1、題目：全自動洗衣機設計目 錄第1章 引言11.1 基于單片機控制的智能洗衣機研究的意義1第2章 控制功能需求分析22.1全自動洗衣機的控制功能要求22.2 整機組成框圖3第3章 硬件電路設計43.1 微處理控制電路43.2 89C51單片機的引腳分類53.3 時鐘電路63.4 復位操作電路73.5 顯示電路73.6 進水閥控制電路83.7 排水閥控制電路93.8 電機控制電路103.9 電機調速部分113.9.1 可控硅過零調功原理113.9.2 硬件電路設計123.9.3 過零檢測電路123.9.4 可控硅觸發電路133.10蜂鳴電路133.11暫停和防振功能電路143.12壓力傳感器15第

2、4章 系統軟件設計17結 論20參考文獻21附 錄22附錄A 程序清單22附錄B 智能洗衣機原理圖32致 謝33第1章 引言1.1 基于單片機控制的智能洗衣機研究的意義隨著現代社會生活節奏的不斷加快和人們生活水平的不斷提高，人們對各種方便、快捷的家用電器需求量越來越大，洗衣機作為人們提高生活效率，追求生活質量的基本條件，也愈來愈成為不可或缺的生活用具。在工業發達國家，洗衣機的普及率已達到相當高的程度，但由于現階段國情，洗衣機在我國的普及程度還較低，農村更甚。隨著人民生活水平(特別是鄉村生活水平)的不斷提高，社會對洗衣機的需求量越來越大，而且隨著生活質量的不斷提高，人們對洗衣機的功能要求越來越高

3、，使得洗衣機的更新較快，因此，洗衣機作為人們追求現代生活的一個基本要求在我國有著極大的市場。智能洗衣機綜合運用了大量力學，電學，光學等知識。通過對于基于單片機控制的智能洗衣機的研究我們可以更清晰，更實際的掌握單片機的一些基本的控制和應用。單片機在日常家電中的應用比較廣泛，洗衣機智能控制系統就是一種以單片機為控制核心的系統，它把以往對洗衣機的繁瑣的操作變得簡單化，不但其機器性能顯著提高，還增加了難以實現得功能，同時也提高了控制的精確度，硬件和軟件相互配合實現洗衣機工作的智能化和自動化。因此對于智能洗衣機的研究一方面可以讓我們對于所學的單片機和電路有關知識有個更好的理解和鞏固，一方面也鍛煉了自身的

4、動手能力，特別是能夠實現軟硬連調所具備的能力。智能洗衣機的特點是：通過程序控制器來實現洗滌過程，省時省力。第2章 控制功能需求分析2.1全自動洗衣機的控制功能要求 洗衣機要完成洗衣工作，除了對一般洗衣過程的人工工作及效能進行模擬之外，還要根據洗衣機的機械電子性質進行有關控制和檢測。 對于一臺套桶式缸波輪全自動洗衣機而言，首先要求能完成洗衣功能；同時還要根據用戶的不同設置幾種不同的洗衣程序；還要考慮水流的情況決定洗滌的弱強情況；另外，還要對洗衣過程出現的故障進行診斷；保證高速運轉時脫水的安全性等。所以，對全自動洗衣機，一般要求具有如下基本功能。1) 強、弱洗滌功能。要求強洗時正、反轉驅動時間各為

5、4s，間歇時間為1s，弱洗時正、反轉驅動時間各為3s，間歇時間為2s。2) 4種洗衣工作程序，即標準程序、經濟程序、單獨程序和排水程序標準程序是進水洗滌漂洗排水脫水，如此循環3次，每循環一次洗滌或漂洗環節時間比上一循環同一環節時間減少2min，具體是：第一循環為洗滌，時間為6min，第二，第三次循環為漂洗，時間分別為4min和2min。排水時間采用動態時間法確定，脫水時間為2min。經濟程序與標準程序一樣，只是洗滌次數為二次。單獨程序是進水洗滌（6min）結束（留水不排不脫）。排水程序是排水脫水結束，時間確定與上述程序相應環節相同。3) 進、排水系統故障自動診斷功能洗衣機在進水或者排水過程中，

6、若在一定的時間范圍內進水或排水未能達到預定的水位，就說明進、排水系統有故障，此故障由控制系統測知并通過警告程序發出警告信號，提醒操作者進行人工排除。4) 脫水期間安全保護和防振功能洗衣機在脫水期間若打開機蓋時，洗衣機就會自動停止脫水操作。在脫水期間，如果出現衣物纏繞引起脫水桶重心偏移而不平衡，此時洗衣機也會自動停止脫水，以免振動過大，待人工處理后恢復工作。5) 間歇驅動方式脫水期間采取間歇驅動方式，以便節能。本系統要求驅動5s，間歇2s，間歇期間靠慣性力使脫水桶保持高速旋轉。6) 暫停功能不管洗衣機工作在什么狀態，當按下暫停鍵時，洗衣機必須停止工作，等待驅動鍵按下以后洗衣機又能按照原來所選擇的

7、工作方式繼續工作。7) 聲光顯示功能洗衣機各種工作方式的選擇和各種工作狀態均有聲、光提示或顯示。2.2 整機組成框圖 針對上述，一方面，涉及到硬件電路，另一方面要配合相應的軟件，才能完成上述功能。下面為本設計的整機框圖如圖1。如下圖2-1中所示，通過壓力傳感器，將洗衣機桶內水位的壓力值送到微處器內部，進行分析、處理，然后分別進行控制，如進水量、進水閥電路、出水閥電路。通過二極管管顯示相應狀態，由簡單按鍵控制，遇到險情由揚聲器發聲。由軟件和硬件對電機的轉速進行控制。單 片 機 AT 8 9 C 51 電機控制電路進水閥控制電路排水閥控制電路壓力傳感器電路二級管顯示電路按鍵控制及報警電路圖2-1

8、整機電路組成框圖第3章 硬件電路設計 針對上文的功能，硬件電路應包括七個部分：微處理器控制電路、顯示電路、傳感器電路、電機控制電路、進水閥控制電路、排水閥控制電路和按鍵報警電路。通過這幾個部分電路的協調工作，再由軟件的配合工作洗衣機就可以模擬人腦進行操作，下面分別闡述各電路的組成原理。基于AT89C51單片機控制的智能洗衣機原理：原理圖見附錄C控制板電路使用AT89C51芯片，時鐘電路采用6MH晶振。組成的輸入信號有：洗衣機的主程序選擇，即洗衣機的控制功能，包括設置洗衣機的強洗弱洗設置,洗衣機的程序選擇（標準程序、經濟程序、單獨程序、排水程序）。輸出控制信號包括：發光二極管顯示、蜂鳴器鳴叫、進

9、水閥控制、排水閥控制、電機正反轉的控制信號。主電路是由交流220V電壓經變壓、整流、濾波后，其中一路接至低電壓保護電路，另一路提供穩定的+5V電壓供應給控制板各元件。當低電壓保護電路檢測到低電壓時，將向單片機的INT0引腳產生中斷，單片機將響應該中斷，關閉各輸出端口，以保護執行部分如電機等設備不因欠壓而損壞。3.1 微處理控制電路 微處理電路中我采用的是ATMEL公司的單片機，原因是考慮到其價格便易、功能齊全、可靠性高、使用普遍。AT89C51單片機是ATMEL公司8位單片機系列產品之一，是一種40引腳雙列直播式芯片。它含有4KB可反復燒錄及擦除內存和128字節的RAM，有32條可編程控制的I

10、/O線，5個中斷觸發源，指令與MCS-51系列完全兼容。選用它作為核心控制新片，可使電路極大地簡化，而且程序的編寫及固化也相當方便、靈活。選用它設計制作全自動洗衣機控制電路，其電路的組成相對簡單，工作原理清晰，易于理解。由于洗衣機的基本功能是實現對衣物的洗滌，所以，關鍵在于進行洗衣程序的控制。從這一角度出發，對洗衣機的功能進行分析，確定其最優化的功能。這些功能主要有以下幾種。1) 洗衣工作狀態功能：強、弱洗滌。2) 洗衣程序功能：含4種獨立程序，即標準洗衣程序、經濟洗衣程序、單獨洗衣程序、排水程序。3) 特殊功能：故障診斷、安全保護、防振、暫停、間歇工作功能，聲光顯示功能。89C51芯片具有4

11、0根引腳，其引腳圖如下圖3-1所示。在一小塊芯片上，集成了一個微型計算機的各個組成部分，即89C51單片機芯片內包括：（1）一個8位的80C51微處理器（CPU）；（2）片內256字節數據存儲器RAM/SFR片內4KB程序存儲器Flash ROM；（3）4個8位并行I/O端口P0P3，每個端口既可以用作輸入，也可以用作輸出；（4）2個16位的定時/計數器；（5）具有5個中斷源，2個中斷優先級的中斷控制系統；（6）1個全雙工的串行I/O口；（7）片內振蕩器和時鐘產生電路（最高允許振蕩頻率為24MHz）；（8）具有節電工作方式（即空閑方式及掉電方式）。以上各個部分通過片內8位數據總線（DBUS）相

12、連接。圖3-1 89C51芯片引腳結構3.2 89C51單片機的引腳分類1.電源線2根。Vcc：編程和正常操作時的電源電壓，接+5V。Vss：地電平。2.晶體振蕩器2根。XTAL1：振蕩器的反向放大器輸入。使用外部振蕩器時必須接地。XTAL2：振蕩器的反向放大器輸出和內部時鐘發生器的輸入。當使用外部振蕩器時用于輸入外部震蕩信號。3.I/O口共有P0、P1、P2、P3四個8位口，32根I/O線，其功能如下：（1）P0.0P0.7（AD0AD7）是I/O端口0的引腳。端口0是一個8位漏極開路的雙向I/O端口。在存取外部存儲器時，該端口分時地用作低8位的地址線和8位雙向的數據端口（在此時內部上拉電阻

13、有效）。（2）P1.0P1.7是端口1的引腳，是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O通道，專供用戶使用。（3）P2.0P2.7（A8A15）是端口2的引腳。端口2是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，在訪問外部存儲器時，它輸出高8位地址A8A15。（4）P3.0P3.7是端口3的引腳。端口3是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，該口的每一位均可獨立地定義第一I/O口功能或第二I/O口功能。作為第一功能使用時，口的結構與P1操作與口完全相同，第二功能如下所示：引腳 第二功能P3.0 RXD(串行輸入口)P3.1 TXD(串行輸出口)P3.2 INT0(外部中斷)P3.3 INT1(外部中斷)P

14、3.4 T0(定時器0外部輸入)P3.5 T1(定時器1外部輸入)P3.6 WR(外部數據存儲器寫選通)P3.7 RD(外部數據存儲器讀選通) 由上看出，89C51單片機不是將地址總線、數據總線和控制總線分開，而是地址線、數據線和部分控制均由I/O口完成。3.3 時鐘電路89C51片內設有一個由反向放大器所構成的振蕩電路，XTAL1和XTAL2分別為振蕩電路的輸入和輸出端，時鐘可以由內部方式產生或外部方式產生。內部方式時鐘電路如主電路圖中所示。在XTAL1和XTAL2引腳上外接定時元件，內部振蕩電路就產生自激振蕩。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯諧振回路。晶振可以在1.2MHz到12M

15、Hz之間選擇，電容值在5-30PF之間選擇，電容的大小可起頻率微調作用。外部方式的時鐘很少用，若要用時，只要將XTAL1接地，XTAL2接外部振蕩器就行。對外部振蕩信號無特殊要求，只要保證脈沖寬度，一般采用頻率低于12MHz的方波信號。時鐘發生器把振蕩頻率兩分頻，產生一個兩相時鐘信號P1和P2供單片機使用。P1在每一個狀態S的前半部分有效，P2在每個狀態的后半部分有效。3.4 復位操作電路89系列單片機與其他微處理器一樣，在啟動時需要復位，使CPU及系統各部件處于確定的初始狀態，并從初始狀態開始工作。89系列單片機的復位信號是從RST引腳輸入到芯片內的施密特觸發器中的。復位是單片機的初始化操作

16、。其主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機從0000H單元執行程序。除了進入系統的正常初始化之外，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統處于死鎖狀態時，為擺脫困境，也須按復位鍵重新啟動。在系統控制電路中，復位電路是靠電容充放電完成的，當電路需要復位時，按下復位鍵后RES被強制為高電平，使電路復位，同時電容也開始放電。在正常工作時，電容充滿電后相當于短路，此時RES為低電平無效。下圖3-2所示為復位操作電路圖3-2 復位電路3.5 顯示電路洗衣過程中的各狀態顯示：標準、經濟、單獨、排水、強洗和弱洗指示等工作狀態。如圖3-3所示。圖3-3 LED顯示電路由于本電路CPU管腳有限，所以需要通過74

17、LS139(74LS139為雙2-4線譯碼器，選用它可解決CPU I/O線數量的不足)來擴口，通過兩根口線即可實現P3.0、P3.1，如圖5中所示。通過A、B兩個口即可完成位碼切換。從控制要求可知，洗衣機有4種洗衣工作程序，因此須有4種不同的顯示來加以區別。74LS139雙24線譯碼器僅占用CPU的P3.0和P3.1兩口線即可提供4種不同顯示的驅動，其邏輯關系是：P3.2，P3.3為“11”時LED1亮，指示標準程序；為“10”時LED2亮，指示經濟程序；為“01”時LED3亮，指示單獨程序；為“00”時LED4亮，指示排水程序。3.6 進水閥控制電路進水閥控制電路如圖3-4所示。 它是通固態

18、繼電器來實現隔離，反相器74S05實現緩沖，發光二極管指示工作狀態，進水閥門的開關由繼電器來控制，當繼電器線圈中有電流流過時，繼電器開關吸合，反之，就斷開。利用這一特性，和單片機P1.1端口相連來控制，首先壓力傳感器會檢測桶內水位的高低，如果桶內水位沒有達到所設置的預定水位時，壓力傳感器會發送給單片機一個控制信號，然后經過CPU的處理后會在輸出端口輸出低電平，再經反相緩沖后變成高電平，雙向可控硅斷開，線圈中沒有電流流過，繼電器開關斷開，閥門打開；同理如果桶內水位達到預定水位時此時在輸出端口輸出是高電平，給反相倒相后變成低電平，點亮發光二極管，雙向可控硅開通，繼電器線圈繞組中有電流流過，產生磁場

19、，開關吸合，閥門關閉。圖3-4 進水閥控制電路3.7 排水閥控制電路排水閥控制電路如圖3-5所示。它和進水閥控制電路是相似的，通固態繼電器來實現隔離，反相器74S05實現緩沖，發光二極管指示工作狀態，進水閥門的開關，由繼電器來控制，當繼電器線圈中有電流流過時，繼電器開關吸合，反之，繼電器開關就斷開。利用這一特性，和單片機P1.1端口相連來控制，首先由軟件設置排水時間，壓力傳感器會檢測桶內水位的高低，如果桶內水位沒有達到所設置的預定水位時（即桶內有水且需要排水時），壓力傳感器會發送給單片機一個控制信號，然后經過CPU的處理后會在輸出端口輸出低電平，反相緩沖后變成高電平，雙向可控硅斷開，線圈中沒有

20、電流流過，閥門打開，開始排水；同理當桶內水排完后端口輸出高電平時，經過反相倒相后變成低電平，點亮發光二極管，雙向可控硅開通，繼電器線圈繞組中有電流流過，產生磁場，吸合開關，閥門關閉，停止排水。排水閥門的操作同樣也有兩個參數，一個為開關時間，另一個為不開關時間，這兩個參都是很容易通過單片機實現的。兩者都有共同點，都是需要軟件進行模糊處理，什么時候開，什么時候關，開多長時間，關多長時間等，都是通過模糊量來完成全自動的。 圖3-5 排水閥控制電路3.8 電機控制電路電機控制電路如圖3-6所示，由電路圖中可以看出：AT89C51的P1端口的P1.2和P1.3共2條I/O線通過2塊SP1110新型固態繼

21、電器分別直接驅動洗衣機的電機工作部件。AP1110是一種交流固態繼電器，內有發光二極管及光觸發雙向可控硅，10-50mA輸入電流即可使雙向可控硅完全導通，輸出端通態電流為3A（平均值），浪涌電流15A（不重復）。之說以選用這個器件，是因為它一方面可使電路進一步簡化，另一方面還可使強、弱兩類電完全隔離，保證主板的安全。74S05為反相器，用其作為中間緩沖器，其中的2個反相器可分別驅動SP1110固態繼電器。電機是接在220V交流電壓上的，通過固態繼電器來開通，其內的雙向可控硅受發光二極管控制，如圖所示，只要給發光二極管加低電平，二極管就會發光，雙向可控硅過零后就會導通，此時電機的一個繞組就會有電

22、流流過，同時再用同樣的方法開通另外一個繞組，電機就會轉動起了，由單片機來控制端口脈沖，即可啟動，另外電機的轉向控制，主要是改變繞組的電流方向，即可實現，同樣也是通過雙向可控硅來調節。圖3-6 電機控制電路3.9 電機調速部分在全自動洗衣機的電機控制中，洗衣和脫水時的轉速是不同的，要想使洗衣機能正常工作就需要考慮轉速的快慢問題，需要對電機進行調速，所以對電機的調速方法和控制電路進行了分析和設計,該方法采用的是先進的過零調功的方式,以功率調節取代常用的電壓調節,通過控制可控硅的通斷比來調節電動機輸出功率,進而達到調速目的。下面分別對可控硅過零調功原理和硬件電路方面的設計進行說明。3.9.1 可控硅

23、過零調功原理理論分析：P =F × V，在外部情況不變即F 保持不變時，在規定時間內電功率P的變化將使速度V跟著改變。因此調電功P 就可達到調速的目的。過零調功通過的工作電壓是完整的正弦波形，過零導通且過零截止。過零調功方式就是通過在給定的時間內改變加進負載的交流正弦波個數來調節負載功率的一種控制方法。由于可控硅是在電壓（電流）過零時觸發導通的，導通時的波形是完整的正弦波或半波，所以不存在可控硅移相調壓方式所存在的一切缺點。同時也由于可控硅是在電壓過零時導通，其負載浪涌電流和電流變化率都很小，有利于可控硅的安全工作。實現可控硅的過零控制，需要解決兩個問題：（1）要能實現工頻電壓的正負

24、過零檢測；并在過零時產生脈沖信號。（2）過零脈沖信號必須受單片機輸出控制信息控制。從而控制可控硅過零觸發脈沖的個數。這兩個問題的解決由軟硬件協同完成。3.9.2 硬件電路設計硬件電路完成的任務是：工頻電壓的正、負過零檢測。由單片機發出的控制電平，去控制門控電路，以控制可控硅的過零觸發脈沖數。3.9.3 過零檢測電路過零檢測電路的最終目標是實現在50HZ 的交流電壓通過零點時取出其脈沖。由于可控硅過零調功方式是通過控制可控硅導通與關斷的比值來調節輸出功率，相位和移相觸發的同步脈沖問題都不必考慮，因此輸出的脈沖寬度可以放寬，這也使得電路更易實現。設計中利用兩個光電耦合器實現過零電路。其電路原理圖及

25、波形如圖3-7(a)和圖3-7(b)所示。此電路的工作原理是：交流電源經過電阻加到兩個反并聯光電二極管上，在交流電源的正、負半周，二極管和輪流導通，從而使T1和T2也輪流導通，在導通期間V0輸出低電平，只有在交流電源過零的瞬間，兩個二極管均截止，V0 輸出高電平，因此V0端得到周期為10ms 的脈沖信號，該信號送至89C51 的引腳。圖3-7(a) 過零檢測電路圖3-7(b) 過零檢測波形3.9.4 可控硅觸發電路電路中采用了過零雙向可控硅型光耦MOC3041，它集光電隔離、過零檢測、過零觸發等功能于一身，避免了輸入輸出通道同時控制雙向可控硅觸發的缺陷， 大大簡化了輸出通道隔離-驅動電路的結構

26、。可控硅觸發電路原理圖如圖3-8所示。圖3-8 可控硅過零調功原理圖此電路的工作原理是：單片機響應用戶的參數設置，在I/O口輸出一個高電平，經反向器反向后，送出一個低電平，使光電耦合器導通，同時觸發雙向可控硅，使電路導通工作。在給定時間內，負載得到的功率可用下式表示:式中 P 是負載得到的功率； n 是給定時間內可控硅導通的正弦波的個數； N 是給定時間內交流正弦波的總個數； U 是可控硅在一個電源周期全導通時所對應的電流有效值； I 是可控硅在一個電源周期全導通時所對應的電流有效值； 由以上公式可知，U、I、N是定值，只要改變n值的大小即可控制功率的輸出，從而達到調節電機轉速的目的。3.10

27、蜂鳴電路蜂鳴器在洗衣機中起提示和報警作用。如圖11中所示，繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統（又稱輸入回路）和被控制系統（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。圖3-9所示為蜂鳴電路圖3-9 蜂鳴電路3.11暫停和防振功能電路洗衣機的暫停功能和安全保護及防振動功能采用中斷處理方式。這兩個中斷分別對應于CPU的外部中斷 0和外部中斷1 。中斷請求信號通過TCAOI3BP雙D觸發器的兩個分別加到CPU的P3.2和P3.3口線，由觸發器鎖存直到CPU響應中斷為止。開蓋(安全保護)或不平

28、衡(防振動)中斷信號通過由BG1和BG2組成的反相器送TC4OI3BP的CP端，經觸發器加到P3.3。本系統對開蓋和不平衡中斷采取相同的處理方法，因此，共用外部中斷1。圖3-10 暫停和防振電路圖為了充分利用CPU的I/O口線，P3.4和P3.5采用分時復用技術，每線具有兩個功能。在洗衣機未進人工作狀態或洗衣機處于暫停狀態期間，P3.4為輸入線，用于監測啟動鍵的狀態，當啟動鍵按下時，洗衣機即進入工作狀態或從暫停狀態恢復到原來的工作狀態；在洗衣機暫停中斷響應期間，P3.4為輸出線，用于撤銷暫停中斷請求。在洗衣機進水或排水期間，P3.5被用作輸入線，用于監測水位開關狀態，為CPU提供洗衣機的水位信

29、息；在洗衣機高速脫水期間，當發生開蓋或不平衡中斷時，P3.5為輸出線，用于撤銷中斷請求信號。CPU的P3.7線用于驅動蜂鳴器發出各種報警信號。洗衣機的強、弱洗可通過K1鍵進行循環選擇。Kl還具有第二功能，即當洗衣機發生故障轉入報警程序后，按下K1鍵可使洗衣機退出報警狀態回到初始待命狀態。洗衣工作程序通過K2鍵循環選擇。脫水期間系統在響應開蓋或不平衡中止后，CPU采取軟件查詢的方式通過P16口線對蓋開關進行監測以確定洗衣機是否繼續進行脫水操作。3.12壓力傳感器由洗衣機的功能可知在洗衣機的進水和排水過程中，都存在有水位高低的檢測，因此在電路中需要檢測水位高低的傳感器，一般的壓力傳感器其輸出的信號大都是模擬信號，由于要送到單片機的信號必須是數字信號，因此還需要在壓力傳感器的輸出部分加上A/D轉換器，才能將轉換成的數字信號送給單片機進行處理。在本設計中采用的是HSSC 070型號的壓力傳感器。選此壓力傳感器的原因是在HSSC 070的內部就集成有A/D轉換器，它輸出的信號直接就是數字信號，不需要進行模擬量和數字量之間的轉換就可直接送至單片機AT89C51的端口對其進行處理，而