基于單片機(jī)SPMC75的模擬全自動(dòng)洗衣機(jī)的設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)SPMC75的模擬全自動(dòng)洗衣機(jī)的設(shè)計(jì)

洗衣機(jī)是一種在家庭生活中不可缺少的家用電器，全自動(dòng)式洗衣機(jī)因使用方便得到人們的青睞，全自動(dòng)即進(jìn)水、洗滌、漂洗、甩干等一系列過(guò)程自動(dòng)完成。一般洗衣機(jī)的控制器通常設(shè)有幾種洗滌程序，對(duì)不同的衣物可供用戶選擇。加有這種控制器的洗衣機(jī)固然使洗衣過(guò)程變得簡(jiǎn)單易控制，但卻不能將洗衣和節(jié)能很好地結(jié)合起來(lái)^[1]。
??? 本設(shè)計(jì)基于模糊控制的模擬洗衣機(jī)系統(tǒng)，使洗衣系統(tǒng)朝著自動(dòng)化、智能化，尤其是節(jié)能的方向發(fā)展。它可以根據(jù)被洗物的質(zhì)地和臟污程度，自動(dòng)對(duì)水量、水溫、洗滌劑、機(jī)械力等做出控制，使衣物在洗凈的前提下，洗滌過(guò)程更加節(jié)能。
1 凌陽(yáng)單片機(jī)SPMC75F2413A
??? SPMC75F2413A 是由凌陽(yáng)科技公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的工業(yè)級(jí)的16 bit微控制器芯片，其核心采用凌陽(yáng)公司自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的μ′nS^TM（發(fā)音為micro-n-SP）微處理器，集成了多功能I/O 口、同步和異步串行口、ADC、定時(shí)計(jì)數(shù)器等功能模塊，以及多功能捕獲比較模塊、BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用位置偵測(cè)接口、兩相增量編碼器接口、能產(chǎn)生各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)波形的PWM 發(fā)生器等特殊硬件模塊^[2]。利用這些硬件模塊支持SPMC75F2413A完成諸如家電用變頻驅(qū)動(dòng)器、標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)變頻驅(qū)動(dòng)器、變頻電源、多環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等復(fù)雜應(yīng)用。
2 全自動(dòng)洗衣機(jī)的模糊控制模型
??? 模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量以及模糊邏輯推理為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的新型計(jì)算機(jī)控制方法。顯然，模糊控制的基礎(chǔ)是模糊數(shù)學(xué)，模糊控制的實(shí)現(xiàn)手段是計(jì)算機(jī)。
??? 全自動(dòng)洗衣機(jī)的基本工作過(guò)程包括進(jìn)水、洗滌、漂洗、排水、甩干等。模糊控制技術(shù)用于全自動(dòng)洗衣機(jī)后，可以根據(jù)對(duì)被洗衣物的檢測(cè)，自動(dòng)地獲得最佳的洗滌方式，進(jìn)而達(dá)到智能和節(jié)能的效果。本設(shè)計(jì)是以被洗衣物的重量和臟凈程度作待測(cè)對(duì)象，設(shè)計(jì)出一系列適合不同衣物的清洗方式。全自動(dòng)洗衣機(jī)的模糊控制模型如圖1所示。

3 硬件設(shè)計(jì)
??? 首先，將設(shè)計(jì)的洗衣機(jī)硬件部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，主要分以下模塊：
??? ⑴檢測(cè)模塊：檢測(cè)部分主要由各傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，其分為：布量檢測(cè)、衣物污度檢測(cè)等。對(duì)各部分檢測(cè)結(jié)果通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入單片機(jī)CPU中進(jìn)行處理分析；
??? ⑵控制模塊：控制部分是整個(gè)智能洗衣機(jī)的關(guān)鍵部分，由單片機(jī)承擔(dān)處理工作。傳感器將檢測(cè)的數(shù)據(jù)信息傳入到控制器中，在控制器中經(jīng)過(guò)分析處理，CPU將得到數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出控制結(jié)果，如：加水量、洗滌時(shí)間、電機(jī)轉(zhuǎn)速等，并將處理的結(jié)果輸出至執(zhí)行器動(dòng)作；
??? ⑶洗滌模塊：洗滌部分主要由電動(dòng)機(jī)以及各種開(kāi)關(guān)構(gòu)成，通過(guò)CPU控制的電機(jī)正反轉(zhuǎn)、速度以及開(kāi)關(guān)的閉合完成各種洗滌動(dòng)作。其硬件電路如圖2所示；

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??? 以5種清洗方式為例，模糊控制規(guī)則表如表2所示。其中16種衣物檢測(cè)狀態(tài)由state1~state16表示；洗滌強(qiáng)度{弱，中，強(qiáng)}分別由變量{w，c，s}表示；時(shí)間的{短，中，長(zhǎng)}分別由變量{s，m，l}表示。

??? ⑷語(yǔ)音模塊：語(yǔ)音部分由揚(yáng)聲器完成，通過(guò)CPU的控制，報(bào)告洗滌的進(jìn)程；
??? ⑸顯示模塊：顯示部分由一組LED數(shù)碼顯示以及9組發(fā)光二極管組成，用來(lái)顯示洗滌的時(shí)間以及洗滌的工序。其硬件電路如圖3所示。

4 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)物圖
??? 在模糊控制器中，需要把測(cè)定量先經(jīng)模糊化，再送給模糊控制器。
??? 上述測(cè)定量的模糊輸入量的模糊集合分別為：衣物臟凈{干凈，較干凈，較臟，臟}、衣物輕重{輕，較輕，較重，重}。
相應(yīng)的模糊控制器的輸出量的模糊集合分別為：進(jìn)水時(shí)間（控制進(jìn)水量）{短，中，長(zhǎng)}、洗滌時(shí)間{短，中，長(zhǎng)}、漂洗時(shí)間{短，中，長(zhǎng)}、排水時(shí)間{短，中，長(zhǎng)}、脫水時(shí)間{短，中，長(zhǎng)}、洗滌強(qiáng)度{弱，中，強(qiáng)}。
??? 待清洗衣物的檢測(cè)狀態(tài)表如表1所示。表中0000~1111代表16種不同的檢測(cè)狀態(tài)。

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??? 軟件主程序流程圖如圖4所示。衣物洗滌過(guò)程：開(kāi)啟洗衣機(jī)，選擇自動(dòng)或者手動(dòng)方式，若為手動(dòng)則設(shè)定洗衣參數(shù)，否則進(jìn)入自動(dòng)方式。檢測(cè)衣物清洗前狀態(tài)，進(jìn)而自動(dòng)選擇相應(yīng)的洗衣參數(shù)，調(diào)用相應(yīng)的洗滌程序，完成模糊規(guī)則對(duì)衣物洗滌的控制。

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??? 模擬洗衣機(jī)的工作狀態(tài)圖如圖5所示。圖中共有3個(gè)部分，如圖5(a)中所示：1為電源及電機(jī)控制部分；2為主控制器凌陽(yáng)單片機(jī)SPMC75F2413A；3為清洗狀態(tài)顯示部分；4為模擬洗衣機(jī)缸體轉(zhuǎn)動(dòng)的直流電機(jī)。其中圖5(a)是狀態(tài)12的漂洗狀態(tài)，電機(jī)正反轉(zhuǎn)，此時(shí)數(shù)碼管顯示剩余的漂洗時(shí)間。圖(b)是狀態(tài)12脫水狀態(tài)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，數(shù)碼管顯示剩余脫水時(shí)間。

??? 本設(shè)計(jì)采用凌陽(yáng)16 bit單片機(jī)SPMC75F2413A作為控制核心完成了一個(gè)基于模糊控制的全自動(dòng)洗衣機(jī)的模擬系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)洗衣物檢測(cè)狀態(tài)信息的模糊推理，能夠自動(dòng)選擇相應(yīng)的洗滌方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于清洗過(guò)程中洗滌強(qiáng)度、進(jìn)水量、洗滌時(shí)間等一系列參數(shù)的較優(yōu)控制和洗衣過(guò)程中洗滌、漂洗、脫水、排水等狀態(tài)的模擬。通過(guò)軟硬件的結(jié)合驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案是可行的，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。