全自動(dòng)洗衣機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

李良明

摘要：普通的洗衣機(jī)控制器功能單一，容易損壞，定時(shí)不準(zhǔn)確。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，管理水平的完善，普通洗衣機(jī)已不能滿足人們的要求。本設(shè)計(jì)就是對(duì)普通洗衣機(jī)控制器運(yùn)用模糊控制原理進(jìn)行自動(dòng)化改造，使普通洗衣機(jī)具備智能控制功能，提高洗衣質(zhì)量，節(jié)約能源。

關(guān)鍵詞：傳感器；模糊控制；智能化

1. 概述

洗衣服一直都是一項(xiàng)難于逃避的很辛苦的家務(wù)勞動(dòng)，1858年，世界上第一臺(tái)洗衣機(jī)問世，1874年，世界上第一臺(tái)人工攪動(dòng)洗衣機(jī)出現(xiàn)，1911年第一臺(tái)電動(dòng)洗衣機(jī)發(fā)明成功。特別是1932年，美國(guó)一家公司研制成功了第一臺(tái)前裝式滾筒全自動(dòng)洗衣機(jī)，使洗衣機(jī)的發(fā)展躍上了一個(gè)新臺(tái)階。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，洗衣機(jī)得到了迅速的發(fā)展。近幾十年，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，全自動(dòng)洗衣機(jī)制造技術(shù)又得到迅速發(fā)展，其年總產(chǎn)量及社會(huì)普及率均以達(dá)到相當(dāng)高得水平。

2. 全自動(dòng)洗衣機(jī)介紹

傳統(tǒng)的洗衣機(jī)控制器很多都是采用發(fā)條機(jī)械式控制，功能單一、容易損壞、定時(shí)時(shí)間不準(zhǔn)確等，真正的全自動(dòng)洗衣機(jī)是用單片機(jī)制成的控制器有定時(shí)時(shí)間準(zhǔn)確、時(shí)間顯示醒目、可以根據(jù)要求靈活的利用程序來控制各種衣物的洗滌。全自動(dòng)洗衣機(jī)與傳統(tǒng)的洗衣機(jī)相比具體有以下幾個(gè)變化：首先，洗滌方式由以前大多側(cè)重于水流的改變、動(dòng)力的加大變成現(xiàn)在的運(yùn)用超音波、電解水、臭氧和蒸汽洗滌等，使洗衣機(jī)的去污能力從單純依靠洗滌劑的化學(xué)作用和水流快慢的作用向健康、環(huán)保洗滌方式轉(zhuǎn)變。其次，洗衣機(jī)高度自動(dòng)化、智能化、人性化。從半自動(dòng)、全自動(dòng)到現(xiàn)在的人工智能、模糊控制等。再次，更加人性化的設(shè)計(jì)使用起來更加方便和舒適，如放取衣服不用彎腰；自動(dòng)做到不同衣物分開洗；具有蒸汽烘干功能及噪音更低等。最后，洗衣機(jī)的容量也越來越大，很符合未來的消費(fèi)趨勢(shì)。

3. 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)思路

全自動(dòng)洗衣機(jī)之所以能模仿人的智能，主要是靠多種傳感器感知收集各種信息數(shù)據(jù)。如：有自動(dòng)感知衣料臟污程度的濁度傳感器，由此來決定洗衣粉的投放量；有自動(dòng)感知水位高低的水位傳感器，由此來確定洗滌衣料的水量。傳感器將各種感知收集的信息數(shù)據(jù)，輸入模糊控制芯片進(jìn)行綜合處理判斷后，發(fā)出指令，指揮洗衣機(jī)自動(dòng)選擇相應(yīng)的洗滌程序，并能根據(jù)洗衣中隨時(shí)變化的因素進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以達(dá)到最佳洗滌效果。

（2）模糊控制

全自動(dòng)洗衣機(jī)的核心是單片機(jī)控制板，它具有檢測(cè)和控制功能。檢測(cè)功能是指通過一系列傳感器來檢測(cè)衣量、衣質(zhì)、臟污程度、臟污性質(zhì)等指標(biāo)；控制功能是指根據(jù)所檢測(cè)到的信息來決定洗滌水位、水流方式、洗滌劑投放量和洗滌時(shí)間等。設(shè)計(jì)全自動(dòng)洗衣機(jī)的關(guān)鍵就是如何根據(jù)檢測(cè)到的各項(xiàng)指標(biāo)來決定洗滌的方式。由于洗衣過程的控制對(duì)象難以用精確的數(shù)學(xué)模型來描述，所以采用傳統(tǒng)的控制方法難以取得理想的洗滌效果。而模糊控制方法卻能很好地解決這個(gè)問題，因?yàn)檫@種方法具有不必建立精確模型、易于實(shí)現(xiàn)、與人的思維方式相一致的特點(diǎn)，它為洗衣機(jī)全自動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)提供了一條有效的途徑。與傳統(tǒng)控制理論相比，模糊控制有兩大優(yōu)點(diǎn)：第一，模糊控制在許多應(yīng)用中可以有效且便捷的實(shí)現(xiàn)人的控制策略和經(jīng)驗(yàn)，這一優(yōu)點(diǎn)自從模糊控制誕生以來就一直受到人們密切的關(guān)注。第二，模糊控制不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型即可實(shí)現(xiàn)較好的控制，這是因?yàn)楸豢貙?duì)象的動(dòng)態(tài)特性已隱含在模糊控制器輸入、輸出模糊集及模糊規(guī)則中。

4. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制器，它主要采用單片機(jī)，由水位傳感器、混濁度傳感器送來的推理參數(shù)信號(hào)送到控制器的輸入端口，控制器根據(jù)模糊推理規(guī)則確定進(jìn)水量、洗滌時(shí)間等。單片機(jī)輸出相應(yīng)的顯示信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。經(jīng)選擇采用89C51單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)任務(wù)書的全部要求，此種單片機(jī)軟件編程自由度大，可用編程實(shí)現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。它從內(nèi)部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統(tǒng)，稱作位處理器，它的處理對(duì)象不是字或字節(jié)而是位。它不僅能對(duì)片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進(jìn)行處理，如傳送、置位、清零、測(cè)試等，還能進(jìn)行位的邏輯運(yùn)算，其功能十分完備。它具有乘法和除法指令，這給編程也帶來了便利。

（1）控制電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制器，它主要采用單片機(jī)，由水位傳感器、混濁度傳感器送來的推理參數(shù)信號(hào)送到控制器的輸入端口，控制器根據(jù)模糊推理規(guī)則確定進(jìn)水量、洗滌時(shí)間等。

（2）顯示電路設(shè)計(jì)

顯示器有LED和LCD兩種。LCD即是液晶顯示器，是一種被動(dòng)式的顯示器，即液晶本身并不發(fā)光，而是利用液晶經(jīng)過處理后能改變光線通過方向的特征，達(dá)到白底黑字或黑底白字顯示的目的。

（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用雙向PWM脈寬調(diào)制方式控制。采用這種控制方式通過對(duì)兩個(gè)端口高低電平的相互變化可以方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速變化。

（4）水位傳感器設(shè)計(jì)

諧振式水位傳感器，采用了新型的傳感原理來進(jìn)行檢測(cè)，把水位的高低，通過水位傳感器直接變成水位與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。衣物的洗凈度、水流強(qiáng)度、洗滌時(shí)間等參數(shù)的檢測(cè) ，對(duì)模糊控制洗衣機(jī)在節(jié)水、節(jié)能、減少洗滌時(shí)間方面起決定性的作用。

（5）濁度傳感器設(shè)計(jì)

濁度傳感器安裝在排水閥上端附近出口管上。渾濁度檢測(cè)傳感器的主要原理是光電耦合器，而普通的光電耦合器不能有效的檢測(cè)洗衣機(jī)水的渾濁度。光電耦合器的光源必須是紅外光才能準(zhǔn)確的檢測(cè)渾濁度。

（6）電源電路的設(shè)計(jì)

在此硬件電路中，我們需要電壓穩(wěn)定的直流供電系統(tǒng)。本系統(tǒng)是將220V的交流的電壓變?yōu)?5V電壓，在小功率整流電路中（1 kW以下），常見的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。這里采用的是單向橋式整流電路。整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)щ娮饔茫虼硕O管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或在負(fù)載上串聯(lián)電感器，以及由電容、電感組合而成的各種復(fù)式濾波電路。在此選用的是在負(fù)載兩端并聯(lián)電容器C。

5.軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)的，由一個(gè)主程序和若干子程序組成。真正的全自動(dòng)洗衣機(jī)功能很多，子程序也很多很繁瑣，如：顯示子程序、鍵盤掃描子程序、程序設(shè)置子程序、洗衣方式選擇子程序、水量設(shè)置子程序、時(shí)間設(shè)置子程序、自檢子程序、檢測(cè)子程序、溫度檢測(cè)子程序、進(jìn)水子程序流程、水位檢測(cè)子程序、污濁度檢測(cè)子程序、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)子程序、洗滌子程序流程、脫水子程序、排水子程序等等。本設(shè)計(jì)僅對(duì)主程序流程圖及部分主要模塊模塊的子程序流程圖及其代碼進(jìn)行說明。endprint