Điền khiển máy giặt sử dụng các thuật toán thông minh trên nền vi điều khiển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ THỊ THU HUYỀN Lê Thị Thu Huyền ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐIỀU KHIỂN MÁY GIẶT SỬ DỤNG CÁC THUẬT TỐN THƠNG MINH TRÊN NỀN VI ĐIỀU KHIỂN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA KHỐ 2012-2014 Hà Nội – Năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lê Thị Thu Huyền ĐIỀU KHIỂN MÁY GIẶT SỬ DỤNG CÁC THUẬT TỐN THƠNG MINH TRÊN NỀN VI ĐIỀU KHIỂN Chuyên ngành : Điều khiển Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : GS.TS Phan Xuân Minh Hà Nội – Năm 2014 MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ MÁY GIẶT 1.1 Lịch sử phát triển máy giặt 1.2 Cấu tạo nguyên lý làm việc máy giặt 1.2.1 Kết cấu máy giặt hai thùng kiểu mâm giặt có cánh 1.2.2 Kết cấu máy giặt tự động kiểu mâm giặt 14 1.2.2 Nguyên lý làm việc 27 CHƯƠNG ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG ĐIỀU KHIỂN MÁY GIẶT 30 2.1 Tổng quan logic mờ 30 2.1.1 Khái niệm tập mờ 30 2.1.2 Các phép toán tập mờ 33 2.1.3 Biến ngôn ngữ giá trị 36 2.1.4 Luật hợp thành mờ 37 2.1.5 Giải mờ 44 2.2 Ứng dụng logic mờ điều khiển máy giặt 46 2.3 Chương trình mơ 50 CHƯƠNG THIẾT KỆ HỆ THỐNG TÍNH THỜI GIAN MÁY GIẶT SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN 55 3.1 Giới thiệu chung họ vi điều khiển dsPIC 55 3.1.1 Đặc điểm chung vi điều khiển dsPIC30F5011 55 3.1.2 Cấu trúc vi điều khiển dsPIC30F5011 57 3.2 Thiết bị đo sử dụng tốn logic mờ tính thời gian giặt 67 3.2.1 Loadcell 67 3.2.2 Cảm biến đo độ đục 70 3.3 Thiết kế phần cứng 72 3.3.1.Khối vi điều khiển 73 3.3.2 Truyền thông Ethernet 73 3.3.3 Khối hiển thị LCD 75 3.3.4 Nút ấn led 76 3.3.5 Khối nguồn 77 3.4 Thiết kế phần mềm 77 3.5 Kết thực nghiệm 79 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn: “Điều khiển máy giặt sử dụng thuật tốn thơng minh vi điều khiển” tự thiết kế hướng dẫn cô giáo GS.TS Phan Xuân Minh Các số liệu kết chưa cơng bố Để hồn thành luận văn tơi sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Hà Nội, ngày 05 tháng 08 năm 2014 Học viên thực Lê Thị Thu Huyền DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 2.1: Bảng luật hợp thành tính thời gian máy giặt 49 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1: Hệ thống truyền động máy giặt hai thùng Hình 1.2: Khớp nối trục Hình 1.3: Cơng tắc nắp Hình 1.4: Van xả nước vị trí đóng vị trí mở Hình 1.5: Cấu tạo cơng tắc tiếp điểm 10 Hình 1.6: Nguyên lý quay thuận nghịch động điện 11 Hình 1.7: Mạch điện máy giặt thùng 13 Hình 1.8: Máy giặt tự động kiểu mâm giặt 15 Hình 1.9: Hệ thống truyền động máy giặt kiểu mâm giặt 15 Hình 1.10: Bộ ly hợp giảm tốc 17 Hình 1.11: Bộ khống chế mức nước 19 Hình 1.12: Van xả nước 20 Hình 1.13: Mạch điện máy giặt tự động kiểu mâm giặt 22 Hình 1.14: Trạng thái làm việc bánh cam 24 Hình 1.15: Sơ đồ khối điều khiển vi xử lý 26 Hình 1.16: Nguyên lý tẩy bẩn 28 Hình 1.17: Tác dụng vò xát, tác dụng đập, tác dụng nén 29 Hình 2.1: Miền tin cậy miền xác định tập mờ 31 Hình 2.2: Hàm liên thuộc hình tam giác 32 Hình 2.3: Hàm liên thuộc dạng hình thang 33 Hình 2.4: Hàm liên thuộc Gauss 33 Hình 2.5: Phương pháp giải mờ cực đại 45 Hình 2.6: Phương pháp giải mờ điểm trọng tâm 46 Hình 2.7: Bộ logic mờ cho máy giặt 47 Hình 2.8: Bộ logic mờ cho máy giặt 50 Hình 2.9: Hàm liên thuộc biến đầu vào Dirtiness-of-Clothes 51 Hình 2.10: Hàm liên thuộc biến đầu vào Mass-of-Clother 51 Hình 2.11: Hàm liên thuộc biến đầu Washing-time 51 Hình 2.12: Kết tính thời gian giặt Dirtiness-of-Clothes = 50 Mass-ofClothes =50 52 Hình 2.13: Kết tính thời gian giặt Dirtiness-of-Clothes = 20 Mass-ofClothes =10 53 Hình 2.14: Mơ Matlab simulink Dirtiness-of-Clothes = 50 Mass-ofClothes =50 53 Hình 2.15: Kết Surface 54 Hình 3.1: Cấu trúc chân dsPIC30F5011 56 Hình 3.2: Khơng gian nhớ chương trình 60 Hình 3.3: Cách truy cập liệu từ khơng gian chương trình 61 Hình 3.4: Ánh xạ khơng gian liệu vào khơng gian chương trình 62 Hình 3.5: Cấu trúc timer 64 Hình 3.6: Sơ đồ khối Timer 65 Hình 3.7: Sơ đồ ghép timer 2/3 thành timer 32 bit 66 Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý loadcell 68 Hình 3.9: Cấu tạo điện trở lực căng 69 Hình 3.10: Modul TSW – 10 sử dụng máy giặt 70 Hình 3.11: Sơ đồ mạch nguyên lý TSW – 10 71 Hình 3.12: Sơ đồ cấu trúc mơ hình 72 Hình 3.13: Khối vi điều khiển 73 Hình 3.14: Mạch giao tiếp Ethernet 73 Hình 3.15: Sơ đồ kết nối ENC28J60 74 Hình 3.16: Sơ đồ khối HR911105A 74 Hình 3.17: Sơ đồ mạch LCD 75 Hình 3.18: Bộ hiển thị LCD 75 Hình 3.19: Sơ đồ mạch LED nút ấn 76 Hình 3.20: Sơ đồ mạch nguồn 5V, 3.3V 77 Hình 3.21: Lưu đồ thuật tốn thiết kế tính tốn thời gian giặt 78 Hình 3.22: Giao diện máy tính 79 Hình 3.23: Mơ hình thực nghiệm 80 Hình 3.24: Kết thực nghiệm truyền thơng lên giao diện máy tính 81 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, nhiều trang thiết bị sử dụng lôgic mờ nhằm nâng cao hiệu sử dụng thiết bị Chúng ta tìm thấy lơgic mờ thiết bị camera, nồi cơm điện, máy hút bụi, … Từ đó, thấy hồn tồn ứng dụng logic mờ để nâng cao hiệu sử dụng cho máy giặt Trong máy giặt người ta thường quan tâm đến hai đại lượng mức độ bẩn khối lượng quần áo nhằm tìm thời gian giặt tối ưu cho máy giặt Mức độ bẩn (dirtiness of Clothes) xác định qua độ đục nước Để tự động hóa q trình tính thời gian giặt, sử dụng phần tử sensors để phát tham số mức độ bẩn khối lượng quần áo sau thời gian giặt xác định từ liệu Tuy nhiên, không dễ có mối quan hệ tốn học xác độ bẩn, loại vết bẩn thời gian giặt Vì trường hợp logic mờ phát triển nghiên cứu Để kiếm chứng thuật toán luận văn xây dựng mơ hình thực nghiệm sử dụng vi điều khiển DSPIC30F5011 nhằm kiểm chứng logic mờ nghiên cứu lý thuyết thực tế Luận văn, chia làm ba chương: Chương 1: Giới thiệu công nghệ máy giặt Chương 2: Ứng dụng logic mờ điều khiển máy giặt Chương 3: Thiết kế hệ thống tính thời gian giặt sử dụng vi điều khiển Để hoàn thành luận văn, em xin chân thành cảm ơn GS.TS Phan Xuân Minh tận tình hướng dẫn em suốt trình thực luận văn Hà Nội, ngày… tháng… năm 2014 Học viên thực LÊ THỊ THU HUYỀN 3.2.2 Cảm biến đo độ đục Độ bẩn quần áo đánh giá qua độ đục nước quần áo ngâm nước Các chất bẩn quần áo ngâm nước bị hòa tan phần nước, chất tương tác với ánh sáng làm cho nước trở nên đục Hiện phổ biến loại máy giặt thường sử dụng modul TSW – 10 hãng GE Modul TSW – 10 dùng để đo độ đục nước rửa máy giặt máy rửa bát Nó cảm biến quang học sử dụng cho máy giặt để đo độ đục nước nồng độ tạp chất nước sử dụng bước sóng khúc xạ diot quang học bóng bán dẫn quang học Bằng cách sử dụng diot quang transistor quang, cảm biến đo lượng ánh sáng từ nguồn phát đến nguồn thu từ tính độ đục nước máy giặt Hình 3.10: Modul TSW – 10 sử dụng máy giặt 70 Cảm biến hoạt động nguyên tắc, ánh sáng qua mẫu nước lượng ánh sáng truyền qua phụ thuộc vào lượng chất bẩn có nước Khi lượng chất bẩn nước tăng lên lượng ánh sáng truyền qua bị giảm xuống Cảm biến đo độ đục xác định lượng ánh sáng truyền qua để tính tốn độ đục nước rửa Độ đục đo cung cấp cho điều khiển máy giặt để định thời gian giặt chu kỳ giặt Modul TSW – 10 có ba chân đầu chân nối với nguồn 5V, chân giá trị điện áp đầu Sơ đồ mạch nguyên lý TSW – 10 đưa hình 3.11 Hình 3.11: Sơ đồ mạch nguyên lý TSW – 10 71 3.3 Thiết kế phần cứng Cảm biến sử dụng cho việc tính thời gian máy giặt bao gồm loacell cảm biến đo độ đục Tuy nhiên, làm mạch thực tế sử dụng hai cảm biến gây cồng kềnh tốn kém, mục đích luận văn kiểm chứng logic mờ khơng thiết phải sử dụng cảm biến Ở tác giả sử dụng nút ấn để nhập liệu vào vi xử lý để tính tốn giá trị giặt hiển thị kết lên máy tính Với ý tưởng sơ đồ mạch phần cứng đưa hình 3.12 Giao diện (C#) Ethernet RS232 Vi điều khiển DsPIC30F5011 LCD, nút ấn Chuyển đổi 5V, 3.3V Nguồn 24V Hình 3.12: Sơ đồ cấu trúc mơ hình Sơ đồ cấu trúc ta thấy mơ hình bao gồm khối sau: • Khối vi xử lý sử dụng vi điều khiển dsPIC30F5011 hãng Micochip • Khối truyền thông Ethernet sử dụng cổng RJ45 để truyền tín hiệu đo từ cảm biến máy tính để kiểm tra • Khối LCD nút để thực số chức điều khiển tay hiển thị liệu trường • Khối nguồn bao gồm nguồn 24 cấp cho khối sơ đồ 72 3.3.1.Khối vi điều khiển Hình 3.13: Khối vi điều khiển 3.3.2 Truyền thơng Ethernet Hình 3.14: Mạch giao tiếp Ethernet Khối mạch giao tiếp với Ethernet để truyền trực tiếp liệu từ vi điều khiển lên máy tính Việc sử dụng Ethernet có nhiều ưu điểm tính vượt trội: - Tốc độ truyền/nhận liệu cực đại 10Mbps 73 - Độ dài cáp nối máy tính lên tới 30m - Khung liệu truyền tải lớn lên tới hàng nghìn byte - Có khả kết nối đa điểm xác Gồm ENC28j60 jack Ethernet HR911105A ENC28J60 kết nối với vi điều khiển cổng RJ45 hình vẽ: Hình 3.15: Sơ đồ kết nối ENC28J60 ENC28J60 có tích hợp MAC Phy nên giúp cho việc giao tiếp Ethernet Mặt khác chúng kết nối với cổng RJ45 chân tín hiệu TPOUT- ; TPOUT+ ; TPIN- ; TPIN+ giao tiếp với vi điều khiển giao thức SPI nên tiện cho việc lập trình kết nối liệu - HR911105A tích hợp sẵn biến áp có led để thơng báo trạng thái kết nối mạch Hình 3.16: Sơ đồ khối HR911105A 74 3.3.3 Khối hiển thị LCD Hình 3.17: Sơ đồ mạch LCD Được sử dụng LCD 16x2 để hiển thị trạng thái mơ hình hoạt động Hình 3.18: Bộ hiển thị LCD Cấu tạo LCD: - LCD 1602a gồm 16 chân Có khả hiển thị tín hiệu theo dịng - Vss (1): Chân nối đất cho LCD, thiết kế mạch ta nối chân với GND mạch điều khiển - VDD (2): Chân cấp nguồn cho LCD, thiết kế mạch ta nối chân với VC=%V mạch điều khiển 75 - VEE (3): Chân điều khiển độ tương phản LCD - RS (4): Chân chọn ghi (Register select) Nối chân RS với logic “0” (GNĐ) logic “1” (VCC) để chọn ghi - R/W (5): Chân chọn chế độ đọc/ghi Nối chân R/W với logic “0” để LCD hoạt động chế độ ghi, nối với logic “1” để LCD chế độ đọc - E (6): Chân cho phép Sau tín hiệu đặt lên bus DB0- DB7, lệnh chấp nhận có xung cho phép chân E - DB0-DB7 (7-14): đường bus liệu dùng để trao đổi thơng tin với MPU Có chế độ sử dụng đường bus này: + Chế độ bit: Dữ liệu truyền đường, với bit MSB bit DB7 + Chế độ bit: Dữ liệu truyền đường từ DB4 tới DB7, bit MSB DB7 - A (15): Nối nguồn cho đèn - K (16): Nối đất cho đèn 3.3.4 Nút ấn led Hình 3.19: Sơ đồ mạch LED nút ấn 76 Giúp người sử dụng lựa chọn chức hiển thị việc chuyển liệu lên máy tính để tiện cho việc điều khiển 3.3.5 Khối nguồn Trong mạch sử dụng nguồn chiều 24V, 3.3V 5V Nguồn 24V sử dụng để cấp nguồn cho động bước Nguồn 3.3V để cấp nguồn cho khối xử lý ethernet Nguồn 5V để cấp nguồn cho vi điều khiển khối cơng tắc hành trình Do sử dụng IC LM2576 cho điện áp chiều 5V dòng nên tới 3A, IC LM1117 cho điện áp 3,3V dòng 1A để cấp nguồn cho khối Ngồi em cịn sử dụng nguồn 12V cho quạt tản nhiệt Sơ đồ mạch nguồn sau: Hình 3.20: Sơ đồ mạch nguồn 5V, 3.3V 3.4 Thiết kế phần mềm Phần mềm thiết kế vi điều khiển dsPIC30F5011, liệu độ bẩn khối lượng quần áo nhập từ nút ấn hiển thị lên LCD, sau vi điều khiển tính tốn thời gian giặt máy giặt hiển thị lên giao diện máy tính Lưu đồ thuật tốn chương trình phần mềm đưa hình 3.21 77 Hình 3.21: Lưu đồ thuật tốn thiết kế tính tốn thời gian giặt - Bộ logic mờ dung để tính tốn thời gian giặt thực vi điều khiển sử dụng mơ hình mờ Sugeno tương tự phần mô để dễ dàng việc kiểm chứng kết - Phần giao diện máy tính lập trình Visual Stadio 2012 có dạng hình 3.22 78 Hình 3.22: Giao diện máy tính - Ba hiển thị liệu độ bẩn, khối lượng thời gian giặt vi điều khiển tính tốn truyền liệu lên Ngồi giao diện cịn thể địa IP Ethernet địa port kết nối Khi muốn kết nối với vi điều khiển ấn vào ô ‘’Kết nối’’, kết kết nối máy tính thơng báo 3.5 Kết thực nghiệm Mạch thực nghiệm để kiểm tra thuật toán logic mờ trình bày hình 3.23: 79 Hình 3.23: Mơ hình thực nghiệm Độ bẩn khối lượng nhập từ nút ấn, kết liệu nhập vào hiển thị nên LCD sau vi điều khiển tính tốn thời gian giặt truyền thơng lên máy vi tính Kết thực nghiệm so sánh với kết thực nghiệm hoàn toàn trùng khớp với điều chứng tỏ thuật toán logic mờ lập trình thành cơng vi điều khiển 80 Hình 3.24: Kết thực nghiệm truyền thơng lên giao diện máy tính 81 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Điều khiển mờ ngày ứng dụng mạnh mẽ công nghiệp đồ dùng đại thân thiện với người Lợi cuả điều khiển mờ tính tốn dựa kinh nghiệm người vận hành cho kết mà thực tế vận hành chấp nhận Máy giặt thiết bị thiếu cc sống người, ngày trở lên thiết yếu cuôc sống đại Vấn đề tiết kiệm nước điện ngày trọng việc vận hành máy giặt Trong luận văn đưa phương pháp tính tốn thời gian giặt để tiết kiệm điện Trong trình thực luận văn, dù có nhiều khó khăn việc nghiên cứu lý thuyết viết chương trình với hướng dẫn nhiệt tình GS.TS Phan Xuân Minh thầy cô Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội em đạt kết quả: - Tìm hiểu tổng quan máy giặt nguyên lý làm việc máy giặt - Giới thiệu logic mờ nghiên cứu ứng dụng logic mờ vào việc tính tốn thời gian giặt cho máy giặt - Mô logic mờ Takagi – Sugeno để tính tốn thời gian giặt - Xây dựng mơ hình thực tế sử dụng vi điều khiển để kiểm chứng thuật tốn lập trình vi điều khiển để kiểm chứng với kết mô - Độ bẩn khối lượng quần áo nhập từ bàn phím làm đầu vào cho thuật tốn logic mờ lập trình vi điều khiển DSPIC30F5011, sau thời gian giặt hiển thị giao diện máy tính qua truyền thơng Ethernet Kết tính tốn thực nghiệm vi điều khiển hoàn toàn trùng khớp với kết mô 82 KIẾN NGHỊ - Về mặt lý thuyết, luận văn hồn chỉnh cách thức tính tốn thời gian giặt từ hai đầu vào khối lượng quần áo độ bẩn quần áo Tuy nhiên, vấn đề thực nghiệm dừng lại bước nhập liệu bàn phím hai liệu khối lượng độ bẩn chưa sử dụng cảm biến đo đại lượng đầu vào để sát thực tế - Ngoài vấn đề thời gian giặt, để nâng cao hiệu sử dụng máy giặt, tốc độ quay hệ thống truyền động đại lượng cần nghiên cứu Tốc độ quay hệ thống truyền động kết hợp với thời gian giặt vừa tính tốn từ logic mờ tối ưu hiệu sử dụng máy giặt thực tế 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO Fuzzy Net Technical case studies [Online] Available: http://www.aptronix.com Technical Manual of washing machine, Samsung Electronics L.X Wang, C Wei.,"Approximation accuracy of some neurofuzzy approaches”, IEEE Trans Fuzzy Syst., 8(4), 2000 S.Wang, H Lu.,"Fuzzy system and CMAC are smooth approximators”, Soft Comput, 7, 2003 D Zhang, X.L Bai, K.Y Cai.,"Extended neuro- fuzzy models of multilayer perceptrons”, Fuzzy Sets Syst., 142, 2004 K.-L Du.,"Clustering: a neural network approach”, Neural Network 23(1), 2010 M.J.Er,S.Wu.,"A fast learning algorithm for fuzzy neural system”, Fuzzy sets syst.,2002 Earsimonious C.Dualibe, M.Verleysen, P.G.A.Jespars,"Design of analogue fuzzy logic controllers in CMOS technology”, Netherlands: Kluwer, 2003 84 ... Huyền ĐIỀU KHIỂN MÁY GIẶT SỬ DỤNG CÁC THUẬT TỐN THƠNG MINH TRÊN NỀN VI ĐIỀU KHIỂN Chuyên ngành : Điều khiển Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : GS.TS Phan Xuân Minh. .. GIAN MÁY GIẶT SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN 55 3.1 Giới thiệu chung họ vi điều khiển dsPIC 55 3.1.1 Đặc điểm chung vi điều khiển dsPIC30F5011 55 3.1.2 Cấu trúc vi điều khiển. .. luận văn: ? ?Điều khiển máy giặt sử dụng thuật tốn thơng minh vi điều khiển? ?? tự thiết kế hướng dẫn cô giáo GS.TS Phan Xuân Minh Các số liệu kết chưa cơng bố Để hồn thành luận văn tơi sử dụng tài