《基于SPCE061A单片机的全自动洗衣机控制器设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于SPCE061A单片机的全自动洗衣机控制器设计.doc（66页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、论文题目：全自动洗衣机控制器的设计摘 要将模糊控制技术应用于全自动洗衣机的控制, 给出了以凌阳单片机公司的SPCE061A单片机为核心的硬件框图和相关的软件编程思路。可以实现洗衣机的智能控制,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。 硬件部分应用了单片机的外部电路接口并对外围电路进行设计，软件设计采用主程序调用各状态子程序的形式。该设计完成进水，洗涤，排水，漂洗及脱水等状态。采用了传感器来检测其浊污度，衣物质量及水位，进行判断并分状态洗涤。洗衣过程用发光二极管显示各状态，数码管显示各状态时间。并利用了凌阳SPCE0
2、61A的语音功能，洗衣结束进行报警。关键词：洗衣机，模糊控制，凌阳单片机，自动控制Subject: The Design of the Automatic Washing Machine ControllerABSTRACTA new method concerning the fuzzy control technique for the automatic washing machine, and the hardware adopting the single-chip computer is taking SPCE061A, as a core and reference progra
3、mming idea. And it could make use of the technique of intelligence control, so the quality of washing is improved and the source is saved. The hardware configuration and software flow chart of the system are preferred. The software of fuzzy control has a decisive part in whole control process. The d
4、esign of the hardware manufactures a machine to connect the outer circle of the single-chip and the outer circle hardware electric circuits , and the software procedure is wrote, which includes the main procedure and many sub- procedure, to come true the watering in, washing clothes, watering out an
5、d drying. And we use the sensor to reflect the dirty and the mass of the clothes, and the high of the water, and then distinguish it and wash clothes. In the process of washing, the light emitter diode will indicate every condition, and the digital diode will show the time of the condition. And we m
6、ake use of the voice function of the spce061a to warning when the process is finished.Key wards: Washing Machine, Fuzzy control, Single-chip computer of SPCE061A, Automatic control 前 言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, 目的是只用一个键开始就能完成洗衣全过程所有功能。本设计共分7章，第1章为概述总体设计思路各模块，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
7、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。在设计中得到了指导老师陈毅静老师还有其他一些老师同学的帮助，在此表示衷心感谢！由于设计者能力有限，错误之处在所难免，望各位老师还有读者批评指正。目 录第1章 概述11.1洗衣机控制器设计思想简介11.2模糊控制思想11.3总体设计方案21.3.1硬件电路模块21.3.2软件设计2第2章 单片机简介及应用32.1凌阳单片机简介32.1.1 nSP家族的特点42.2 SPCE061A简介52.2.1性能52.2.2结构概览62.2.3 芯片的引脚排列和说明72.2.4 uNspce061a的最小系
8、统的外围电路72.3 SPCE061A的功能模块简介82.3.1通用I/O口82.3.2中断系统10第3章 模糊控制及其在设计中的应用113.1模糊控制理论113.2模糊控制统与模糊控制器113.2.1 模糊控制系统113.2.2模糊控制器基本结构123.3基于模糊控制的全自动洗衣机控制器的设计173.3.1 工作原理183.3.2设计方案总体框图:193.3.3设计中的模糊规则表19第4章 硬件设计204.1电源电路的设计204.2信号检测电路204.3洗涤电路214.4显示电路214.5时间显示电路224.6语音报警电路23第5章 软件设计245.1软件设计思路245.1.1输入端口设置2
9、45.1.2输出端口设置245.2软件设计流程图及程序255.2.1主程序及其流程图255.2.2延时1s子程序流程图及程序清单275.2.3延时1ms程序及流程图275.2.4电机正转子程序及流程图285.2.5电机反转子程序及流程图295.2.6数码管显示子程序及流程图305.2.7检测模糊控制子程序及流程图315.2.8进水状态子程序及流程图335.2.9洗涤、漂洗状态子程序及流程图355.2.10排水状态子程序及流程图395.2.11脱水状态子程序及流程图405.2.12报警状态子程序及流程图41第六章 系统调试436.1硬件调试436.2软件调试436.3软硬件联机调试446.4调试
10、中出现的问题44第七章 结束语457.1总结457.2体会457.3 展望46致 谢47参考文献48附录一 总程序49附录二 硬件电路图55附录三 实物图56 第1章 概述1.1洗衣机控制器设计思想简介 传统的全自动洗衣机有2 种: 一种是机械控制式,一种是程序控制式。在严格意义上这2 种洗衣机并不能称作全自动, 因为它们都需要人进行衣质、衣量判断, 并确定洗衣时间。所以控制简单而且功能完善的家用电器就越来越受欢迎。随着模糊控制技术应用的广泛开展, 人类的这种愿望就有了实现的机会。模糊控制在电器上的应用在世界范围内得到普遍重视。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
11、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。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
12、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。鉴于对市场调查及现状的了解我们决定采取以下的设计方案。 设计中是采用凌阳spce061a单片机作为核心控制芯片，利用其外围电路接口IOA，IOB口来控制外设电路。通过传感器检测出衣物质量，脏净程度，通过模糊控制判断属于哪个状态，对全局变量赋值，传给各个状态，之后主程序调用各个状态，进水状态时用水位传感器判断给出的信号来确定水位是否到，达到之后就结束进水。当洗衣结束时利用凌阳单片机的语音功能报警。1.2模糊控制思想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
13、信息按照模糊规则作出决策来完成自动控制。在洗涤衣物过程中, 衣物的多少, 衣物的浊污程度等都是模糊量, 所以首先做大量的实验, 总结出人为洗涤方式, 从而形成模糊控制规则。根据传感器接收的信息,洗衣机判断出衣物多少,脏污程度、脏污性质, 推理作出模糊决策。从而完成注水量、洗涤时间、水流强弱、洗涤方式、脱水时间、排水等所有功能。1.3总体设计方案1.3.1硬件电路模块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：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
14、，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；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；洗涤模块：洗涤部分主要由机械部分电动机以及各种开关构成，通过CPU控制的电机正反转以及开关的闭、合完成各种洗涤动作；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；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
15、的工序。1.3.2软件设计在软件设计上，我们根据硬件电路进行了编写，初始化后进行调用检测模糊控制子程序，检测完毕后依次进行调用进水，洗涤，排水，漂洗，排水，脱水，报警子程序。完成整个洗衣过程。 第2章 单片机简介及应用2.1凌阳单片机简介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&micr
16、o;nSP 。围绕µnSP 所形成的16位µnSP 系列单片机，以下简称µnSP 家族。采用的是模块式集成结构，它以µnSP 内核为中心集成不同规模的ROM PAM和功能丰富的各种外设部件。µnSP 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。µnSP 家族有有以下特点：体积小 ，集成度高，可靠性好易于扩展。µnSP 家族把各
17、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
18、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。图2.1 un 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
19、一种派生产品具有更强的功能和更低的成本。 2.1.1 nSP家族的特点 体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展 nSP家族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，因而减少了各功能部件之间的连线，提高了其可靠性和抗干扰能力。另外，模块化的结构易于系统扩展，以适应不同用户的需求。 具有较强的中断处理能力 nSP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 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
20、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。 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。 低功耗、低电压 nSP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，nSP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。 2.2 SPCE061A简介 SPCE061A
21、 是继nSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。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。因此，与SPCE500A相比，以nSP为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。 2.2.1性能 16位nSP微处理器； 工作电压(CPU) VDD为2.43.6V (I/O) VDDH为2.45.5V ⣷
22、15; CPU时钟：0.32MHz49.152MHz ； 内置2K字SRAM； 内置32K FLASH； 可编程音频处理； 晶体振荡器; 系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电仅为2A3.6V； 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
23、； 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； 具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能； 内置在线仿
24、真电路ICE（In- Circuit Emulator）接口； 具有保密能力； 具有WatchDog功能。 2.2.2结构概览 图2.2 SPCE061A的结构2.2.3 芯片的引脚排列和说明图2.3 SPCE061A引脚框图SPCE061A有两种封装片，一种为84个引脚，PLCC84封装形式 2.2.4 uNspce061a的最小系统的外围电路 最小系统接线如图1.2.4所示，在OSC0、OSC1端接上晶振及谐振电容，在锁相环压控振荡器的阻容输入VCP端接上相应的电容电阻后即可工作。其它不用的电源端和地端接上0.1F的去藕电容提高抗干扰能力。 图2
25、.4 SPCE061A最小系统原理图2.3 SPCE061A的功能模块简介2.3.1通用I/O口输入/输出接口（也可简称为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输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。unSP 内有并行和串行两种方式的I/O 口。SPCE061A 有两个16 位通用的并行I/O 口：A 口和B 口。这两个口的每一位都可通过编程单独定义成输入 或输出口。A 口的IOA0IOA7 用作输入口时具有唤醒功能，即具有输入电平变化引起CPU 中断功能。 在那些用电池供电、追求低能耗的
26、应用场合，可以应用CPU 的睡眠模式（通过软件设置）以降 低功耗，需要时以按键来唤醒CPU，使其进入工作状态。例如：手持遥控器、电子字典、PDA、 计算器、移动电话等。 图1.5是SPCE061A的I/O 端口结构图。与其它的单片机相比，它除了每个I/O 端口可以 单独定义其状态外，每个对应状态下的I/O 端口性质电路都是内置的，在实际的电路中不需要再 次外接。例：设端口A 口为带下拉电阻的输入口，在连接硬件时无需在片外接下拉电路。 图2.5 SPCE061A 的I/O 端口结构图SPCE061A 提供了位控制结构的I/O 端口，每一位都可以被单独定义用于输入或输出数据。 通常，对某一位的设定
27、包括以下3 个基本项：数据向量Data、属性向量Attribution 和方向控制向 量Direction。3 个端口内每个对应的位组合在一起，形成一个控制字，用来定义相应I/O口位的输入输出状态和方式。方向向量Dir、属性向量Attrib 和数据向量Data 分别代表三个控制口。这三个口中每个对 应的位组合在一起，形成一个控制字，来定义相应I/O 口位的输入/输出状态和方式。 表2.1 具体表示了如何通过对I/O 口位的方向向量位Dir、属性向量位Attrib 以及数据向量位Data 进行编程，来设定口位的输入/输出状态和方式。 由表2.1 可以得出以下一些结论： Dir 位决定了口位的输入
28、/输出方向：即0为输入，1为输出。 Attrib 位决定了在口位的输入状态下是为悬浮式输入还是非悬浮式输入：即0为带上拉 或下拉电阻式输入，而1则为悬浮式输入。在口位的输出状态下则决定其输出是反相的还是 同相的；0为反相输出，1则为同相输出。 Data 位在口位的输入状态下被写入时，与Attrib 位组合在一起形成输入方式的控制字00、01、10、11，以决定输入口是带唤醒功能的上拉电阻式、下拉电阻式或悬浮式以及 不带唤醒功能的悬浮式输入。Data 位在口位的输出状态下被写入的是输出数据，不过，数据是 经过反相器输出还是经过同相缓存器输出要由Attrib 位来决定。表2.1 I/O端口的组合控
29、制设置2.3.2中断系统SPCE061A 单片机中断系统，可以提供 14 个中断源，具有两个中断优先级，可实现两级中断嵌套功能。用户可以用关中断指令（或复位）屏蔽所有的中断请求，也可以用开中断指令使CPU 接受中断申请。每一个中断源可以用软件独立控制为开或关中断状态，但中断级别不可用软件设置。中断系统有 14 个中断源分为两个定时器溢出中断、两个外部 中断、一个串行口中断、一个触键唤醒中断、7 个时基信号中断、PWM 音频输出中断。 如下表 2.2。表2.2 中断源列表第3章 模糊控制及其在设计中的应用3.1模糊控制理论模糊控制理论是近代控制理论中建立在模糊集合论基础上的一种基于语言规则与模糊
30、推理的控制理论，它是智能控制的一个重要分支。1965年美国加利福尼亚大学的自动控制教授LA.Zadeh于1965年首次提出“模糊集合”的概念，1974年英国的Mamdani首次将模糊逻辑应用于蒸汽机的控制，自此模糊控制在工业过程、机器人、交通运输等方面得到了广泛的应用。与传统控制方式相比，模糊控制利用人类专家控制经验，对于非线性、复杂对象的控制显示了鲁棒性好、控制性能高的优点。模糊控制理论是建立在模糊集合论基础上的。Zadeh创立的模糊集合是模糊数学的根本，它使得有人的经验参与的控制过程成为实际可能。模糊集合论的核心是对复杂的系统或过程建立一种语言分析的数学模式，是自然语言能直接转化为计算机所
31、能接受的算法语言。普通集合只能表达“非此即彼”的概念，而模糊集合论以逻辑真值为0，l的模糊逻辑为基础，是对经典集合的开拓，也是模糊逻辑控制的数学基础。3.2模糊控制统与模糊控制器3.2.1 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。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
32、，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
33、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:模糊控制系统核心部分为模糊控制器(图中虚线框中部分)。原理框图如图2.1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
34、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。其结构图如图3.2:图3.2常见模糊控制器结构类型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
35、。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。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
36、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，o
37、r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模糊控制规则具有模糊条件句的形式，它建立了前件中输入变量与后件中控制变量之间的联系。它的建立是基于手动控制策略，而手动控制策略是基于操作者经验和技术知识。因此，通过总结人类专家的经验，并用适当的语言来加以表述，最终可表示成模糊控制规则的形式。另一种方式是通过向有经验的专家和操作人员咨询，从而获得特定应用领域模糊控制规则的原型，在此基础上再进行凑试和调整。2)基于操作人员
38、的实际控制过程在许多人工控制的工业系统中，无法运用常规的控制方法进行设计和仿真。可以通过记录熟练操作人员的实际控制过程时的输入输出数据，并从中总结出模糊控制规则。3)基于过程的模糊模型控制对象的动态特性通常可用微分方程、传递函数、状态方程等数学方法来加以描述，用语言对这样的控制对象加以描述称为模糊模型。基于模糊模型也可以建立起相应的模糊控制规律，这样设计的系统是纯粹的模糊系统，适于采用理论的方法进行分析和控制。4)基于学习模糊控制器除了可以模仿人的决策行为之外，还可以模仿人的学习行为，即根据经验和知识产生模糊控制规则并对它们进行修改。以往很多模糊控制主要是模仿人的决策行为，而由此得到的控制规则
39、往往比较粗糙，甚至会出现控带U区。根据经验和知识产生初始的控制规则以此为基础，通过对系统的学习生成完善良好的控制规则，是一种产生控制规则的有效途径。目前，这种方法还在发展中，许多专家学者正致力于这方面的研究。常用的模糊控制算法有基于Mamdani推理的查表法、关系矩阵法、解析法。这里介绍前两种常用算法。l)查表法查表法即把所有可能的输入都量化到语言变量论域的元素上，并以此作为输入量进行组合，求出任意输入量论域元素和输出量论域元素之间的关系表格。该表格中各元素间的对应关系是按照控制规则给出的，称之为控制表。查表法的关键在于制表，生成控制表的方法有两种:一种是间接求取法首先由模糊推理合成规则求出模
40、糊蕴含关系，然后由当前的模糊输入与模糊蕴含关系完成模糊推理运算，得到的模糊控制量，经精确化则可得到控制表格;另一种是直接法直接从控制规则即推理语句中求取控制量。在实际控制中，模糊控制器只需执行输入量化和查表两步就可得到控制量，可见查表法具有良好的实时性，而且简单方便，容易实现。2)关系矩阵法设控制系统的控制规则为: If e= and e= ， then u=。其中:i=1，2，m; j=l，2，n; e是偏差，是偏差的语言变量值;e是偏差变化率，是偏差变化率的语言变量值;u是控制量，是对应于、的控制量的语言变量值。则有模糊关系R:式中:i=1，2，m; j=1，2，n;运算符表示对模糊量求内
41、积。对于特定输入精确量a、b，有输出:A、B分别是偏差、偏差变化率的论域。最后再用重心法对u求精确值，即可得到最终控制量。(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，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
42、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。一下对这几种方法简要介绍。l)重心法重心法也称力矩法，是取隶属度函数曲线与横坐标围成面积的中心作为模糊推理的最终输出值，即对于具有m个输出量化级数的离散域情况有重心法在本质上是加权平均法，权值为推理结论模糊集合中各元素的隶属度。它涵盖和利用了模糊集合的所有信息，并根据隶属度的不同而有所侧重，但计算复杂，主要用于理论推导和实时性不强的场合。2)最大隶属度法在模糊推理的结论中，选取其隶属度最大的元素作为精确控制量的方法
43、称为最大隶属度法。即，当取最大隶属度对应的输出值多于一个时，一般取这些元素的平均值作为精确控制量。即，式中，N为具有相同最大隶属度输出的总数。最大隶属度法具有简单、方便、涉及的信息量少和容易实现等优点。但是这种方法不考虑输出隶属度函数的形状和分布以及隶属度小的其它元素，因此会丢失很多信息，在一些控制要求不高的场合应用较多。3)加权平均法加权平均法的输出值由下式决定:式中，系数的选择要根据实际情况确定，不同的权系数决定有不同的响应特性。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
44、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
45、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。3.3.1 工作原理通过几个传感器收集到的信息，包括衣物重量，水位，衣物的脏污程度等信息，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质地等信息，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
46、时间、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）根据衣物重量确定水位高低; （2）根据确定初始的洗涤时间和水流; （3）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。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），水位，洗涤时间 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：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
47、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；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；洗涤模块：洗涤部分主要由机械部分电动机以及各种开关构成，通过CPU控制的电机正反转以及开关的闭、合完成各种洗涤动作；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；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。3.3.2设计方案总体框图: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
