基于单片机的简易洗衣机控制系统.doc

基于单片机的简易洗衣机控制系统设计基于单片机的简易洗衣机控制系统设计摘要基于全自动洗衣机的控制要求，鉴于实际的设计成本和操作演示的方便，本系统的设计从功能设计要求、硬件电路的设计论证、软件编译和调试三个方面描述了一个以AT89S52单片机为核心的全自动洗衣机控制系统。硬件线路及控制程序的设计是该系统的重要组成部分。硬件线路设计主要包括电源部分电路、单片机最小控制系统、洗衣机工作状态显示系统、电机转动电路及报警提示电路组成。控制程序设计主要包括主程序、数码管显示子程序、电机及蜂鸣器驱动子程序、按键调节子程序。关键字：AT89S52单片机；全自动洗衣机；数码管显示；洗衣机控制程序。A control system with the SCMC as the core about full-automatic washing machineAbstractAccording to the washing machine control requirements, a control system with the AT89S52 SCMC as the core about washing machines were described in the following three aspects of functional requirements, hardware design，software designThe hardware circuit diagram and related control flow chart of the program were givenHardware circuit design, including power, function and control system, washing machine status display, output control circuit. Control program design includes the main program, the internal timer interrupt service routine, the design of the external interrupt service routine.Key words：AT89S52 SCMC；Washing machine；LED display; Washing machine control programI目录第一章 绪论.7第二章 系统硬件方案设计.82.1系统硬件设计要求.82.2系统硬件框图设计.92.3系统元器件选型及器件参数介绍.92.3.1单片机选型.92.3.2数码管驱动芯片选择.112.3.3 LED数码管.122.3.4 直流电机.132.3.5 报警蜂鸣器.132.4系统硬件电路设计.142.4.1系统电源电路设计.142.4.2系统主控电路设计.152.4.3系统显示电路设计.162.4.4系统电机控制电路设计.172.4.5系统报警提示电路设计.182.4.6按键设置电路设计.182.5系统硬件电路图的绘制与PCB制作.192.5.1 Protel99SE软件介绍.192.5.2系统原理图与PCB的绘制.19第三章 系统软件设计.213.1 C语言介绍.213.2 系统软件流程图.223.2.1系统主程序流程图.223.2.2统洗涤子程序流程图.233.2.3系统定时及显示部分程序流程图.24第四章 系统整体调试.24附录1系统整体电路图.29附录2系统设计PCB图.30附录3统部分源程序.30致 谢.35I30第一章 绪论随着科技的发展及人民生活水平的普遍提高，人民对智能家电的要求越来越高，洗衣机作为人们生活必不可少的家电之一已经由最初的传统机械旋转定时洗衣机发展到今天的全制动洗衣机，如何完善和提高洗衣机的智能化已是各国科技工作者竞相研究的课题。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，目前市场上传统的洗衣机主要是以机械旋转定时来实现定时功能，在定时准确度等诸多方面还不能达到人们的需求，而市场上最新的全自动洗衣机却因造价高昂，很难被普通用户所接受。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、价格更低廉，操作界面更人性化的节能环保型的洗衣机控制系统。在数字化集成化迅速发展的今天，传统的旋钮定时模式的洗衣机将逐渐数字化操作界面的洗衣机所取代，基于这一思想本设计采用AT89S52单片机为控制核心，LED数码管作为系统显示界面，通过的单片机内部定时器实现精确定时，采用此方案不仅定时精确而且省去了传统模拟电路复杂的电路连接，节约设计成本提高性能稳定性。除此之外为系统还加入了蜂鸣报警提示电路，在定时洗涤完成时提示用户以免衣物长时间遗忘在洗衣机里，从而使整个系统显得更加智能；本系统采用单片机控制实现不仅体积小，价格低廉而且具备控制灵活易操作等诸多优点。考虑到设计成本及定时洗涤与定时风干的原理一致性，本设计只设计了洗衣机控制系统中的的定时洗涤及暂停洗涤等一些基本功能,其他的一些功能可在原有的基础上扩展升级,在设计成本的允许下不断完善本洗衣机的控制功能。第二章 系统硬件方案设计2.1系统硬件设计要求洗衣机的主要工作程序有定时洗涤、定时脱水及定时漂洗几个环节，其工作流程图如图1所示：定时洗涤定时脱水定时漂洗定时脱水图1 全自动洗衣机工作流程图上述工作程序中主要包含三个过程即定时洗涤过程、定时漂洗过程和定时脱水过程，各过程工作状态描述如下。 (1)定时洗涤过程：放好待洗衣后物，打开洗衣机上盖，进水阀开始加水，当供水达到预定水位时，关闭进水阀门停止加水。洗涤电动机接通电源，带动波轮(或桶)旋转，产生各种形式的水流搅动衣物进行洗涤，同时衣物之间、衣物与四周桶壁之间产生互相摩擦和撞击力，以达到洗涤衣物的目的。 (2)漂洗过程：漂洗的目的在于清除洗涤完后衣物上的洗涤液，因此，漂洗过程与洗涤过程的电器动作原理是完全相同的，为了简化设计及节约设计成本，在本系统的设计中省去了漂洗过程的硬件电路设计及软件程序的编写。(3)脱水过程：洗涤或漂洗后，需要对衣物进行脱水以便晾干，节省水资源，所以脱水是洗衣过程中必不可少的环节。洗涤或漂洗过程结束后，电机停止转动，开始排水，当排水时间完成后脱水电机接通，电机带动脱水桶高速旋转，利用离心力把衣服上的水从桶壁的小眼里甩出。全部洗衣工作完成后，为了避免衣物脱水完成后遗忘在洗衣机里的状况发生，本系统增加了衣物脱水完成后报警提示功能，报警提示有蜂鸣器来完成。基于单片机的简易洗衣机控制系统设计2.2系统硬件框图设计 该简易洗衣机控制系统主要由电源部分电路、单片机最小控制系统、洗衣机工作状态显示系统、电机转动电路及报警提示电路组成，其系统整体设计框图如图2所示。51单片机最小系统电路蜂鸣器报警电路电机正转控制继电器电机反转控制继电器转动电机系统电源电路数码管显示驱动电路数码管显示定时及启停按键设置电路图2 系统总体设计框图2.3系统元器件选型及器件参数介绍2.3.1单片机选型单片机的选择在整个系统设计中至关重要，要满足大内存、高速率、通用性、价格便宜等要求，鉴于以上考虑本课题选择AT89S52作为整个系统的主控芯片。AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写10000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构1，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S52芯片具有以下特性2：指令集和芯片引脚与Intel公司的8051兼容；8KB片内在系统可编程Flash程序存储器；时钟频率为033MHz；128字节片内随机读写存储器（RAM）；32个可编程输入/输出引脚；2个16位定时/计数器；6个中断源，2级优先级；全双工串行通信接口；监视定时器；2个数据指针。AT89S52单片机的40个引脚中有2个专用于主电源引脚，2个外接晶振的引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。AT89S52单片机引脚图如图3所示：图3 AT89S52单片机引脚图2.3.2数码管驱动芯片选择 由于单片机I/O口输出电流较低，输出电流在未加驱动的前提下无法直接驱动7段LED数码管，74HC573 是一款8进制3态非反转透明锁存器件，其端口输出电流可达20mA，是直接用来驱动LED数码管。 其引脚图如图4所示。 图4 74HC573引脚图74HC573 跟 LS/AL573 的管脚一样。器件的输入是和标准 CMOS 输出兼容的；OE脚三态允许控制端低电平有效；1D8D为数据输入端；1Q8Q为数据输出端；LE为锁存控制端，当锁存使能端LE为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的即输出同步于输入；当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存即输出保持锁存打开时的前一个状态。74HC573的工作时序图如图5所示。 OELEDQLHHHLHLLLLXQ0HXXZ图5 74HC573工作时序图2.3.3 LED数码管LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片 发光二极管晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。本系统采用的是4位一体共阴数码管，其引脚图如图6所示。图6 四位一体共阴数码管引脚图2.3.4 直流电机将直流电能转换为机械能的转动装置。电动机定子提供磁场，直流电源向转子的绕组提供电流，换向器使转子电流与磁场产生的转矩保持方向不变。直流电机又称直流马达，其转动方向由电源的极性确定，通过改变工作电压的极性即可改变电机的转动方向，本系统在设计的过程中考虑到设计成本及供电的方便，该简易洗衣机系统电机部分采用5V直流马达来模拟。2.3.5 报警蜂鸣器蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.515V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成，在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。电磁式蜂鸣器 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。本系统采用压电式蜂鸣器作为系统的报警器件，采用压电式蜂鸣器体积小、成本低、驱动简单。压电式蜂鸣器实物如图7所示。图7 蜂鸣器实物图2.4系统硬件电路设计2.4.1系统电源电路设计系统电源采用5V供电，为方便程序调试这里采用电脑USB接口供电的模式来实现，USB接口与系统连接方式如图8所示。图8电源接口电路C4，C5实现对电源滤波，以滤除可能存在的高频杂波对电源的影响，C5实现对电源电压的平滑稳定作用10，当USB接口输出电压高时C5用来储能，当后续电路负载过高USB供电不足时电解电容C5通过释放储存的电能来保证电源电压不跌落。D3用作电源指示，其亮灭代表电源工作与否，R3用来限流，以保证LED不被烧坏13。2.4.2系统主控电路设计系统主控电路由AT89S52单片机及晶振电路和复位电路组成，该电路作为整个系统功能实现的核心单元，其连接方式如图9所示。图9系统主控电路晶振全称为晶体振荡器，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。晶振一般叫做晶体谐振器，是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性，如果给它通电，它就会产生机械振荡，反之，如果给它机械力，它又会产生电，这种特性叫机电效应。他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数非常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。根据石英晶体的机电效应，我们可以把它等效为一个电磁振荡回路，即谐振回路。他们的机电效应是机-电-机-电.的不断转换，由电感和电容组成的谐振回路是电场-磁场的不断转换。在电路中的应用实际上是把它当作一个高Q值的电磁谐振回路。由于石英晶体的损耗非常小，即Q值非常高，做振荡器用时，可以产生非常稳定的振荡，作滤波器用，可以获得非常稳定和陡削的带通或带阻曲线。复位电路是用来让单片机返回到初始状态的辅助电路，其作用是当单片机程序跑飞或系统出现死机状态时可以让系统从新恢复工作。本系统复位电路的设计具有上电复位和手动按键复位两种复位方式。2.4.3系统显示电路设计显示电路主要有四位LED数码管实现，数码管用来显示定时洗涤时间，前两位用来显示定时的分钟，后两位用来显示定时的秒钟；显示部分电路如图10所示。 图10系统状态显示电路图2.4.4系统电机控制电路设计系统电机控制采用继电器控制直流马达来实现，当设置完成定时洗涤时间后按下洗涤开始按键，继电器闭合电机电源接通，电机开始工作，当定时洗涤时间到继电器断开，电机停止工作，洗涤结束。该部分电路如图11所示。图11系统电机控制电路2.4.5系统报警提示电路设计报警指示电路用来在洗涤工作结束后提示工作者及时取出洗涤完毕的衣物，报警指示电路的应用可以有效的提高洗衣的工作效率。报警指示电路由PNP三极管9012驱动蜂鸣器来实现，单片机IO口控制三极管的基极，当单片机的IO口输出为低电平时，三极管导通，蜂鸣器的正极与电源接通，蜂鸣器通电发出报警声，当单片机IO口输出高电平时，三极管截止，蜂鸣器停止报警。报警指示电路如图12所示。图12报警指示电路2.4.6按键设置电路设计4个键位控制：开关S1键用来实现分钟调整，用来洗涤开始前设定洗涤的分钟值；开关S2键用来实现秒钟调整，用来洗涤开始前设定洗涤的秒钟值；开关S3键为洗涤开始按键，当衣物和水放好后按下此按键，洗衣机开始洗涤。开关S4键为洗涤停止按键，在衣物洗涤的过程中按下此键，将暂停洗涤，当洗涤结束按下此键可以结束蜂鸣器的报警。4个按键分别与单片机的P1.3到P1.6口相连；当没有键按下时，单片机与之相连的输入口线为高电平，当任何一个按键按下时，与之相连的输入口线被置为低电平，产生外中断条件，在中断服务程序中读取键盘值。系统按键设置电路如图13所示。图13按键设置电路2.5系统硬件电路图的绘制与PCB制作2.5.1 Protel99SE软件介绍本文在硬件电路的设计过程中，原理图和PCB的绘制采用Protel99SE软件，Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，该软件以其简单易操作的优势一直以来备受电子工程师的喜爱，因而也成了很多高校电子相关专业EDA工具的必选课程。2.5.2系统原理图与PCB的绘制采用Protel99SE软件绘制原理图和PCB的主要步骤如下所述：1. 建立系统所需原件库；2. 加载所建原件库到工程项目中；3. 在原理图页面中放置所需元器件并按照电气性能连接各元件；4. 建立原件封装库并加载到工程文件中；5. 绘制好电路后进行ERC电气检测，并生成网络表；6. 在工程中建立PCB文件，导入生成的网络表；7. 按照网络飞线提示绘制PCB，最后完成DRC检测13。按照如上步骤最终完成绘制的电路原理图如图14所示，PCB线路板图如图15所示。图14 系统整体电路图图15 系统PCB图第三章 系统软件设计3.1 C语言介绍该全自动洗衣机控制系统软件部分采用C语言编程来实现，采用C语言编程有如下特点：1 简洁紧凑、灵活方便2 运算符丰富3 数据结构丰富4 C是结构式语言5 C语法限制不太严格，程序设计自由度大6 C语言适用范围大，可移植性好3.2 系统软件流程图3.2.1系统主程序流程图根据硬件设计要求，控制主程序流程图如图16所示。洗衣机通电之后，单片机上电，首先进行程序的初始化，包括定时器O、外部中断O、外部中断l的初始化，以及各参数初值的设定。各参数值的设定是通过按键S1和按键S2设定，当参数设置完成后洗衣机处于待工作状态，当洗涤启动键S3按下后，洗衣机由待命状态进入工作状态。完成进水洗涤脱水漂洗的循环过程。当洗衣结束时，控制蜂鸣器发声，提示工作者。开始结束报警？脱水、漂洗程序洗涤程序启动？初始化设定洗涤时间值设定漂洗时间值设定脱水时间值图16 主程序流程图3.2.2统洗涤子程序流程图 洗涤过程主程序主要包括电机转动部分、LED流水灯指示部分及蜂鸣器报警指示部分构成。当洗涤按键按下，洗涤开始继电器吸合，直流电机开始转动，电机转动的同时LED流水灯开始左右流动，当整个洗涤过程结束后，蜂蜜器报警提示直到工作者按下停止键，蜂鸣器停止报警，整个洗涤过程完成。该部分程序流程图如图17所示。洗衣开始电机低速转动洗涤进入漂洗脱水程序电机高速转动脱水脱水时间到？定时洗涤时间到？洗涤完成，蜂鸣器报警提示图17涤过程流程图3.2.3系统定时及显示部分程序流程图 系统洗涤及脱水时间的设置均有单片机内部定时器来完成，定时时间的调节是通过外部中断来完成，定时时间通过数码管显示，时间调整的过程中，数码管同步显示设定值。该部分的程序流程图如图18所示。初始状态显示子程序中断0中断1秒值加1分值加1是否有中断？中断返回图18定时及显示部分程序流程图第四章 系统整体调试4.1件电路调试中遇到的问题1.平时动手实践的太少，硬件电路焊接问题较多，实物焊接完毕经过多次检查才逐一排除了硬件电路的连接错误；2.前期的准备工作做得不够充分，初期的电路设计存在不少的问题，设计初期未对简易洗衣机的功能考虑欠缺，在系统的设计过程中经过导师的细心指导，系统的功能得到了逐步完善。3.编程基础太差，以致在程序调试的过程中花费了大量的时间和精力。4.2系统实物调试效果图经过不懈的努力和导师的细心指导，实物最终得以调试成功，最终焊接完成的实物效果图如图19所示、系统工作演示图如图20所示。图19.系统实物效果图图19实物工作效果图4.3系统设计总结 在此毕业设计过程中，巩固了我在大学4年内学过的知识，尤其是单片机和C语言编程方面的知识，同时通过这次毕设提高了单片机编程的能力，尤其是获得的软件调试经验，同时了解到了其它相关领域的知识，对今后的工作学习有着极大的帮助。 由于时间太仓促，经验不足，理论方面也相应的存在不足，加上条件有限，仍存在着一些设计方面的问题，个人技能也有待提高。理论知识还要巩固加强。但是宝贵的实践经验还是对自己的提高有着极大的帮助。参考文献1 薛均义,张彦斌.MCS-516系列单片微型计算机及应用M.西安交通大学出版社,19992 中国机械工业教育协会 组编.单片机原理与应用.机械工业出版社.20013 黄继昌传感器工作原理及应用实例A，人民邮电出版社，19984 郭永贞， 数字电子技术M 西安电子科技大学出版社 20005 杨金岩等.8051单片机数据传输接口扩展技术与应用实例M人民邮电出版社，2005 6 张齐，杜群贵.单片机应用系统设计技术M.电子工业出版社，20077 李广弟 单片机基础M,北京航空航天大学出版社,20018 于京51系列单片机C程序设计与应用方案M 中国电力出版社 2002.9 张齐，杜群贵 单片机应用系统设计技术M.电子工业出版社，200410 张洪润 电子线路与电子技术M.清华大学出版社，200511 童诗白，华成英.模拟电子技术基础M. 高等教育出版社,200612胡海学.单片机原理及应用系统设计M.电子工业出版社,2005.13 及力，Protel99SE原理图与PCB设计教程M电子工业出版社，2004.14 戴佳，51单片机C语言设计实例精讲M 电子工业出版社 200615 周坚，单片机C语言轻松入门M 北京航空航天大学出版社2007附录1系统整体电路图附录2系统设计PCB图附录3统部分源程序#include#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charUcharcodetab=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,0x80,0x00;sbit fenk=P33;sbit miaok=P34;sbit star=P35;sbit stop=P36;sbit BUZ=P37;uchar temp=0xfe,temp1=0x7f,a=0xfe,num=0,num0=0;uchar disbuf4;bit flag,flag_timer30ms,led_change,time_over; int fen=0,miao=0;void display();/*延时函数 z=1,大约延时1ms*/void delay(uint z)uint i,j;for(i=0;iz;i+)for(j=0;j=99)fen=99;if(miaok=0)delay(10);if(miaok=0)while(!miaok);delay(10);while(!miaok);miao+;if(miao=59)miao=0;fen+;if(star=0)delay(10);if(star=0)while(!star);delay(10);while(!star);TR0=1;display();if(stop=0)delay(10);if(stop=0)while(!stop);delay(10);while(!stop);TR0=0;P1=0xff;/*数据处理函数 */void deal()disbuf0=fen/10;disbuf1=fen%10;disbuf2=miao/10; disbuf3=miao%10;/*显示函数 */void display()uint i;for(i=0;i4;i+)P0=tabdisbufi;P2=a;deal();a=_crol_(a,1);void 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