基于模糊控制的洗衣机控制系统的设计

1.绪论

1.1洗衣机的介绍

洗衣机目前作为一种在家庭中必不可少的家用用电器，发展的十分迅猛，备受使用者青睐的莫过于智能型模糊洗衣机，它能自动判断洗涤物的质地和重量，自动选择最佳洗涤程序，自动完成进水、洗涤、漂洗、甩干等一系列的过程。1.11洗衣机的发展背景

不管是在以前还是现在，衣服的洗涤都是不可避免的，洗衣机问世以前，它还是一项体力活，需要反复的手搓、敲打、清洗，冬天的时候洗衣服就更受罪了，有条件的可以加点热水，但是马上就冷了，还是只得在冰冷的水中搓洗衣服，总之给人的感觉就是一点都不轻松。

1958年，一个叫汉密尔顿·史密斯的美国人在匹茨堡制成了世界上第一台洗衣机。1874年，同样也是一个美国人叫比尔·布莱克斯，发明了世界上第一台由人工搅拌的洗衣机，随后，“手洗时代”受到挑战。1911年，还是聪明的美国人，又发现了世界上第一台电动洗衣机。1920年，洗衣机的材质开始发现变化，美国的玛伊塔格公司将其木制桶改成铝制，第二年又改变了它的结构，有单层改为外层铝、内层铜的双层结构。1936年，他们又将洗衣机的筒体改为搪瓷。与此同时，洗衣机开始在世界各地相继问世。这时出现喷流式和滚筒式两种洗衣机。

1932年后，一家美国公司成功研制了第一台前装式滚筒洗衣机，洗涤、漂洗、脱水全部在一个滚筒内自动完成，洗衣机的发展进入了一个崭新的时代。这种滚筒洗衣机，很快在欧洲和美洲得到广泛应用。

第一台自动洗衣机于1937年问世。这是一种“前置”式自动洗衣机。靠一根水平的轴带动的缸可容纳4000克衣服。衣服在注满水的缸内不停地上下翻滚，使之去污除垢。到了40年代便出现了现代的“上置”式自动洗衣机。随着工业化的加速，世界各国也加快了洗衣机研制的步伐。首先由英国研制并推出了一种喷流式洗衣机，它是靠筒体一侧的运转波轮产生的强烈涡流，使衣物和洗涤液一起在筒内不断翻滚，洗净衣物。1955年，在引进英国喷流式洗衣机的基础之上，日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。至此，波轮式、滚筒式、搅

拌式在洗衣机生产领域三分天下的局面初步形成。60年代的日本出现了带干桶的双桶洗衣机，人们称之为“半自动型洗衣机”。70年代，生产出波轮式套桶全自动洗衣机。70年代后期，以电脑（实际上微处理器）控制的全自动洗衣机在日本问世，开创了洗衣机发展史的新阶段。80年代，“模糊控制”的应用使得洗衣机操作更简便，功能更完备，洗衣程序更随人意，外观造型更为时尚。

90年代，由于电机调速技术的提高，洗衣机实现了宽范围的转速变换与调节，诞生了许多新水流洗衣机。此后，随着电机驱动技术的发展与提高，日本生产出了电机直接驱动式洗衣机，省去了齿轮传动和变速机构，引发了洗衣机驱动方式的巨大革命。之后，随着科技的进一步发展，滚筒洗衣机已经成了大家耳濡目染的产品。

1.1.2洗衣机的发展前景

模糊洗衣机的发展首先表现在洗涤方式发生了很大的变化，原先主要是通过改变水流和加大动力，现在电解水、臭氧和蒸汽洗涤技术的运用，使得洗衣机的去污能力从依靠洗衣粉、洗衣液的化学作用和水流强弱变化的机械作用，向健康、环保更高层次的洗涤方式转变。另外一个变化就是高度自动化、智能化、人性化。从半自动、全自动到现在的人工智能、模糊控制，只需要轻轻动一下手指，按一下按钮就行了。用户还可以自主选择洗涤时间和洗涤方式，人性化还表现在使用的方便和舒适，如可以将不同衣服分开洗的子母洗衣机。另外，对洗衣机的负载能力要求也越来越高，以前洗衣机的容量多为4到5公斤，现在7到8公斤都很普遍。

1.2洗衣机的主要参数

洗衣机作为一种家电产品，需要达到这样几项性能指标：洗净、漂洗、脱水、甩干、排水、磨损等，其主要性能指标的实现最终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：

1.2.1水位

水本身作为一种洗涤剂，具有一定的去污功能，水量并不是与去污能力成正比的，我们需根据衣物量来确定水量，虽然目前还不能做到这一点，只能从衣物量对水位进行大致的分级。

1.2.2水流

静止的洗涤剂洗涤效果并不十分理想，要想把污渍从衣服的表面去除，并对衣物施加清洗动力，就需要洗衣机能够完成搅拌、摩擦、翻滚等一系列的动作。洗衣机输出的动能越大，去污能力也相对越明显，但同时对衣物也有一定的磨损，因此对不同质地、不同重量的衣物输出的动能也不同，从控制的角度即表现为水流方式的不同。

1.2.3洗涤时间

很明显洗涤时间越长对衣物的磨损程度也越大，因此我们要根据衣服的质地和重量来选择洗涤时间。

1.2.4漂洗方式

漂洗的作用在于去污和去除残留的洗涤剂，漂洗方式我们也要根据具体衣物确定。

1.2.5脱水时间

脱水作为自动洗衣机洗衣操作的最后一个过程，一般脱水时间越长，衣服也就甩的越干，但有些衣物中的残留水分无法通过脱水的方式来去掉，同样残留的水分也与衣物的质地和重量有关，因此对脱水时间也要进行分级。

2.硬件电路介绍

模糊洗衣机是以MC68HC05SR3单片机为核心组成智能模糊程控器以及相关元器件组成的洗衣机整机电路。

2.1电源电路

220V、50HZ市电经电源变压器T降压、桥式整流器U整流、电容C1和C2滤波、7805集成三端稳压器稳压，再经过电容C3和C4滤波，获得+5V电源作为MC68HC05SR3单片机的电源电压。二极管VD1起隔离作用，使控制电路进行过零检测。

2.2状态检测电路

洗衣机的状态检测电路主要包括内桶平衡检测、衣物质地和重量检测、电源电压过零检测、电源电压变化检测、洗涤温度检测、水位监测以及洗涤液的混浊度检测等电路。

（1）内桶平衡检测电路：内桶平衡检测电路是由平衡开关S与电阻R35等元件组成，用于检测脱水程序内桶运转是否平衡（即桶内衣物是否均匀），其检测原理与普通全自动洗衣机大致相同。

（2）衣物质地和重量检测电路：衣物质地和重量检测电路只要是由电动机M2、二极管VD3和VL1、电阻R21、光敏晶体管VT9等器件组成光耦合电路，用于隔离交、直流信号以及产生衣物质地和重量信号。

洗涤物重量的检测，是通过检测洗涤电动机M2断电后的惯性运转数来判定的。

洗衣机工作时，当进水达到负载测定水位后，模糊成控制器控制洗涤电动间歇运转，通过光耦合电路对电动机反复转停的惯性转数进行脉冲计数，以此判定电动机的负载量（洗衣量）。也就是通过洗涤电动机断电后，依靠惯性运转时间的长短，来判定负载量的大小。当洗衣量较大时，洗涤电动机的能量消耗也就大，电动机依靠惯性运转的时间就短；相反，当洗衣量较少时，电动机依靠惯性运转的时间相对就长。在控制电路中，通过二极管VD3和VL1对电动机依靠惯性运转所产生的电压信号（相当于电动机发电），进行全波整流检出，再通过耦合使光敏晶体管VT9工作，由反相器7404（D2）输出信号加至MC68HC05SR3单片机的PA2端，形成衣量检测信号。

在智能性模糊洗衣机中，是依据洗涤物重量来进行水位控制的。通常根据洗衣量的不同，水位有高、中、低以及少量等多档。

在洗涤物重量检测之后，在进行以物质地的检测。所谓衣物质地的检测，主要包括对衣物进行棉质与化纤的判定以及棉质衣物软、硬的检测等两项内容。

对衣物质地进行检测的方法与对衣物重量检测的方法大致相同，也是控制洗涤电动机间歇运转，并通过管沟和电路对电动机的惯性运转进行脉冲计数。然后再与衣量检测的脉冲数相比较，根据两者的差值就可判别衣物质地。若两者的差值较大，则可判定义务的棉质成分较大；反之，为化纤成分较大。

衣物棉质软、硬的检测是通过水位传感器在衣物质地检测的同时进行的。具体方法是在进行质地检测之前测出水位值，在判定是棉质衣物后，再测其水位值，根据前后两次水位差值的大小来判定棉质衣物的软硬。若差值较大（前水位高于后水位），则可判定衣物较硬；反之，为软质衣物。只是由于棉质衣物硬度不同，其吸水快慢也不相同。通常较硬的棉质衣物比之较软的棉质衣物吸饱水所需的时间爱你更长些，在进行衣量检测过程中，较软的棉质衣物基本已吸饱水，而较硬的棉质衣物则吸水相对较少。故在进行衣质检测过程中，较软的棉质衣物基本上不再吸水，所以前后水位差值不大；而较硬的棉质衣物吸水相对较多，所以前后水位差值较大。

（3)过零检测电路：过零检测电路是由电阻R1和R2、晶体管VT1以及7404反相器（D1）等器件组成。由桥式整流器U输出的全波整流的电压信号，经电阻R1加至晶体管VT1的基极，当全波整流电压信号过零时，晶体管VT1截止，集电极输出高电平；当全波整流电压信号大于零，晶体管VT1导通，集电极输出低电平。晶体管VT1集电极输出的脉冲信号再经7404反相器整形和反向后，加至MC68HC05SR3单片机的INT端，以产生电源电压过零中断信号。

（4)电源电压变化检测电路：电源电压变化检测电路是由半波整流二极管VD2、滤波电容C5以及调整电位器RP1等元器件组成。由电源变压器T二次输出的50HZ电压信号，经二极管VD2半波整流以及RP1、C5的滤波，在电位器RP1两端获得直流电压信号。这一个反映220V、50HZ电源电压变化的直流电压信号，再经电位器RP1分压加至MC68HC05SR3单片机的AN0端，作为电源电压变化检测信号。

（5)水温检测电路：水温检测电路是由温度传感器（热敏电阻）、LM358集成电路（第一级作为阻抗隔离器，第二级为放大器）以及相关的阻容元件组成。由LM358（B）输出的温度检测信号，加至MC68HCSR单片机的AN1端。

（6)水位检测电路：水位检测电路是由水位传感器以及电位器RP3等元件组成。水位检测信号加至MC68HC05SR3单片机的AN2端。

（7)浑浊度（衣物赃物度）检测电路：混浊度检测电路是由红外发光二极管VL2和红外光敏晶体管VT3（两者构成光电传感器）以及相关元件组成。红外发光二极管VL2和红外光敏晶体管VT3分别安装在洗衣机排水管两侧，在红外发光二极管VL2中通有恒定电流，使之发射出一定强度的红外线。当洗衣机排水时，洗涤桶内的水从红外发光二极管VL2与红外光敏晶体管VT3之间流过，不同浊度会使透过的红红外信号强弱发生变化。这一反应浑浊度大小的红外信号，被红外光敏晶体管VT3接受并转换为电信号，加至MC68HC05SR3单片机的AN3端，模糊控制器以此进行洗涤程序控制。

2.3显示电路

显示电路是由扫描开关管VT10-VT13、发光二极管VL3-VL9、七段发光二极管显示器LED1-LED3以及相关元件组成。VT10-VT13用于选择VL3-VL4、LED1、LED2和LED3工作；LED1-LED3用于显示定时时间；VL3-VL4用于显示洗衣机的现行工作状态。

2.4输出控制电路

输出控制电路是由触发电路和双向晶闸管VTR1-VTR5等元器件组成。MC68HC05SR3单片机的PC3端输出控制信号，触发双向晶闸关VTR5使之导通，排水电磁阀得电而开启阀体，洗衣机开始执行排水程序；MC68HC05SR3单片机的PC4端输出控制信号，触发双向晶闸关VTR4，,进水电磁阀得电而开启，洗衣机开始执行进水程序；MC68HC05SR3单片机的PC5端输出控制信号，触发双向晶闸关VTR3，洗涤剂自动投放电动机M1工作，洗衣机开始执行自动投放洗涤剂程序；MC68HC05SR3单片机的PC6和PC7端轮流间歇输出控制信号，控制双向晶闸关VTR2和VTR1工作，洗衣机开始执行洗涤程序（即洗涤电动机M2正传、停、反转）。

另外，控制电路中S1为洗衣机的起动\暂停控制按键开关；S2为功能选择

按键开关，用于选择洗衣机的工作状态。

3.软件部分介绍