程进行控制。模糊逻辑控制的基础是模糊逻辑。模糊逻辑从含义上比其他传统逻辑更接近人类的思想和自然语言。它能够对真实的世界的近似的﹑不确切的特征进行刻画。实际上，模糊逻辑控制是利用模糊逻辑建立的一种“自由模型”的非线性控制算法，特别是在那些采用传统定量技术分析过于复杂的过程﹑或者提供的信息是定性﹑非线形控制的效果是相当明显的。模糊控制系统在结构上与传统的控制系统没有太大的差别。主要不同之处在于控制器采用了模糊控制器。模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的畴。模糊控制的一大特点是既具有系统化的理论，又有着大量实际应用背景。模糊控制的发展最初在西方遇到了较大的阻力；然而在尤其是在日本，却得到了迅速而广泛的推广应用。近20多年来，模糊控制不论从理论上还是技术上都有了长足的进步，成为自动控制领域中一个非常活跃而又硕果累累的分支。其典型应用的例子涉与生产和生活的许多方面，例如在家用电器设备中有模糊洗衣机、空调、微波炉、吸尘器、照相机和摄录机等；在工业控制领域中有水净化处理、发酵过程、化学反应釜、水泥窑炉等的模糊控制；在专用系统和其它方面有地铁靠站停车、汽车驾驶、电梯、自动扶梯、蒸汽引擎以与机器人的模糊控制等。模糊控制是一种基于规则的控制。它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。模糊控制的基本思想是利用计算机来实现人的控制经验，而这些经验多是用语言表达的具有相当模糊性的控制规则。模糊控制器(FuzzyController，即FC)获得巨大成功的主要原因在于它具有如下一些突出特点：(1)模糊工程的计算方法虽然是运用模糊集理论进行的迷糊算法，但最后得到的控制规律是确定性的、定量的条件语句。(2)不需要根据机理与分析建立被控对象的数学模型，对于某些系统，要建立数学模型是很困难的、甚至是不可能的。(3)与传统的控制方法相比，模糊控制系统依赖于行为规则库，由于是用自然语言表达的规则，更接近于人的思维方法和推理习惯，因此，便于现场操作人员的理解和使用，便于人机对话，已得到更有效的控制规律。(4)模糊控制与计算切相关。从控制角度看，它实际上是一个由很多条件语句组成的软件控制器。目前，模糊控制还是应用二值逻辑的计算机来实现，模糊规律经过运算，最后还是进行确定的控制。迷糊推理硬件的研制与模糊计算机的开发，使得计算机将像人脑那样随心所欲地处理模棱两可的信息，协助人们决策和进行信息处理。1.12模糊控制的发展目前，模糊控制技术日趋成熟和完善。各种模糊产品充满了日本、西欧和美国市场，如模糊洗衣机、模糊吸尘器和模糊摄像机等等，模糊技术几乎变得无所不能，各国都争先开发模糊新技术和新产品。多年来一直未解决的稳定性分析问题正在逐步解决。模糊芯片也已研制成功且功能不断加强，成本不断下降。直接采用模糊芯片开发产品己成为趋势。模糊开发软件包也充满市场。模糊控制技术除了在硬件、软件上继续发展外，将在自适应模糊控制、混合模糊控制以与神经模糊控制上取得较大发展。随着其它学科新理论、新技术的建立和发展，模糊理论的应用更加广泛。模糊理论结合其它新技术和人工神经网络和遗传基因形成交叉学科神经网络模糊技术(NeuronFuzzyTechnique)和遗传基因模糊技术(GeneticFuzzyTechnique)，用于解决单一技术不能解决的问题。模糊理论在其它学科技术的推动下，正朝着更加广泛的方向发展。模糊控制具有良好控制效果的关键是要有一个完善的隶属函数和控制规则。但由于模糊规则是人们对过程或对象模糊信息的归纳，对高阶、非线性、大时滞、时变参数以与随机干扰严重的复杂控制过程，人们的认识往往比较贫乏或难以总结完整的经验，这就使得单纯的模糊控制在某些情况下很粗糙，难以适应不同的运行状态，影响了控制效果。近20多年来，模糊控制不论从理论上还是技术上都有了长足的进步，成为自动控制领域中一个非常活跃而又硕果累累的分支。模糊控制展望：模糊系统理论还有一些重要的理论课题还没有解决。其中两个重要的问题是：如何获得模糊规则与隶属函数，这在目前完全凭经验来进行；以与如何保证模糊系统的稳定性。大体说来，在模糊控制理论和应用方面应加强研究的主要方向为：(1)适合于解决工程上普遍问题的稳定性分析方法，稳定性评价理论体系；控制器的鲁棒性分析，系统的可控性分析和可观性判定方法等。(2)模糊控制规则设计方法的研究，包括模糊集合隶属函数设定方法，量化水平，采样周期的最优选择，规则的系数，最小实现以与规则和隶属函数参数自动生成等问题；进一步则要求我们给出模糊控制器的系统化设计方法。(3)模糊控制器参数最优调整理论的确定，以与修正推理规则的学习方式和算法等。(4)模糊动态模型的辨识方法。(5)模糊预测系统的设计方法和提高计算速度的方法。(6)神经网络与模糊控制相结合，有望发展一套新的智能控制理论。(7)模糊控制算法改进的研究：由于模糊逻辑的畴很广，包含大量的概念和原则；然而这些概念和原则能真正的在模糊逻辑系统中得到应用的却为数不多。这方面的尝试有待深入。(8)最优模糊控制器设计的研究：依据恰当提出的性能指标，规控制规则的设计依据，并在某种意义上达到最优。(9)简单、实用且具有模糊推理功能的模糊集成芯片和模糊控制装置、通用模糊控制系统的开发和推广应用。在短短20多年时间里，模糊控制得到长足发展。它的应用领域涉与各各方面，控制方法也有广很大进展，模糊控制器的性能不断提高。模糊控制系统易于接受，设计简单，维护方便，而且比常规控制系统稳定性好，鲁棒性高。由于它的这些特点，模糊控制正在得到越来越广泛的应用。1.1.3模糊控制存在的主要问题迄今为止，模糊控制技术已对我国的工业、信息产业、交通等众多领域产生了重要影响，特别是模糊家电产品的更是普与了大众对模糊控制技术的认识。但应指出，目前模糊控制技术尚处于发展的初步阶段，还存在大量有待解决的问题。常规模糊控制的两个主要问题在于：认为模糊隶属度函数的确定具有主观臆断性和认为经验技巧色彩，至今它还没有完善的系统分析手段，因而是不可靠的；模糊控制的规则的获取以与输入模糊变量论域和隶属函数的确定还都是实验分析和操作人员经验的汇总，受人为主观因素影响较大，主要是专家的经验法和观察法，但这些方法主观性较强，不非常成熟，有待进一步研究。当然模糊控制无论在理论上和使用上都是一门“年轻”的科学，正处于不断发展和完善的进程之中，不像经典控制理论和现代控制理论皆已形成了较完善的理论体系。同时，也许也正因为它的不完善和正在发展，显示了它有很大的发展潜力和前途。1.2模糊控制技术在洗衣机中的应用自从年英国的E.H.Mamdani首先将模糊数学理论成功地应用于锅炉和蒸汽机的控制以来,模糊控制无论在理论上还是实践上都有了较大的发展人们用能模仿人的模糊概念和控制策略的模糊控制器,对某些难以建立数学模型,从而难以靠经典或现代控制理论来控制的工业生产过程进行自动控制,取得了较好的效果。近年来,日本将这一思想引入家用电器的控制之中,形成了所谓“模糊家电”本文沦与的是“模糊洗衣机”。模糊控制是一种非线性的控制方法,主要针对那些无法取得数学模型或数学模型相当粗糙的系统。首先要对被控对象按照人们的经验总结出模糊规则,采用模糊量,借助单片机对这些信息按照模糊规则转换为控制量,来完成自动控制。近年来,模糊控制在家用电器控制中得到较广泛的应用,采用模糊控制的洗衣机,可具有自动识别衣质、衣量、脏污程度、脏污性质、自动决定水量、自动投入恰当的洗涤剂等功能,不仅实现了洗衣机的全面自动化,也大大提高了洗衣的质量,具有很强的实用性和较好的发展前景。。模糊控制是首先对控制对象按照人们的经验总结模糊规则，采用的数量是模糊量，由单片机对这些信息按照模糊规则作出决策来完成自动控制。目前，利用单片机进行模糊控制有两种形式：一种是用数字单片机组成硬件结构，而以软件执行模糊化，模糊推理与反模糊化工作，这种方式价格低，灵活性高，通用性强，应用围广，特别适于家用消费类产品的应用；另一种则是专门执行模糊逻辑信号处理的器件一模糊单片机，在模糊单片机中，模糊化、推理和反模糊化都是由硬件执行的，因此，它的模糊推理速度相当高，但它部的隶属函数形状，规则条数，推理方式都是固定的，灵活性不足，且价格相当昂贵。考虑到性价比，一般的智能洗衣机的程控器都是采用数字单片机做主控芯片，由软件来实现模糊功能，以实现其智能化。采用模糊控制电路的全自动洗衣机是一种新型的多功能家用电器,它集微电脑技术、自动控制技术、传感技术、工业造型设计等技术于一体。这种洗衣机以人们洗衣操作的成熟经验作为模糊控制规则,采用先进的检测手段检测诸如水温、水位、衣质衣量、衣物的赃污情况等洗衣状态信息,应用模糊控制技术分析检测结果,以最佳的洗涤方案,最大限度地模拟人工操作,自动地完成洗衣的全过程,达到理想的洗涤效果。与电脑程控型全自动洗衣机相比,模糊控制型洗衣机具有许多优点:首先,它应用布质、布量的检测结果,通过模糊推理,自动确定洗衣水位和水流强度;其次,应用洗涤液浑浊度检测结果,通过模糊推理法则,确定和修正洗涤时间与洗涤剂量;第三,具有自动断电、报警保护、故障检测显示等功能;最后,具有外形美观、功能强、操作使用方便等优点。本文着重介绍如何将模糊控制技术应用于洗衣机的检测、控制与具体的实现方案。洗衣机的自动控制系统为一多输入多输出系统,输入量为衣质、衣量、脏污程度(即水的浑浊度)、脏污性质(浑浊度变化率);输出量为洗涤剂量、水位、水流、脱水时间、洗涤时间、漂洗方式等。从洗衣机的运行过程可以看出,洗涤剂量、水位、水流、脱水时间都可以通过输入量推理求得,而洗涤时间与漂洗方式为实时控制量,影响其主要因素是被洗物品的脏污程度,这两个量可以用水的浑浊度和浑浊度变化率来表示,油性脏污的浑浊度变化率小,泥性脏污的浑浊度变化率大。实际分析证明:输入与输出之间很难用一定的数学模型来描述,系统的具体条件具有较大的不确定性,其控制过程在很大程度上依赖于操作者的经验,用常规的控制方法难以达到理想的效果。而采用模糊控制技术就能很容易解决问题。因而采用了模糊控制器设计全自动洗衣机。在洗涤衣物的过程中,衣物的多少、面料的软硬、衣物的脏污程度等都是模糊量,所以必须经过大量的实验,总结出人为的洗涤方式,从而形成模糊控制规则。再根据检测系统检测到的信息,判断出衣物多少、面料软硬、脏污程度、脏污性质等,计算出控制量,从而完成注水量、洗涤时间、水流强弱、洗涤方式、脱水时间、排水等一系列的设置。根据上述分析和模糊控制技术的基本原理,可可以确定洗衣机的模糊控制框图如图1-1模糊化模糊化模糊控制器解模糊被控对象检测设备模糊规则库XYU（x）U（y）图1-1X为输入精确量；y为输出精确量；U(x)为输入模糊量；U(y)为输出模糊量。1.3本课题的意义与来源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，洗衣机的普与率已达到相当高的程度，但由于现阶段国情，洗衣机在我国的普与程度较低，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，在我国比较普与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，从世界围来说，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。本课题的目的就是设计一种比较合理的全自动洗衣机模糊控制器，这种采用模糊控制的全自动洗衣机能够自动判断被洗衣物的重量轻重、质料软硬，自动检测洗衣桶水的脏污程度和污渍性质(油污或泥污)；能自动预选水位、水流强度和洗涤时间，并能进行衣物偏置的自动纠正等，也应该能在整个洗涤过程中实施监控，并适时调整这些运行参数，以达到最佳的洗涤效果。2洗衣条件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参数，洗衣机的主要控制参数有:2.1衣服的质料要把衣服洗干净，去除污垢，与如下一些因素有关：衣服的质料、水的硬度、水的多少和水的温度、洗涤剂的性能和多少、机械力的大小和作用时间。一般衣服质料纤维可分为两大类：自然纤维的棉织品和人造化学纤维织品。棉制品的污垢不仅在表面，而且还渗透纤维，所以，棉制品要比化学纤维难洗。且面制品的吸水性比化纤制品强，因此，同样多的衣物、同样的污垢程度和污染性质，洗面制品时要水多放一点、洗的时间长一点。2.2水与洗涤剂水可以带走一般的灰尘和水溶性污垢，所以，不用洗涤剂也可以洗去部分污垢。水的硬度用肥皂时也会影响洗涤效果，但影响最大的还是水的温度，在一定的水温围，水温越高，洗涤效果越好。然而水温也不宜太高，否则，高温会把附着在衣服上的蛋白质凝固，反而影响洗涤效果。衣物能否洗干净，与用水量的多少关系很大。如果衣物很少，且吸水性不太强，此时放水太多，不但浪费洗涤剂，浪费水，还会使洗涤时间加长，衣物的磨损加重，并且不易洗干净。水温对洗涤效果的影响也是很大的，水温升高，洗涤效果会有所提高。洗涤剂的主要成分是表面活性剂，表面活性剂是分子结构中含有亲水基和亲油基两部分的有机化合物。一般是根据表面活性剂在水溶液中能否分解为离子，又将其分为离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂的两大类。离子型表面活性剂和两性离子表面活性剂三种。不同的洗涤剂还会添加各种不同的辅助剂、酵素、荧光增白剂、香料等。静止的洗涤剂不能产生良好的洗涤效果，要把污溃从衣物表面洗除掉，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量大，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，不同重量的衣物采用不同的能量输出方式，从控制的角度就表现为水流方式的不同。实践证明，在织物的水洗中只有阴离子表面活性剂和非离子型表面活性剂，对织物去污能够起到正面有效的作用。因此这两种表面活性剂就成了衣物洗涤剂的主要材料。水的温度对洗涤剂的影响也非常大。温度过低时，洗涤剂发挥不出很好的功效；温度过高时，会杀死洗涤剂的活性。洗涤剂要具备良好的润湿性、渗透性、乳化性、分散性、增溶性与发泡与消泡等性能这些性能的综合就是洗涤剂的洗涤性能。洗涤剂的产品种类很多，基本上可分为肥皂、合成洗衣粉、液体洗涤剂、固体状洗涤剂与膏状洗涤剂几大类。2.3洗衣时间和脱水时间洗衣时间：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。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。3控制系统的硬件设计3.1衣量衣质检测要对洗衣机进行控制，首先要用各种传感器不断的检测相关的状态，以作为控制的依据。在洗衣过程中起决定作用的物理量有布量、布质、水温和浑浊度等四种,这些物理量都需要有适当的传感器来获取信息,并转换成单片机能接收的电信号。下面介绍在模糊控制洗衣机中所用各种参数的检测原理和技术，在检测中要用到负载传感器、水位传感器和光电传感器等。衣质和衣量的检测是在洗涤之前进行的，以决定水位。这可用不同的方法实现。最容易想到的方法是用静态的压力传感器直接测量，但结构稍复杂一些。目前，一般是用动态的时间间接测量方法，这是通过检测电动机负载来实现的。电动机的负载可以用正常运转时的驱动电流来计算，也可以用电动机断电后的反电动势的大小以与波形来计量。在这里，以计量电动机断电后的反电动势的大小以与波形来测量。在水位一定时,不同的衣质和衣量的产生的布阻抗不同。衣质和衣量检测电路如图2所示。具体检测衣质和衣量时,首先，衣服投入缸体中并注入一定的水位,然后起动主电机旋转若干圈,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,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。单片机单片机u～+5R1R2VDC～220V图3-1反电势法测量衣质、衣量电路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布量。如图3-2所示，衣量传感器能区分四档衣量(多量、中多量、中少量、少量)。反电动势反电动势电机送电电机断电整形脉冲时间t/s图3-2(a)衣量的检测方法（衣量较多）反电动势反电动势整形脉冲电机送电电机断电时间t/s图3-2(b)衣量的检测方法（衣量较少）质料检测包括面制品与化纤制品的区分和柔软布料与粗厚布料的区分。检测的具体方法如下。第二次测量第二次测量第一次测量多计数脉冲少化纤图3-3面制品与化纤制品辨别曲线在放入要洗的衣物后，放水启动电动机，反复用开0.3s、关0.7s的脉冲电压驱动电动机32s，记下脉冲数为N；若检测负载时的脉冲数是M，根据M—N的值就可以判断质料分布比例的大小情况。面制品越多，M—N的值越大，反之则小。图3-3表示面制品与化纤制品比例不同时两次测量脉冲的关系曲线。同样都是面制品，但对于像毛巾这样的柔软布料和牛仔布料这样的厚布料，其洗涤方法也是不同的，可用水位传感器来配合测量。具体方法是：在注入水进行脉冲驱动32s后，比较启动前后水的变化量。若变化量较小，说明布料容易吸水，倾向于毛巾类布料；反之，可能是牛仔类厚布料。这是因为厚布料吸水慢，往往要搅动一段时间后才能充分吸水，这就会使水位变化量大。图3-4所示为在这两种情况下水位的变化曲线。柔软布料柔软布料硬厚布料水位低旋转前旋转后图3-4柔软布料和硬厚布料的水位变化曲线3.2水位水温检测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腔气体变化的压力,驱动腔上方的一块隔膜移动,带动隔膜中心的磁芯在某线圈移动,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1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。R2R2A2A1R1R3C1C3LC2图3-5水位传感器测量电路水温检测是通过热电耦测量的。它把洗衣机启动时的温度作为当时室温，然后再检测工水的温度，以作为洗衣条件之一，根据需要可以对水加热且控制水温。水温检测可用热敏电阻或MTS102半导体温度检测器。洗衣机水温一般为4～40℃,在该温度围MTS102线性好,温度敏感,水温检测常选用它。3.3水的透光率检测水的透光率使用光电传感器实现的。浑浊度综合反映了衣物的脏污程度、脏污性质和洗净程度。它是采用红外光电传感器,利用红外线在水中的透射率和时间的关系,通过模糊推理,获得检测结果。其检测电路如图3所示,红外发光二极管LED由恒流源供电,由单片机脉宽调制PWM信号控制LED发出调制红外光,穿过动态的洗涤液,到达光电三极管VT,使VT的射级输出电压随洗涤液的浑浊程度而线性变化。恒流源恒流源+5LED被测介质RC图3-6浑浊度红外光电检测电路根据透光率的变化形态和过程，可以知道污垢的性质和程度。这是一种间接测量衣物污垢的方法，因为衣物脏的程度与洗涤水的污浊度有着正相关的关系。对于泥污类的污垢，一般分离得较快，较早进入水中，故其透光率进入饱和状态的时间较短；而油污类污垢相对分离得较慢，透光率的变化速率小，达到饱和值的时间也较长。它的输出变化曲线如图3-7、图3-8、图3-9所示污垢较多污垢较多污垢的量污垢较少透光率污垢的量图3-7污垢程度透光率曲线泥污泥污油污污垢的质透光率图3-8污垢程度透光率曲线从图3-7和3-8中可知，开始注入清水，透明度很高，随着污垢析出，水逐渐变浊，透明度下降，最后就有一个饱和稳定值。根据透光率的变化形态和过程，可以知道污垢的性质和过程度。对于泥污类的污垢，一般分离得较快，较早进入水中，故其透光率进入饱和状态的时间较短；而油污类污垢相对分离得较慢，透光率的变化速率小，达到饱和值的时间也较长。另外根据同样的思路（如图3-9所示），还可以从透光率的变化知道洗涤剂用的固体粉末状态的还是液态的。总之，饱和值的高低反映了衣物脏的程度，透光率下降到饱和值的时间长短了污垢的性质。粉末状洗涤剂粉末状洗涤剂液体洗涤剂透光率洗涤剂的种类4模糊控制系统硬件电路4.1模糊控制洗衣机的功能要求洗衣机的主要工作程序是：洗涤→脱水→漂洗→脱水。上述工作程序中，包括三个过程，洗涤过程、漂洗过程、脱水过程。（1）洗涤过程：放好待洗衣物，启动开关，进水阀通电，向洗衣机供水，当供水达到预定水位时，水位开关接通，进水阀断电关闭，停止供水。洗涤电动机接通电源，带动波轮旋转，产生各种形式的水流搅动衣物进行洗涤。通过点动机不停的正转、停止、反转反复循环，形成洗涤水对洗涤物产生强烈的翻滚作用。同时，衣物之间、衣物与四周桶壁之间产生相互摩擦和撞击力，以达到洗涤衣物的目的。（2）漂洗过程：漂洗的目的在于清除衣物上的洗涤液，因此，漂洗过程与洗涤过程的电器动作是完全一样的。（3）脱水过程：洗涤或漂洗后，需要对衣物进行脱水以便晾干，节省水资源，所以脱水是洗衣过程中必不可少的环节。洗涤或漂洗过程结束后，电动机停止转动，排水阀通电，打开排水阀门排水。当水位低到一定程度时，满足安全条件，脱水电动机接通，电动机带动脱水桶高速旋转，利用离心力把衣服上的水从壁的小眼里甩出来。全部洗衣工作完成后，有蜂鸣器发出声音，表明衣物已洗干净。4.2模糊控制系统的硬件电路模糊控制的全自动洗衣机主要由单片机、检测电路、驱动电路、控制面板和电源电路等组成，系统采用8031作为核心控制部件,其基本结构如图4,由于8031部无程序存储器,在片外扩展一片2764EPROM,除P0口提供低8位地址外,还要由P2口的5根线提供高5位地址,地址锁存选用74LS373,通过8155扩展I/O口,提供显示与触发电路的接口。模糊控制全自动洗衣机的控制系统包括电源电路、洗衣机的状态检测电路、显示电路和输出电路。所有的电路都在单片机8031的控制下工作。由于8031扩展了I/O口,这样有较多的I/O端口,对洗衣机这种需要检测和控制的功能较多的家用电器是十分合适的,它可以使系统的逻辑结构十分简洁。当将单片机用作测控系统时,系统中有被测信号输人通道,则计算机拾取必要的输人信息,同时这些信号要能满足计算机输人接口电平需要。而本设计中,由于许多传感器输出的信号量是模拟电压量,不能直接输入微机,所以必须选用V/F变换器,将模拟量变化为频率量送入单片机,又由于多路传感器送出的信号不能同时检测,只能分时对这些信号采样传送,还需要选接控制选通多路开关CD4051。电源电压检测水温传感器电源电压检测水温传感器污浊度传感器水位传感器衣质衣量传感器IN0IN1IN2IN3V/F转换器LM331P2.0P2.4T0P0.0P0.7T18031P1.2P2.6P2.7P1.0P1.1地址锁存器74LS373EPROM2764扩展PAI/O口8155PBPC执行机构触发电路显示键盘蜂鸣器动态显示主要包括功能显示和参数显示,功能显示包括洗涤、脱水等均采用发光二极管作为显示元件;参数显示包括洗涤、脱水时间等,采用七段LED显示元件。Pb口输出段选码,Pc口输出位选码,采用扫描显示方式,键盘主要有启动停止键和功能键。启停键首次按下后,洗衣机启动,不需要人工参与即可完成洗涤过程,功能键是为模糊洗衣机人工参与而设置的。洗衣机工作过程的切换是通过软件控制洗衣机执行元件的工作状态来实现的。控制信号从8155的Pa口输出,通过执行机构触发电路控制相应元件。Pa0控制排水电磁阀,Pa1控制进水电磁阀,Pa2口控制洗涤剂投放电机,Pa3口控制洗涤主电机与脱水,Pa4口控制主电机反转。只要某一口输出高电平“1”,与之相连的执行元件就动作,完成相应的功能,如需进水时,只需,Pa1脚输出高电平“1”,触发电路输出端发出正脉冲,双向晶闸管导通,交流电压经双向晶闸管加在电磁阀上,阀门打开,开始进水,进水时间查模糊控制表,等到时间到之后,Pa1脚输出低电平“0”,这时进水电磁阀关闭,停止进水。同理,Pa3、Pa4口周期性输出控制信号,从而控制电机的正反转。5模糊控制实现方法5.1基本结构和控制过程5.1.1全自动模糊控制洗衣机的结构从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、衣质以与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5-1所示为全自动模糊控制洗衣机结构图。它是利用负载、质料、水位、水温以与洗涤剂类型等检测所得到的信息，进行分段评估计算，使其模糊化，再根据模糊规则进行推理，最后根据所激活的规则进行解模糊判决，衣决定最适应和明确的水流、水位、水温、洗涤时间、清洗方法以与脱水时间。温度传感器温度传感器反电势测量水温光电传感器水位传感器模糊推理洗涤时间负载量水位水流污垢程度与类型衣物质料洗涤时间图5-1全自动洗衣机模糊控制原理框图5.1.2洗衣过程中所执行的动作输出执行部分所需控制执行的动作有:电机的正反转、进水、排水、发气泡、自动断电，加洗衣粉和牵引器动作。各种动作的作用如下:(1)电机的正反转波轮式洗衣机对水流的控制源于电机的转动，电机的转动分正转和反转，二者缺一不可，因为在洗涤过程中，电机如果只是正(或反)转就会使衣物拧结成团，造成洗涤不均匀:在衣物t检测时，系统要根据对电机正反转通断所产生的反向电动势的测量来确定布量。(2)进、排水和加粉进水、排水过程是洗衣过程中必不可少的部分(其中包括洗衣过程中因水量不足而补水的过程)，为了真正实现自动化，洗衣机上特别设置了洗衣粉注入机，在进水的同时根据电脑程序，自动投放洗衣粉，加粉操作只在首次进水过程中有效。(3)发气泡在洗衣过程中发生气泡，有助于提高洗涤效果.因为在洗衣过程中气泡爆裂所产生的强大水压，振动衣物纤维，再加上超声波的乳化作用，使得衣物上的污垢和油脂很快脱落；另外，伴随着水中气泡的上升，产生了从洗涤桶中心向外翻卷的水流，使衣物之间产生相互摩擦，洗涤作用大为增强。(4)牵引器和自动断电牵引器是波轮式全自动洗衣机实现洗涤和脱水互相切换的主要器件。洗衣操作结束后，系统会自动切断电源，此即自动断电操作。5.2模糊规则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、布质、布量、水温。输出变量有洗涤剂量、洗涤时间、洗涤水流、水位、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根据布质、布量确定水位低;②根据浑浊度、布质、布量确定洗涤剂的投放量;③根据布质、布量和水温确定初始的洗涤时间和水流;④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。全自动洗衣机中的模糊控制器要解决的问题是如何利用测得的衣质(棉、绵纤、纤)、衣量(多、中多、中少、少)、脏污程度(很脏、一般脏、不太脏)、脏污性质(油污、泥污)等信息来控制洗涤水位(低、中低、中高、高)、洗涤剂投放量(少、中少、中、中多、多)、洗涤时间(短、中短、中、中长、长)和水流方式(弱、中、强)。也就是如何建立各种情况下的模糊控制规则。描述输入、输出的变量都是模糊量,用模糊集合来表示,然后根据模糊规则进行模糊推理来进行控制。因此,问题的关键在于求取模糊集合的隶属度函数。而求取模糊集合的隶属度函数,首先要对变量进行模糊化，均采用三角形隶属函数形式。5.2.1输入变量的模糊化与隶属度函数输入变量有负载、污浊度、水温、质料、水位五个主要因素。负载模糊化：将负载划分为大、中等、小三种模糊子集，论域的语言值定义为（-2，0，2，），其隶属函数见图5-2所示.大大小中02-2图5-2负载语言变量隶属函数水温模糊化：将水温划分为偏低、中等、偏高三种模糊子集，论域的语言值定义为（-2，0，2，），其隶属函数见图5-3所示偏低偏低中偏高-202图5-3水温语言变量隶属函数质料模糊化：将质料还分为棉制品偏多、棉和化纤品各半、化纤制品偏多三种模糊子集，论域的语言值定义为（-2，0，2，），其隶属函数见图5-4所示棉布棉布化纤和棉布化纤20-2图5-4质料语言变量隶属函数5.2.2输出变量的模糊化与隶属度函数输入变量有水流强度、洗涤时间两个主要因素。水流强度模糊化：将水流强度划分为强、中、弱三种模糊子集，其隶属函数见图5-5所示中中弱强图5-5水流强度语言变量隶属函数洗涤时间模糊化：将洗涤时间划分为长、中、短三种模糊子集，其隶属函数见图5-6所示短短中长图5-6洗涤时间语言变量隶属函数5.2.3模糊规则与模糊推理模糊控制是建立在一系列模糊控制规则的基础上的，这些控制规则是人们对被控对象进行控制时的经验总结。因此，这些控制规则则是一些逻辑推理规则，其形式表示为模糊条件语句。在实际了控制中，把有关规则加以处理，产生相应的控制算法，模糊控制器就以相应的算法去控制被控对象工作。模糊控制规则是由自然语言变量所表达的模糊条件语句组成，它表征了控制目标和该领域专家的控制策略，是根据被控对象的行为特性和专家的控制经验编写的，即是吸收了该专家的知识和经验，以“如果…，那么…”形式所表达的模糊推理语句。从图5-1中可以看出这是一个多输入多输出的模糊推理和控制系统。为简化起见，可采取主要因素推理和顺序因素推理相结合的处理方法。主要因素就是抓主要因果关系，抛弃次要因果关系，以简明的形式产生因素少的推理规则。例如，用脏污程度、脏污性质推理洗涤剂投放量；用布量、布质和水温推理水流强度、洗涤时间。显然，它们之间存在下列模糊关系：规则1：如果负载小，质料化纤制品偏多，且水温偏高，那么就将水流调弱，洗涤时间调短。规则2：如果负载大，质料棉制品偏多，且水温偏低，那么就将水流调强，洗涤时间调长。规则3：如果负载中等，质料棉和化纤制品各半，且水温中等，那么就将水流调中等，洗涤时间也调中等。…………以此类推，可以写出其他规则，表1是输出变量于输入变量之间关系的模糊真值表。输入量输出量棉制品偏多棉和化纤制品各半化纤制品偏多偏低中等偏高偏低中等偏高偏低中等偏高偏大水流特强强强强强中中中中时间特长长长长长中长中中中等水流中中中中中中中弱弱时间长中短长中中中中短偏小水流弱弱弱弱弱弱弱弱特弱时间中中短中短短中短特短表5-15.3模糊控制系统的软件设计全自动洗衣机模糊控制的软件系统比较复杂,为了最大限度地减小程序的容量,本文采用了以功能子程序模块为基础的积木式软件系统设计方法。其中最高一级的功能模块主要有键盘管理程序、自检程序、手动任意程序、全自动模糊控制程序等四个模块。次一级的