全自动洗衣机设计

1、题目：全自动洗衣机设计目录第 1 章 引言 . 基于单片机控制的智能洗衣机研究的意义 第 2 章 控制功能需求分析 全自动洗衣机的控制功能要求 整机组成框图 第 3 章 硬件电路设计 微处理控制电路 89C51 单片机的引脚分类 时钟电路 复位操作电路 显示电路 进水阀控制电路 排水阀控制电路 电机控制电路 电机调速局部 可控硅过零调功原理 . 硬件电路设计 . 过零检测电路 . 可控硅触发电路 . 蜂鸣电路 . 暂停和防振功能电路 . 压力传感器 . 第 4 章 系统软件设计 结 论 参考文献 附 录 附录 A 程序清单 . 附录 B 智能洗衣机原理图 32致 谢 33第 1 章 引言基于单

2、片机控制的智能洗衣机研究的意义随着现代社会生活节奏的不断加快和人们生活水平的不断提高， 人们对各种方 便、快捷的家用电器需求量越来越大，洗衣机作为人们提高生活效率，追求生活质 量 的根本条件，也愈来愈成为不可或缺的生活用具。在工业兴旺国家，洗衣机的普及率已到达相当高的程度，但由于现阶段国情， 洗 衣机在我国的普及程度还较低，农村更甚。随着人民生活水平 特别是乡村生 活水平 的不断提高，社会对洗衣机的需求量越来越大，而且随着生活质量的不 断提高，人们 对洗衣机的功能要求越来越高，使得洗衣机的更新较快，因此，洗 衣机作为人们追求 现代生活的一个根本要求在我国有着极大的市场。智能洗衣机综合运用了大量

3、力学，电学，光学等知识。通过对于基于单片机控 制 的智能洗衣机的研究我们可以更清晰，更实际的掌握单片机的一些根本的控制 和应 用。单片机在日常家电中的应用比拟广泛，洗衣机智能控制系统就是一种以 单片机为 控制核心的系统，它把以往对洗衣机的繁琐的操作变得简单化，不但其 机器性能显着 提高，还增加了难以实现得功能，同时也提高了控制的精确度，硬 件和软件相互配合 实现洗衣机工作的智能化和自动化。 因此对于智能洗衣机的研 究一方面可以让我们对 于所学的单片机和电路有关知识有个更好的理解和稳固， 一方面也锻炼了自身的动手 能力，特别是能够实现软硬连调所具备的能力。智能洗衣机的特点是：通过程序控制器来实现

4、洗涤过程，省时省力。全自动洗衣机的控制功能要求洗衣机要完成洗衣工作， 除了对一般洗衣过程的人工工作及效能进行模拟之外， 还要根据洗衣机的机械电子性质进行有关控制和检测。对于一台套桶式缸波轮全自动洗衣机而言， 首先要求能完成洗衣功能； 同时还 要 根据用户的不同设置几种不同的洗衣程序；还要考虑水流的情况决定洗涤的弱 强情 况；另外，还要对洗衣过程出现的故障进行诊断；保证高速运转时脱水的安 全性等。 所以，对全自动洗衣机，一般要求具有如下根本功能。1) 强、弱洗涤功能。要求强洗时正、反转驱动时间各为 4s，间歇时间为1s，弱 洗时 正、反转驱动时间各为 3s，间歇时间为2s。2) 4 种洗衣工作程

5、序，即标准程序、经济程序、单独程序和排水程序 标准程序是进水洗涤t漂洗排水t脱水，如此循环3次，每循环一次洗涤或 漂洗环节时间比上一循环同一环节时间减少 2min ，具体是： 第一循环为洗涤， 时间为 6min ， 第二，第三次循环为漂洗，时间分别为 4min 和 2min 。排水时间采用动态时间 法 确定，脱水时间为 2min 。经济程序与标准程序一样，只是洗涤次数为二次。单独程 序是进水t洗涤(6min) t结束(留水不排不脱)。排水程序是排水t脱水t结 束， 时间确定与上述程序相应环节相同。3) 进、排水系统故障自动诊断功能 洗衣机在进水或者排水过程中， 假设在一定的 时间范围内进水或排

6、水未能到达预定的水位，就说明进、排水系统有故障，此故障由控制系统测知并通过警告程序发出 警 告信号，提醒操作者进行人工排除。4) 脱水期间平安保护和防振功能 洗衣机在脱水期间假设翻开机盖时， 洗衣机就会自 动停止脱水操作。在脱水期间，如果出现衣物缠绕引起脱水桶重心偏移而不平衡，此时洗衣机也会自动停止脱水， 以 免振动过大，待人工处理后恢复工作。5) 间歇驱动方式脱水期间采取间歇驱动方式，以便节能。本系统要求驱动5s，间歇2s，间歇期间靠惯性力使脱水桶保持高速旋转。6暂停功能 不管洗衣机工作在什么状态，当按下暂停键时，洗衣机必须停止工作， 等待驱动键按下以后洗衣机又能按照原来所选择的工作方式继续

7、工作。7声光显示功能洗衣机各种工作方式的选择和各种工作状态均有声、光提示或显示。整机组成框图针对上述，一方面，涉及到硬件电路，另一方面要配合相应的软件，才能完成上 述功能。下面为本设计的整机框图如图1。如下列图2-1中所示，通过压力传感器，将洗衣机桶内水位的压力值送到微处器内 部，进行分析、处理，然后分别进行控制，如进水量、进水阀电路、出水阀电路。通 过二极管管显示相应状态，由简单按键控制，遇到险情由扬声器发声。由 软件和硬件对电机的转速进行控制。压力传感器电路管制及针对上文的功能，硬件电路应包括七个局部：微处理器控制电路、显示电路、 传 感器电路、电机控制电路、进水阀控制电路、排水阀控制电路

8、和按键报警电路。 通过这几个局部电路的协调工作， 再由软件的配合工作洗衣机就可以模拟人脑进行 操 作，下面分别阐述各电路的组成原理。基于 AT89C51 单片机控制的智能洗衣机原理：原理图见附录 C控制板电路使用 AT89C51 芯片，时钟电路采用 6MH 晶振。组成的输入信号有： 洗 衣机的主程序选择，即洗衣机的控制功能，包括设置洗衣机的强洗弱洗设置 , 洗 衣机 的程序选择标准程序、经济程序、单独程序、排水程序 。输出控制信号 包括：发 光二极管显示、蜂鸣器鸣叫、进水阀控制、排水阀控制、电机正反转的控 制信号。主电路是由交流 220V 电压经变压、整流、滤波后，其中一路接至低电压保护电 路

9、，另一路提供稳定的 +5V 电压供给给控制板各元件。当低电压保护电路检测到低 电 压时，将向单片机的 INT0 引脚产生中断，单片机将响应该中断，关闭各输出端 口， 以保护执行局部如电机等设备不因欠压而损坏。微处理控制电路微处理电路中我采用的是 ATMEL 公司的单片机，原因是考虑到其价格便易、功 能 齐全、可靠性高、使用普遍。 AT89C51 单片机是 ATMEL 公司 8 位单片机系列 产品之一， 是一种 40 引脚双列直播式芯片。它含有 4KB 可反复烧录及擦除内存和 128 字节的 RAM， 有 32 条可编程控制的 I/O 线，5 个中断触发源，指令与 MCS-51 系列完全兼容。选

10、用 它作为核心控制新片，可使电路极大地简化，而且程序的编写 及固化也相当方便、灵 活。选用它设计制作全自动洗衣机控制电路， 其电路的组 成相对简单， 工作原理清晰， 易于理解。由于洗衣机的根本功能是实现对衣物的洗涤，所以，关键在于进行洗衣程序的 控 制。从这一角度出发，对洗衣机的功能进行分析，确定其最优化的功能。这些功 能主 要有以下几种。1) 洗衣工作状态功能：强、弱洗涤2) 洗衣程序功能：含 4 种独立程序，即标准洗衣程序、经济洗衣程序、单独洗衣程 序、排水程序。3) 特殊功能：故障诊断、平安保护、防振、暂停、间歇工作功能，声光显示功能。89C51 芯片具有 40 根引脚，其引脚图如下列图

11、 3-1 所示。 在一小块芯片上，集成了一个微型计算机的各个组成局部，即 89C51 单片机芯片 内包括：(1)一个 8 位的 80C51 微处理器( CPU )；( 2)片内 256 字节数据存储器 RAM/SFR 片内4KB程序存储器Flash ROM ; ( 3) 4个8位并行I/O端口 P0P3，每个端 口既可 以用作输入，也可以用作输出；( 4) 2 个 16 位的定时 /计数器；( 5)具有5 个中断源， 2 个中断优先级的中断控制系统； ( 6) 1 个全双工的串行 I/O 口；( 7)片内振荡器和 时钟产生电路(最高允许振荡频率为 24MHz)；( 8)具有节 电工作方式(即空

12、闲方式及 掉电方式)。以上各个局部通过片内 8 位数据总线( DBUS ) 相连接。图 3-1 89C51 芯片引脚结构89C51 单片机的引脚分类1.电源线 2 根。Vcc ：编程和正常操作时的电源电压，接 +5V。Vss ：地电平。2.晶体振荡器 2 根。 XTAL1 ：振荡器的反向放大器输入。使用外部振荡器时必须接 地。XTAL2 :振荡器的反向放大器输出和内部时钟发生器的输入。当使用外部振荡器时用 于输入外部震荡信号。O 口共有 P0、P1、P2、P3 四个 8 位口， 32 根 I/O 线，其功能如下: ( 1) ( AD0 AD7 ) 是 I/O 端口 0 的引脚。端口 0 是一个

13、 8 位漏极开路的双向 I/O 端口。在存取外部存 储器时，该端口分时地用作低 8 位的地址线和 8 位双向的数据端 口(在此时内部上 拉电阻有效)。( 2)是端口 1 的引脚，是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 通道，专供用户使(3) ( A8 A15)是端口 2的引脚。端口 2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高 8 位地址 A8A15。( 4)是端口 3 的引脚。端口 3 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，该口 的 每一位均可独立地定义第一 I/O 口功能或第二 I/O 口功能。作为第一功能使用时， 口 的结构与 P1 操作与口完全相

14、同，第二功能如下所示：引脚 第二功能RXD(串行输入口)TXD(串行输出口)INT0(外部中断)INT1 (外部中断)T0(定时器 0 外部输入 )T1 (定时器 1 外部输入 )WR(外部数据存储器写选通RD(外部数据存储器读选通由上看出， 89C51 单片机不是将地址总线、数据总线和控制总线分开，而是 地址线、数据线和局部控制均由 I/O 口完成。时钟电路89C51 片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路， XTAL1 和 XTAL2 分别为 振 荡电路的输入和输出端，时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式时 钟电 路如主电路图中所示。在 XTAL1 和 XTAL2 引脚上外接定

15、时元件，内部振荡电 路就产生 自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振 可以在到 12MHz 之间选择，电容值在 5-30PF 之间选择，电容的大小可起频率微调 作用。外部方式的时钟很少用，假设要用时，只要将 XTAL1 接地， XTAL2 接外部振荡器 就 行。对外部振荡信号无特殊要求，只要保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz 的方波信号。时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟信号 P1 和 P2 供单片机使 用。P1在每一个状态S的前半局部有效，P2在每个状态的后半局部有效复位操作电路89 系列单片机与其他微处理器一样， 在启动时需要复位， 使 CPU 及

16、系统各部 件处于确定的初始状态， 并从初始状态开始工作。 89 系列单片机的复位信号是从 RST 引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。 复位是单片机的初始化操作。 其主 要功能是把 PC 初始化为 0000H ，使单片机从 0000H 单元执行程序。除了进入系统 的正常初始化之外， 当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆 脱困境，也须按复位键 重新启动。在系统控制电路中， 复位电路是靠电容充放电完 成的，当电路需要复位时， 按下复位键后 RES 被强制为高电平，使电路复位，同 时电容也开始放电。在正常工作 时，电容充满电后相当于短路，此时 RES 为低电平 无效。下列图 3-2

17、 所示为复位操作电路图 3-2 复位电路显示电路洗衣过程中的各状态显示：标准、经济、单独、排水、强洗和弱洗指示等工作状 态。如图 3-3 所示。图 3-3 LED 显示电路由于本电路 CPU 管脚有限，所以需要通过 74LS 1 39 74LS 1 39 为双 2-4 线译码 器，选用它可解决 CPUI /O 线数量的缺乏 来扩口，通过两根口线即可实现、 ， 如图 5 中所示。通过 A、B 两个口即可完成位码切换。从控制要求可知，洗衣机有 4 种洗衣工作程序，因此须有 4 种不同的显示来加 以区别。74LS139双2 4线译码器仅占用CPU的和两口线即可提供4种不同显 示的驱动，其逻辑关系是：

18、，为“ 11时 LED1 亮，指示标准程序；为“ 10时 LED2 亮，指示经济程序；为“ 01时 LED3 亮，指示单独程序；为“ 00时 LED4 亮， 指示排水程序。进水阀控制电路进水阀控制电路如图 3-4 所示。它是通固态继电器来实现隔离，反相器 74S05 实现缓冲，发光二极管指示工作状态，进水阀门的开关由继电器来控制，当继电器线 圈中有电流流过时，继电器开关吸合，反之，就断开。利用这一特性，和单片机端口 相连来控制，首先压力传感器会检测桶内水位的上下， 如果桶内水位没有到达所设置 的预定水位时，压力传感器会发送给单片机一个控制信号，然后经过 CPU 的处理后 会在输出端口输出低电平

19、，再经反相缓冲后变成高电平，双向可控硅断开，线圈中 没有电流流过，继电器开关断开，阀门翻开；同理如果桶内水位到达预定水位时此 时在输出端口输出是高电平， 给反相倒相后变成低电平， 点亮发光二极管， 双向 可控硅开通，继电器线圈绕组中有电流流过，产生磁场，开关吸合，阀门关闭。图 3-4 进水阀控制电路排水阀控制电路排水阀控制电路如图 3-5 所示。它和进水阀控制电路是相似的，通固态继电器来 实现隔离，反相器 74S05 实现缓冲，发光二极管指示工作状态，进水阀门的开关， 由继电器来控制，当继电器线圈中有电流流过时，继电器开关吸合，反之，继电器 开关就断开。利用这一特性，和单片机端口相连来控制，首

20、先由软件设置排水时间， 压力传感器会检测桶内水位的上下，如果桶内水位没有到达所设置的预定水位时 即 桶内有水且需要排水时 ，压力传感器会发送给单片机一个控制信号， 然后经过 CPU 的处理后会在输出端口输出低电平，反相缓冲后变成高电平，双向可控硅断开，线 圈中没有电流流过，阀门翻开，开始排水；同理当桶内水排完后端口输出高电平时， 经过反相倒相后变成低电平，点亮发光二极管，双向可控硅开通，继电器线圈绕组 中有电流流过，产生磁场，吸合开关，阀门关闭，停止排水。排水阀门的操作同样也有两个参数， 一个为开关时间，另一个为不开关时间，这 两个参都是很容易通过单片机实现的。 两者都有共同点，都是需要软件进

21、行模糊处 理，什么时候开，什么时候关，开多长时间，关多长时间等，都是通过模糊量来完成全自动的图 3-5 排水阀控制电路电机控制电路电机控制电路如图 3-6 所示，由电路图中可以看出： AT89C51 的 P1 端口的和 共2条 I/O 线通过 2 块 SP1110 新型固态继电器分别直接驱动洗衣机的电机工作部件 AP1110 是一种交流固态继电器，内有发光二极管及光触发双向可控硅， 10-50mA 输 入电流即可使双向可控硅完全导通， 输出端通态电流为3A 平均值，浪涌电流 15A 不重复。之说以选用这个器件，是因为它一方面可使电路进一步简化，另 一方面还可使强、弱两类电完全隔离，保证主板的平

22、安。74S05 为反相器，用其作为中间缓冲器，其中的 2 个反相器可分别驱动 SP1110 固态继电器。电机是接在 220V 交流电压上的，通过固态继电器来开通，其内的双向可控硅受 发光二极管控制，如下图，只要给发光二极管加低电平，二极管就会发光，双向可 控硅过零后就会导通，此时电机的一个绕组就会有电流流过， 同时再用同样的方法开 通另外一个绕组，电机就会转动起了，由单片机来控制端口脉冲，即可启动，另外电 机的转向控制，主要是改变绕组的电流方向，即可实现，同样也是通过双向可控硅来 调节。图 3-6 电机控制电路电机调速局部在全自动洗衣机的电机控制中，洗衣和脱水时的转速是不同的，要想使洗衣机能

23、正常工作就需要考虑转速的快慢问题， 需要对电机进行调速，所以对电机的调速方法 和控制电路进行了分析和设计 , 该方法采用的是先进的过零调功的方式 , 以功率调节 取代常用的电压调节 , 通过控制可控硅的通断比来调节电动机输出功率 , 进而到达调 速目的。下面分别对可控硅过零调功原理和硬件电路方面的设计进行说明。3.9.1 可控硅过零调功原理理论分析：P =F X V ,在外部情况不变即F保持不变时，在规定时间内电功率 P 的变化将使速度 V 跟着改变。因此调电功 P 就可到达调速的目的。过零调功通 过的 工作电压是完整的正弦波形，过零导通且过零截止。过零调功方式就是通过在 给定的 时间内改变加

24、进负载的交流正弦波个数来调节负载功率的一种控制方法。 由 于可控硅 是在电压(电流)过零时触发导通的，导通时的波形是完整的正弦波或半 波，所以不 存在可控硅移相调压方式所存在的一切缺点。同时也由于可控硅是在电 压过零时导 通，其负载浪涌电流和电流变化率都很小，有利于可控硅的平安工作。 实现可控硅的 过零控制，需要解决两个问题： ( 1) 要能实现工频电压的正负过零检 测；并在过零 时产生脉冲信号。 ( 2) 过零脉冲信号必须受单片机输出控制信息控制。 从而控制可 控硅过零触发脉冲的个数。这两个问题的解决由软硬件协同完成。3.9.2 硬件电路设计硬件电路完成的任务是： 工频电压的正、 负过零检测

25、。 由单片机发出的控制 电平，去控制门控电路，以控制可控硅的过零触发脉冲数。3.9.3 过零检测电路过零检测电路的最终目标是实现在 50HZ 的交流电压通过零点时取出其脉冲。由 于可控硅过零调功方式是通过控制可控硅导通与关断的比值来调节输出功率， 相位 和 移相触发的同步脉冲问题都不必考虑，因此输出的脉冲宽度可以放宽，这也使得 电路 更易实现。设计中利用两个光电耦合器实现过零电路。 其电路原理图及波形如 图 3-7(a) 和图 3-7(b) 所示。此电路的工作原理是： 交流电源经过电阻加到两个反并 联光电二极 管上，在交流电源的正、负半周，二极管和轮流导通，从而使T1 和T2 也轮流导通， 在

26、导通期间 V0 输出低电平， 只有在交流电源过零的瞬间， 两个二极管均截止， V0 输 出高电平，因此 V0 端得到周期为 10ms 的脉冲信号，该信号送至 89C51 的引脚。图 3-7(a) 过零检测电路图 3-7(b) 过零检测波形3.9.4 可控硅触发电路电路中采用了过零双向可控硅型光耦 MOC304 ，1 它集光电隔离、过零检测、 过零 触发等功能于一身， 防止了输入输出通道同时控制双向可控硅触发的缺陷， 大 大简化了输出通道隔离 - 驱动电路的结构。可控硅触发电路原理图如图 3-8 所示。图 3-8 可控硅过零调功原理图此电路的工作原理是： 单片机响应用户的参数设置， 在 I/O

27、口输出一个高电平， 经反向器反向后， 送出一个低电平， 使光电耦合器导通， 同时触发双向可控硅， 使 电 路导通工作。在给定时间内，负载得到的功率可用下式表示 :式中 P 是负载得到的功率；n 是给定时间内可控硅导通的正弦波的个数；N 是给定时间内交流正弦波的总个数；U 是可控硅在一个电源周期全导通时所对应的电流有效值；I 是可控硅在一个电源周期全导通时所对应的电流有效值；由以上公式可知， U 、I 、N 是定值，只要改变 n 值的大小即可控制功率的输 出， 从而到达调节电机转速的目的。蜂鸣电路蜂鸣器在洗衣机中起提示和报警作用。如图 11 中所示，继电器是一种电子控 制 器件，它具有控制系统又

28、称输入回路和被控制系统又称输出回路，通常应用 于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自 动开关。 故在电路中起着自动调节、平安保护、转换电路等作用。图 3-9 所示为蜂鸣电路图 3-9 蜂鸣电路暂停和防振功能电路洗衣机的暂停功能和平安保护及防振动功能采用中断处理方式。 这两个中断分 别 对应于 CPU 的外部中断 0 和外部中断 1 。中断请求信号通过 TCAOI3BP 双 D 触发器的 两个 Q 分别加到 CPU 的和口线，由触发器锁存直到 CPU 响应中断为止。 开盖 平安保 护或不平衡 防振动 中断信号通过由 BG1 和 BG2 组成的反相器 送 TC4OI3BP

29、 的 CP 端， 经触发器加到。本系统对开盖和不平衡中断采取相同的处 理方法，因此，共用外部中 断 1。图 3-10 暂停和防振电路图为了充分利用 CPU 的 I/O 口线，和采用分时复用技术，每线具有两个功能。在 洗 衣机未进人工作状态或洗衣机处于暂停状态期间， 为输入线，用于监测启动键 的状态， 当启动键按下时，洗衣机即进入工作状态或从暂停状态恢复到原来的工作 状态；在洗 衣机暂停中断响应期间，为输出线，用于撤销暂停中断请求。在洗衣机 进水或排水期 间，被用作输入线，用于监测水位开关状态，为 CPU 提供洗衣机的 水位信息；在洗衣 机高速脱水期间，当发生开盖或不平衡中断时，为输出线，用于

30、撤销中断请求信号。 CPU 的线用于驱动蜂鸣器发出各种报警信号。洗衣机的强、弱洗可通过 K1 键进行循环选择。 Kl 还具有第二功能，即当洗衣 机 发生故障转入报警程序后，按下 K1 键可使洗衣机退出报警状态回到初始待命状 态。洗衣工作程序通过 K2 键循环选择。脱水期间系统在响应开盖或不平衡中止后， CPU 采取软件查询的方式通过 P1 6 口线对盖开关进行监测以确定洗衣机是否继续 进行脱 水操作。压力传感器由洗衣机的功能可知在洗衣机的进水和排水过程中， 都存在有水位上下的检测， 因此在电路中需要检测水位上下的传感器， 一般的压力传感器其输出的信号大都是 模 拟信号，由于要送到单片机的信号必须是数字信号，因此还需要在压力传感器的 输出 局部加上 A/D 转换器，才能将转换成的数字信号送给单片机进行处理。在本设 计中采 用的是 HSSC 070 型号的压力传感器。选此压力传感器的原因是在 HSSC 070 的内部就 集成有 A/D 转换器，它输出的信号直接就是数字信号，不需要进行模拟量 和数字量之 间的转换就可直接送至单片机 AT89C51 的端口对其进行处理， 而它的 执行器就是进水 电磁阀和排水电磁阀，即电磁继电器。其内部是通过编程软件来实 现控制的，当单片 机检测