节水型全自动洗衣机控制器设计论文

江西农业大学毕业设计 目 录 摘 要 第一章 系统设计 2 1 设计 特点 2 2 系统设计方案 2 1.2.1 系统框图 2 1.2.2节水工作原理 3 1.2.3其它功能介绍 3 第二章 硬件描述 4 .1 电路原理图 4 2.1.1 主控核心部分 5 2.1.2 按键和 LED 控制部分 7 2.1.3 输出控制部分 8 2.1.4 电源部分 9 2.1.5 水位检测部分 9 2.1.6 高压保护部分 11 2.1.7 过零判部分 10 2.1.8 PLL 部分 11 2.1.9 蜂鸣控制部分 11 2.1.0 门控开关部分 12 第三章 软件描述 13 3.1 芯片程序 .12 3.2 程序主流程图 16 3.3 MAIN子程序流程国 17 3.4 过程控制子程序流程图 18 第四章 结束语 20 参考文献 21 1 节水型全自动洗衣机控制器设计 摘 要 随着 全自动洗衣机的不断普及，消费者对其环保节能的要求越来越高，其中最主要的一项就是耗水量。人们迫切需要有一种能节水的洗衣机能代替现在的洗衣机。这在全球水资源缺乏的今天显得极其重要。我们从这一点切入，通过大量市场调研，设计开发了这款节水型全自动洗衣机电脑控制器。它通过对电脑控制器程序的精心设计，配合整机结构的调整，在不影响整机其它性能的前提下，达到了节水 40%的优良效果，为全自动洗衣机提供了有价值的参考。 随着科技的发展，许多新技术已成功地应用在洗衣机上。使洗衣机由简单的 “能洗衣 ”，发展到具有高洗净度、 低磨损率、健康型、智能化、节水节能等高层次功能，满足了不同档次的需求模糊控制洗衣机设置有电脑和多种精确的智能传感器，能模仿人类的感知功能及思维对洗衣程序进行控制。各种传感器相当于人的手、眼、耳等，可自动检测判断衣物的重量、质料、脏污程度、洗涤液温度等，并把这些信息传递给电脑。电脑对收到的信息进行综合判断后，自动设定最佳水位、最佳洗涤时间和最佳洗涤程序，控制各执行部件自动完成整个洗衣过程。 DESIGN OF SAVING WATER ENTIRE AUTOMATIC WASHER CONTROLLER Abstract Along with the entire automatic washer unceasing popularization, the user is more and more high to its environmental protection energy conservation request， a most main item is a water Consumption. The people are urgent need to have one kind to be able to save water wash clothes the function to replace present the washer. This appears in global water resources deficient today extremely importantly. We cut into from this point , through the massive markets investigation and study, the design has developed this funds saving water entire automatic washer computer controller. It through to the computer controller procedure careful design, coordinates the entire performance under the promise, had achieved saves water 40% fine effect, has provided the valuable reference for the entire automatic washer. Along with the technical development, many new technologies successfully have applied on the washer. Simply enables the washer by to wash clothes, develops has the high cleaning, the low rate of wear, the health, the intellectualization, saves water the energy conservation contour level function, satisfied the different scale demand fuzzy control washer establishment to have the computer and the many kinds of precise intelligent sensor, could imitate humanitys sensation function and the thought to washes clothes the procedure to carry on the control. Each kind of sensor quite Yu Rens hand, eye, ear and so on, but the automatic detection judges the clothing the weight, the material, the dirty dirt degree, the cleaning solution temperature and so on, and these information transmissions for computer. The computer after the information which receives carries on the synthetic judgement, the automatic hypothesis best water level, best washes the time and best washes the procedure, controls each executive component automatically to complete entire washes clothes the process. 2 第一章 系 统 设 计 1 1 设计特点 a 采用价廉物美的 MOTOROLA单片机 MC68HC08SR12作为控制核心。 b 通过片内 A/D实现电源电压的保护功能 c 通过片内 PLL实现锁相环控制。 d 设计了在线编程的功能。 e 显示采用 流行的 LED模块，大面积图案设计，新颖直观，动感力强， 操作方便。 f 具有预约洗衣和剩余时间显示功能。 g 使用 CAPTURE 功能进行水位的监测。 h 多个程序公用：利用 SR12的 ROM较大的特点，可以将几个程序（相似 的两个或几个机型的程序）同时放在 SR12上，根据 PIN口输入选择运 行不同的程序。 i 多种故障报警功能：设计多种故障状态报警功能，提示用户进行处 理 ,超过 1小时不处理，则自动切断电源，保证洗衣机的安全。 j 通过软件、硬件的配合设计，控制器具有较强的 EMC性能。 .2 系统设计方案 1 2 1 系统框图 图 1-1 系统总体框图 1 2 2 节水工作原理 a、采用水位传感器提供多级水位让用户选择 采用水位传感器，不同的水位通过水位传感器可以产生不同的振荡频 率， MCU 可以精确地检测到水位传感器的振荡频率，也就是可以精确地检 测到当前的水位及水量，这样理论上可以做到无级地调节水位。本设计演 3 示采用了 6 级水位选择，已能满足用户的洗衣需要。用户可以根据洗涤量 的多少合理选择水位，即合理选择 最贴近的用水量，从而达到节水的目的。 本设计说明书中推荐了洗涤量与用水量 的 对应选择表供用户参考选择。 b、采用喷淋脱水 为了节水，洗衣机整机在结构上有了很大的变化，大家知道全自动洗 衣机是有内桶和外桶的套桶型。内桶有许多小孔以便水可以流到外桶，从 而达到外桶盛水排水、内桶旋转脱水的功能。而新型的节水洗衣机其内桶 为无孔型，洗涤时内桶盛水而外桶无水，这样来达到节水的目的。同时， 在洗涤的时候，洗衣机内的洗涤剂浓度相对普通洗衣机大大提高，可以达 到更高的去污效果。但是，在洗衣机进行漂洗的时候，由于水量的减少， 漂洗效果将会大打折扣，洗涤剂的残留量会大大超标。为了解决这一问题， 本设计采用了喷淋脱水功能。即在洗衣机进行漂洗后的脱水时，在脱水的 前期，控制器间隙地打开进水阀进行多次喷淋式进水，这样来提高漂洗效 果。这是控制器为配合整机节水而增加的功能。 c、洗涤和漂洗采用不同的水位 一般洗衣机在选择了一定的水位后，其洗涤和二次漂洗均采用同样的 用水量而不再改变。本设计在程序上进行了修改，如用户选择 X 档水位进 行工作，则在洗涤时采用 X-1 档进行，在第一次漂洗时采用 X 档进行，在 第二次漂洗时采用 X-1 档进行，从而 达到节水的效果。 1 2 3 其它功能介绍 本控制器的其它一些功能有： a、多种程序选择，用户可根据洗涤衣物的材质选择不同的程序，如浸洗、 标准、羊毛和快速等。 b、过程选择，用户可以选择单独洗涤以保留带有洗涤剂的水进行重复使用， 可选择单独脱水，犹如脱水机一样，等等。 c、预约洗涤，用户可根据需要选择几小时后进行洗涤，时间选择范围为 1-24 小时。 d、剩余时间显示，用户可以直接掌握洗涤时间。 e、故障自动处理，如脱水时衣物过偏，本控制器可自动进行处理。 4 第二章 硬 件 描 述 2.1 电 路原理图 图 1-2 节水型全自动洗衣机系统原理图 5 2.1.1 主控核心部分 图 1-3 MC68HC08SR12 片内模拟电路结构框图 Motorola 的 MC68HC08SR12 是一种高性能的 8位单片机系列，具有速度快、功能强和价格低等特点。它的 CPU 与 M68HC05 单片机向上兼容，具有 16 位变址寄存器和堆栈指针，有 200 余条指令和 10 余种寻址方式，最快指令周期仅为 0.125S ，而乘法指令也仅需0.625S 。大多数 M68HC08 具有 FLASH（快闪）型号，大大方便应 用系统的开发。 M68HC08 有许多种型号， MC68HC908SR12（简称 SR12）是它的一种新的产品，其主要性能有： 12K FLASH 存储器，具有在线编程和保密功能。 512 字节片内 RAM。 6 8MHz 内部总线频率。 3 5.5V 工作电压。 增强型串行通讯口（ SCI）。 多主机 I2C。 两个 16 位双通道定时器接口模块（ TIMA、 TIMB）。 功能描述 1.模拟电路模块 模拟电路模块是 SR12 的特有部件，附图为它的结构框图。 它由输入多路开关、两组可程控放大器。片内温度传感器、电流检测电路等 组成。程控放大器的总的放大倍数为 1 256，并可设置直流偏置电压。放大器的输入可选择为两路模拟输入脚（ ATD0、 ATD1）、片内温度传感器、模拟地输入（ Vssam）。 ATD0 和 Vssam 间可接一个电流检测电阻，用于测量外部电流，它还连接至电流检测电路，可在电流超过指定值时产生中断并输出信号。片内温度传感器可用于测量 0 85 温度。有了该模块可大大减少外部模拟电路。 2.A/D SR12 有 14 路 10 位 A/D，包括两路专用模拟输入、 11 路与并行 I/O 复用输入和一路内部放大器输出，其中 4 路具有自动扫描方式。 A/D 的 10 位结果可为左对齐、右对齐，也可仅取8 位。 A/D 模块有专用的 VREFH 和 VREFL 输入，以保证测量精度。 3.定时器接口模块 SR12 有两个定时器接口模块（ TIM），每个有以下功能： 两个输入捕捉 /输出比较通道 -可设置为上升、下降或任意跳变触发的输入捕捉，可用于测量各种脉冲信号的周期、脉宽等。 -可设置为置位、清零、到反的输出比较操作，可产生定时和脉冲输出。 -可产生 PWM 脉冲输出，最高分辨率为 16 位。 TIM 时钟可设置为内部总线时钟的七种分频值，最高频率为 4MHz。 TIM 的计数器可为 16位自 由运行或取模加 1计数方式。 4.定时器基模块 7 可产生 8 种周期性实时中断（ 1、 4、 16、 256、 512、 1024、 2048 和 4096Hz），可在 STOP方式时使用外部 32KHz 晶振周期性地唤醒 CPU。 5.PWM 模块 SR12 有三通道 8 位高速 PWM（最高频率为 125KHz），每个通道有独立的计数器，可选择PWM 输入时钟以产生各种 PWM 频率，并有自动相位控制。 6.I 2 C SR12 有 I 2 C，它支持多主机 I2C 标准。它可选择 8 种不同的串行时钟频率，具有 START、STOP 信号的产生和控制、仲裁检测、应答产 生和检测、 8位 CRC 产生和检验等多种功能，能自动检验 R/W 位并相应地切换至发送或接收方式，具有字节数据传送和地址符合中断。 7.SCI SR12 有一个增强型串行通讯口，它支持 8位或 9 位数据格式，可选择 32 种波特率，有硬件奇偶检验和噪声检测等功能，有发送缓冲器空、发送完成、接收完成和各种接收出错中断，并有分开的接收和发送中断向量，方便软件处理。 8.FLASH 存储器 SR12 有 12K FLASH 存储器，具有保密和块保护功能，可在线编程。它一般用作程序存储器，但也可部分用作数据存储器，可取代 EEPROM，具有价 格低、可靠性高、寿命长等特点，它可反复擦、写一万次以上，数据保存时间为十年以上。 2.1.2按键和 LED控制部分 a相应的矩阵键盘： 采用矩阵式键盘，此类键盘采用矩阵式行列扫描方式，优点是当按键较多时可降低占用单片机的 I/O 口数目，缺点为电路复杂且会加大编程难度。 图 1-4 矩阵键盘原理框图 b LED 显示电路 ： 8 单只 LED 显示在实际应用中并无多大用途，一般都是多位的 LED 显示。现在我们作进一步学习，我们要讲解的是 8 位 LED 的显示原理及实际的编程方法。这里我们没有采用多I/O口的 8051 系列单片机，而是采用了完全兼容 C51 指令系统的质优价廉的 AT89C2051 单片机，它的软件编程与 C51 完全一致。 图 1-5 LED 显示电路图 2.1.3 输出控制部分 输出全部采用可控硅控制，包括控制电机正反转、进水阀、排水阀和断电开关。由于有些可控硅的驱动电流要求较大，所以也采用驱动模块来放大。在驱动电机的可控硅上增加了阻容吸收回路来保护可控硅。 与经常应用在电机控制中的有刷电机相比， MCU 控制的无刷直流 (BLDC)电机消除了刷子磨损和弧形机构，这样电机的寿命本质上仅仅受限于轴承的 寿命。此外，基于 MCU的 BLDC 电机系统的优势还包括高效率、高转矩 -惯量比、更高的速度性能、低噪声、更好的热效率和低 EMI 特性。 利用专门设计用于电机控制的大批量生产的 8 位 MCU 是一种解决数字电机控制问题的非常低成本方法。由于具有高达 10MIPS 的性能和运动控制专用硬件 (包括中心准直的 14 位 PWM、一个运动反馈模块以及一个高速 ADC)，以前要很贵处器的应用现在可以用低成本的 8 位 MCU 解决 。 9 图 1-6 驱动模块电路图 某些 MCU 里的三相 PWM 控制，如 PIC18F4431，可以用硬件提供一个 BLDC 的所有三项控制，尽量减少必须开发和调试的软件。高达 8 个可用的 PWM 通道，通常只需要 6 个来驱动三相电机。因此，剩下的两个通道可以用作其他功能，而不需要额外的器件。作为MCU 的主要部分的带积分编码器接口的运动反馈模块减少了器件数量和系统成本。 具有采样率为每秒 200K 的 ADC 的 MCU 可提供闭环控制所必要的速度。两个 不同通道的同时采用使得对电压和电流同时采样成为可能。在测量闭环电机控制中后端电动势(EMF)时需要这样的快速转换，在上升或下降 时， 沿使 ADC 与 PWM 同步的能力使切换噪声最小化。总之，这些模块使得不需要外部电机控制器件，如高速 ADC 和位置编码器。 在很多电机控制应用中，故障安全操作 (fail-safe operation)非常重要。带有故障安全时钟监视器 (一个内部 RC 振荡器，可以在晶振 中 产生故障的时候用作备用时钟 )的 MCU 使设计工程师可以用能提供高可靠性的数字控制。像在 PWM上的可编程停滞时间 (dead-time)延时使切换噪声最小化，可以减少数周的开发时间，并满足关键的程序最终期限要求以使新产品得以面市。在所有的情况下，带有可靠闪存的 MCU 提供快速面市的可能，以及在安装之前或在使用中根据要求变化来调整的灵活性 。 2 1 4 电源部分 电源部分采用典型的经济型小功率电源设计，降压、整流、滤波、稳压。适合家电的大批量生产。 2.1.5 水位检测部分 图 1-7 为洗衣机的水位检测电路， CON4 连接水位传感器，水压大小产生 LC 震荡，压力越小则频率越大，反之亦然。当接近零水位时，输出频率约在 27.8KHz。此频率 通过 F/V 转换电路，转换为模拟电压输入至芯片内 ADC 模块来计算水位高低。 10 图 1-7 水位检测电路图 F/V 转换电路由 IC7 所产生，电路组件 R33 与 C36 形成输入端高通滤波器以滤除直流电压，输出电压大小由 R30、 C33 与输入频率决定，电压计 算式为 : Vo = R30 x C33 x Vcc x Fin；其中 Vcc 为 +5V、 Fin 为输入频率。 变频 洗衣机控制器主要以双 MCU 设计，两控制器通过串行通讯交换讯息与系统控制，设定 SPCE061A 面板控制器为主机， SPMC75F2413A 马达驱动控制器为从机。主机负责整个传输的过程；从机端负责接收主机端传送的命令并执行，且需响应相对应的 ACK 讯号给主机，相对地。当使用者在面板控制器上下达对应的运转命令后，从机负责执行，当有异常状况发生时，从机实时回报或直接能够由主机检知，利用显示电路通知使用 者。 因此本系统的软件开发包括针对马达驱动、通讯格式与通讯状态机切换、洗衣机状态机切换、按键扫瞄与状态显示等程序为主 。 2.1.6 过零判部分 为配合可控硅的控制以及减少干扰，设计了过零判线路， MCU 可以检测到交流电源的过零点 . 过零检测电路如图 1 所示，用于检测 AC220V 的过零点，在整流桥路中采样全波整流信号，经过三极管及电阻电容组成整形电路，整形成脉冲波，可以触发外部中断，进行过零检测。采样点和整形后的信号如图 4-5所示。 过零检测的作用是为了控制光耦可控硅的触发角，从而控制室内风机风速的大小。 11 图 1-8 过零检测电路 图 1-9 采样点和整形后的信号 2.1.7 高压保护部分 为提高准确性，设计从电源端采样，采样 信号送入 MCU 的 A/D 口进行判别，当电源电压高到一限值时，控制器立即切断电源。 2.1.8 PLL 锁相环部分 简单的 PLL 由频率基准、相 位 检波器、电荷泵、环 路 滤波器和压控振荡器（ VCO）组成。基于 PLL 技术的频率合成器将增加两个分频器：一个用于降低基准频率，另一个则用于对 VCO 进 行 分频。而且，将相位检波器和电荷泵组合在一个功能块中也很容易，以便进行分析（见图 1）。简单的 PLL 上所增设的这些数字分频器电路实现了工作频率的轻松调节。处理器将简单地把一个新的分频值 “写入 ”到位于 PLL 中的寄存器中，更新 VCO 的工作频率，并由此改变无线设备的工作信道。 图 1-10 PLL 锁相环部分电路图 12 PLL 是作为闭环控制系统工作，用于比较基准信号与 VCO 的相位。增设基准和反馈分频器的频率合成器负责比较两个由分频器的设定值调节相位。该相位比较在相位检波器中完成， 在大多数系统中，这种相位检波器是一个相位和频率检波器。该相位 -频率检波器生成一个误差电压，此误差电压在 2 的相位误差范围内近似为线性，并在误差大于 2 的情况下保持恒定。相位 -频率比较器所采用的这种双模式操作可生成针对大频率误差（比如，当 PLL 在上电期间起动时）的较快的 PLL 锁定时间，并避免被锁定于谐波之上。 VCO 利用调谐电压生成一个频率。 VCO 可以是模块、 IC，也可由分立元件来制成。图 2 示出了一个位于 MAX2361 发送器 IC 内部的、采用有源元件制作的 VCO。谐振回路和变容二极管是外置的，使得设计工 程师能够对 IF（中频） LO（本机振荡器）进行独特的规定，以便对特定的无线电频率方案提供支持。 2.1.9 蜂鸣控制部分 蜂 蜂鸣器的介绍 : 1蜂鸣器的作用 鸣控制指通过定时器产生一固定频率的输出脉冲来控制蜂鸣器。 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。 2蜂鸣器的分类 蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。 3蜂鸣器的电路图形符号 蜂鸣器在电路中用字母 “H” 或 “H A” （旧标准用 “FM” 、“LB” 、 “JD” 等）表示。 （二）蜂鸣器的结构原理 1压电式蜂鸣器 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。 2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。 2.1.0 门控开关部分 门控开关是检测门盖的开关信号，在洗衣机脱水时，为了保证安全，门盖打开可暂停脱水，以防高速旋转的脱水桶损伤用户。 第二章 软件描述 13 3.1 MC68HC08SR12 芯片程序 #include #define waterin P1_6 #define waterout P1_5 #define swim P1_7 bit flag； char Count,t,waterinflag,wateroutflag,swimflag； / 用于中断程序的计数 unsigned char second； void Timeinit(void) /秒表初始化 Count=0； t=0； second=0； flag=0； / 开定时器 1，设定为工作方式 2, 让定时中断时自动加载定时的初值 IE=0x8a； /允许中断 ,选中T0,T1 中断 TMOD=0x21； /定时器 0，使用 TR0 启动方式，选中工作方式 1,定时器 1，使用 TR1 启动方式，工作方式 2 TH1=0x06； /设置定时初值 256-250=6 (250us,要实现 10ms 就要 40次 ) TL1=0x06； TR1=1； /用 T1定时的秒表中断程序 ,工作方式 2 void Miao(void) interrupt 3 Count+； if(Count=40) Count=0； t+； /百分秒 if(t=100) flag=1； t=0； if(second=10) second=0； else second+； void Initcover() /盖子的中断程序 EA=1； ET1=0； 14 EX1=1； void coverinterrupt() interrupt 2 waterin=1； waterout=1； swim=1； while (P3_3=0) ； waterin=waterinflag； waterout=wateroutflag； swim=swimflag； main() /洗衣机工作过程 int i=0； Initcover()； waterout=1； wateroutflag=1； swim=1； swimflag=1； P3_2=1； if (P1_0=1) waterin=0； waterinflag=0； while(P3_2=1) waterin=1； waterinflag=1； for (i=0；i10；i+) Timeinit()； while (second!=10) swim=0； swimflag=0； if(flag) flag=0； P1=(second*2)； waterin=waterinflag； waterout=wateroutflag； swim=swimflag； P1=0xff； waterin=waterinflag； waterout=wateroutflag； swim=swimflag； 15 Timeinit()； while (second!=3) swim=1； swimflag=1； if(flag) flag=0； P1=(second*2)； waterin=waterinflag； waterout=wateroutflag； swim=swimflag； Timeinit()； while (second!=10 ) waterout=0； wateroutflag=0； if(flag) flag=0； P1=(second*2)； waterin=waterinflag； waterout=wateroutflag； swim=swimflag； waterout=1； wateroutflag=1； LED 程序清单 ： ORG 0100H MAIN： MOR R3， #00H ；字型码初始地址 LOOP： MOV DPTR， #TABLE ；字型码送数据指针 MOV A， R3 MOVC A， A+DPTR MOV P1,A ；送显示 MOV R4,#0E8H ；循环显示某个字符 1S DELAY: MOV ACALL DISPLAY ；显示 DJNZ R4,DELAY ；延时时间未到继续 INC R3 ；显示下个字符 16 CJNE R3,#0AH,LOOP ；未显示到“ 9”继续 AJMP MAIN ；返回主程序 DISPLAY: MOV R1,#08H ；共显示 8位 LED MOV R5,#00H ；从第 一位开始显示 DISP: MOV A,R5 MOV P3,A ；送地址数据 ACALL DELAY1 ；每位显示 12MS INC R5 ；指向下一位 LED DJNZ R1,DISP ； 8 位未显示完继续 RET DELAY1: MOV R6,#10H ；延时子程序 LOOP1: MOV R7,#38H LOOP2: DJNZ R7,LOOP2 DJNZ R6,LOOP1 RET TABLE: DB 0COH,0F9H,0A4H,0BOH,99H DB 92H,82H,0F8H,80H,90H End 3.2 程序主流程图 17 图 1-11程序主流程图 3.3 过程控制子程