（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm的网络洗碗机技术研究.pdf

摘要 摘要 近十几年来，嵌入式系统的发展非常迅速，其应用也越来越广泛，尤其在手 持设备、工业自动化领域、信息家电领域更加突出。随着嵌入式系统和信息家电 的广泛应用，将个人家庭以及公司的各种网络设备接入i n t e r n e t 已经成为一种必 然。 本文结合美的公司家用洗碗机的改造项目，将3 2 位处理器引入到产品丌发 中，应用嵌入式操作系统作为系统软件设计的基础平台，拟丌发一个具有以太网 接口，具有前瞻性、先进性的未来型网络洗碗机。使洗碗机除了具有传统的操作 功能，用户还可以对之进行远程控制，远程访问。 文章首先介绍嵌入式系统和信息家电的概念、特点、组成、发展概况，并对 嵌入式以太网技术作了介绍。针对嵌入式微处理器和嵌入式操作系统的现状和发 展趋势，提出了将3 2 位处理器和嵌入式操作系统相结合的设计方案。在对洗碗机 控制系统及其测控功能的深入分析的基础上，为了提高系统的数据处理能力和实 现t c p i p 协议栈，选定含有3 2 位a r m p q 核的$ 3 c 4 4 8 0 作为核心微处理器，并对各个 模块的硬件电路，包括系统电源、s d r a m 、f l a s h 、网口、u a r t 、l c d 显示屏等接 口电路的设计。接着对印制线路板( p c b ) 中存在的干扰和电磁兼容性作了分析， 提出抗干扰技术的原则和措施，以提高系统的可靠性。最后，在基于u c l i n u x 的 软件平台上，移植了用户图形界面、文件系统和t c p i p 协议栈，编写了洗碗机的 应用软件，实现了对采集信号的处理和远程控制的功能，通过s o c k e t 编程和基于 b o a 的w e b s e r v e r 的构建，实现了以太网的数据传输和w e b 浏览器的访问。目前在 实验板上的初步调试情况表明，系统可实现洗碗机现场操控基本功能，能够进行 基于以太网的数据通信，对洗涤参数进行远程监测。其可靠性和实时性基本上达 到了设计的要求 本文为新近崛起的信息家电系统的开发提供了一种有效的方法和有益的参 考，对其他领域的嵌入式系统的开发也可以提供一种借鉴。 关键词：嵌入式系统；a r m ；信息家电；洗碗机；u c l i n u x 广东工业大学 二学硕+ 论文 i i _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ e = t | _ ! _ j | _ e _ _ = = = = ，- e - = j _ = e j 自日_ | j - e e 目- = 日t = _ _ i a b s t r a c t i nt h el a s tt e ny e a r s ，e m b e d d e ds y s t e mi sd e v e l o p e dr a p i d l ya n di ti sa p p l i e dm o r e w i d e l y ，e s p e c i a l l yi nh a n d l ed e v i c e s ，i n d u s t r i a la u t o m a t i o n ，i n f o r m a t i o na p p l i a n c ee t c w i t ht h ew i d e 嘴o f e m b e d d e ds y s t e m , i tb e c o m e sp o p u l a rt oc o n n e c tt h ee m b e d d e d d e v i c ew i t hi n t e m e t u t h i sp a p e ri n t r o d u c e s3 2 一b i tm i c r op r o c e s s o ri n t op r a c t i c a lp r o d u c td e v e l o p m e n to f t h ec o r p m i d e ah o m ed i s h w a s h e r e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi sa d o p t e da s s o t w a r ed e s i g np l a t f o r m , t h u sp r o v i d e san e wt y p eo fe m b e d d e ds y s t e mi n t e l l i g e n t t e r m i n a lw i t he t h e r n e ti n t e r f a c e t h es y s t e mi sa v a i l a b l ef o rr e m o t em o n i t o r i n g b e s i d e sg e n e r a lo p e r a t i o n t h ep a p e rf t r s t l yi n v e s t i g a t e st h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho ft h ew o r m s e m b e d d e ds y s t e m sa n di n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o no fe t h e m e ti ni n f o r m a t i o n a p p l i a n c e t h e n ，i tp r e s e n t sas c h e m e ，w h i c hi sc o m p o s e do f3 2 - b i tm i c r o p r o c e s s o r a n de m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m i nh a r d w a r ed e s i g n , t h em i c r o p r o c e s s o r $ 3 c 4 4 8 0c o m p r i s i n g3 2 b i ta r mc o r ei s 。 a d o p t e di no r d e rt oi m p r o v et h ea b i l i t yo f d a t ap r o c e s s i n ga n dt oa c h i e v e t c p i ps t a c k s ot h eh a r d w a r es o u r c ea n dr e l i a b i l i t yi se n h a n c e d i ns o f t w a r ed e s i g n , b a s e do nt h e s u c c e s so f t r a n s p l a n t i n gu c l i n u xo n $ 3 c 4 4 8 0 ，g u i ，t c p i p ，f i l es y s t e mi se x p l a n t e d b a s e do ni n - d e p t ha c k n o w l e d g eo ft h ed i s h w a s h e r , i ti n t r o d u c e st h eh a r d w a r e a r c h i t e c t u r eo f t h es y s t e m ，i n c l u d i n gc p u ，f l a s hr o m ，洲，n e t w o r k , s e r i a la n d e t e f i n a l l y , t h ee m i ( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) a n de m c ( e l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l k y ) o f t h ep c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) i sa n a l y z e d i nt h ee n d ，t h ee s s e n t i a lf u n c t i o no fr e m o t et e r m i n a lu n i ta p p l i e di nm e a s u r i n g p a r a m e t e r si si m p l e m e n t e d t h es y s t e mc a l lc o m m u n i c a t et h r o u g he t l m n e t a c t u a l r e m i tu l u s t r a t e st h es y s t e mh a sb e t t e rr e l i a b i l i t ya n dr e a l - t i m ec h a r a c t e r t h ed e s i g n r e q u i r e m e n ti ss a t i s f i e d h a r d w a r es t n l e t b l ed e s i g ni sf o c u s e do n , f o ri ti st h ea u t h o r sm a i nr e s p o n s i b i l i t yi n h t h ep r o j e c t t h ep a p e rp r o p o s e sab e n e f i tc o n c e p to fm e t h o da n dr e f e r e n c ef o rt h e d e s i g no f t h e i n f o r m a t i o na p p l i a n c e k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ：a r m gi n f o r m a t i o na p p l i a n c e ；d i s h w a s h e r l u 独刨件j 打明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。 不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何元献均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期白j 在导师的指导下取得的， 论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签名： 论文作者签名： 僻仗 翠獠 ， 2 叼年j 月召日 第章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 目前，家用电器控制系统的核心大多采用数字逻辑电路或单片机来实现， 多数单片机控制系统是面向硬件直接编写程序。当控制电路稍有变化，程序就 可能要作较大的修改。这种软、硬件之间过于紧密的关联，在系统复杂时将成 为影响程序质量的一个重要因素，同时也阻碍了程序的移植和复用。 另一方面，目前全自动洗衣机、空调、冰箱和微波炉等这些传统的自动控 制家用电器由于自成一体，无需与其它设备相联，因此各类产品或同类不同品 牌的产品其控制系统一般完全由厂家自行研发。虽然厂家自行研发的控制系统 其硬件冗余最小，在一定生产规模的情况下，有利于降低成本，但这种做法的 弊端也显而易见：研发周期长、费用高；产品的通用性、互换性、可靠性和稳 定性差；软件对硬件的依赖性大。 在传统家电向信息家电过渡时，操作系统小型化、产品稳定性及是否易于 开发等成了至关重要的问题。因此，开发专用嵌入式系统或移植其它成功的嵌 入式系统，使通用信息家电控制系统的软件设计在嵌入式系统之上进行，成为 提高系统的可靠性、开发效率、缩短开发周期的有效途径。目前传统家电正向 信息家电过渡，其中最大的变化是控制系统。信息家电不仅比传统家电有更多 的功能、更强的稳定性和可靠性要求，还需要整合i n t e r n e t 网络功能【l l 。 嵌入式网络化信息家电是个全新的概念，它是适合在远程测控中使用的家 电，是嵌入式技术、仪器测控技术、网络通信技术、现代计算机技术、微电子 技术深度融合的结果，家电接入i n t e r r l e t ，成为i n t e r n e t 中的独立节点，使之成 为执行工作与控制任务w e b 站点。这种嵌入式网络化信息家电可以像普通家电 那样按设定程序对相关物理量进行自动工作、控制、存储和显示测量的工作结 果及控制状态：同时具有重要的网络应用特征，经授权的家电使用者，通过 i n t e r n e t 可以远程对家电进行功能操作、获取结果并对家电实时监控、设置参数 和故障诊断控制其在因特网上动态发布信息为所有授权者共享 家电进行网络化改变了家电工作的面貌，打破了控制和显示的传统模式， 依靠i n t e m e t 和网络技术，人们就可以有效的控制远程设备，在任何地方进行采 集、任何地方进行分析，任何地方进行显示。另一方面，家电制造商可通过 广东l ：业大学i ：学硕+ 论文 i n t c r n c t 对售出的产品进行监控，如果出现故障，它们会自动发出维修请求信号， 并指出故障部位，从而使售后服务更为迅捷口i d i l 4 i 。 1 2 嵌入式技术介绍 1 2 1 嵌入式系统 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是以应用为中心的，以计算机技术为基础， 软硬件可以裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格 要求的专用计算机系统。它可以实现对其它设备的控制、监视或管理等功能嘲。 它广泛地应用在制造工业、过程控制、通信、仪器仪表、汽车、船舶、航空航 天、军事装备、消费类电子产品等领域。 1 2 2 嵌入式系统的组成及分类 嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及 用户的应用程序4 个部分组成，见图1 1 。 图卜l 嵌入式系统的组成 f i g 1 1t h ec o m p o s i t i o no ft h ee m b e d d e ds y s t e n 嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中最核心的部分，主要可分为三大类”： ( 1 ) 嵌入式微处理器m p u ，典型类型有p o w e r p c 、m o t o r o l a6 8 0 0 0 、a r m 、m i p s ： ( 2 ) 嵌入式微控制器骶u ，典型的有8 0 5 1 系列； ( 3 ) 数字信号处理器d s p 。 嵌入式微处理器m p u ( m i c r op r o c e s s o ru n i t ) 是由通用计算机的c p u 演化 而来，有较高的性能，具有3 2 位以上的处理器，在嵌入式应用中，只保留和嵌 入式应用相关的功能部件，以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。 2 第章绪论 嵌入式系统的软件组成就是指嵌入式操作系统( e m b e d d e do s ) 及构架在其 上的应用软件( a p p l i c a t i o n ) ，在嵌入式产品中，由操作系统调用相应程序来完 成对嵌入式设备的控制与管理，以使该设备具有相当的智能化，嵌入式操作系 统及性能优越的c p u 芯片和外围设备将是未来基于网络技术的嵌入式产品的主 要组成部分。目前广泛应用的操作系统有v x w o r k s 、p a l mo s 、w i n d o w sc e 等， 其中微软的w i n d o w sc e 中文版较为受国内厂商的欢迎，被普遍应用于国产的掌 上电脑中。除此之外，还有两种源代码丌放的操作系统u c 0 s 和l i n u x ，由于 l i n u x 的开放源代码、稳定、免费和占用资源较少等优点，正在只益受到嵌入 式产品厂家的关注。 嵌入式系统和p c 机是有着明显的区别的，设计r 丌发嵌入式芯片都是针对特 定的场合和用途的，而p c 的设计则是完全遵循业内流行的接口和规范。嵌入式 系统和p c 系统相比有以下特点： ( 1 ) 嵌入式系统功耗低，体积小，专用性强。嵌入式系统和p c 的最大不同 在于嵌入式c p u 大多工作在为特定用户设计的系统中，能够把p c 中许多由板卡 完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化； ( 2 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在 存储器芯片或者内置存储单元中，而不是存储于磁盘等载体中； ( 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计，系统要精简。操作系 统一般和应用软件集成在一起： ( 4 ) 对软件代码质量要求高； ( 5 ) 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也 是不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 目前在世界范围内嵌入式带来的工业年产值已经超过了l 万亿美元，而从 事嵌入式开发的企业达到了3 0 。目前我国国内的嵌入式软件已经处于整体启 动阶段，国内嵌入式领域未来的发展重点在于对应用范围的拓展。 1 2 3 嵌入式i n t e r n e t 技术 嵌入式i n t e r n e t ( e m b e d d e di n t e r n e t 。e i ) 技术是指将嵌入式系统接入 i n t e r n e t 的技术。以太网技术成熟，易于实现，具有很高的数据传输速率，不 仅能够满足现阶段对家电产品传输数据量的要求而且为家电产品的升级留有足 3 广东i ：业大学l ：学硕十论文 够的空间。而且，基于以太网技术的网络家电可以很容易接入小区、家庭局域 网，可以最大限度利用现有以太网而无需改变网络拓扑结构，成本相对较低， 易于实现。将嵌入式技术与以太网技术结合，不仅可以实现家电上网，而且可 以为其它终端设备接入以太网提供参考方案。基于e i 技术的远程监控系统具有 如下特点”： ( 1 ) 用m c u 作为嵌入式服务器的主要组成部分，集成t c p i p 协议和串行通 信协议，使系统结构简单、尺寸小、可靠性高、价格低廉； ( 2 ) 采用t c p i p 网络协议标准，便于系统组网，并且数据传输量大、速率 快； ( 3 ) 客户端可通过w e b 浏览器( 如i e ) 对设备实施监控，无须编写专用监控 软件； ( 4 ) i n t e r n e t 的广泛使用为用户随处监控现场设备提供了便捷的条件。 嵌入式i n t e r n e t 将使人们之间的交流、设备之蒯的通讯变得更加便易、自 动化，而使用者无需了解电脑或任何其它深奥的硬软件知识就能轻松进行远程 控制，许多工作简单到在屏幕上用鼠标点一下某个按钮即可，包括：生产线的自 动监控、仓库的存货清单汇报、家庭中设置自动式洗衣机等。目前，嵌入式以 太网技术主要应用于智能家庭网络、工业以太网以及各种智能的消费电子产品。 1 3 信息家电概述 1 3 1 概念及特点 信息家电( i a ，i n f o r m a t i o na p p l i a n c e ) 是计算机( c o m p u t e r ) 、通信 ( c o m m u n i c a t i o n ) 和消费类电子产品( c o n s u m e rp r o d u c t s ) 三者融合的产物，故 亦称3 c 产品0 1 。其实质就是将移动通讯设备及传统p c 机中的一些常用功能， 与数字技术和网络技术紧密结合，以简单精巧的形式融入到家电设备中，使其 成为具有视听、信息处理、双向网络通讯等功能的家庭信息终端，故也叫网络 家电。 同传统的家电产品相比，信息家电具有如下特点嗍： ( 1 ) 网络化功能可以通过家庭局域网连接到一起，还可以通过家庭网关接 口同制造商的服务站点相连。 ( 2 ) 智能化可以根据周围环境的不同自动做出响应，不需要人为干预。例 如，智能空调可以根据不同的季节、气候及用户所在地域，自动调整其工作状 态以达到最佳效果。 ( 3 ) 开放性、兼容性由于用户家庭的智能信息家电可能来自不同的厂商， 智能信息家电平台必须具有丌发性和兼容性。 ( 4 ) 节能化可根据周围环境自动调整工作时间状态，从而实现节能。 ( 5 ) 易用性由于复杂的控制操作流程已由内嵌在家电罩的控制器解决，因 此用户只需了解非常简单的操作。 信息家电可以分为二类，一类是信息产品家电化，即把信息产品做成像家 电一样，使用起来简单方便，让普通家庭更容易接受；另一类是传统家电信息 化，例如网络微波炉、网络冰箱等。 据预测，到2 0 1 5 年信息产品的数量会达到p c 机的l o 倍。在信息产业中预 期增长最快的将是信息家电部分。到目前为止，国内外已开发出了许多比较成 熟的产品，典型的有机顶盒、掌上电脑、手持电脑、因特网电话等。 1 3 2 信息家电的体系结构及应用模式 1 体系结构 一个完整的信息家电模型由硬件平台和软件系统两部分组成，可以将其分 为四层，从底向上分别为硬件、底层软件、中间件、应用软件。如图卜2 所示。 应用层 中间层 底层软件 硬件 图i - 2 信息家电的体系结构f 9 l f i g 1 2 t h e a r c h i t e c t u r e o f i n f o r m a t i o n a p p l i a n c e 硬件提供信息家电的硬件平台；底层软件提供操作系统内核以及各种硬件 驱动程序( 多为嵌入式系统应用) ；应用软件包括本机存储的应用和可下载的应 用；中间件将应用软件与依赖于硬件的底层软件分隔开来，使应用不依赖于具 广东工业大学1 ：学硕七论文 体的硬件平台。因而中间件是一种将应用程序与低层的操作系统、硬件细节隔 离开来的软件环境。 2 应用模式 信息家电中有两种应用模式，见图卜3 ：一是面向用户的远程使用和监视； 另一个是面向家电生产厂家的远程维护。各种信息电器组成一个家庭的内部网， 并通过内部网的网关接入i n t e r n e t 。在第一种模式中，家电可以通过网关访问 i n t e r n e t 上的资源。例如，网络电视机每个星期六都自动访问用户喜欢的某个 电视台的网站，自动下载下个星期的节目表，并通过内部网把数据传给打印机， 把节目表打印出来；另一方面，用户可在i n t e r n e t 上通过浏览器对自己家里的 家电进行远程控制。例如，用户可以在办公室上网，只需在计算机的网络浏览 器罩输入预设的i p 地址即可调出主监控页面，向家罩的录像机发出指令，把某 段时问内体育频道的节目录下来，回家后就可以欣赏这场比赛。 拄冒凰 一i 瞄砻蔺翟 黉鲁堆 歹1 图卜3 信息家电应h j 模式示意i 璺l “ f i g 1 3t h em o d eo f i a 7 sa p p li a n c e 3 核心技术 信息家电的核心技术是嵌入式技术和家庭网络协议“”。后者是为了实现在 家庭网络中的各种数字化电器( 即信息家电) 之间能自由地交换信息所建立的能 够连接各厂商产品的规范。 6 第。章绪论 1 4 信息家电发展现状和发展趋势 1 4 1 国外发展状况 在国际上，信息家电以其功能先进、使用简单、成本低廉的特点迅速发展， 但也尚处于起步阶段。目的主要集中在发达国家和地区，如西欧的e h s ， e i b ， b a t i b u s ，美国的c e b u s 、b a c n e t 、s m a r t h o u s e 、l o n w o r k s 等，各种系统都有自 己的特色，各有利弊，尚没有统一的标准，但总体发展趋势是从集中控制到分 布控制，普遍采用总线形式。1 9 9 8 年5 月新加坡举办的“9 8 亚洲家庭电器与电 子消费品国际展览会”上，通过在场内模拟“未来之家”，推出了新加坡模式的 家庭智能化系统。它的系统功能包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲 功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留 言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和系统软件配置等。 1 4 2 国内发展状况 为抢占市场先机，国内一些有实力的公司已经开始设计生产、宣传推介其 智能家居方面的产品。这里介绍有代表性的几种系统“2 ”1 ： ( 1 ) 科龙集团研制的“智能网络家居系统”它由家庭网关、抄表控制器、 安防控制器、家电控制器、灯控制器及家庭总线组成。通过远程互联网，可异 地控制家庭设备。可以通过电视机遥控器就地关灯；空调、冰箱在不同的季节， 其控制方法也会随时而变等自适应的特点。该系统按开放服务网关标准系统规 范设计，与未来国际信息家电平台标准接轨，在技术上具有超i ； 性、前瞻性、 先进性。 ( 2 ) 清华同方的e - h o m e 数字家园它基于家庭自动化和建筑自动化技术， 为中国家庭及社区提供全方位的数字化服务。 ( 3 ) 卓越3 0 0 0 的“家用电器智能控制”它能将包括电视机、录像机、v c d 、 摄像机、家用空调等在内的全部家电连在一起，进行集中智能管理，大大提高 了家用电器的工作效率和使用效益，成为用户家庭中的“家电主管”。 但国内信息家电在发展中仍面临着未能掌握核心技术，成本高，缺乏家庭 网络软件行业规范，厂商未能形成开放的标准和平台等难题。 1 5 本课题来源及研究内容 7 广东t 业大学1 ：学硕士论文 本课题是与美的公司合作研发的项目，旨在使传统家用洗碗机不仅具有现 场操控功能，还具有网络通信功能，以迎合未来信息家电的发展趋势。 本文的研究内容： ( 1 ) 综合考察未来信息家电的发展趋势和嵌入式系统广泛的应用，结合以 太网技术在工业测控系统的发展，提出将3 2 位处理器和嵌入式操作系统结合的 方案，开发出具有以太网接口的洗碗机控制系统。 ( 2 ) 介绍了以含有a r m 7 内核的微处理器$ 3 c 4 4 8 0 为硬件平台的设计方案。 本设计充分运用了$ 3 c 4 4 8 0 丰富的外设并扩展了以太网接口，使得系统具有很 强的适应性和扩展性。 ( 3 ) 根据洗碗机的功能需求，设计软件的基本架构。 ( 4 ) 通过在实验板上的实验调试和仿真验证系统设计的可行性。 ( 5 ) 目标板印制和测试。 s 第二章家用洗碗机综述及总体方案设计 第二章家用洗碗机综述及总体方案设计 随着家用电器应用的普及，沈碗机已经逐步进入大众家庭，使得人们能够 从繁杂的家务劳动中逐步解放出来。 目前，国外一些发达国家家用洗碗机的普及率已到达3 0 一4 0 ，特别在美、 德、法等西方发达国家的普及率高达6 0 一7 0 。东南亚国家也在以每年2 0 的增幅 发展。而在我国，f 1 8 0 年代末第一台台式洗碗机问世以来，洗碗机市场便陷入了 两难的境地，市场销售远比不上彩电、电冰箱、洗衣机等产品“”。 造成这种状况的原因有很多。从客观方面来说，产品自身有许多不足。首 先是现在的洗碗机生产线基本上是从国外引进的，虽在结构性能上做了一定的 改进，但还是有不适合我国餐具的情况，洗涤效果也不尽人意。这是洗碗机不 能进入普通百姓家庭的主要原因之一。其次是洗碗时间长，耗电量大。洗碗机 要经过一清二洗三消毒的工序。对一台适合3 - 5 口之家的台式洗碗机，选择标 准洗涤，完成洗碗、消毒、烘干也要4 0 分钟左右，比手洗时间要长得多。且洗 碗机的功率从6 0 0 w - 2 3 0 0 w 不等，如加上其它家用电器一起运作，令一般住宅的 电表承受不起，电费也相当可观。第三是价格高。国内已有的沈碗机品牌，像 小天鹅、美的、海尔、澳柯玛等，最低价格都在1 0 0 0 元以上。此外，还受国人 的饮食结构、卫生习惯、思想观念等多种因素影响。因此，节能节水和降低噪 声，是当前洗碗机的主要发展方向“”“”。 经过了几十年的发展，我国家电产品普及程度已经相当高，洗碗机在技术 上也已经在逐渐完善。所以它是一块存在巨大市场潜力而又未被开发的领域开 发新产品。 2 1 洗碗机介绍 2 1 1 现有洗碗机种类 现有的洗碗机种类按装取餐具的方式的不同分为顶开门式( 上掀盖式) 和前 开门式( 推拉式) ；按洗涤方式的不同分为叶轮式、喷臂式、超声波式及水流式： 9 广东| 【业大学 学硕士论文 按控制方式的不同分为机械控制式和电脑控制式；按外形的不同分为柜式和台 式；按自动化程度的高低的不同分为普通型( p ) 、半自动型( b ) 和全自动型( q ) 三大类型嘲。 市面上现有的洗碗机像美的、海尔、小天鹅等品牌都是采用喷嘴方式洗涤， 故下面的内容均围绕这种洗碗机展开。 2 1 2 洗碗机基本结构 门式洗碗机的整机主要由箱体、水处理系统、电加热系统、洗涤系统、洗 涤剂自动供料装置、程序控制器以及操作显示面板等部件组成。如图2 1 示。 其中，洗涤系统由储水槽、吸水、排水管、洗涤泵、电机过滤器、流量调节体、 下喷臂支撑和下喷臂、喷管组件、上喷臂排水泵等组成。水处理系统出呼吸器、 水管、水软化器、盐份探测器等部件组成“7 m ”。 整机 机门、州i 控制殛显示部分ll 洗涤部分 ，内胆) il 机帔程控，电l i f 喷臂，清洗幕 i i 子程控、l c dj i i 电机、羊载嘲j圈 电加热韶分 电加热管】 2 - 1 洗碗机基本结构 f i g 2 1t h es t r u c t u r eo f d i s h w a s h e r 餐具放置部分 f 上下碗架) 啦水捧污部丹 件水泵进 闷， 1 箱体 由机壳、内胆、机门组成。对于上开式洗碗机机门设置在机壳上方；而前 开式机门则设置在机壳的正前方。w q p l 2 - 9 3 1 9 是前开门式沈碗机。机门柜边一 般装有门控开关，关门接通电源，开门切断电源。 第二章家用洗碗机综述及总体方案设计 图2 - 2w q p l 2 - 9 3 1 9 型洗碗机样机 f i g2 - 2 t h ew q p l 2 - 9 3 1 9d i s h w a s h e r 2 控制及显示部分 ( 1 ) 控制结构包括程控器和选择开关。 程控器沈碗机采用的程控器有机械式( f g 动式) 和电脑式两种。它是全自动 洗碗机控制系统的核心。对于机械式程控器，用计时同步电机作动力，通过多 组齿轮减速带动多个特定功能的记忆凸轮转动。而电脑式程控器则一般采用单 片机芯片处理器作为基本硬件，外加控制电路，再编制相应的软件来实现沈涤 的过程。选择丌关通常有电源开关、洗涤程序选择开关、温度选择开关。 ( 2 ) 显示部分 洗碗机在按下洗涤程序键时会有声、光显示。对洗完过程中的状态用发光 二极管、l c d 显示，用峰鸣器作故障报警。 3 清洗系统 包括清洗装置和进、排水装置，由清洗泵电机、旋转喷臂、水位开关、电 机过滤器、储水槽、臭氧发生器、进水电磁阀、进水管等组成。 ( 1 ) 进水阀进水电磁阀的线圈通电时。自来水通过导流孔进入洗碗机内。 ( 2 ) 水位开关洗碗机的水位开关一般有压力式、浮力式和液位传感器式三 种类型，有高、低和保护三个水位低水位开关的常闭触点与进水阀相接，而 常开触点与洗涤电动机和加热器相接，当注水达到所设定的水位时，常闭触点 广东l ：业大学1 ：学硕十论文 断开，常开触点闭合，注水结束，加热沈涤开始。高水位的作用是，当水位超 过所设定的水位( 洗碗机的最高水位) 时，高水位开关的常开触点闭合，接通排 水泵，把过量的水排出；当水位恢复到规定水位时，常开触点复位，停止排水。 ( 3 ) 喷臂喷水装置它主要由空心转轴和喷臂等部件组成。喷臂工作面设 有不规则和不同方向的喷水口( 见图2 3 ) ，清沈泵将热水压入喷臂腔体内， 再经喷水口喷出。喷臂由于受水的反作用力而转动，从三维方向射出水柱对餐 具进行清洗。 图2 - 3 洗碗机的喷臂 f i g 2 - 3t h es p o u to f t h ed i s h w a s h e r ( 4 ) 水软化器将自来水中的钙、镁离子置换出来，减小的水的硬度，使 洗涤剂、漂沈剂更易发挥作用，以提高餐具的洗净度，增加光亮度。 4 漂洗剂洗涤剂供料装置 能定时定量自动释放漂沈剂洗涤剂，以分解污垢和提高餐具光亮度。 5 电加热装置 电热管的作用是对水进行快速加热和利用余热烘干餐具 6 供水排污装置 主要包括排水泵、排水电磁阀。 7 餐具放置装置 碗篮分为上碗篮和下碗篮，碗篮底部的两侧装有滚轮，沿轨滑动，可方便 地推入或拉出。 1 2 第二章家埘洗碗机综述及总体方案设计 2 1 3 洗碗机工作原理 喷嘴式洗碗机的工作原理是通过控制系统实现以下功能：自动进水、到一 定水位停止进水。洗涤泵电机对水加压，加热器对水加热，电机驱动洗涤泵使 水在一定压力下从上下喷臂的喷嘴喷出，由于喷臂受到喷水的反作用力而不断 地沿轴心均匀地反方向转动，喷臂不断将带有沈涤剂或漂洗剂的热水以高压由 上向下从三维方向均匀密集地喷射到餐具表面，使餐具的各个面都被反复冲洗， 从而将附在餐具上的残汁清洗干净；同时热水对食物残渣进行浸泡膨化，洗涤 剂对污垢与残油污乳化分解并杀菌消毒。之后，污物落到底部过滤器处，污水 经排水泵排出。最后利用高温余热将餐具烘干”。 1 一过滤芯2 一进水电磁阀3 一呼吸器3 1 一定始水箱4 一软水装置4 1 一盐化池 4 2 一离子交换器5 一电磁阀6 一过滤芯7 一洗涤泵8 一电机9 一下喷臂i o 一上喷 臂l l 一捧水泵1 2 一电机1 3 一储水槽 图2 4 洗涤液循环1 2 0 1 f i g 2 - 4c i r c u l a t i o no f l o t i o n 洗涤液循环如图2 4 所示。 1 洗涤程控器控制进水电磁阀2 接通，自来水通过过滤芯i 流入呼吸器3 。 在呼吸器中，一路水流入定量水箱3 1 ，另一路流过呼吸器至离子交换器4 2 ； 在离子交换器中原水中的钙镁离子被置换出所以流入储水槽1 3 的水则为软 化水，当储水槽中的水达到一定量时，压力开关控制电磁阀2 关闭，停止进水。 在进水过程中，程控器又控制洗涤泵7 、电机8 动作，获得压能的洗涤液分别 广东丁业大学_ 学硕十论文 从上下喷臂的喷嘴中喷出。洗涤完毕后，排水泵1 l 、电机2 2 动作，将洗涤液 排出机外。在洗涤开始时，程控器控制洗涤剂供料装置动作，并打开洗涤剂盒， 洗涤剂自动进入机内与水混合。 2 漂洗漂洗有三个循环。每个循环与洗涤过程相同，只是周期有所不同。 在第三个漂洗循环中，程控器控制洗涤剂加料装置中的柱塞阀动作，漂沈剂自 动流入机内与洗涤液混合。 3 自动再生在第三次漂洗完成后，程控器控制电磁阀5 接通，呼吸器水箱 3 1 中的定量水在重力作用下流入盐化池4 1 ，与此时同时，4 1 中的盐溶液 ( n a c l ) 流入离子交换器4 2 ，以便使其中的离子交换树脂再生，为下一次的沈 涤作准备，而残液则由排水泵排出。 2 1 4 洗碗机的工作流程 美的w q p l 2 9 3 1 9 型号的洗碗机，洗涤程序包括四个阶段( 预洗、主洗、漂 洗、烘干) ，可选程序模式有七种( 强力、标准、经济、漂沈、玻璃、快速、 预冲洗) ，详见附录2 。预定的程序为标准洗程序模式。 2 1 5 洗碗机的测控功能 就测控功能而言，一个沈碗机通常需要实现以下几方面的功能：( 1 ) 用 温度传感器实现水温检测；( 2 ) 实现声音输出，洗涤过程显示以及故障类型 显示：( 3 ) 通过设置按键选择洗涤模式，并通过功能键启动相关功能：( 4 ) 能检测清洁剂和消毒剂剂量的使用情况；( 5 ) 故障报警，如进水异常，排水 异常、加热异常等。故一般需要采集的信号有开关量( 机门开关状态，水位等) 、 模拟量( 温度) 、和频率( 脉冲) 。其中涉及的被控开关量信号有两种，一种 是传感器的高、低电平信号检测，如机门开关、水位高低、温度调节保护器等； 另一种开关信号经由固态继电器控制强弱电压信号的断歼和加载，如进水电磁 阀门的开合、加热器的开合、清洁剂控制盒和亮碟剂控制盒的工作等。故所需 的功能操作包括：启动暂停键、预约键、半载键、程序键；所需的检测包括： 水温、门状态、水位，溢流保护信号等”“；需要控制的执行部件包括：进水阀、 再生阀、分配器、电热管、洗涤泵、排水泵、干燥器等，如图2 5 所示。 第二章家用洗碗机综述及总体方案设计 浊度 水位开关 溢流开关 热敏电阻 脉冲流量计 盐度 光亮剂 机门开关 检测对象 加热器 洗涤泵 排水泵 程 序 进水阀 控再生阀 制 分配i 嘲 器 ? 卜载阀 蜂鸣器 风扇 丁亡 控制对象 操作显示面板 图2 5 洗碗机的检测和控制对象 f i g 2 - 5t h em e a s u r e da n dc o n t r o l l e ds u b j e c t s 2 1 6 洗碗机的三种控制方式 1 电子式控制( e l e c t r o n i cc o n t r 0 1 ) ：使用电子式控制器，操作较复杂，可 以实现较多的功能，入机界面可多样化，程序可根据不同客户进行方便更改， 属于实用型控制方式。 2 机械式控制( m e c h a n i c a lc o n t r 0 1 ) ：使用机械式程控器，操作简单，性能 可靠，程序属于固定规格，属于经济型控制方式。 3 网络控制( n e t w o r kc o n t r 0 1 ) ：网络式控制器，属于高档的电子控制方式， 可进行远程控制，远程访问，属于高档型控制方式。 2 2 网络洗碗机的实现方案 要成为信息家电控制系统，必须使洗碗机具有i n t e r n e t 接入功能，理论上， 嵌入式设备只要转变为w e b 服务器，再加上t c p i p 协议就可以连上i n t e r n e t 网，然而嵌入式系统接入i n t e r n e t 需要解决的技术问题有很多。首先，嵌入式 系统必须对各种信息进行t c p i p 协议处理，使之成为可以在互联网上传输的 i p 数据包，或采用网关方式，通过网关转换成标准的i p 包后接入i n t e r n e t 。 然而由于单片机自身资源有限及处理能力不如p c 机，且t c p i p 协议较为复杂， 使得通信协议的处理成为接入i n t e r n e t 的难点 目i j 国内外嵌入式系统接入i n t e r n e t 主要有以下三种方案恤“蜘： 广东工业大学t 学硕士论文 1 高档u + r t o s 由3 2 位高档m c u 构建的嵌入式家电，因为3 2 位有足够的资源可以扩充利 用，r a m 和r o m 可以做的足够大，整个的t c p i p 协议族可以做到系统里面去， 甚至可以嵌入一个带t c p i p 协议族的操作系统，所以3 2 位微处理器除了可以 实现复杂测控功能外，还能较容易的进行网络通信的t c p i p 协议处理，因而可 以成为直接接入i n t e r n e t 的网络家电，3 2 位微处理器虽然开发难度大，在成 本较低的嵌入式测控系统中目前用的还比较少，但开发工具已不再昂贵，并且 大多用在高端产品。缺点是成本偏高，开发周期长。 2 m c u + 内部专用网+ 专用网卡 由低档八位机组成的嵌入式家电，采用专用网络( r s 一2 3 2 ，r s 一4 8 5 ，c a nb u s 等) 把若干嵌入式家电连接在一起，该网络再与p c 相连，由此建成p cg a t e w a y 专用网，此时把p c 作为网关，并由p c 把该网络上信息转换为t c p i p 协议数据 包，发送到i n t e r n e t 上实现信息共享，这样可以使嵌入式测控仪器连到 i n t e r n e t ，但必须要一台p c 机或类似p c 机功能的设备作为网关，来进行协议 转换，即把其它协议的信息转换成适合在i n t e r n e t 传输的i p 包；这样也能实 现信息的网络传输，并且在实际的场合( 如大型工业集散控制系统) 当中也得剑 了应用，但由于这样的测量控制终端必须要专门配一台p c 来进行协议转换，对 于一般的信息家电接入i n t e r n e t 而额外增加一台p c ，必然会给产品带来高昂 的成本，从产品的经济、实用方面来看并不切实可行。 3 8 位m c u + t c p i p 协议芯片 是由八位单片机组成直接接入i n t e r n e t 的嵌入式网络化家电，利用这种方 案好处是可以利用以前的基于8 位单片机的测量设备，大多都不需要改造，可 以通过外加网络芯片，然后八位单片机直接驱动网络接口芯片，而成为嵌入式 网络化仪器，但由于接口和网络协议都比较复杂，占用的资源( r o m ，r a m ，c p u ) 比较多，所以要求单片机要有足够快的运行速度，这样在孵u 执行数据采集和 控制功能的同时才能足够快的把数据打包，发送到i n t e r n e t 上，开发上有较高 的难度。 i n t e r n e t 上面的各种通信协议对于计算机存储器、运算速度等的要求比较 高，要在8 位和1 6 位单片机上实现i n t e r n e t 通信协议是比较闲难，或根本不 1 6 第二章家用洗碗机综述及总体方案设计 可能。再之，3 2 位系统不再高高在上，3 2 位微控制器的价格已经不比8 位机高 多少，有些系统使用3 2 位机其整体成本甚至比用8 位机还要低。所以，选用 3 2 位系统在成本上的障碍并不大。 洗碗机控制器的时序复杂、功能较多、程序量很大，以往的单片机控制器 往往是按照某一流程执行单一任务。出于成本和技术上的原因，这类软件开发 多数还是基于处理器直接使用汇编编写，没有实时多任务操作系统作为开发平 台，也不需要将系统软件和应用软件分开处理。除非应用多任务实时控制的设 计算法，否则难以能够满足洗碗机对外界信息( 按键、门开关、水位开关、溢流 开关、水温度变化) 的实时测量、计算和相应的多种实时控制操作。而采用现在 流行的实时操作系统( r t o s ) 来处理，肯定可以实现。它有一个可靠性很高的实 时内核，将c p u