投幣式洗衣機(jī)智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于PLC的投幣式模糊控制洗衣機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、課題研究的背景以及研究意義近年來，我國現(xiàn)代化工業(yè)快速發(fā)展，人們生活水平也在日益提高，與人們生活息息相關(guān)的家用電器的自動(dòng)化程度也就要求越來越高，當(dāng)今的中國的城鎮(zhèn)居民每一戶家庭中幾乎都擁有一臺洗衣機(jī)，全自動(dòng)化洗衣機(jī)把人們從繁重的洗衣勞動(dòng)中解脫出來，但居住在學(xué)校和工廠集體宿舍這樣的環(huán)境下人們洗衣服仍然以手洗為主，所以選擇在學(xué)校和工廠的公共點(diǎn)設(shè)置投幣洗衣機(jī)不但能讓人們享受全自動(dòng)洗衣機(jī)帶來的方便而且也能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)利益，目前市面上普通的投幣式洗衣機(jī)存在諸多缺點(diǎn)，比如故障多，投幣器真假幣判斷錯(cuò)誤率高，衣服洗不干凈和浪費(fèi)水電等情況，這樣設(shè)計(jì)一種新的智能化的投幣式洗衣機(jī)控制系統(tǒng)就很有必要和意義了。二、控制系統(tǒng)主要分三部分：傳感器與數(shù)據(jù)的檢測PLC與模糊控制智能投幣器圖2」洗衣流程圖圖2」洗衣流程圖光電傳感器'渾濁度傳感器、水位傳感器首先把衣服放入洗衣機(jī)內(nèi)然后合上蓋子，用戶對投幣器進(jìn)行投幣，投幣器接受到投幣信號后傳給然后系統(tǒng)經(jīng)過初始化工作后開始正式工作，各種傳感器把采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后送到模糊控制器中，從模糊控制器中獲得數(shù)據(jù)后對進(jìn)水排水電磁閥、各種電機(jī)、以及洗漆劑添加裝置等工作過程進(jìn)行控制，當(dāng)洗衣機(jī)工作過程結(jié)束后，顧客取出衣物，洗衣過程結(jié)束。

傳感器與數(shù)據(jù)的檢測衣服重量的檢測光電傳感器光信號電參畳可靠信號光信號電參畳可靠信號圖3-1光電傳感器工作淹程圖衣服重量的檢測主要依靠光電傳感器，光電傳感器是根據(jù)光敏二極管工作原理制造的一種感應(yīng)接收光強(qiáng)度變化的電子器件，當(dāng)它發(fā)出的光被目標(biāo)反射或阻時(shí)，則接收器感應(yīng)出相應(yīng)的電信號。它包含調(diào)制光源，由光敏元件等組成的光學(xué)系統(tǒng)、放大器、開關(guān)或模擬量輸出裝置把紅外、可見光、紫外線等光信號轉(zhuǎn)變成電信號的元器件，在光電檢測系統(tǒng)中是光電轉(zhuǎn)換過程的核心部件。檢測衣物重量就是利用不同質(zhì)量的衣物對滾筒的壓力和摩擦力不同，通電光電傳感器檢測滾筒的轉(zhuǎn)速從而間接的獲得衣物的質(zhì)量。衣量的檢測方法衣物的重量和衣物的質(zhì)料是洗衣機(jī)實(shí)現(xiàn)模糊控制最重要的兩個(gè)輸入量，衣服的重量和衣物的質(zhì)料決定模糊洗衣機(jī)洗漆時(shí)間、滾筒內(nèi)的水位以及洗漆劑的用量三個(gè)物理量，本文中使用的檢測衣物重量的基本原理是不同重量的衣物產(chǎn)生的布阻抗也就不同。先把衣物放入滾筒后對電機(jī)先通電后斷電，不同重量的衣物電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)圈速也就不同，如果能檢測出來滾筒的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，就可以推算出衣物的重量了，測速原理圖如圖所示衣物質(zhì)料的檢測衣服質(zhì)料的判斷需要有兩個(gè)因素，布量和吸水量，依據(jù)的基本原理是不同的布料的吸水能力不同，且同種布料質(zhì)量不同的吸水性也不同，下面介紹吸水量的檢測的方法：向洗衣機(jī)內(nèi)注入一定量的水，轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)膽，讓衣服充分吸收水分，然后測量n次水位。當(dāng)沒有被洗衣物的時(shí)候水位應(yīng)該為則水位應(yīng)為H、H、H當(dāng)有被1 2n，洗物，則水位應(yīng)為h、h、h。因?yàn)橄嗤|(zhì)料的衣物吸水性能是相同的而相同衣物12n重量不同質(zhì)料的衣物吸水性能是不同的。所以兩個(gè)水位差值變化曲線即可反映被洗衣物的吸水性能。通過吸水性能和布量可判斷出布質(zhì)。時(shí)間的關(guān)系圖如圖所示：根據(jù)上圖可以觀察得到含棉量越多的布料吸水性越強(qiáng)。由于洗衣服的時(shí)候，通常是幾種布料夾雜在一起，根據(jù)吸水性可得知衣服的含棉量，進(jìn)而獲得衣服的布質(zhì)。衣服的臟污程度的檢測渾濁度傳感器檢測原理是根懸浮顆粒在液體中不同的濃度所對照的漫反射射入光的強(qiáng)度也有所不同，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研宄和理論推算獲得散射光與投射光的比值與渾獨(dú)度符合線性關(guān)系，濁度的測量主要轉(zhuǎn)換為散射光強(qiáng)度的測量。渾濁度傳感器檢測過程示意如圖所示：水中果頁粒散身寸尢監(jiān)視器圖3-5水中果頁粒散身寸尢監(jiān)視器圖3-5渾濁度傳感器檢測示意圖■謹(jǐn)身寸尢扌僉:則舗臟污程度檢測方法圖3-6渾濁度反饋檢測示意圖首先打開電磁閥，等待后，當(dāng)洗衣機(jī)內(nèi)的洗滌液到達(dá)排水泵后，排水泵的排水功能將使渾濁度傳感器測量槽內(nèi)的流入的洗滌液跟洗衣機(jī)內(nèi)的洗滌液保持一致。這樣就能實(shí)現(xiàn)渾濁度傳感器實(shí)時(shí)檢測洗滌液。PLC啟動(dòng)排水泵，30s后關(guān)閉電磁閥和排水泵，洗滌液進(jìn)入渾獨(dú)度傳感器的測量槽后靜止30s,30s可以讓洗滌液氣泡消失從而達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)進(jìn)行渾獨(dú)度檢測；重復(fù)以上過程若干次直到洗滌液渾濁度增長率變化接近穩(wěn)定后，即可認(rèn)定衣服已經(jīng)被清洗干凈，可以結(jié)束洗滌。水位的檢測洗衣機(jī)桶內(nèi)水位高度的檢測也是依靠水位傳感器來完成的，水位傳感器實(shí)現(xiàn)的基本原理為：洗衣桶內(nèi)的水壓迫使空氣室內(nèi)的氣體給壓力傳感器施壓，作用于壓力傳感器的隔膜，隔膜板隨即被抬起。彈簧也作用于隔膜板，這兩個(gè)力共同作用在傳感器上達(dá)到平衡后就確定了傳感器內(nèi)部的一個(gè)鐵心對線圈的位置，給線圈通電后，鐵心每次相對于線圈位置（線圈固定不動(dòng)）的變動(dòng)后，線圈都會產(chǎn)生一個(gè)一一對應(yīng)的輸出電感。與此同時(shí)震蕩回路會給控制洗衣機(jī)的輸入一個(gè)頻率信號。如圖為水位傳感器的工作示意圖，圖為壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖。圖為電路原理圖?？諝廛浌?導(dǎo)線（信號與電源）洗衣機(jī)桶\V—空氣室圖3-8水位傳感器工作示意圖壓力傳感器彈簧鐵心圖空氣軟管1導(dǎo)線（信號與電源）洗衣機(jī)桶\V—空氣室圖3-8水位傳感器工作示意圖壓力傳感器彈簧鐵心圖3-9壓力傳感器結(jié)構(gòu)示竜圖隔膜板PLC與模糊控制2.1可編程控制器PLCPLC的種類很多，功能和指令差異也很大，但是其結(jié)構(gòu)和工作方式大同小異。本文選用西門子公司的S7-200系列PLC,該系列PLC體積小、質(zhì)量輕、指令豐富、能耗低，性價(jià)比較高，硬件系統(tǒng)由主機(jī)、I/O接口、電源、編程器、I/O拓展接口和外部設(shè)備接口等主要部分構(gòu)成，如圖所示，如果將PLC看作一個(gè)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)是按照如下的過程對輸出設(shè)備進(jìn)行控制的：首先輸入變量外部的各種開關(guān)信號和模擬信號通過輸入接口輸入到PLC的數(shù)據(jù)寄存器中并寄存起來，當(dāng)用戶程序需要進(jìn)行邏輯運(yùn)算或者數(shù)據(jù)處理等要求時(shí)，PLC數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)就以輸出變量的形式從輸出接口輸出從而達(dá)到對輸出設(shè)備的控制。上僮計(jì)算機(jī)圖冊監(jiān)控設(shè)雖打旬機(jī)一上僮計(jì)算機(jī)圖冊監(jiān)控設(shè)雖打旬機(jī)一ERROM寫入器4A-電鴻模糊控制概述模糊控制的基本思想就是根據(jù)人的經(jīng)驗(yàn)通過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。模糊概念、控制作用、過程變量這三者之間的關(guān)系可以用模糊數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá)出。在己知了模糊關(guān)系和某時(shí)刻過程變量的檢測值的情況下，通過模糊數(shù)學(xué)中的模糊邏輯推理就可得出這個(gè)時(shí)刻的控制量。用一句話概括模糊控制：依據(jù)人的經(jīng)驗(yàn)為知識模型，用模糊數(shù)學(xué)進(jìn)行模糊推理，通過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的一種智能控制這就是模糊控制的基本思路。模糊控制系統(tǒng)的框陵如圈所示摸輜控制器計(jì)翼檯糊i冋輸揑制―>豪化—?控制f—?糊比-＞隱出接口:處理規(guī)則處理接口?監(jiān)測菱L!械控對L執(zhí)行結(jié)-*__r n__&__r \_&囹4胡模輔控制系統(tǒng)框圖模糊控制系統(tǒng)由5個(gè)部分組成，分別為模糊控制器、i\o接口、檢測裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對象。其中模糊控制器為核心。與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)不同之處在于模糊控制系統(tǒng)的控制器不是中央處理器而是模糊控制器，為了能夠和模擬環(huán)節(jié)連接，在模糊控制器的接口處需要模/數(shù)，數(shù)/模轉(zhuǎn)換。模糊控制系統(tǒng)同時(shí)也是閉環(huán)反饋系統(tǒng)，檢測裝置檢測到的數(shù)據(jù)要與設(shè)定值進(jìn)行比較得出偏差，然后根據(jù)偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。模糊控制器又稱為模糊邏輯控制器。因?yàn)槟：刂埔?guī)則用模糊條件語句來描述，因此有時(shí)也稱為模糊語言控制器。模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖所示，從功能上劃，它主要由四個(gè)部分組成：模糊化接口、知識庫、推理機(jī)以及解模糊接口。0000智能投幣器檢測過程中使用的一種最重要傳感器叫電渦流傳感器。顧名思義電渦流傳感器是利用電渦流效應(yīng)進(jìn)行工作的。它結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、頻率范圍寬、不受油污等介質(zhì)影響、并能進(jìn)行非接觸測量、適用范圍廣，因此一問世就受到各國的重視。目前這種傳感器己廣泛用來測量位移、振動(dòng)、厚度、轉(zhuǎn)速、溫度、硬度等參數(shù)，以及用于無損探傷等領(lǐng)域。

Li.H1X.U廠3)電渦流傳感器的工作原理為金屬導(dǎo)體在磁場中與磁場產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬導(dǎo)體內(nèi)就會有感應(yīng)電流產(chǎn)生該感應(yīng)電流又會產(chǎn)生一個(gè)變化的磁場來抵抗外界磁場的變化。TOC\o"1-5"\h\zY __鼠下圖為投幣器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。采用單片機(jī)控制，硬件 *H2主要包括1.AT89C2051單片機(jī)；2?顯示模塊，用來顯 「計(jì)、千\\ IJ示投幣的數(shù)目；3?硬幣學(xué)習(xí)電路，采用555定時(shí)器對 '二二二:丿！硬幣的學(xué)習(xí)；4?投幣檢測電路；5.MAX485電平轉(zhuǎn)換電 、 -路，為了和PLC進(jìn)行通信，需要電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換；6?按圖電渦流傳克融驅(qū)圖鍵電路，可以決定投幣器是學(xué)習(xí)狀態(tài)或者清除學(xué)習(xí)狀態(tài)；7.X5045監(jiān)控存儲模塊,用來儲存硬幣的特征值。系統(tǒng)的基本工作過程如下：硬幣塞入投幣器內(nèi)首先通過渦流傳感產(chǎn)生渦流效應(yīng)，產(chǎn)生的信號經(jīng)過信號調(diào)理電路處理，變換成數(shù)字量提供給AT89C2051實(shí)時(shí)處理。按鍵電路為兩個(gè)按鈕，這兩個(gè)按鈕用來決定投幣器工作在有學(xué)習(xí)狀態(tài)還是清除已學(xué)習(xí)硬幣的幣種；X5045存儲模塊用來存儲已學(xué)習(xí)硬幣的特點(diǎn)信息；MAX485電平轉(zhuǎn)換電路與的PLC通訊口連接用來二者進(jìn)行通信；顯示報(bào)警電路投幣數(shù)目；電源用來給AT89C2051供電。投幣檢測電路：投幣器檢測硬幣是根據(jù)光電親合器的光束是否被阻擋來判定的，當(dāng)硬幣投入到投幣口落下的一瞬間將會遮擋D2發(fā)出的光束，三極管Q1立馬截至，光電耦合器輸出高電平，經(jīng)過反向器后變?yōu)橄陆笛剌斎氲絾纹瑱C(jī)中，如圖所示：三、控制系統(tǒng)的軟件部分模糊控制系統(tǒng)中軟件的設(shè)計(jì)是核心部分。在使用洗衣機(jī)洗衣之前需要投幣，投幣器的工作狀態(tài)有兩種，分別為學(xué)習(xí)狀態(tài)和檢測狀態(tài)。學(xué)習(xí)狀態(tài)程序流程為：給投幣器通電后，系統(tǒng)首先檢測是否處于學(xué)習(xí)狀態(tài)，當(dāng)學(xué)習(xí)狀態(tài)按鈕被按下后，系統(tǒng)首先把X5045內(nèi)的特征數(shù)據(jù)格式化，等新的硬幣特征被輸入后投幣器就可以進(jìn)行檢測硬幣狀態(tài)了，如果學(xué)習(xí)狀態(tài)的按鈕沒有按下，系統(tǒng)將會采用上一次X5045內(nèi)的硬幣特征作為檢測依據(jù)。投幣了檢測狀態(tài)流程為：當(dāng)有投幣信號產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)把檢測到的投幣信號的特征值與X5045內(nèi)的特征數(shù)據(jù)比較，如果一致那么直接顯示硬幣數(shù)目加1，如果不一致則說明投入的硬幣是假的，直接從閥門口退出硬幣。根據(jù)前面的模糊控制器的內(nèi)容我們知道洗衣機(jī)的大多數(shù)的模糊推理都在洗滌之前執(zhí)行完成，然后進(jìn)入洗滌過程。在實(shí)際洗滌過程可能由于一系列的原因產(chǎn)生故障，因此需要系統(tǒng)對故障進(jìn)行報(bào)警。本文定義的隸屬度函數(shù)建立的的洗衣決策表被簡化后又建立了新的控制規(guī)則表，根據(jù)新的控制規(guī)則再結(jié)合人們在實(shí)際使用過程的習(xí)慣得到了洗衣機(jī)工作的總流程圖。程序中包含有自檢程序、檢測程序、洗滌程序、漂洗程序、脫水程序。洗衣機(jī)的工作流程為：投完幣后，PLC接收到投幣信號后即幵始進(jìn)入工作狀態(tài)，系統(tǒng)首先自檢，自檢的作用就是檢測在正常洗滌衣物之前有無異常，如果有異常則系統(tǒng)不能進(jìn)行接下來的洗滌動(dòng)作，如果一切正常則啟動(dòng)第一次洗滌程序，當(dāng)?shù)谝淮蜗礈旖Y(jié)束后即判斷是否需要進(jìn)行第二次洗滌，如果不需要系統(tǒng)進(jìn)入是否進(jìn)行脫水程序的判斷，如果需要?jiǎng)t繼續(xù)執(zhí)行第二次洗滌程序，當(dāng)進(jìn)入到脫水程序時(shí)，如需