【正文】 原創(chuàng)性聲明 附 錄 ............................................................................................................... I 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 1 緒論 1 1 緒 論 隨著 自動(dòng)化技術(shù)的深入發(fā)展 ,單元技術(shù) 和 自動(dòng)化技術(shù)的不斷綜合應(yīng)用 ， 使 人類從復(fù)雜、危險(xiǎn)、繁瑣的勞動(dòng)環(huán)境中解放出來(lái)并大大提高控制效率。 在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù) 的眾多領(lǐng)域中，自動(dòng)控制技術(shù)起著越來(lái)越重要的作用。自動(dòng)控制是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機(jī)器，設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（統(tǒng)稱被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控制量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。 為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，首先 將被控制對(duì)象和控制裝置按照一定的方式連接起來(lái)，組成一個(gè)有機(jī)的總體，這就是 自動(dòng)控制系統(tǒng) 。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象的輸出量即被控量是要求嚴(yán)格加以控制的物理量，它可以要求保持為某一恒定值，例如溫度， 壓力 或飛行航跡等；而控制裝置則是對(duì)被控對(duì)象施加控制作用的機(jī) 構(gòu)的總體，它可以采用不同的原理和方式對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，但最基本的一種是基于 反饋控制原理 的反饋控制系統(tǒng)。在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對(duì)被控裝置施加的控制作用，是取自被控量的反饋信息，用來(lái)不斷修正被控量和控制量之間的偏差從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控量進(jìn)行控制的任務(wù)，這就是反饋控制的原理。 本文設(shè)計(jì)是 基于模糊控制的全自動(dòng)洗衣機(jī)控制器自動(dòng)控制系統(tǒng) , 所有的電路都是在單片機(jī)的控制下工作的，是以新一代凌陽(yáng) 16 位單片機(jī) SPCE061A 為核心，可以實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)的智能控制 ,提高洗衣質(zhì)量 ,節(jié)約能源。全自動(dòng)洗衣機(jī)是一種全新的家用電器，能夠自動(dòng)檢 測(cè)到衣物的重量和臟污程度，自動(dòng)決定進(jìn)水量，從而能自動(dòng)完成洗衣過(guò)程。洗滌程序是通過(guò)模糊推理得到的，故能達(dá)到好的洗滌效果。文中 硬件設(shè)計(jì)制作了單片機(jī)的接口和外圍硬件電路 。它包含 洗衣機(jī)狀態(tài)檢測(cè)模塊 ，顯示電路和電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路 等。而 軟件程序的編寫包括 了控制 主程序，檢測(cè)子程序，電機(jī)正反轉(zhuǎn)子程序等。 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 2 全自動(dòng)洗衣機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 2 2 全自動(dòng)洗衣機(jī) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的 硬件 設(shè)計(jì) 硬件結(jié)構(gòu)框圖及軟件流程圖是該系統(tǒng)的重要組成部分 ,在整個(gè)控制過(guò)程中 ,模糊控制軟件起了決定性的作用。 本設(shè)計(jì)中采用了 凌陽(yáng) 公司的 SPCE061A 作為控制核心，以單片機(jī)為核心結(jié)合接口芯 片及外圍電路以實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)的智能控制。其中模糊控制器的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，采用傳感器檢測(cè)洗衣過(guò)程必需的物理量，進(jìn)入模糊控制器，通過(guò)模糊推理，實(shí)現(xiàn)對(duì)洗衣機(jī)自動(dòng)識(shí)別衣量，自動(dòng)識(shí)別骯臟程度，自動(dòng)決定水量功能的控制。 通過(guò) 幾個(gè)傳感器收集到的信息， 包括衣物重量，水位，衣物的臟污程度的信息， 經(jīng)過(guò) 處理器 綜合判定后，便自動(dòng)選擇出最適當(dāng)?shù)乃?位 、洗滌時(shí)間和洗衣動(dòng)作等工作參數(shù)，并按照衣物的大小及 臟污程度 等信息，執(zhí)行最佳洗滌程序。因此，即人們只需輕輕一按洗衣機(jī)的啟動(dòng)鍵，余下的事就都由洗衣機(jī)自動(dòng)完成了 。 為了使控制效果好 ,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單 ,采用矛盾分 析方法 ： 根據(jù)衣物重量確定水位高低 和 洗滌過(guò)程中的渾濁度信息修正實(shí)際的洗滌時(shí)間的長(zhǎng)短和漂洗次數(shù)的多少。 輸入量分別由水位傳感器，重量傳感器和渾濁度傳感器 確定 水位，衣物重量和濁污程度 ，并經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)的輸入端口， 并經(jīng)過(guò) 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。輸出量有水流方式（電機(jī)正反轉(zhuǎn)） 和 洗滌時(shí)間等。我們根據(jù) 全自動(dòng)洗衣機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng) 工作原理，給出了 硬件結(jié)構(gòu)框圖 ，如圖 所示。 圖 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖 重量傳感器 衣物重量檢測(cè)電路如圖 （見(jiàn)下頁(yè)） .具體檢測(cè)重量時(shí) ,首先注入 一定的水位 ,然后起動(dòng)主電機(jī)旋轉(zhuǎn) ,接著斷電讓主電機(jī)以慣性繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)直到停止 .在主電機(jī)斷電慣性旋轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi) ,主電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài) ,會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出 .顯然 ,隨著布阻抗大小的不同 ,主電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)短也不同 .因此 ,只要檢測(cè)出重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 2 全自動(dòng)洗衣機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 3 主電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)短 ,就可以反過(guò)來(lái)推理出布阻抗的大小 .主電機(jī)發(fā)電時(shí)間愈長(zhǎng) ,布阻抗就愈小 。反之布阻抗就愈高 .主電機(jī)發(fā)電時(shí)間可直接通過(guò)檢測(cè)起動(dòng)電容兩端輸出電勢(shì) ,并將此電勢(shì)半波整流后 ,由光電隔離后放大整形為一矩形脈沖系列的脈沖數(shù)而定 .脈沖個(gè)數(shù)反映布阻抗的大小 ,脈沖個(gè)數(shù)多 ,布阻抗小 ,反 之亦然 ,據(jù)此通過(guò)模糊推理即可得到重量 .如圖 ，衣量傳感器能區(qū)分四檔衣量(多量、中多量、中少量、少量 ). 圖 衣物重量檢測(cè)電路 圖 衣物重量的判斷方法 渾濁度傳感器 電路如圖 ， （見(jiàn)下頁(yè)） ,渾濁度傳感器安裝在排水閥上端附近出口管上。原理 :利用二極管的光透過(guò)洗滌液射到光敏三極管 ,洗滌液的污濁程度影響光透度 ,洗滌液越污濁 ,光透度越小 ,而光透的大小影響光敏三極管輸出電壓 V,一般光透度越大 ,V的值越大。因此通過(guò)檢測(cè) V值可知光透度的大小。 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 2 全自動(dòng)洗衣機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 4 圖 渾濁度傳感器的電路 圖 渾濁度程度 水位傳感器 水位檢測(cè)的精度直接影響洗凈度、水流強(qiáng)度、洗滌時(shí)間等參數(shù)。對(duì)于模糊控制的洗衣機(jī) ,要求水位的檢測(cè)必須是連續(xù)的 ,故常采用諧振式水位傳感器。諧振式水位傳感器是利用電磁諧振電路 LC作為傳感器的敏感元件 ,將被測(cè)物體的變化轉(zhuǎn)變?yōu)?LC參數(shù)的變化 ,最終以頻率參數(shù)輸出。其工作原理是 :將水位的高低通過(guò)導(dǎo)管轉(zhuǎn)換成一個(gè)測(cè)試內(nèi)腔氣體變化的壓力 ,驅(qū)動(dòng)內(nèi)腔上方的一塊隔膜移動(dòng) ,帶動(dòng)隔膜中心 的磁芯在某線圈內(nèi)移動(dòng) ,從而線圈電感發(fā)生變化。由此引起諧振電路的固有頻率隨水位變化。水位測(cè)量電路如 圖 （見(jiàn)下頁(yè)） ,為便于與單片機(jī)接口 ,水位傳感器采用數(shù)字振蕩電路 ,電感與電容組成的三點(diǎn)式振蕩電路經(jīng) C2耦合接入數(shù)字式諧振放大器 A1,隨著水位變化 ,諧振頻率作相應(yīng)變化 ,放大器在 a點(diǎn)輸出 ,經(jīng) A2整形 ,由 c點(diǎn)輸出 ,此時(shí)即可將數(shù)字量接到單片機(jī)。 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 2 全自動(dòng)洗衣機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 5 圖 水位檢測(cè)電路 直流電機(jī) 我們采用 5v 的直流電機(jī)，它有兩根引出來(lái)的線，只要將一端接正另一端接負(fù)，就可以使電機(jī)轉(zhuǎn)起來(lái)，將兩根線反接，直流電機(jī)就可以反 過(guò)來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路很簡(jiǎn)單。我們采用橋式驅(qū)動(dòng)電路。 凌陽(yáng) 16 位單片機(jī) SPCE061A SPCE061A 是凌陽(yáng)科技研發(fā)生產(chǎn)的性價(jià)比很高的一款十六位單片機(jī) 。SPCE061A 的開(kāi)發(fā)是通過(guò)在線調(diào)試器 PROBE 實(shí)現(xiàn)的。它既是一個(gè)編程器（即程序燒寫器），又是一個(gè)實(shí)時(shí)在線調(diào)試器。用它可以替代在單片機(jī)應(yīng)用項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程中常用的軟件工具 —— 硬件在線實(shí)時(shí)仿真器和程序燒寫器。它利用了 SPCE061A片內(nèi)置的在線仿真電路 ICE（ In Circuit Emulator）接口和凌陽(yáng)公司的在線串行編程技術(shù)。 PROBE 工作于 凌陽(yáng) IDE 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境軟件包下，其芯片的仿真頭直接連接到目標(biāo)電路板上 SPCE061A 相應(yīng)管腳，直接在目標(biāo)電路板上的 CPUSPCE061A調(diào)試、運(yùn)行用戶編制的程序。 PROBE 的另一頭是標(biāo)準(zhǔn) 25 針打印機(jī)接口，直接連接到計(jì)算機(jī)打印口與上位機(jī)通訊，在計(jì)算機(jī) IDE 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境軟件包下，完成在線調(diào)試功能。 另外 ， 凌陽(yáng)十六位單片機(jī)具有易學(xué)易用的效率較高的一套指令系統(tǒng)和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。 它的較高的處理速度使 u’nSP?能夠非常容易地、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)。 在此環(huán)境中， 不僅可以 支持標(biāo)準(zhǔn) C 語(yǔ)言 和匯編語(yǔ)言 ，可以實(shí)現(xiàn) C語(yǔ)言與凌 陽(yáng)匯編語(yǔ)言的互相調(diào)用為軟件開(kāi)發(fā)提供了方便的條件。 輸入 /輸出接口（簡(jiǎn)稱為 I/O 口）是單片機(jī)與外設(shè)交換信息的通道。輸入端口負(fù)責(zé)從外界接收檢測(cè)信號(hào)、鍵盤信號(hào)等各種開(kāi)關(guān)量信號(hào)。輸出端口負(fù)責(zé)向外界傳送由內(nèi)部電路產(chǎn)生的處理結(jié)果、顯示信息、控制命令、驅(qū)動(dòng)信號(hào)等。 u’ nSP?內(nèi)有重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 2 全自動(dòng)洗衣機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 6 并行和串行兩種方式的 I/O 口。并行口線路成本較高，但是傳輸速率也較高；與并行口相比，串行端口的傳輸速率較低但可以節(jié)省大量的線路成本。 SPCE061A 有兩個(gè) 16 位的通用并行口： A 口和 B 口。這兩個(gè)端口的每一位都可通過(guò)編程單獨(dú)定義成輸入或輸出口。 SPCE061A 提供了 32 位控制結(jié)構(gòu)的 I/O 端口，每一位都可以單獨(dú)用于數(shù)據(jù)輸入或輸出。每個(gè)獨(dú)立的位可通過(guò)以下 3 種控制向量來(lái)作設(shè)定： I/O 數(shù)據(jù)向量 Data I/O 方向向量 Direction I/O 方式向量 Attribution 每 3 個(gè)對(duì)應(yīng)的控制向量組合在一起，形成一個(gè)控制字，用來(lái)定義相對(duì)應(yīng) I/O 端口位的輸入輸出狀態(tài)和方式。例如，假設(shè)需 要 I/O 口是帶 下拉輸入引腳，則相對(duì)應(yīng)的 Data、 Attribution 和 Direction 的值均被設(shè)為 “0”。如果需要 I/O 口 是帶喚醒功能的懸浮式輸入引腳，則 Data、 Attribution 和 Direction 的值被設(shè)為 “010”。與其它的單片機(jī)相比， SPCE061A 除了每個(gè) I/O 口可以單獨(dú)定義其狀態(tài)外，每個(gè)對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的 I/O 口是 端口性質(zhì)電路都是內(nèi)置的，在實(shí)際的電路中不需要再外接。例：設(shè) I/O口為帶下拉電阻的輸入端口，在連接硬件時(shí)不用再外接下拉電路。 A 口和 B 口的Data、 Attribution 和 Direction 的設(shè)定值均在不同的寄存器里，用戶在進(jìn)行 端口設(shè)置時(shí)要特別注意這一點(diǎn)。 I/O 端口的組合控制設(shè)置如表 所示： 表 I/O端口的組合控制設(shè)置 Direction Attribution Data 功能 是否帶喚醒功能 功能描述 0 0 0 下拉 是 帶下拉電阻的輸入引腳 0 0 1 上拉 是 帶上拉電阻的輸入引腳 0 1 0 懸浮 是 懸浮式輸入引腳 0 1 1 懸浮 否 懸浮式輸入引腳 1 0 0 高電平輸出 （帶數(shù)據(jù)反相器） 否 帶數(shù)據(jù)反相器的高電平輸出 （當(dāng)向數(shù)據(jù)位寫入 “0”時(shí)輸出“1”） 1 0 1 高電平輸出 （帶數(shù)據(jù)反相器） 否 帶數(shù)據(jù)反相器的低電平輸出 （當(dāng)向數(shù)據(jù)位寫入 “0”時(shí)輸出“1”） 1 1 0 低電平輸出 否 帶數(shù)據(jù)寄存器的低電平輸出 （ 無(wú)數(shù)據(jù)反相功能） 1 1 1 高電平輸出 否 帶數(shù)據(jù)寄存器的高電平輸出 （無(wú)數(shù)據(jù)反相功能） 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì) 7 3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的時(shí)鐘電路 設(shè)計(jì) u’ nSP 的系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)和 CPU 的工作時(shí)鐘信號(hào) CPUCLK 均來(lái)自其時(shí)鐘系統(tǒng)。其時(shí)鐘系統(tǒng)基本上由三部分組成：鎖相環(huán) PLL 倍頻電路，可編程分頻計(jì)數(shù)器以及時(shí)基信號(hào)發(fā)生器。通過(guò) PLL 對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘 32768Hz 盡心倍頻處理，產(chǎn)生出 Fosc 信號(hào)，作為系統(tǒng)的時(shí)鐘源。 u‘ nSP 內(nèi)核的外圍中只有 32768Hz 的時(shí)鐘電路。其接法如圖。 圖 系統(tǒng)時(shí)鐘 電路 語(yǔ)音輸出電路 設(shè)計(jì) 凌陽(yáng)單片機(jī)的語(yǔ)音數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)解碼后直接送到 DAC 口輸出。也就是說(shuō)，它輸出的僅僅是高低正電壓，只能使揚(yáng)聲器的振片在一個(gè)方向振動(dòng)。要想具有較好的樂(lè)質(zhì)，還需要對(duì)輸出的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)化，也就是將正電壓變換成正負(fù)平分的電壓。 另外，系統(tǒng)的輸出口有可能存在高頻干擾信號(hào)，所以在電路中加入了 RC 并聯(lián)高頻濾波電路。三極管用來(lái)放大 DAC 的輸出，語(yǔ)音輸出電路如圖 。 圖 語(yǔ)音輸出電路 重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì) 8 電源電路 設(shè)計(jì) 在電子電路中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電。它是由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等四部分組成。電源變壓器是將交流電網(wǎng) 220V 的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐担缓笸ㄟ^(guò)整流電路將交流電壓變成脈動(dòng)的直流電壓。由于此脈動(dòng)的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過(guò)濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓．但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動(dòng) (一般有士 10％左右的波動(dòng) )、負(fù)載和溫度的變化而變化．因而在整流、濾波電路之后，還需接穩(wěn)壓電路 。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。 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 的交流的電壓分別變?yōu)?+5V（硬件電路）。在小功率整流電路中 (1kW以下 )，常見(jiàn)的幾種整流電路有單相半波、全