基于單片機SPMC75的模擬全自動洗衣機的設計

洗衣機是一種在家庭生活中不可缺少的家用電器，全自動式洗衣機因使用方便得到人們的青睞，全自動即進水、洗滌、漂洗、甩干等一系列過程自動完成。一般洗衣機的控制器通常設有幾種洗滌程序，對不同的衣物可供用戶選擇。加有這種控制器的洗衣機固然使洗衣過程變得簡單易控制，但卻不能將洗衣和節能很好地結合起來^[1]。
??? 本設計基于模糊控制的模擬洗衣機系統，使洗衣系統朝著自動化、智能化，尤其是節能的方向發展。它可以根據被洗物的質地和臟污程度，自動對水量、水溫、洗滌劑、機械力等做出控制，使衣物在洗凈的前提下，洗滌過程更加節能。
1 凌陽單片機SPMC75F2413A
??? SPMC75F2413A 是由凌陽科技公司設計開發的工業級的16 bit微控制器芯片，其核心采用凌陽公司自主知識產權的μ′nS^TM（發音為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、定時計數器等功能模塊，以及多功能捕獲比較模塊、BLDC電機驅動專用位置偵測接口、兩相增量編碼器接口、能產生各種電機驅動波形的PWM 發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動器、標準工業變頻驅動器、變頻電源、多環伺服驅動系統等復雜應用。
2 全自動洗衣機的模糊控制模型
??? 模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語言變量以及模糊邏輯推理為數學基礎的新型計算機控制方法。顯然，模糊控制的基礎是模糊數學，模糊控制的實現手段是計算機。
??? 全自動洗衣機的基本工作過程包括進水、洗滌、漂洗、排水、甩干等。模糊控制技術用于全自動洗衣機后，可以根據對被洗衣物的檢測，自動地獲得最佳的洗滌方式，進而達到智能和節能的效果。本設計是以被洗衣物的重量和臟凈程度作待測對象，設計出一系列適合不同衣物的清洗方式。全自動洗衣機的模糊控制模型如圖1所示。

3 硬件設計
??? 首先，將設計的洗衣機硬件部分進行模塊化設計，主要分以下模塊：
??? ⑴檢測模塊：檢測部分主要由各傳感器和A/D轉換器實現，其分為：布量檢測、衣物污度檢測等。對各部分檢測結果通過A/D轉換器進入單片機CPU中進行處理分析；
??? ⑵控制模塊：控制部分是整個智能洗衣機的關鍵部分，由單片機承擔處理工作。傳感器將檢測的數據信息傳入到控制器中，在控制器中經過分析處理，CPU將得到數據與標準數據進行比較，得出控制結果，如：加水量、洗滌時間、電機轉速等，并將處理的結果輸出至執行器動作；
??? ⑶洗滌模塊：洗滌部分主要由電動機以及各種開關構成，通過CPU控制的電機正反轉、速度以及開關的閉合完成各種洗滌動作。其硬件電路如圖2所示；

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??? 以5種清洗方式為例，模糊控制規則表如表2所示。其中16種衣物檢測狀態由state1~state16表示；洗滌強度{弱，中，強}分別由變量{w，c，s}表示；時間的{短，中，長}分別由變量{s，m，l}表示。

??? ⑷語音模塊：語音部分由揚聲器完成，通過CPU的控制，報告洗滌的進程；
??? ⑸顯示模塊：顯示部分由一組LED數碼顯示以及9組發光二極管組成，用來顯示洗滌的時間以及洗滌的工序。其硬件電路如圖3所示。

4 軟件設計及實物圖
??? 在模糊控制器中，需要把測定量先經模糊化，再送給模糊控制器。
??? 上述測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}。
相應的模糊控制器的輸出量的模糊集合分別為：進水時間（控制進水量）{短，中，長}、洗滌時間{短，中，長}、漂洗時間{短，中，長}、排水時間{短，中，長}、脫水時間{短，中，長}、洗滌強度{弱，中，強}。
??? 待清洗衣物的檢測狀態表如表1所示。表中0000~1111代表16種不同的檢測狀態。

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??? 軟件主程序流程圖如圖4所示。衣物洗滌過程：開啟洗衣機，選擇自動或者手動方式，若為手動則設定洗衣參數，否則進入自動方式。檢測衣物清洗前狀態，進而自動選擇相應的洗衣參數，調用相應的洗滌程序，完成模糊規則對衣物洗滌的控制。

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??? 模擬洗衣機的工作狀態圖如圖5所示。圖中共有3個部分，如圖5(a)中所示：1為電源及電機控制部分；2為主控制器凌陽單片機SPMC75F2413A；3為清洗狀態顯示部分；4為模擬洗衣機缸體轉動的直流電機。其中圖5(a)是狀態12的漂洗狀態，電機正反轉，此時數碼管顯示剩余的漂洗時間。圖(b)是狀態12脫水狀態，電機正轉，數碼管顯示剩余脫水時間。

??? 本設計采用凌陽16 bit單片機SPMC75F2413A作為控制核心完成了一個基于模糊控制的全自動洗衣機的模擬系統。系統通過對洗衣物檢測狀態信息的模糊推理，能夠自動選擇相應的洗滌方式，實現了對于清洗過程中洗滌強度、進水量、洗滌時間等一系列參數的較優控制和洗衣過程中洗滌、漂洗、脫水、排水等狀態的模擬。通過軟硬件的結合驗證了設計方案是可行的，達到了設計的要求。