基于单片机实现的全自动洗衣机设计本科论文.doc

摘要：洗衣机是一种在家庭中不可缺少的家用电器，发展非常快，全自动式洗衣机因使用方便得到大家的青睐，全自动即进水、洗涤、漂洗、摔干等一系列过程自动完成，控制器通常设有几种洗涤程序，对不同的衣物可供用户选择。变频控制依其高性能、节能等优点在洗衣机的控制中得到广泛应用，介绍了可编程控制器在洗衣机电气参数测试中的应用,讨论了硬件设计和程序设计。引言：将洗衣机的各种洗衣程序运行在单片机（微电脑芯片）的控制下，使得洗涤、漂洗、脱水等各种功能的操作都能不需要手动，而是模拟人类智能行为完成，一般的微电脑控制程序全自动洗衣机由使用者根据洗涤衣物的质量、厚薄、脏污程度等，选择洗涤程度（包括洗涤水量、洗涤时间、漂洗方式、脱水时间等），洗衣机按照选定的洗涤程度自动进行工作。 第一章 单片机的 基本概念和作用 什么是单片机:又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。 可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成（如图1所示）。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制 单片机的组成结构 单片机在一块芯片上集成了运算器、定时器、片内振荡器和控制器，构成了通常所说的CPU；在同一芯片上集成了ROM/EPROM、RAM、SFR和存储器扩展控制器，构成了单片机的存储器；还集成了可编程并行I/O、串行口控制器、A/D转换器及D/A输出，构成了单片机的输入/输出通道。尽管单片机中没有键盘等输入设备，也没有CRT等输出设备，但单片机允许利用I/O口与各种输入/输出设备相连。况且，单片机在很多实际应用中也不需要键盘、CRT等输入/输出设备，只要把控制信号与单片机的I/O引脚相连即可。 单片机的工作原理 单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件存储器中。存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。 程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC之中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。 单片机信号采样电路 采样电路我们用八路输的A/D转换芯片ADC0809，ADC0809是单片COMS8位逐次逼近型A/D转换器，与位微机兼容，正好我们的用的单片要相连，其三态输出可直接驱动数据总。输入电压可调，含内部时钟发生器，内部主要由：D/A转换器、逐次逼的寄存器、移位寄存器、比较器、时钟发生器和控制器电路，它的工作过程是：转换开始时由时钟节拍控制动作，第一个时钟来时，移位寄存器状态为10000000（最高位为1），并送给逐次逼近寄存器（SAR），由SAR将10000000传给D/A转换器输入端，使D/A转换器产生输出模拟电压VST，VST与A/D转换器的输入模拟量VI进行比较。若VSTVI，则比较器输出VC为高电平1，若VSTVI，则VC=0。然后第二个时钟到来，使移位寄存器变为01000000，送给SAR，便SAR的最高位由VC来确定，VC为1，SAR最高位保持原来的1，VC为0，SAR最高位为0。比较一直进行到VST=VI才结束。此时将SAR中的二进制数输出，即为A/D转换器的二进制输出。电路连接图如图5 图5 ADC0809连接图 (b)使能端控制图 (c)时钟控制图图(5) (d)浑浊度检测图浑浊度传感器主要采用红外光电传感器。由红外发射管发出一定强度的红外光，红外接收管在溶液的另一侧接收红外线。红外线在溶液中透光性的大小就决定接收方产生光电电流的大小，光电流经整形放大和数据处理后，就可以判断出水的浑浊程度。最后经ADC0809转换成数字信号，由单片机来判断，将红外光电传感器接在排水口，如图（d）所示。ADC0809的控制电路如图(a)，启动A/D转换，使能A/D，由单片机WR、RD和P2.7口完成，外接两个与非门，参考电压VREF接5.0V电压，在电路中，A/D转换有多路，还有重力检测等，因些还要控制通道，什么时采集哪路信号，ADC0809的通道选择由ADD-A、ADD-B、ADD-C三个端决定，000-IN-0、001-IN-1、010-IN-2、 011-IN-3、100-IN-4、101-IN-5、110-IN-6、111-IN-7，由于单片机端有限，我们有74HC373进行扩口，在进行AD操作时，先送地址选通，由74HC373锁存起来，通过74HC373锁存端可控制，达到通道的选择，完了之后，再读ADC0809的数据端口，将采集到的数传给单片机。ADC0809的时钟信号由单片机ALE端口产的2M方波由触发器分频提供。 单片机整体控制的架构图4. 控制电路 全自动洗衣机依据程控器的种类可分为微电脑式程控器全自动洗衣机和机电式程控器全自动洗衣机两种。微电脑式程控器全自动洗衣机是通过将人类的洗衣动作编成语言，汇聚在芯片内，由芯片发出各种指令，控制电器部件运行，这类洗衣机在运行中，强电和弱电是分开的。机电式程控器全自动洗衣机是通过程控器内的各个触点分别接通和断开，改变电流的通路来接通和断开线路，控制电气部件的运行。不论哪一类型的电气控制系统，它们控制的对象都是一样的，即进水电磁阀、排水电磁阀和电动机；它们的检测机构也是一样的，即盖(安全)开关和水位(压力)开关。因此，从控制对象和检测机构的角度出发，全自动洗衣机控制系统框图如图5-24所示。机电式程控器全自动洗衣机电原理图微电脑控制全自动洗衣机电路原理图微电脑控制全自动洗衣机电路原理框图5.硬件电路设计 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。下面分别产述各电路组成。5.1键盘管理单元包括功能选择键盘管理和暂停返回键管理。功能键盘用8279控制，用INT0中断管理。暂停返回键用外部中断一控制。功能：数字键：选择说明中各工作方式对应的数字键进行相应的操作 F：确定 B：返回上级菜单 A: 暂停工作 /INT1：返、图3键盘管理单元电路 5.2数码管显示电路图4 (a)LED显示 该单元能够显示按键功能，当前工作状态及该状态剩余的时间。5.4电机控制电路图 6 步进电机单元采用四相八拍的步进电机，用P1.0P1.3控制，来模拟洗衣机滚筒的转动，从而模拟洗涤，漂洗，甩干等功能，电机可以正反转，洗涤和漂洗过程中均每隔3s正反转一次，甩干则高速正转，步进电机转速的控制则通过延时来实现。5.5 进水阀控制电路进水阀控制电路如图7所示。 和电机控制电路一样，通固体继电器来实现隔离，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，继电开关吸合，反之，就断开，利用这一特性，和单片机P2.4端口相连，来控制，给这个端口加低电平，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，阀门打开；当给端口加高电平时，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，吸合开关，阀门关闭。排水阀门的操作主要有两个参数，一个为开关，另一个不开关时间，这两个参都是很容易通过单片机实现的。图7 进水阀控制电路5.6 排水阀控制电路 排水阀控制电睡如图8。和进水阀电路一样，通固体继电器来实现隔离，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，继电开关吸合，反之，就断开，利用这一特性，和单片机P2.4端口相连，来控制，给这个端口加低电平，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，阀门打开；当给端口加高电平时，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，吸合开关，阀门关闭。排水阀门的操作同样也有两个参数，一个为开关，另一个不开关时间，这两个参数都是很容易通过单片机实现的。两电电都有共同点，都是需要软件进行模糊处理，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8 排水阀控制电路 2.5电气控制系统全自动洗衣机的电气控制系统主要包括：程序控制器.水位开关.安全开关。 其他功能选择开关等程控器用来对各洗衣工序进行时间安排和控制，水位开关和安全开关对洗衣机进行工序条件控制，即只有在条件具备时，才能进入下一道运转工序，可防止洗衣机发生误动作。程序控制器全自动洗衣机的程控器有两大类：机电式程控器、微电脑式程控器。程控器是全自动洗衣机的控制中枢，它接收指令、发出指令、控制着洗衣机的整个工作过程。微电脑控制全自动洗衣机程序控制电路如图所示。 安全开关 如图所示为一种防振型安全开关，它比普通洗衣机脱水桶的盖开关多了一种功能：当洗衣机桶出现异常振动时，能自动切断电源。安全开关串联于脱水电路中，脱水时打开洗衣机盖，微动开关断开，电源断开而使电动机断电，同时由于电磁铁也断电，使离合器转换为洗涤状态，制动装置制动而使脱水桶迅速停转。当洗衣桶异常振动时，撞击到调节螺钉，并带动杠杆使微动开关断开，电源断开，洗涤桶停转。4程序设计程序完全采用模糊控制的办法，来达到全自动的功能。在本设计中一方面为测量衣物重量，来自动调节加水、排水；另一方面为检测水的浑浊度，来控制洗涤时间，通过这两个量的控制，可完成衣物的清洗。4.1 主程序框图 本设计采用模糊控制算法。支持该硬件系统的软件由六大模块组成：系统初始化模块.信号检测及处理模块.功能控制模块.中断处理模块.显示输出模块.正常.过载报警模块。模糊控制器的控制算法包括以下两个部分：一个是模糊矩阵运算；另一个是将输入变量(浑浊度和浑浊度变化率)模糊化处理，查找查询表并作输出处理的程序。选择合适的采样时间是系统在调试过程中必须考虑的问题。在模糊控制系统中，其输入变量为浑浊度和浑浊度变化率，是通过两次采样间隔得到的，因此为了获得较精细的控制规律，应使浑浊度变化率的值较大，但从一次响应过程中控制作用的次数来看，一般不能低于5次，否则控制不精细，可见在模糊控制系统中选择采样时间受以上两方面的制约。在实际控制系统设计中，选择采样时间要进行折衷考虑，通过多次实验方能确定其最佳的采样时间。程序框图如图12：返回？结束返回原流程暂停进入NY显示状态暫停控制加衣物进水测布量加水、加洗涤济浸泡洗涤浑浊度检测洗涤时间到排水脱水进水清洗排水脱水进水清洗排水脱水清洗结束浊度检测浊度检测图9 程序流程图4.3 程序代码#include #include #include#define _TH0_TL0_ 65536 - 50000 /设置T0初始值#define CNT_OF_1S 1000 / 50 /记时1秒中断次数#define led_data P1 /定义数据端口#define AD P0 /AD数据端口typedef unsigned char uchar; / ucharsbit p27=P27;sbit k1=P34;sbit k2=P35;sbit le=P20;sbit a2=P30; /LED位选sbit b2=P31;sbit a1=P32; /标准、经济、单独、排水指示sbit b1=P33;sbit wr=P36;sbit rd=P37;sbit dp=P16;sbit p_s=P24; /排水sbit j_s=P23; /进水sbit sp=P22; /发声sbit led=P21; /强洗、弱洗指示void display(void);void delay(unsigned char t);void delay2();void p_s1(unsigned char x);void j_s1(unsigned char x);void l_ed();unsigned char count1=0;unsigned char flag,flag1,flag2;unsigned char x1;unsigned char addata1;/A/D数据采集存放寄存器unsigned char addata2;unsigned char hour = 0, sec = 0, min = 0; /赋初值unsigned char code leddata1 = 0x01,0x79,0x22,0x30,0x58,0x90,0x80,0x39,0x00,0x10; /0,1,2,3,4,5,6,7,8,9unsigned char code leddata2=0x05,0x7d,0x26,0x34,0x5c,0x94,0x84,0x3d,0x04,0x14;/-浑度模糊控相关量-uchar zd44=10,20,30,30,30,30,30,30,30,40,40,40,30,40,40,40;uchar time;/-电机-sbit dj1=P26;/电机sbit dj2=P25; #define timer_data (65536 - 50000) /定时器预置值,12M时钟是，定时0.1ms#define P_T 100 /定义的周期T为10msuchar dirc; /电机方向控制/-void timer1_init() TMOD=0x22; /*定时器1为工作模式2(8位自动重装)，0为模式2(8位自动重装) */ PCON=0x00; TF0=0; T