毕业设计（论文）-基于单片机的全自动洗衣机的控制.doc

河南工业职业技术学院机电工程系毕业设计（论文） 河河 南南 工工 业业 职职 业业 技技 术术 学学 院院 henanhenan polytechnicpolytechnic instituteinstitute 毕毕业业设设计计（ （论论文文） ） 题题 目目基于单片机的全自动洗衣机的控制基于单片机的全自动洗衣机的控制 班班 级级 姓姓 名名 指导教师指导教师 河南工业职业技术学院机电工程系毕业设计（论文） 摘摘 要要 基于单片机的全自动洗衣机自动控制系统, 所有的电路都是在单片机的控 制下工作的，目前通常采用的是 motorola 公司的 mc6805 系列的单片机，而本 设计中采用了 intel 公司的 89c51 作为控制核心，以单片机 89c51 为核心结合 接口芯片及外围电路以实现洗衣机的智能控制。设计采用传感器检测洗衣过程 必需的物理量，实现对洗衣机自动识别衣质、衣量，自动识别肮脏程度，自动 决定水量，自动投入恰当的洗涤剂等功能的控制。本设计在洗涤过程中采用了 实时模糊控制，提高洗衣质量,节约能源。硬件结构框图及软件流程图是该系统 的重要组成部分,在整个控制过程中，硬件控制起了决定性的作用。 关键词关键词： 单片机，全自动洗衣机，传感器 河南工业职业技术学院机电工程系毕业设计（论文） 目目 录录 第一章第一章 概述概述1 1.1 洗衣机的发展史1 1.2 全自动洗衣机的简介2 1.3 洗衣机的工作原理2 1.4 洗衣机的类型3 1.4.1 按自动化程度分类3 1.4.2 按结构原理分类3 1.5 洗衣机设计的主要性能指标4 1.5.1 主要技术性能指标4 1.5.2 主要安全性能指标5 1.6 全自动洗衣机的设计理念6 1.7 全自动洗衣机的设计目的7 1.8 全自动洗衣机的设计方案7 第二章第二章 硬件电路硬件电路8 2.1 洗衣机控制器控制面板的设计8 2.2 硬件设计框图9 2.3 单片机11 2.3.1 单片机的选型11 2.3.2 单片机的复位电路12 2.3.3 单片机的时钟电路与时序12 河南工业职业技术学院机电工程系毕业设计（论文） 2.4 a/d 转换器.14 2.5 传感器15 2.6 全自动洗衣机电机的特点及选择17 2.7 显示器19 2.8 典型控制电路20 2.8.1 晶闸管驱动控制电路设计20 2.8.2 水位检测电路20 2.8.3 开关电源电路21 2.8.4 键盘输入及显示电路22 第三章第三章 软件设计软件设计23 3.1 主程序流程图23 3.2 各子程序流程图24 第四章第四章 调试调试28 4.1 硬件调试28 4.2 软件调试29 参考文献参考文献30 致谢致谢31 附录附录32 河南工业职业技术学院机电工程系毕业设计（论文） 第 1 页 共 32 页 第一章第一章 概述概述 1.1 洗衣机的发展史洗衣机的发展史 从古到今，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动，而在洗衣机出现以前，对于 许多人而言，它并不像田园诗描绘的那样充满乐趣，手搓、棒击、冲刷、甩打 这些不断重复的简单的体力劳动，留给人的感受常常是：辛苦劳累。 1858 年，一个叫汉密尔顿史密斯的美国人在匹茨堡制成了世界上第一台洗衣 机。该洗衣机的主件是一只圆桶，桶内装有一根带有桨状叶子的直轴。轴是通过摇 动和它相连的曲柄转动的。同年史密斯取得了这台洗衣机的专利权。但这台洗衣机 使用费力，且损伤衣服，因而没被广泛使用，但这却标志了用机器洗衣的开端。次 年在德国出现了一种用捣衣杵作为搅拌器的洗衣机，当捣衣杵上下运动时，装有弹 簧的木钉便连续作用于衣服。19 世纪末期的洗衣机已发展到一只用手柄转动的八角 形洗衣缸，洗衣时缸内放入热肥皂水，衣服洗净后，由轧液装置把衣服挤干。 1880 年，美国又出现了蒸气洗衣机，蒸气动力开始取代人力。经历了上百年的 发展改进，现代蒸汽洗衣机较早期有了无与伦与的提高，但原理是相同的。现代蒸 汽洗衣机的功能包括蒸汽洗涤和蒸汽烘干，采用了智能水循环系统，可将高浓度洗 涤液与高温蒸气同时对衣物进行双重喷淋，贯穿全部洗涤过程，实现了全球独创性 的“蒸汽洗”全新洗涤方式。与普通滚筒洗衣机在洗涤时需要加热整个滚筒的水 不同，蒸汽洗涤是以深层清洁衣物为目的，当少量的水进入蒸汽发生盒并转化为蒸 汽后，通过高温喷射分解衣物污渍。蒸汽洗涤快速、彻底，只需要少量的水，同时 可节约时间。对于放在衣柜很长时间产生褶皱、异味的冬季衣物，能让其自然舒展， 抚平褶皱。“蒸汽烘干”的工作原理则是把恒定的蒸汽喷洒在衣物上，将衣物舒展 开之后，再进行恒温冷凝式烘干。通过这种方式，厚重衣物不仅干得更快，并且具 有舒展和熨烫的效果。 1922 年，美国玛塔依格公司改造了洗衣机的洗涤结构，把拖动式改为搅拌式， 使洗衣机的结构固定下来，这也就是第一台搅拌式洗衣机的诞生。这种洗衣机是在 筒中心装上一个立轴，在立轴下端装有搅拌翼，电动机带动立轴，进行周期性的正 反摆动，使衣物和水流不断翻滚，相互摩擦，以此涤荡污垢。搅拌式洗衣机结构科 学合理，受到人们的普遍欢迎。 1932 年，美国本德克斯航空公司宣布，他们研制成功第一台前装式滚筒洗衣机， 洗涤、漂洗、脱水在同一个滚筒内完成。这意味着电动洗衣机的型式跃上一个新台 阶，朝自动化又前进了一大步！ 第一台自动洗衣机于 1937 年问世。这是一种“前置“式自动洗衣机。靠一根水平 河南工业职业技术学院机电工程系毕业设计（论文） 第 2 页 共 32 页 的轴带动的缸可容纳 4000 克衣服。衣服在注满水的缸内不停地上下翻滚，使之去污 除垢。到了 40 年代便出现了现代的“上置“式自动洗衣机。 随着工业化的加速，世界各国也加快了洗衣机研制的步伐。首先由英国研制并 推出了一种喷流式洗衣机，它是靠筒体一侧的运转波轮产生的强烈涡流，使衣物和 洗涤液一起在筒内不断翻滚，洗净衣物。 80 年代，“模糊控制”的应用使得洗衣机操作更简便，功能更完备，洗衣程序 更随人意，外观造型更为时尚。诞生了许多新水流洗衣机。此后，随着电机驱动技 术的发展与提高，日本生产出了电机直接驱动式洗衣机，省去了齿轮传动和变速机 构，引发了洗衣机驱动方式的巨大革命。 之后，随着科技的进一步发展，滚筒 90 年代，由于电机调速技术的提高，洗衣机实现了宽范围的转速变换与调节，洗衣机 已经成了大家耳濡目染的产品。伴随着科技的进一步发展，相信新型更适合人们使 用的洗衣机会给我们的生活带来新的方式。 1.2 全自动洗衣机的简介全自动洗衣机的简介 洗衣机是代替人工完成洗涤衣物的家用电器，与人工洗涤衣物相比，它具有省 力、省时、省水、省洗涤剂等优点。 全自动波轮洗衣机可以完成洗涤、漂洗及脱水过程的自动转换，通常采用套桶 方式，即将离心桶（内桶）和剩水桶（外桶）同轴地套在一起，故又称为套桶洗衣 机。 全自动洗衣机在程控器的控制下自动完成洗衣的全过程。洗涤时，远程器将注 水阀打开至水位达到的设定值，电动机带动波轮旋转，使水及衣物完成洗涤或漂洗 过程；排水时，程控器打开排水阀，将水或洗涤液排出；脱水时，程控器将排水阀 打开，并使离合器动作，完成机械转换，电动机带动离心桶高速转动，完成脱水过 程。 1.3 洗衣机的工作原理洗衣机的工作原理 洗衣机洗净衣物的过程实质上是在化学力和机械力的共同作用下，将衣物上的 污垢从衣物表面及纤维孔隙中拉挤出来的过程。在这一过程中，通过水、洗涤剂和 机械力三者的作用，降低、削弱和破坏了污垢与织物间所形成的表面附着、机械附 着、分子间引力结合和化学结合，使污垢脱离衣物，达到洗净的目的。因此，通常 把水、洗涤剂和机械力成为洗涤过程中的三要素。 一是洗涤剂活化作用。即利用洗涤剂中含有的表面活性物质，能大大降低水溶 液的表面张力，从而产生湿润、乳化、分散、泡沫及增溶的作用，这些特殊作用成 为表面活性。洗涤剂的去污作用就是这些湿润、乳化、分散、泡沫、增溶等作用的 综合表现。 河南工业职业技术学院机电工程系毕业设计（论文） 第 3 页 共 32 页 二是一定温度的水吸收污垢的媒介作用。经验证证明，洗涤液温度对洗涤过程 有一定的影响，当其他条件完全一样时，较热的洗涤液具有较好的洗涤效果，通常 在一些带加热装置的自动洗衣机中，预洗阶段水温一般都控制在 40以下，而在主 洗阶段则水温由逐渐增高，一般最高可达 90。 三是机械力作用揉搓作用。机械力对洗涤起着重要作用，在全自动洗衣机 上测定，洗净中机械力作用所占的比例约 50%。洗衣机的机械力是一个复杂的力系， 一般可以认为是由摩擦力、弯曲力、拉伸力、压缩力、冲击力等几种机械力复合而 成。 1.4 洗衣机的类型洗衣机的类型 家用洗衣机一般按自动化程度和结构原理两种方法进行分类。 1.4.1 按自动化程度分类按自动化程度分类 （1）普通洗衣机 洗涤、漂洗、脱水各功能的操作均需用手动转换。它装有定时器，可根据衣物 的脏污程度和织物种类选定操作时间。 （2）半自动洗衣机 洗涤、漂洗、脱水各功能中任意两个功能的转换不用手动操作而能自动进行。 它一般由洗衣和脱水两部分组成。在洗衣桶中可以定时完成洗涤和漂洗程序，但不 能自动脱水，需要人工把衣物从洗涤筒中取出，放入离心脱水桶中进行脱水。有的 可以在脱水桶内连续的完成漂洗和脱水程序。 （3）全自动洗衣机 洗涤、漂洗和脱水各功能的转换不用手动操作而能自动进行。衣物放入后能自 动进行洗涤、漂洗、脱水，全部程序自动完成。当衣物甩干后，蜂鸣器发出声响。 有的还具有烘干功能。 1.4.2 按结构原理分类按结构原理分类 （1）波轮式洗衣机。 被洗涤的衣物浸没在洗涤液中，依靠波轮连续转动或定时正反向转动的方式形 成强烈的涡流进行洗涤。它由洗涤桶、波轮和传动机构等部分组成。 波轮在洗衣桶中有不同的安装位置：装于桶底的称涡旋式；装于侧壁的称喷流 式；在洗衣机两相对的侧壁上都安装波轮的叫做双喷流式。 这类洗衣机洗净度高，机器结构简单，制造方便，价格便宜，但衣物磨损较大。 目前在国内生产的洗衣机，大多数也为这种洗衣机。 河南工业职业技术学院机电工程系毕业设计（论文） 第 4 页 共 32 页 （2）滚筒式洗衣机。 这种洗衣机的机构特点是有一个盛水的圆柱形外桶，外桶中有一个可旋转的内 桶，内桶壁上开了许多规则排列的小孔，但有几条突出的肋。衣物投放在内桶中， 内桶有规律的旋转，突出的肋将衣物带起到一定的高度又将衣物抛落在洗涤液中， 这样就在内桶中完成洗涤过程。 滚筒式洗衣机洗净度低，机内常设有加热器，加热洗涤液以提高洗净度。其洗 涤作用柔和，对衣物损伤较少，适合洗涤毛料衣物。但机器结构复杂，制造难度大， 造价较高。 目前，欧、美主要生产滚筒洗衣机，世界上现有的洗衣机中近 70%属于这类。 今年来，我国各主要洗衣机制造厂开始生产这种类型的洗衣机。 （3）搅拌式洗衣机 被洗衣物浸没于洗涤液中，依靠搅拌器往复运动的方式进行洗涤。其结构是在 洗衣桶中央，竖直安装着搅拌器， ，搅拌器绕轴心在一定角度范围内正反向摆动，搅 动洗涤液和衣物，以达到洗净的目的。 这类洗衣机洗净度高，磨损较轻，可以加大洗衣量，但洗涤时间较长、结构复 杂、机体大而重，价格较高，在美国和其他美洲国家市场上较为常见。 1.5 洗衣机设计的主要性能指标洗衣机设计的主要性能指标 我国生产的洗衣机都是按照家用电动洗衣机 （gb/t4288-2003） 及强制性 国家标准 gb4706.24-2000家用和类似电器用途电器的安全 洗衣机的特殊要求 两项标准进行设计、生产和出厂检验的。 洗衣机的质量包括外观质量和内在质量两个方面。外观质量主要指洗衣机外露 部分的表面质量，而内在的质量包括洗衣的技术性能和安全性能，其中安全性能尤 为重要。设计、生产、维修人员在对洗衣机进行设计、生产、维修时，必须要注意 确保洗衣机在使用中应是绝对安全的。 1.5.1 主要技术性能指标主要技术性能指标 （1）洗净率 洗净率是指在标准使用状态下，洗衣机对衣物的洗净能力，通常用洗净比来表示。 即在标准使用状态下，被测洗衣机的洗净率与参比洗衣机洗净率的比值。用公式表 示为： c=dr/ds 式中 c洗净比，国家标准规定，波轮洗衣机的洗净比应不小于 0.8； dr被测洗衣机的洗净率（%） ； ds参比洗衣机的洗净率（%） ； 河南工业职业技术学院机电工程系毕业设计（论文） 第 5 页 共 32 页 （2）漂洗性能 漂洗性能指洗衣机漂洗衣物的能力。漂洗比是通过漂洗前后测定的洗涤液及漂 洗液的电导率来确定： 漂洗比=（a-b）/ (a-c) k 式中 a洗涤液（原液）的电导率； b漂洗后液体的电导率； c自来水的电导率； k漂洗系数（取 0.9） 。 国家标准规定，漂洗比应大 1. （3）脱水性能 脱水性能指脱水机或洗衣机的脱水装置，对漂洗后衣物内水分的甩干能力，用 脱水率来表示。脱水率=（额定脱水负载布干重/脱水后的重量）100%。国家标准 规定，双桶洗衣机的脱水率应大于 50%。 （4）磨损率 洗衣机在洗涤过程中对衣物总要造成不同程度的磨损，用磨损率来表示。磨损 率的测定方法为：把标准试布放在被测洗衣机中，在标准使用状态下进行洗涤，分 别测量出试验布洗涤前的重量和洗涤结束后被磨损的重量（从洗涤液中捞出并过滤 所得的织物绒毛渣） ，计算出磨损量与洗涤前重量的百分比。用公式表示: =(p/p0)100%。 式中 p磨损量（） ，从洗涤液中捞出的绒毛的质量； p0试验布洗涤前的重量（） 。 国家标准规定，波轮洗衣机的磨损率应不大于 0.2%。 （5）噪声 洗衣机在标准使用状态下，洗涤、脱水时的噪声应不大于 75db。 （6）消耗功率 在标准使用状态下，洗衣机的消耗功率应在额定输入功率的 115%以内。 （7）起动特性 洗衣机在电源电压达到额定值的 85%时（即 1857v） ，电动机及相应电气部件应 能启动运转。 （8）电压波动特性 当电源电压在额定值上下波动 10%（即电源电压为 198242v）时，洗衣机应能 无故障运转。 1.5.2 主要安全性能指标主要安全性能指标 为保证洗衣机的正常运转及使用者的人身安全，国家标准中规定了下列主要安 河南工业职业技术学院机电工程系毕业设计（论文） 第 6 页 共 32 页 全性能指标。 （1）温升 洗衣机在标准使用状态下，电动机绕组的温升不应大于 75（e 级绝缘） ，电磁 阀和电磁铁线圈的温升不应大于 80（e 级绝缘） 。 （2）制动性能 脱水桶在额定脱水状态下，当脱水桶转速达到稳定时，徐速打开脱水桶外盖， 脱水桶应在 10s 之内完全停止转动。 （3）泄漏电流 洗衣机在标准状态下使用，洗衣机外漏非带电金属部分与电源线之间的泄漏电 流应不大于 0.5ma。 （4）绝缘电阻 洗衣机的带电部分与外露非带电金属部分之间的绝缘电阻应大于 2m。 （5）电气强度 洗衣机的带电部分与外露非带电金属部分之间，应能承受热态实验电压 1500v。潮态试验电压 1250v，历时 1min 的电气强度实验，而不发生闪络或击穿现 象。 （6）接地电阻 洗衣机的外露非带电金属部分与接地线之间的电阻不应大于 0.1，与接地线 末端（或电源插头的接地极）之间的电阻不应大于 0.2。 （7）溢水绝缘性能 将洗衣机平稳放置好后，以 20l/min 的流量向洗衣机桶内连续注水，使洗衣筒 上口溢水 5min。在溢水过程中用 500v 绝缘电阻表连续监测带电部分与外露部非带 电金属部分之间的绝缘电阻值，应不小于 22m。 （8）淋水绝缘性能 将洗衣机平稳放置，盖好上盖，从其上部中央距洗衣机放置的地面 2m 高处的喷 水装置内，以 10l/min 的流量向洗衣机上部均匀淋水 5min，用 500v 绝缘电阻表连 续监测带电部分与外露部非带电金属部分之间的绝缘电阻值，应不小于 22m。 1.6 全自动洗衣机的设计理念全自动洗衣机的设计理念 家用洗衣机是人们很熟悉的机电一体化产品。它从早期的普通型、半自动型， 发展到摆脱人工操作的全自动型。以至目前问世的带有模糊控制技术的人工智能型 洗衣机。它们汇集了机械机构和微机控制系统等多方面技术，也是以人为本、创新 思维的设计典范。 全自动洗衣机的设计就是：首先了解它的洗涤过程：湿式洗涤常用的洗涤剂 含有表面活性物质，该分子结构一端为亲油基，另一端为亲水基。洗涤剂在水中溶 河南工业职业技术学院机电工程系毕业设计（论文） 第 7 页 共 32 页 解扩散，渗透进织物的纤维中，其亲油基与油污结合，破坏污垢与织物的结合力， 并形成水溶性物质，是油性污垢被乳化、分解和软化，同时也加速了水溶性垢的溶 解和扩散。洗涤剂与污垢作用的同时也把污垢包裹起来，然后依靠机械力使其从织 物上完全剥离下来。洗衣机运转时，机械力直接或间接地作用于织物，相当于手工 揉搓和拍打使织物反复旋转、翻滚、变形、摩擦和被水流冲击，污垢颗粒在机械力 作用下从织物上完全剥离下来，分解到洗涤液中。再经过一定水的反复洗涤，每一 次排尽水再注清水漂洗，是洗涤剂和污垢混合物的浓度不断的下降、污垢不断的随 洗涤水排出，水溶液逐渐变清，达到了机械力去污的目的。最后通过离心脱水或挤 压脱水，使织物中的水分降到尽量低，以便缩短晾干时间。如要现洗现用的织物则 可增加热气流烘干。这样便完成织物的整个洗涤过程。也就是说，洗涤漂洗脱 水是全自动洗衣机的主要工作过程。然后进行所要设计洗衣机的功能分析，确定 洗衣机的主要功能。洗衣机的功能树图如附录一所示。最后根据所确定的功能和 所要达到的性能指标，进行完成该功能、达到该性能的机械结构设计和电控系统设 计。 1.7 全自动洗衣机的设计目的全自动洗衣机的设计目的 目前中国洗衣机市场正进入更新换代期，市场潜力巨大，人们对于洗衣机的要 求也越来越高，目前的洗衣机主要有强弱洗涤功能、进排水系统故障自动诊断功能、 暂停等七大功能，在许多方面还不能达到人们的需求。这就要求设计者们有更高的 专业和技术水平，能够提出更多好的建议和新的课题，将人们的需要变成现实，设 计出更节能、功能更全面、更人性化的全自动洗衣机。目前的洗衣机都没有实现全 方面的兼容，大多洗衣的厂家都注重各自品牌的洗衣机的特制实现的，单片机的体 积小，控制功能灵活，因此，设计出基于单片机的全自动洗衣机控制电路系统具有 很强的实用性 1.8 全自动洗衣机的设计方案全自动洗衣机的设计方案 本系统实现了对洗衣机整个洗衣过程的控制，包括用户参数输入、洗衣、漂洗、 排水和脱水等阶段。控制系统主要由电源电路、数字控制电路和机械控制电路三大 模块构成。电源采用三端集成固定稳压器 7805 提供+5v 电源，数字控制电路负责控 制洗衣机的工作过程，主要由 at89s51 单片机、三位共阴数码管、按键、蜂鸣器、 led 指示灯组成；机械控制电路实现传感器检测、电机驱动、进水、排水等功能， 主要由水位检测器、电动机、传动系统部件、进水排水电磁阀组成。 河南工业职业技术学院机电工程系毕业设计（论文） 第 8 页 共 32 页 第二章第二章 硬件电路硬件电路 针对上文的功能，硬件电路应包括七个部分：微处理器控制电路、显示电路、 采样电路、电机控制电路、进水阀控制电路、排水阀控制电路和按键报警电路。通 过这几个部分电路的协调工作，洗衣机能模拟人脑进行操作。 2.1 洗衣机控制器控制面板的设计洗衣机控制器控制面板的设计 洗衣机控制面板主要包括：启动/停止、电源、标准、轻柔、快速、水位选择按 钮。 图 2-1 洗衣机控制面板 完成次洗衣过程所需的动作有： (1) 进水动作 进行洗涤时，盛水桶内的水量必须达到水位设定要求。洗衣机 的进水和水位判断，是由水位开关和进水阀的开合来进行控制的，当桶内没有水或 水量达不到设定水位时，单片机程序将控制进水阀闭合，开始注水，当桶内的水位 达到设定水位时，水位开关受压闭合，程序就可进入下步处理。 (2) 排水动作 进入脱水动作前应先排水。为了避免空排水造成时间浪费以及 排水不完而带水脱水造成对电机的损害。洗衣机能够根据实际水量对排水时间进动 河南工业职业技术学院机电工程系毕业设计（论文） 第 9 页 共 32 页 态控制。 (3) 洗涤动作 洗涤动作指的是电机周期性的“正转-停止-反转-停止” 。不同 的洗衣过程，控制电机执行“ 正转-停止-反转-停止”的时间是不同的。 (4) 脱水动作 排水结束后进入脱水动作，脱水是通过电机的正转来实现的， 同时要求排水阀直打开，也正是由于排水阀的打开，才使得脱水时的电机正转速度 不同于洗涤时的电机正转速度。进行脱水时若遇到洗衣机盖打开，则暂停脱水，并 发出报警，直至用户合上桶盖后，才继续进行脱水。脱水结束后，发出报警，并自 动关闭排水阀。 (5) 脱水不平衡修正 进行脱水处理，电机要正转，电机要进行高速单向正转， 若此时衣物偏向于一边，脱水桶会因离心的作片的作用，在很短的时间内碰撞安全 开关装置，使安全开关产生瞬时的关闭和断开，此时要进行脱水不平衡修正。进行 脱水不平衡修正，洗衣机将停止脱水，并自动插入“进水-洗涤-1 分钟-排水”动作。 通过这一插入动作，衣服将调整到洗衣桶中心位置。在同一脱水过程中 ，如果连续 修正 3 次仍达不到脱水平衡，则进行报警，等用户打开洗衣机将衣物放置均匀再盖 上桶盖，方可继续进行脱水。 (6) 其它动作 洗衣机控制器在此控制面板上还配有启动停止电源、标准、轻 柔、快速、水位选择按钮。 2.2 硬件设计框图硬件设计框图 主控制系统运用的是 at89c51 单片机，其要控制的对象包括：进水阀、排水阀、 电机。这些被控对象是需要根据不同的洗衣程序来设定它们的不同工作状况和工作 时间的，进水阀和排水阀的控制还需要水位检测，同时需要数码管显示不同的工作 状态及运行剩余时间。发光二极管用来指示洗涤速度和脱水速度；按键用来控制程 序的运行和 设置洗涤速度和脱水速度；蜂鸣器用来进行程序运行提示及故障报警。 洗衣机控制器系统框图如图 2-2 所示。 下面是洗衣机控制器系统框图： (1) 各框图的作用包括： 单片机电路 单片机电路是程序控制的中心它把计算机的各种功能电路都集 成在块芯片上，主要包括中央处理器 cpu、程序存储器 rom、数据存储器 ram、输入 输出接口电路及计时、分频、扫描、定时、时间设定等电路，rom 内已固化了洗 衣机操作程序、单片机根据输入指令和检测信号，调出内部相应的操作程序，通过 电路处理后，输出各种电路控制信号，使洗衣机自动完成程序操作过程。如果单片 机自身出故障、或控制电路传送给单片机的信息不正确，洗衣机就不能正常工作。 直流电源电路 这是为单片机及其外围控制电路提供晓以电压 直流电源的 电路，它将输入的 220v 交流电经过变压、整流、滤波、稳压后，变为稳定的低压直 河南工业职业技术学院机电工程系毕业设计（论文） 第 10 页 共 32 页 流电，送给单片机、可控硅触发电路、显示电路等。 复位电路 此电路的作用是复位。在单片机接上电源以后，或电源出现过低 电压时，将单片机存储器复位，使其各项参数处于初始位置，即处于开机时的标准 程序状态，以消除由于某种原因的程序紊乱。 时钟电路 由晶振元件与单片机内部电路组成，产生的振荡频率为单片机提 供时钟信号，供单片机信号定时和计时。 按键输入电路 按键开关按一定的矩阵排列，当按键被按动时，其接通的信 号将输送到单片机。单片机对应地调出内部软件进行工作，使洗衣机进入相应的洗 涤程序。 显示电路 显示电路由发光二极管按一定的矩阵排列而成，它是程序控制系 统向用户直接观察到洗衣机的工作状态的窗口。预设工作程序时，可根据指示灯的 闪亮来判断洗衣机是否接受了指令；还可以通过批示灯的显示来判断洗衣机工作是 否正常。 负载驱动电路 该电路多由双向可控硅及触发电路组成。双各可控硅作为无 触点开关控制电机等负载的通断及运行。单片机根据按键输入指令或接收到的检测 信号，输出相应的控制信号，控制可控硅触发电路的导通，使电机等负载得电运转。 报警电路 此电路在洗衣机中起提示和报警的作用。根据程序安排和软件设 置，当洗衣完成后，洗衣机将发出音乐以提示用户洗衣完成。 水位开关和安全开关电路 水位电路和安全开关电路由传感器监测，其通断 图 2-2 洗衣机控制器系统框图 河南工业职业技术学院机电工程系毕业设计（论文） 第 11 页 共 32 页 状态由电路输送给单片机。由单片机进行指令控制。 2.3 单片机单片机 2.3.1 单片机的选型单片机的选型 89c51 单片机是低耗能/低电压、高性能的 8 位单片机，它采用了 cmos 和 atmel 公司的高密度非易失存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与 mcs-51 兼容，是 一种功能强、灵活性高而且价格合理的单片机，可方便应用于各种控制领域 。 51 系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位 处理器，或布尔处理器。它的处理对象不是字或字节而是位。它不仅能对片内某些 特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻 辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。虽然其他种类的单片机也具有位处 理功能，但能进行位逻辑运算的实属少见。51 系列在片内 ram 区间还特别开辟了一 个双重功能的地址区间，十六个字节，单元地址 20h2fh，它既可作字节处理，也 可作位处理（作位处理时，合 128 个位，相应位地址为 00h7fh） ，使用极为灵活。 这一功能无疑给使用者提供了极大的方便，因为一个较复杂的程序在运行过程中会 遇到很多分支，因而需建立很多标志位，在运行过程中，需要对有关的标志位进行 置位、清零或检测，以确定程序的运行方向。而实施这一处理（包括前面所有的位 功能） ，只需用一条位操作指令即可。 51 系列的另一个优点是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。八位除以八 位的除法指令，商为八位，精度嫌不够，用得不多。而八位乘八位的乘法指令，其 积为十六位，精度还是能满足要求的，用的较多。作乘法时，只需一条指令就行了， 即 mulab(两个乘数分别在累加器 a 和寄存器 b 中。积的低位字节在累加器 a 中，高 位字节在寄存器 b 中)。很多的八位单片机都不具备乘法功能，作乘法时还得编上一 段子程序调用，十分不便。 综上所述，我们本次设计采用 51 系列，而 51 系列的典型产品是 8051。8051 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 个中断发源，指令与 mcs-51 系列完全兼容。 选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，该电路的组成相对简单，工作 原理清晰，易于理解。89c51 引脚图如图 2-3 所示。 河南工业职业技术学院机电工程系毕业设计（论文） 第 12 页 共 32 页 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2021 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 p1.0 p1.1 p1.2 p1.3 p1.4 p1.5 p1.6 p1.7 p0.1 p0.2 p0.3 p0.4 p0.5 p0.6 p0.7 vcc p2.0 p2.1 p2.2 p2.3 p2.4 p2.5 p2.6 p2.7 gnd xtal1 xtal2 p3.7/rt p3.6/wr p3.5/t1 p3.5/t0 rst/wpd p3.0/rxd p3.1/txd p3.2/int0 p3.3/int1 p0.0 ea/vpp ale/prog psen 图 2-3 89c51 引脚图 2.3.2 单片机的复位电路单片机的复位电路 根据应用的要求，用到单片机，为了可靠的复位要外加一个复位电路。复位操 作通常有：上电复位和按键手动复位。工作原理是通电时，电容两端相当于是短路， 于是rst引脚上为高电平，然后电源通过电阻对电容充电，rst端电压慢慢下降， 降到一定程度，即为低电平，单片机开始正常工作。上电复位的时间常数要在10ms 以上，才能保证上电，一般可以取电容的大小为10f，电阻为8.8k。 图 2-4 89c51 的复位电路 2.3.3 单片机的时钟电路与时序单片机的时钟电路与时序 时钟电路用于产生单片机工作时需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的 同步时序电路，为了保证同步方式的实现，电路应该在唯一的时钟信号控制下严格 rst 9 40 vcc vcc 20 r1 c1 80c51 河南工业职业技术学院机电工程系毕业设计（论文） 第 13 页 共 32 页 地按时序进行工作。而时序所研究的则是指令执行中各信号之间的相互时间关系。 (1) mcs-51 系列芯片的内部有一个高增益的反相放大器，其输入端为芯片引脚 xtal1，输出端引脚为 xtal2，在芯片的外部通过这两个引脚跨接晶体振荡器和微 调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器，如图 2-5 所示。电路中 的电容 c1和 c2一般取 30pf 左右，而晶体的振荡频率范围通常是 1.2mhz12mhz，晶体的振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也 就快。mcs-51 在通常的情况下，使用振荡频率为 6mhz 的石英晶体，而 12mhz 主 要是在高速串行通信的情况下才使用。振荡电路产生的振荡脉冲并不是直接使用， 而是经分频后在为系统所用。如图 2-5 所示。 振荡脉冲经二分频后作为系统的时钟信号，在二分频基础上再三分频产生 ale 信号，这就是之前说的 ale 是以晶振六分之一的固定频率输出的正脉冲，在二分频 的基础上再六分频得到机器周期信号。 (2) 在由多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间的时钟信号的同步，应 当引入唯一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲，这时的外部脉冲信号是 经过 xtal1 引脚注入，xtal2 悬空。且外接脉冲信号应当是高低电平持续时间大 于 20ns 的方波，脉冲频率应低于 12mhz。其连接图如图 2-6 所示。 图 2-5 单片机的晶振电路 晶振 c1 c2 xtal1 xtal2 反 相 器 至内部时钟电路 80c51 河南工业职业技术学院机电工程系毕业设计（论文） 第 14 页 共 32 页 图 2-6 89c51 外部脉冲源接法 最后选择第一种提供时钟脉冲的方式，选择 6mhz 的晶振，经过十二分频后产 生周期信号 0.5mhz,也就是时钟脉冲的周期是 2s。 2.4 a/d 转换器转换器 数字计算机只能出来数字量，不能处理模拟量。在微机的应用系统中，常常需 要对温度、流量、压力、温度等连续变化的物理量（模拟量）进行测量和控制。因 此，在一般的控制过程中，要先通过传感器将它们测量出来，以电信号的形式表示， 然后再将模拟电信号转换成数字量，输入到计算机中，完成模拟到数字这一转换的 过程叫模/数转换（a/d 转换），实现 a/d 转换的器件叫模/数转换转换器（a/d 转换 器）。计算机在对数字量进行必要的分析、运算处理后，再去控制相应的执行机构， 一般地，还必须将数字量的控制信号转换成相应的模拟量，这一过程叫做数/模准换 （d/a 转换），实现数模转换的器件叫数/模转换器（d/a 转换器）。 a/d 转换器种类很多，按接口方案来分，可分为并行接口和串行接口两类。串 行接口又分为三线式接口和两线式接口两种。由于 89c51 串行口有限，而本此设计 也用到了很多串口，而且我们需要一个多通道的转换器，而 max192 正是满足这种要 求，其转换精度也高，所以本次设计我们采用 max192。 max192 是一种低功耗、单电源、8 通道、串行的 10 位 a/d 转换器。由于该芯 片在片外已有采样跟踪保持电路，内部时钟电路和内部参考电压源，所以在应用时， 所需外围原件极少，与单片机连接也只占用 4-5 条口线，因此，用 max192 构成的 数据采集系统具有硬件结构简单、体积小和功耗低的优点。max192 是美国美信公 司设计的一个 10 位 a/d 转换器，它的信号输入有两种方式：8 通道单端输入或 4 通 道差分输入，具有极高转换速度。其 4 线串行接口与 spi、qspi、micro wire 等串 行总线兼容，具有内部时钟方式和外部时钟方式，内带 4.096v 的基准电压，也可用 外部基准电压。 max192 器件采用逐次逼近转换技术及输入采样/保持电路把模拟信号转换成 10 xtal2 xtal1 vss 外部时钟 悬空 80c51 河南工业职业技术学院机电工程系毕业设计（论文） 第 15 页 共 32 页 位的数字信号输出，模拟信号有单端输入和差分输入两种输入方式，输入电压范围 分单极性（0-40.96v）和双极性（-4.096/2-4.096/2v）两种，每做完一次 a/d 转换， 需从串行数据输入端输入以“1”开始的 8 位控制字对器件初始化，内部控制逻辑控 制 a/d 转换。 当 max192 的 cs 端有效时，在时钟 sclk 的每一个上升沿把一个最高位为“1” 的控制字节的各位送入输入移位寄存器，控制器收到控制字节后，选择控制字节中 给定的模拟通道，并在 sclk 的下降沿启动转换。在启动转换后，max192 可以使用 外部串行时钟或内部时钟来完成逐次逼近转换。在两种时钟方式中，数据的移入/输 出都由外部时钟来完成。 转换结束后的数据是由 dout 端读出的。应该注意，数据的输出是高位在先，低 位在后，有效位为 10 位。在单极性输入方式下，输出的是标准二进制码，对于差分 方式下的双极性输入，其输出是莫二补码。 需要注意的是，在单极性输入方式下，转换完成后的 10 位数据在移位寄存器中 存放时，在数据的首部添了一个“0” ，在尾部添加了 5 个“0” ，这样，要得到最终 的正确结果，需要把这 16 位数（包括 10 位有效数据）右移 5 位。在编写采样程序 时，送完一字节控制字，何时读转换结果 ，有两种判断方法：一是看 sstrb 信号是 否变高，二是延时多少 us(最大位 10us)。 2.5 传感器传感器 传感器不仅充当着计算机、机器人。自动化设备的“感觉器官”及机电结合的 接口，而且已渗透到军事和人类生命、生活、生产的各个领域，从太空到海洋，从 各种复杂的工程系统到人们日常生活衣食住行，都已经离不开各种各样的传感器。 传感器通常由敏感元件、转换元件及转换电路组成。敏感元件是指传感器中能 直接感受(或响应)被测量的部分。在完成非电量到电量的变换时，并非所有的非电 量都能利用现有手段直接转换成电量，往往是先变换为另一种易于变成电量的非电 量，然后再转换成电量。如传感器中各种类型的弹性元件，常被称为弹性敏感元件。 转换电路是指能将感受到的 非电量直接转换成电量的器件或元件。如光电池将光的 变化量转换为电动势，应变片将应变转换为电阻量等。转换电路是指将无源型传感 器传感器的输出的电参数量转换成电量。常用的转换电路有电桥电路、脉冲调宽电 路、谐振电路等，它们将电阻、电容、电感等电参数转换成电压、电流或频率等电 量。而实际上，有些传感器的敏感元件可以直接把被测非电量直接转换成电量输出， ，如压电晶体、光电池、热电偶等。 本次设计中用到 4 个传感器，分别为：ts 污浊度传感器、温度传感器、负载传感 器和水位传感器。其中污浊度、温度和负载传感器输出的都是模拟信号，需要通过 a/d 转换才能作为单片机的控制信号，而水位传感器本身输出的就是数字信号，所 河南工业职业技术学院机电工程系毕业设计（论文） 第 16 页 共 32 页 以不需要通过 a/d 转换，直接可用做单片机的控制信号。 ts 污浊度传感器内部原理图如图 2-8 所示。 浑浊度检测传感器的主要原理是光电耦合器，而普通的光电耦合器不能有效的 检测洗衣机水的浑浊度。光电耦合器的光源必须是红外光才能准确的检测浑浊度。 ts 浊度传感器是 ge 公司开发的一种专门用于家电产品的低成本传感器，主要用于 洗衣机、洗碗机等产品的水污浊程度的测量。 温度传感器 温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(rtd)和 ic 温度传感器下)。ic 温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。 热电偶应用很广泛，因为它们非常坚固而且不太贵。热电偶有多种类型，它们 覆盖非常宽的温度范围，从-200到2000。它们的特点是：低灵敏度、低稳定性、 中等精度、响应速度慢、高温下容易老化和有漂移，以及非线性。另外，热电偶需 要外部参考端。 我们常用温度传感器有 ds18b20、ad590 等，它们都是集成温度传感器。 ds18b20 输出是数字信号可以直接和单片机相连，而且硬件连接电路少，但需要对 其进行复杂的软件编程。 ad590 是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如 下： 流过器件的电流（ma）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数。 ad590 的测温范围为-55+150。 ad590 的电源电压范围为 4v30v。电源电压可在 4v6v 范围变化，电流变化 1ma，相当于温度变化 1k。ad590 可以承受 44v 正向电压和 20v 反向电压，因而器件 反接也不会被损坏。 输出电阻为 710mw。 精度高。ad590 共有 i、j、k、l、m 五档，其中 m 档精度最高，在- 55+150范围内，非线性误差为0.3。 图 2-8 浊度传感器内部原理 图 河南工业职业技术学院机电工程系毕业设计（论文） 第 17 页 共 32 页 本设计我们选用 ad590 作为温度传感器。ad590 比 ds18b20 精度更高、线性 度误差小，且不需要温度报警和复杂的程序编程，非常适合用于洗衣机的温度检测 传感器 负载传感器 根据控制要求，负载检测时通过检测电动机的反电动势来实现的，而电动机的 反电动势比单片机所用电压大的多，不能直接采样，必须经过隔离。采用线性光电 耦合器既能隔离高电压和干扰，又能得到满意的检测信号。 水位传感器原理图如图 2-9 所示。 谐振式水位传感器,采用了新型的传感原理 ,把水位的高低 ,通过水位传感器直 接变成水位与频率的对应关系。衣物的洗净度、水流强度、洗涤时间等参数的检测 ,对 模糊控制洗衣机在节水、节能、减少洗涤时间方面起决定性的作用。 2.6 全自动洗衣机电机的特点及选择全自动洗衣机电机的特点及选择 全自动洗衣机电机是家用全自动洗衣机的 a 类关键配套件。由于洗涤和脱水的 兼用、频繁地满负荷启动、正反向变换和短时高速脱水运转，要求电机具有大速比、 高转矩、低电流的启动性能。 电机悬挂吊装在洗衣机外桶下部，根据热洗衣机程序，一般桶内水温 60，特 殊需求可达 90，这时，电机周围的温度高于标准规定值，因此，对电机绝缘等级、 温升限值、振动和噪音有特殊的要求。根据全自动洗衣机程序的规定，电机的运行 方式是一种特殊工作制，例如，洗涤时低速运行，分别在 2、4、15min 的不同周期 内，以运转/停止分别为 7.5s/7.5 或 4s/7.5s 的节拍频繁启动、正反向运转，是一 种非标准的断续周期工作制；脱水时告诉运行，是一种特殊的工作制。 洗衣量和水量的变化时，容许电机的转速在一定范围内增减，但不能对洗涤性 能、洗净度指标有显著影响，这就要求电机一方面有优良的启动性能，一方面要有 很好的适用的机械性能。 根据上述特点，目前家用全自动洗衣机电机主要有两种类型。一种类型是单相 异步电容电动机，如 yxg162/2/12,yxg162/2/16 双速电动机和 yxg162/2/4/24 三速 图 2-9 水位传感器原理图 河南工业职业技术学院机电工程系毕业设计（论文） 第 18 页 共 32 页 电动机；一种类型是单相串励无级调速电动机，如 hcd-55,hcd-63 等。其中又分电 子控制和非电子控制两种。对于单相异步电容电动机，在电子控制和非电子控制下， 电机的设计参数、电气性能、固有机械时行是不同的。 根据不同的地区、用户和市场需求，目前世界上生产的家用全自动洗衣机根据 其脱水速度的不同可分为低速、中速、高速三种，与其对应的配套电机的种类、选 配关系如表 2-1 所示： 表 2-1 脱水速度与配套电机关系表 低 速中 速高 速脱水速度 r/min350500550600700850900100012001500 单相异步 电容电机 2/12 2/16 2/12+电子 2/16+电子 2/4/24 单相串励 调速电机 50/55/63+电子 一般来说，目前我们的环境条件，生产制造技术，原材料质量，电力供应等情 况较发达国家仍有一定的差距。因此，国产的全自动洗衣机的设计原则较国外同类 产品应具有适当的功率储备，更大的过载能力，较高的效率，更好的低压启动特性 和较硬的固有机械特性。 在 2/12 极和 2/16 极双速电机中，我们采用了在单相电机的定子槽中放置三相 绕组，即主绕组、副绕组和公共绕组的设计方案。三套绕组轴线在空间互成 120 电角度。主绕组、副绕组选用相同的线规、相同的匝数即主副绕组匝比 a=1，公共 绕组与主绕组选用不同的线规，并使匝比 a1，形成 y 接不对称三绕组。 由于 y 接三绕组在定子槽中空间相差 120电角度，而空间三次谐波磁势则相 差 3120=360电角度，因此，三绕组的三次谐波磁势空间位置正好重合在一起。 三绕组中电流的时间相位角对基波和三次谐波都一样，可以使其近似互查 120电 角度。根据向量相加的原理可以知道近似互查 120的三个向量相加，合成气隙的 3 次及 3 倍次谐波磁势将被大大削弱。这就是说，不比象两绕组那样把各相导体分 布相带拉的很宽，以保持较高的饶阻系数，而是通过选择合理的绕组形式即 y 接法 三绕组，靠相间迭加就可以有效地削弱单相电机中高次谐波的主要成份三次谐波磁 势的有害影响，改善电机的电气性能。 由于三绕组比两绕组的相带窄，因而基波绕组系数高。由于定子电阻近似于基 波绕组系数的平方成反比，这样通过定子电阻和有效匝数的减少及槽面积的充分利 用，使电机的效率和运行性能得到提高。 对于需要频繁正、反转运行的电机，正交两绕组往往难以获得理想的旋转磁场， 而非正交两绕组又会使电机槽面积得不到充分地利用，而上述三绕组则有比较灵活 的调整余地。只要把主、副绕组设计得与公共绕组对称，调整公共绕组的参数，便 可容易地调整电机的性能，满足正、反向频繁启动和运行的需要。 河南工业职业技术学院机电工程系毕业设计（论文） 第 19 页 共 32 页 根据设计的需求选用单相异步双速电容电机。 2.7 显示器显示器 显示器有 led 和 lcd 两种。 lcd(liquid crystal display)是液晶显示器英文名称的缩写，液晶显示器是一种被 动式的显示器，即液晶本身并不发光，而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方 向的特征，达到白底黑字或