基于单片机的模拟全自动洗衣机的设计

洗衣机是一种在家庭生活中不可缺少的家用电器，全自动式洗衣机因使用方便得到人们的青睐，全自动即进水、洗涤、漂洗、甩干等一系列过程自动完成。一般洗衣机的控制器通常设有几种洗涤程序，对不同的衣物可供用户选择。加有这种控制器的洗衣机固然使洗衣过程变得简单易控制，但却不能将洗衣和节能很好地结合起来^[1]。
本设计基于模糊控制的模拟洗衣机系统，使洗衣系统朝着自动化、智能化，尤其是节能的方向发展。它可以根据被洗物的质地和脏污程度，自动对水量、水温、洗涤剂、机械力等做出控制，使衣物在洗净的前提下，洗涤过程更加节能。
1 凌阳单片机SPMC75F2413A
SPMC75F2413A 是由凌阳科技公司设计开发的工业级的16 bit微控制器芯片，其核心采用凌阳公司自主知识产权的μ′nS^TM（发音为micro-n-SP）微处理器，集成了多功能I/O 口、同步和异步串行口、ADC、定时计数器等功能模块，以及多功能捕获比较模块、BLDC电机驱动专用位置侦测接口、两相增量编码器接口、能产生各种电机驱动波形的PWM 发生器等特殊硬件模块^[2]。利用这些硬件模块支持SPMC75F2413A完成诸如家电用变频驱动器、标准工业变频驱动器、变频电源、多环伺服驱动系统等复杂应用。
2 全自动洗衣机的模糊控制模型
模糊控制是一种以模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为数学基础的新型计算机控制方法。显然，模糊控制的基础是模糊数学，模糊控制的实现手段是计算机。
全自动洗衣机的基本工作过程包括进水、洗涤、漂洗、排水、甩干等。模糊控制技术用于全自动洗衣机后，可以根据对被洗衣物的检测，自动地获得最佳的洗涤方式，进而达到智能和节能的效果。本设计是以被洗衣物的重量和脏净程度作待测对象，设计出一系列适合不同衣物的清洗方式。全自动洗衣机的模糊控制模型如图1所示。

3 硬件设计
首先，将设计的洗衣机硬件部分进行模块化设计，主要分以下模块：
⑴检测模块：检测部分主要由各传感器和A/D转换器实现，其分为：布量检测、衣物污度检测等。对各部分检测结果通过A/D转换器进入单片机CPU中进行处理分析；
⑵控制模块：控制部分是整个智能洗衣机的关键部分，由单片机承担处理工作。传感器将检测的数据信息传入到控制器中，在控制器中经过分析处理，CPU将得到数据与标准数据进行比较，得出控制结果，如：加水量、洗涤时间、电机转速等，并将处理的结果输出至执行器动作；
⑶洗涤模块：洗涤部分主要由电动机以及各种开关构成，通过CPU控制的电机正反转、速度以及开关的闭合完成各种洗涤动作。其硬件电路如图2所示；

以5种清洗方式为例，模糊控制规则表如表2所示。其中16种衣物检测状态由state1~state16表示；洗涤强度{弱，中，强}分别由变量{w，c，s}表示；时间的{短，中，长}分别由变量{s，m，l}表示。

⑷语音模块：语音部分由扬声器完成，通过CPU的控制，报告洗涤的进程；
⑸显示模块：显示部分由一组LED数码显示以及9组发光二极管组成，用来显示洗涤的时间以及洗涤的工序。其硬件电路如图3所示。

4 软件设计及实物图
在模糊控制器中，需要把测定量先经模糊化，再送给模糊控制器。
上述测定量的模糊输入量的模糊集合分别为：衣物脏净{干净，较干净，较脏，脏}、衣物轻重{轻，较轻，较重，重}。
相应的模糊控制器的输出量的模糊集合分别为：进水时间（控制进水量）{短，中，长}、洗涤时间{短，中，长}、漂洗时间{短，中，长}、排水时间{短，中，长}、脱水时间{短，中，长}、洗涤强度{弱，中，强}。
待清洗衣物的检测状态表如表1所示。表中0000~1111代表16种不同的检测状态。

软件主程序流程图如图4所示。衣物洗涤过程：开启洗衣机，选择自动或者手动方式，若为手动则设定洗衣参数，否则进入自动方式。检测衣物清洗前状态，进而自动选择相应的洗衣参数，调用相应的洗涤程序，完成模糊规则对衣物洗涤的控制。

模拟洗衣机的工作状态图如图5所示。图中共有3个部分，如图5(a)中所示：1为电源及电机控制部分；2为主控制器凌阳单片机SPMC75F2413A；3为清洗状态显示部分；4为模拟洗衣机缸体转动的直流电机。其中图5(a)是状态12的漂洗状态，电机正反转，此时数码管显示剩余的漂洗时间。图(b)是状态12脱水状态，电机正转，数码管显示剩余脱水时间。

本设计采用凌阳16 bit单片机SPMC75F2413A作为控制核心完成了一个基于模糊控制的全自动洗衣机的模拟系统。系统通过对洗衣物检测状态信息的模糊推理，能够自动选择相应的洗涤方式，实现了对于清洗过程中洗涤强度、进水量、洗涤时间等一系列参数的较优控制和洗衣过程中洗涤、漂洗、脱水、排水等状态的模拟。通过软硬件的结合验证了设计方案是可行的，达到了设计的要求。