洗衣机洗涤控制电路设计实例

洗衣机洗涤控制电路

设计实例11.1洗衣机洗涤控制电路的性能要求 11.2洗衣机洗涤控制电路的结构 11.3洗衣机洗涤控制电路的算法状态机图描述11.4洗衣机洗涤控制电路的VHDL描述习题与思考题

11.1洗衣机洗涤控制电路的性能要求

1．强洗、标准、轻柔三种洗涤模式强洗周期水流控制：正向电机接通5秒后，停2秒；再反向电机接通5秒，停2秒；然后又正向电机接通5秒。如此循环控制电机，直到洗涤定时结束。标准洗周期水流控制：其过程与强洗周期水流控制相同，不同的是正向接通时间为3.5秒，停止时间为1.5秒，反向接通时间为3.5秒。轻柔洗周期水流控制：正向接通时间为2.5秒，停止时间为1.5秒，反向接通时间为2.5秒。

2．三种洗涤定时

洗衣机洗涤定时有三种选择：5分钟、10分钟、15分钟。

3．上电复位后的初始设定

初始设定为标准模式，定时时间为15分钟。如需修改，可按模式选择按键和定时选择按键。每按一次按键转换一次，可多次进行循环选择。当某一次洗涤过程结束后，自动返回初始状态，等待下一次洗涤过程开始。

4．启/停控制

洗涤过程由启/停键控制。每按一次启/停键，状态转换一次。

5．洗涤定时精度

洗涤定时误差要求不大于0.1秒。

为简化洗衣机洗涤控制电路设计，只要求输出正向和反向的电机控制信号。

11.2洗衣机洗涤控制电路的结构

根据上述对洗衣机洗涤控制电路的性能要求，可以画出如图11-1所示的结构框图。该控制器由四大部分组成：主分频器、主控制器、洗涤定时器和水流控制器。图11-1洗衣机洗涤控制电路的结构框图

1．主分频器

主分频器用来产生0.1秒的时钟供主控制器使用。本方案使用民用的石英晶体，其振荡频率为76.8 kHz。这样，主分频器的分频系数为7680。现采用3个分频器构成主分频器的分频电路，分别是256分频器、10分频器和3分频器。主分频器的结构如图11-2所示。

图11-2主分频器的结构

2．主控制器

主控制器的输入信号和输出信号如图11-1所示，分别叙述如下：

(1)输入信号：

reset：上电复位；

start_stop：启/停按键输入；

mode_sel：洗涤模式选择按键输入；

系统时钟输入(sysclk)：76800Hz主时钟；

timer_sel：洗涤时间选择按键输入；

timer_down：定时到输入。

(2)输出信号：

5min_out：5分钟定时控制；

10min_out：10分钟定时控制；

15min_out：15分钟定时控制；

start_out：启/停控制；

j_out：强水流控制；

b_out：标准水流控制；

z_out：轻柔水流控制。

主控制器的功能是根据各输入按键的状态，输出对应的控制状态信号，控制洗涤定时器和水流控制器的工作。

3．洗涤定时器

洗涤定时器的功能是根据主控制器送来的有关控制信号，实现5分钟、10分钟和15分钟的洗涤时间控制。其输入和输出信号分别如下：

(1)输入信号：

s5min_in；

s10min_in；

s15min_in；

start_in；

reset

；

sysclk。

(2)输出信号：

timer_on_out：定时有效；

timer_down_out：定时到。

4．水流控制器

水流控制器的功能是根据主控制器输出的强、标准、轻柔控制信号产生不同的水流控制周期，控制洗衣机电机的工作，其输入和输出信号分别如下：

(1)输入信号：

j_in；

b_in；

z_in；

sysclk；

clk_01；

timer_down；

reset；

timer_on。

(2)输出信号：

off_out：电机断开控制信号输出；

on_out：电机接通控制信号输出。

11.3洗衣机洗涤控制电路的算法状态机图描述

如图11-1所示，洗衣机洗涤控制电路主要是控制电路和计数电路，因此直接用算法状态机图描述比较方便。

1．主控制器的算法状态机图描述

根据主控制器的工作要求，洗衣机洗涤时的工作状态共有以下9种：

标准——15分钟；

标准——10分钟；

标准——5分钟；

轻柔——15分钟；

轻柔——10分钟；

轻柔——5分钟；

强洗——15分钟；

强洗——10分钟；

强洗——5分钟。

如果该主控制器用9个状态的算法状态机图来描述，则其状态转换将会变得复杂而难以处理。考虑到模式和定时选择是相对独立的，没有很强的关联性，因此，可以用3个算法状态机图来描述。

1)模式选择控制状态机图

模式选择控制状态机图如图11-3(a)所示。

(a)模式选择控制状态机图；(b)定时选择控制状态机图图11-3主控制器算法状态机图

复位后进入标准洗涤模式，并输出set_b标准模式状态信号。接着判断定时结束timer_down是否有效。如果有效，则表明洗涤结束，set_b置“0”回到标准模式状态；如果无效，则判别模式选择按键是否按下。如果未按下，则仍处于标准状态；如果已按下，则进入轻柔状态。通过类似的操作和判别，该状态机图可在标准、轻柔、强洗三种模式下循环选择和工作，并送出相应的状态信号。

2)定时选择控制状态机图

定时选择控制状态机图如图11-3(b)所示。其结构与模式选择控制状态机图一致，所不同的仅仅是状态名、状态输出信号及引起状态转换的按键信号。图中，3个状态分别为s_5min、s_10min、s_15min；3个状态输出信号分别为set_5 min、set_10 min、set_15 min；按键输入信号为timer_sel。

3)启/停控制算法状态机图描述

主控制器还要产生启/停控制信号。启/停控制算法状态机图如图11-4所示。

图11-4启/停控制算法状态机图

图11-4中只有2种状态：停止状态和启动状态。系统复位时进入停止状态s_stop，当start_stop按键按下时，状态转移至启动状态s_start，并送出启动控制信号start(start = 1)。再按一下start_stop键，状态回到停止状态，start控制信号置“0”，暂停洗涤工作。再按一次start_stop按键，系统又回到启动状态。这样，根据需要可人为地暂停或启动洗衣机工作。

2．洗涤定时器的算法状态机图描述

洗涤定时器的算法状态机图如图11-5所示。

洗涤定时器有3种状态：停止状态(IDLE)、计时状态(INCCOUNT)和暂停状态(TMP_STOP)。

系统复位后就进入停止状态(IDLE)。在停止状态下不断判别启动信号start是否为“1”。如果为“1”，则表明启动键已按下，定时器开始工作，timer_on标志置“1”，转移的下一个状态为计数状态；否则仍留在停止状态。

图11-5洗涤定时器的算法状态机图

在计时状态(INCCOUNT)下，先要判别启动信号是否仍为“1”。前面已经提到，启/停按键是一个乒乓按键，按一次启/停按键使start输出状态转换一次。如果复位后按一下启/停按键，使start =

1，则定时器开始进行定时计数。如果再按一次启/停按键，使start=0，则定时器处于暂时停止状态，定时计数值将被保留。如果再按一次启/停键，则洗涤定时器继续启动，在原有计时值上进行计时。如果在计时状态下发现start =

0，则定时器进入暂停状态(TEMP_STOP)，同时timer_on置“0”，定时器停止计数。

在暂停状态下，继续判别start信号。如果start = 0，则仍留在暂停状态；如果start =

1，则表明定时器再启动，timer_on =

1，状态将转移至计时状态。

在计时状态下，如果start

=

1，接着判别分时钟s1min上升沿是否到来。如果未到来，则仍停留在计时状态；若分时钟的上升沿已到来，则分计数器就进行加1操作。接着判断是否到了指定的定时计时值(定时计数值只有3种：5分钟、10分钟和15分钟)。如果未到计时值，则仍停留在计时状态；如果到了计时值，则停止计时，timer_on =

0，timer_down =

1，count =

0000，start =

0，状态转移至停止状态。

3．水流控制器的算法状态机图描述

水流控制器的算法状态机图如图11-6所示。

该状态机图有3种状态：停止状态(STOP)、电机接通定时计数状态(ON_TIME)和电机断开定时计数状态(OFF_TIME)。

图11-6水流控制器的算法状态机图

系统复位后进入停止状态，接着判断洗涤定时器是否启动(timer_on

=

1)。如果未启动，则仍停留在停止状态；如果已启动，则判别当前电机是处在接通定时计数状态，还是处在断开定时计数状态。根据设置不同，转入相应的状态：ON_TIME或OFF_TIME。

在ON_TIME状态下，判别timer_on是否继续为“1”(因为洗涤过程有可能暂停)。如果为“1”，再判别0.1秒时钟clk_01的上升沿是否到来。如果未到来，则停留在ON_TIME状态；如果已到来，则电机接通定时计数器加1(on_count = on_count+1)。下面判别定时计数值是否到规定时间值：

强洗：on_count_u=5秒

标准洗：on_count_u=3.5秒

轻柔洗：on_count_u=2.5秒

在未到规定计数值时，返回ON_TIME状态继续进行定时计数；当计数到规定的定时值时，就使cnton_inc、clron、cntoff_inc、set_off置“1”，接着状态转移至电机断开定时计数状态OFF_TIME。

在ON_TIME状态下，如果发现timer_on为“0”，表明洗涤定时过程结束，对水流控制器进行初始化，然后进入停止状态。

电机断开的定时计数状态的工作过程与电机接通的定时计数状态的工作过程类同，请读者自行分析。

下面对标志量的含义作一说明：

set_on='1' →on_out='1'

；

clron='1'→on_out='0'；

set_off='1' →off_out='1'；

cnton_inc='1' →count_on+1；

cntoff_inc='1'→count_off+1；

如果上述这些标志量是'1'，就会发生后面所示的操作。设置标志量的目的是为了编程方便，使控制操作集中在一个进程中，以避免VHDL中的“多源”描述的出现，这一点在后面程序中就可以看到。

11.4洗衣机洗涤控制电路的VHDL描述

洗衣机洗涤控制电路由5个模块组成：主分频器timectr_clkdiv、定时器timer_count、定时器控制timer_ctr、水流周期控制timeronoff_ctr及洗涤定时控制电路timer_sum模块。

1．主分频器timectr_clkdiv模块

主分频器的功能是将76

800

Hz的主频分频为10 Hz的时钟。该模块由3个进程组成，其VHDL描述的程序清单如下：

div_10进程为10分频进程，div_256进程为256分频进程，div_3进程为3分频进程。76800Hz主频经该3个进程串行分频就得到10Hz的时钟clk_01。

2．定时器控制timer_ctr模块

如前所述，定时器控制timer_ctr模块的功能是根据启/停按键(start_stop)、模式选择按键(mode_sel)和定时选择按键(timer_sel)的不同输入状态，产生对应的控制信号输出，其VHDL描述的程序清单如下：

该模块由4个进程组成。mode_ctr进程是模式选择控制进程，对应图11-3(a)所示的模式选择控制状态机图；timer_ctr进程是定时选择控制进程，对应图11-3(b)所示的定时选择控制状态机图；start_ctr进程是启/停控制进程，对应图11-4所示的启/停控制算法状态机图；最后一个进程是timer_ctr_update进程，它的功能是根据上述3个进程中不同的控制标志输出，在该进程中对输出控制信号进行刷新，其刷新频率为系统主时钟频率(76800Hz)，这样就可确保控制的精度。

3．定时器timer_count模块

定时器timer_count模块的功能是根据定时控制输出，对洗衣机的洗涤时间进行定时控制。它由3个进程构成，其VHDL描述的程序清单如下：

count_ctr进程是定时计时进程，根据定时选择所确定的定时时间进行计时控制，它对应图11-5所示的洗涤定时器的算法状态机图。update进程是一个刷新进程，它根据count_ctr进程的输出控制标志，对输出控制信号进行刷新。INIT进程是对本次定时器赋初值的进程。定时器根据所赋初值的时间，实现洗涤时间的控制。

在timer_count清单中还含有10分频器和60分频器元件，这主要是为了在本模块中得到分时钟