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模糊洗衣机控制系统设计
本科生毕业设计（论文）
论文题目：
模糊洗衣机（控制）系统设计
摘要
随着智能家居的理念的深入，未来社会生活越来越向智能化方向发展。
而模糊理论系统应用于洗衣机上则是智能家居的重要部分之一。
智能洗衣机可以自动识别衣物材质、衣物量、水的浑浊度，并自动化决定放水量、洗涤剂的放入量、洗涤时间、洗涤次数、自动甩干等功能,全部自动化完成整个洗涤过程。
本文主要介绍了一种类型的模糊智能控制洗衣机的设计方案，它主要以STM8S105C6T6单片机为核心，通过各种传感器对衣物量、水温、水的浑浊度等检测，将测得的模拟信号转换成数字信号传送给STM8S105C6T6单片机，经过数据的处理，从而达到对洗衣机的模糊化智能控制，提高洗衣质量，节约能源，节省人们的宝贵时间，提升人们的生活品质。
关键词：
模糊智能控制STM8S105C6T6传感器
Abstract
Withthedeepeningoftheconceptofintelligenthome,thesociallifewillbemoreintelligentizinginthefuture.Systemandfuzzytheoryisappliedtothewashingmachine.itisoneofanimportantpartofintelligenthousehold.Intelligentwashingmachinecanautomaticallyidentifytheamountofclothingmaterials,clothingandtheturbidityofwater,whichcandecidedtoputintothesizeofthewater,detergent,washingtime,washingtimesandautomaticdry,automatically,completingthewholewashingprocess.
Thisthesismainlyintroducesatypeoffuzzyintelligentcontrolwashingmachinedesignscheme,itmainlySTM8S105C6T6MCUasthecore,theclothing,throughallkindsofsensors,theturbidityofwaterdetection,watertemperaturewillbemeasuredanalogsignalsintodigitalsignalstoSTM8S105C6T6microcontroller,aftercomputingdata,thewashingmachinewillbecontrolledautomatically,improvingthequalityoflaundry,economizingenergy,savingtheprecioustimeofpeople,andimprovingpeople'squalityoflife.
Keywords：
Fuzzy intelligentcontrolSTM8S105C6T6Sensor
1绪论
1.1引言
模糊控制是用模糊数学的只是模仿人脑的思维方式，对模糊现象进行识别和判决，给出精确地控制量，对被控对象进行控制。
模糊控制是一种新兴的以集合理论为基础的控制方式，它主要由模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合而产生的。
随着科技进步的发展，这种方法正逐步成为人们思考问题，解决问题的一个重要方法理论之一。
将模糊集合理论运用到自动控制而形成的模糊控制理论，在近年来得到了迅速发展，在对于一些时刻在变动的非线性复杂系统，当无法获得的精确地数学模型的时候，利用具智能模糊控制起可以准确地从给出有效的控制。
因为要求过程的操作人员在系统组成部分中存在不确定性，应用一般的控制理论很难实现相应的控制，而如果把操作人员的控制经验归纳成定性描述的一条条可以选择的条件语句，然后用模糊集合理论将其定量化，使得控制器学习人的经验，并模仿人的操作方法，就可以产生以模糊集合理论为基础的模糊控制器。
与常规控制方法相比，模糊控制有以下特点：
1.模糊控制完全是在操作人员控制经验基础上实现对系统的控制，无需建立数学模型，是解决不确定性系统的一种有效途径；2.模糊控制具有较强的鲁棒性，被控对象参数的变化对模糊控制的影响不明显，可用于非线性、时变、时滞系统的控制；3.由离线计算得到控制查询表，提高了控制系统的实时性，便于用计算机软件实现；4.控制的机理符合人们对过程控制作用的直观描述和思维逻辑，易于被操作人员接受，为未来的智能控制应用打下了基础。
模糊控制理论思想是控制理论思想的一次重大的变革，使得人工智能又一次发展到一个新的层次。
随着计算机的快速发展与普及，模糊控制也从最初的经典模糊控制发展到目前的自适应模糊控制，专家模糊控制和基于神经网络的自学习模糊控制。
实现方式也从最初的微型机实现到使用模糊控制开发出计算机进行直接控制。
以洗衣机为例，早期人们洗衣最初用的是洗衣板，随后用的是机械定时式洗衣机，属于半机械半电子式。
现在，人们用的是全自动洗衣机。
随着社会的发展，人们都希望使用人工智能型的洗衣机，只要把要洗的衣物放入洗衣机，通电，洗衣机就能根据衣物量、衣服材质、水温、浑浊度等参数自动确定洗涤时间、洗涤次数、脱水，最后直接出来干净的衣物并声光提示。
这种洗衣机将会在不久的将来应用到千家万户，以适应现代社会人们对电器设备方便快捷准确的要求。
1.2模糊控制系统的基本思路
模糊控制的基本思想是，将人类专家特定对象的控制经验，通过运用模糊集理论进行量化，转化成为可数学实现的控制器，从而实现对被控对象的控制。
它将测量得到的被控对象的状态经过模糊化接口转换成为用人类自然语言描述的模糊量，而后很据人类的语言控制规则，经过模糊推理得到输出控制量的模糊取值，控制量的模糊取值再次经过清晰化接口转换为执行机构能接收的精确量。
在设计模糊控制器前，需要解决以下几个问题：
输入量的检测与模糊量化，输出量的具体化；
建立模糊控制规则或模糊控制表；
输出信息的模糊判定。
模糊控制原理框图如图1-1。
图1-1模糊控制器原理图
S--系统的设定值；
e,c--系统偏差与系统偏差变化率；
E,C--经模糊量化处理后，偏差与偏差变化率变成的模糊量；
U--模糊量的偏差与偏差变化率经模糊控制处理后得到的模糊量的控制U；
u--对模糊量的控制作用U，经模糊判决，得到的精确的控制作用u，去控制被控对象。
模糊控制器是一台微机，也可以是一个系统机，也可以是单片机，本文主要讲述用STM8S105C6T6单片机作为模糊控制器来实现整个模糊控制。
1.3模糊控制洗衣机控制系统的总体设计思路
前面介绍了很多模糊控制，在对其有一定了解后，就可以较为清楚明确的确定设计方向。
模糊控制洗衣机控制系统主要由电源部分、光传感器、重量传感器、温度传感器、驱动部分、单片机组成，由各个传感器将得到的数据送入单片机处理，驱动电机工作，达到智能控制洗衣的目的。
2模糊洗衣机（控制）系统设计的总体方案
2.1模糊控制洗衣机系统的模糊推理
设计一款模糊控制洗衣机时，我们必须确定模糊控制的规则，而这些规则我们可以从日常生活中的经验归纳出来。
在遇到典型的数据量时可以进行模糊推理，从而得到想要的控制规则。
在模糊洗衣机中，衣物的材质、衣物量、水温、水的浑浊度等常见的量都是可以通过对现行状态的检测，经过控制系统的模糊推理后得出。
在日常生活中，因为洗衣时放入的衣物不可能材质都是完全一样的，故而衣物的材质不容易通过传感器具体检测出来，所以本文的模糊控制洗衣机系统将忽略掉检测衣物材质的环节，同时，由于洗涤剂的投放不方便控制，本文也将忽略掉控制投放洗涤剂量的环节。
本文将主要考虑衣物量、水温、水的浑浊度这几个条件，而这些条件求取放水量、洗涤衣物的时间、脱水时间、洗涤次数等。
模糊控制洗衣机系统是一个多输入多输出的控制系统。
实际上，模糊推理对于不同的情况会有不同或相同的控制。
比如，热水、衣物量多时，洗涤时间中等；温水、衣物量中等时，洗涤时间也是中等；温水、衣物量多时，洗涤时间长。
这些都是通过日常生活的经验中得到的，下面的表格是通过日常生活中得到的经验做出的洗衣机的模糊控制推理表。
表2-1洗衣机的洗涤时间推理表
水温
衣物量时间
热水
温水
冷水
多
中
长
特长
中
短
中
长
少
短
短
中
如表所示，这是一个多输入的推理。
对于输入量来说，水温的模糊量为：
“热水”、“温水”、“冷水”；衣物量的模糊量为“多”、“中”、“少”；对于输出量来说，洗涤时间的模糊量为：
“特长”、“长”、“中”、“短”。
由上面的表可以画出关于水温、衣物量、洗涤时间的模糊量图。
图2-1水温、衣物量、洗涤时间模糊量图
在模糊控制洗衣机系统中，我们主要考虑衣物量、水温、和浑浊度这几个条件，由这些条件经过模糊处理后，求取洗涤时间、脱水时间、洗涤次数、放水量等。
由此，模糊洗衣机的推理如下图所示。
图2-2模糊控制洗衣机推理图
2.2控制器的选择与比较
在大学四年所学的控制器主要有这几种：
单片机、PLC、CPLD、DSP等。
下面将对这些控制器进行粗略的介绍：
PLC：
programmablelogiccontroller可编程逻辑控制器。
使用方便，采用梯形图编程，开发周期短，容易现场调试；功能强，但价格比较高；可靠性高，抗干扰能力强；硬件配套齐全，模块化程度高，适应性强。
主要应用于工业控制设备。
CPLD；ComplexProgrammableLogicDevice复杂可编程逻辑器件。
集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产（一般在10,000件以下）之中。
DSP:
digitalsignalprocessing数字信号处理。
特点为高的运算精度、低功耗、快速的指令周期、特殊的DSP指令、多总线结构。
主要应用于研究数字滤波技术、离散变换快速算法和谱分析方法等。
单片机：
又称单片微控制器，目前主流单片机包括CPU、ROM、RAM、位定时/计数器、并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP，功能较为全面。
系统结构简单，使用方便，实现模块化；单片机可靠性比较高；处理功能强，速度快；低电压，低功耗，便于生产便携式产品；控制功能强；环境适应能力强。
广泛应用于生活的各个领域。
根据以上控制器的简要介绍，通过对价格的比较，应用范围的选择，研发周期的考虑等综合原因，最终选择用单片机作为本模糊控制洗衣机系统的控制器。
2.3洗衣机控制系统功能流程图
图2-3洗衣机控制系统流程图
2.4本章小结
本章主要介绍了模糊控制洗衣机系统的相关性能指标和设计方案的比较，并最终确立了本文的设计方案。
3模糊洗衣机控制系统的硬件设计
3.1模糊控制洗衣机系统的硬件设计结构
硬件是整个洗衣机控制系统的关键，没有硬件的东西，任何软件都无用武之地。
本论文的设计侧重于智能洗衣机的实用可操作性，充分利用所选8位单片机芯片STM8S105C6T6丰富的外设资源，完成洗衣机控制系统各模块的硬件设计。
本文设计的洗衣机控制器系统主要包括:
芯片部分，电源部分、按键输入部分、传感器部分、控制驱动输出电机部分等。
3.2芯片部分
STM8S105C6T6是一款8位单片机，具有32K字节的Flash程序存储器，集成了1024字节数据EEPROM，可以达到30万次的擦写周期。
2.95~5.5V工作电压，灵活的时钟控制，4个主时钟源，带有时钟监控的时钟安全保障系统，永远打开的低功耗上电和掉电复位，高级控制定时器：
16位，4个CAPCOM通道，3个互补输出，死区插入和灵活的同步，自动唤醒定时器，10位，±1LSB的ADC，最多有10路通道，扫描模式和模拟看门狗功能，单线接口模块（SWIM）和调试模块（DM），可以方便地进行在线编程和非侵入式调试。
以下是STM8S105C6T6单片机的原理图。
图3-1STM8S105C6T6单片机原理图
图3-2单片机IO引脚分配原理图
由于STM8S105的芯片手册上说其VCAP外部电容取值在470~3300nF，故选取中间值C9为1uF的电解电容。
下图是STM8S105手册推荐的复位引脚保护，本文是根据它来设计控制器STM8S105的复位引脚的。
图3-3STM8S105C6T6单片机复位引脚保护
3.3电源部分
由于目前中国家庭供电电源电源主要是交流220V，所以洗衣机从可实用性设计来说当然以交流220V作为输入，但是作为控制器来说，其工作电压是直流2.95~5.5V之间，故而需要降压。
图3-4电源的初步降压
上图为工程设计中常用的线性电源，其原理是先将交流电220v经过变压器降低电压幅值到14v，再经过整流电路整流后，得到脉冲直流电，后经滤波得到带有微小波纹电压的直流电压20V（空载）。
因为本控制器部分耗电量比较小，考虑到成本问题，故本控制器电源部分的变压器用4W的小型5针插针卧式变压器，这样在接通负载（控制器）的时候，变压器输出电压将会被拉低，直流输出在12v左右。
C15电解电容耐压值应大于22V，本设计采用市面上较为常用的50V耐压值的电解电容。
由于应用到家庭中，对于洗衣机来说是用到水的电器产品，必须加入适当的保护措施，本文中我在电源输入的地方串入了一个熔断器，当出现短路的时候会立刻烧断熔断器，切断总电源，避免出现安全事故。
当然，洗衣机还要加接地保护，防止人身触电。
不过上面的电源还是不能产生出稳定的5V电压，要达到高精度的直流电压，我们必须经过稳压电路进行稳压。
所以在下图我们还将加入一个稳压芯片WS78L05。
图3-5稳压芯片WS78L05
通过整流得到的电压VCC，经过稳压芯片WS78L05后再经过C14与C13两个电容的再次滤波输出的就是比较稳定的5V电源了。
由于用的WS78L05是TO-92封装，输出电流最大可达150mA。
而且控制器的总功率很小，故不在稳压芯片WS78L05上做任何散热处理。
图3-6TO-92封装
3.4按键输入部分
本洗衣机控制器一共有4个按键，功能分别为
KEY1：
“开关按键”；KEY2：
“设置按键”；
KEY3：
“功能加”；KEY4：
“功能减”。
其原理图如下图所示。
图3-7按键输入部分原理图
其中KEY1、KEY2、KEY3、KEY4分别接到芯片STM8S105对应的I/O口引脚上。
3.5传感器部分
传感器介绍：
传感器是一种检测装置，它将我们感受到的信息按一定规律转换成为电信号形式输出，以满足信息的传输等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
我们洗衣机控制系统传感器部分主要包括：
温度检测部分、重力传感器部分、水浑浊度检测部分。
下面就是对这三个传感器部分的详细介绍。
3.5.1温度检测部分
由于洗衣机是用于家用电器，一般洗衣服时水温在0~50℃，温度检测只是用于模糊控制的一个计算参数，所以用到一个精度不是太高的普通的温度传感器即可。
在这里，我们选择了一款“NTC热敏电阻MF52AT10K1%精度”作为我们的温度传感器。
首先选择这种型号的传感器是因为：
第一，它在市场上很容易买到，是常用的温度传感器之一；第二，它的价格便宜，在市场上它的价格只有几毛钱。
第三，它的温度敏感，能够比较快速的反应水温的变化。
第四，他的精度不算低，符合本次设计控制器测量温度所要求的精度。
下图是MF52AT10K误差1%温度特性表：
表3-1MF52AT10K3950温度特性表
T（℃）
R（KΩ）
T（℃）
R（KΩ）
T（℃）
R（KΩ）
T（℃）
R（KΩ）
-40
190.5562
-27
99.5847
-14
53.1766
-1
29.2750
-39
183.4132
-26
94.6608
-13
50.7456
0
28.0170
-38
175.6740
-25
90.0326
-12
48.4294
1
26.8255
-37
167.6467
-24
85.6778
-11
46.2224
2
25.6972
-36
159.5647
-23
81.5747
-10
44.1201
3
24.6290
-35
151.5975
-22
77.7031
-9
42.1180
4
23.6176
-34
143.8624
-21
74.0442
-8
40.2121
5
22.6597
-33
136.4361
-20
70.5811
-7
38.3988
6
21.7522
-32
129.3641
-19
67.2987
-6
36.6746
7
20.8916
-31
122.6678
-18
64.1834
-5
35.0362
8
20.0749
-30
116.3519
-17
61.2233
-4
33.4802
9
19.2988
-29
110.4098
-16
58.4080
-3
32.0035
10
18.5600
-28
104.8272
-15
55.7284
-2
30.6028
11
18.4818
T（℃）
R（KΩ）
T（℃）
R（KΩ）
T（℃）
R（KΩ）
T（℃）
R（KΩ）
12
18.1489
25
10.0000
38
6.1418
51
3.9271
13
17.6316
26
9.5762
39
5.9343
52
3.7936
14
16.9917
27
9.1835
40
5.7340
53
3.6639
15
16.2797
28
8.8186
41
5.5405
54
3.5377
16
15.5350
29
8.4784
42
5.3534
55
3.4146
17
14.7867
30
8.1600
43
5.1725
56
3.2939
18
14.0551
31
7.8608
44
4.9976
57
3.1752
19
13.3536
32
7.5785
45
4.8286
58
3.0579
20
12.6900
33
7.3109
46
4.6652
59
2.9414
21
12.0684
34
7.0564
47
4.5073
60
2.8250
22
11.4900
35
6.8133
48
4.3548
61
2.7762
23
10.9539
36
6.5806
49
4.2075
62
2.7179
24
10.4582
37
6.3570
50
4.0650
63
2.6523
T（℃）
R（KΩ）
T（℃）
R（KΩ）
T（℃）
R（KΩ）
T（℃）
R（KΩ）
64
2.5817
76
1.7696
88
1.3009
100
0.9180
65
2.5076
77
1.7197
89
1.2684
101
0.8889
66
2.4319
78
1.6727
90
1.2360
102
0.8610
67
2.3557
79
1.6282
91
1.2037
103
0.8346
68
2.2803
80
1.5860
92
1.1714
104
0.8099
69
2.2065
81
1.5458
93
1.1390
105
0.7870
70
2.1350
82
1.5075
94
1.1067
106
0.7665
71
2.0661
83
1.4707
95
1.0744
107
0.7485
72
2.0004
84
1.4352
96
1.0422
108
0.7334
73
1.9378
85
1.4006
97
1.0104
109
0.7214
74
1.8785
86
1.3669
98
0.9789
110
0.7130
75
1.8225
87
1.3337
99
0.9481
下图为温度模块的原理图：
图3-8温度传感器检测原理图
如上图所示，NTC热敏电阻P6和测量电阻R4（精密电阻）组成一个简单的串联分压电路，参考电压V_ref（+5v）经过分压可以得到一个电压值随着温度值变化而变化，这个电压的大小将反映出NTC电阻的大小，也就是相应温度值的反映。
通过欧姆定律可以得到输出电压值
和NTC电阻值的一个关系表达式：
（3-1）
接下来的表达式将基于公式
（1）推算，本控制器的单片机STM8S105C6T6里集成了10位数模转换器（ADC），
，参考电压
。
各温度点对应的ADC转换后的数字量可以计算为：
（3-2）
将公式
（1）、
（2）结合可以得到：
（3-3）
3.5.2重力传感器部分
称重传感器是一种将质量信号转换成可测量的电信号输出的装置。
，它主要有光电式、液压式、电容式、电磁力式、电阻应变式、板环式、数字式等。
其中以电阻应变式使用的最为广泛。
在市面上测量重量的传感器很多，考虑到成本与可实施性，在这里，我们主要介绍一种“电子秤专用称重传感器”，实物见下图所示。
图3-9压力传感器实物图
接线:
红线输入“电压+”，黑线输入“电压-”，绿线输出“信号+”，白线输出“信号-”。
输出电压信号：
压力越大输出电压信号越大
下图为压力传感器的原理图：
图3-10压力传感器原理图
由于本文讲述的重心是控制器，压力传感器会连接线路，能够使用即可，不再对其内部做深层分析。
3.5.3水浑浊度检测部分
浑浊度检测部分，本控制器用高亮灯作为发射光源，光敏电阻作为接收源，当一次洗涤时间结束后，在排水的时候检测水的浑浊度，如果浑浊度比较大，就接着在洗涤一次，如果浑浊度比较
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