毕业设计（论文）-基于单片机的洗衣机控制系统设计.doc

应用技术学院本 科 毕 业 论 文题 目：基于单片机的洗衣机控制系统设计 年 级： 专 业：电子信息科学与技术班 号： 12电子 学 号： 学生姓名： 指导教师： 职 称： 副教授 论文提交日期： 年 月 日第 31 页基于单片机的洗衣机控制系统设计目 录第1章 绪论10第1.1节 研究背景10第1.2节 研究现状11第2章 方案选择与比较11第2.1节 系统总体框架11第2.2节 系统方案选择12第2.3节 系统功能方案14第3章 系统的硬件设计14第3.1节 主控芯片介绍14第3.2节 水位检测电路设计16第3.3节 矩阵键盘电路设计17第3.4节 显示电路设计18第3.5节 报警电路设计19第4章 系统的软件设计20第4.1节 主程序20第4.2节 键盘显示程序设计23第4.3节 内部中断程序设计24第4.4节 电机控制程序设计27第五章 测试分析29参考文献30致谢31附录32全套设计加扣3012250582 摘要随着数字化技术的迅速发展，中国的洗衣机市场正进入一个新的时期，市场潜力巨大，但在很多方面不能满足人们的需求，洗衣机的性能需要不断增强，针对此问题，本文基于ARM单片机开发了一款全自动洗衣机控制系统，其性能相比于传统的51单片机控制系统具有更高的计算性能和更低的功耗，可以实现全自动洗衣机更多功能，能够满足市场的需求。因此，全自动洗衣机的设计是基于单片机控制电路，具有很强的实用性。关键词：单片机；洗衣机控制系统；全自动；AbstractWith the rapid development of digital technology , China s washing machine market is entering a new era, a huge market potential , but in many ways can not meet peoples needs , need to continue to enhance the performance of a washing machine , for this problem, we developed a single-chip based on ARM an automatic washing machine control system , its performance compared to a conventional single-chip control system 51 has a higher computing performance and lower power consumption , can achieve automatic washing machine more functionality to meet the needs of the market . Therefore , automatic washing machine design is based on single-chip control circuit , has a strong practical .Key words: Single chip microcomputer, Washing machine control system, Automatic前言随着数字技术的快速发展,数字技术广泛应用于智能控制的领域。单片机以其高集成、快速操作,体积小,运行可靠,成本低、等,在过程控制、数据采集、机电一体化、智能仪表、家用电器和网络技术已得到广泛应用。 洗衣机在现代人的日常生活中是一个必要的东西，它是人的发明和应用的洗衣工作变得更多的时间和精力，这是一个很好的方式来缓解人们的压力，做家务。不断追求生活品质的，普通的洗衣机已经不能满足一些人的需要，所以要学会洗衣机的功能是非常重要的。 目前，中国的洗衣机市场正进入一个新的时期，市场潜力巨大，但在很多方面不能满足人们的需求，人们的要求越来越高，洗衣机的性能需要不断增强，洗衣机的最主要的功能是洗涤、漂洗以及甩干功能，这就要求设计师有专业知识和较高用户体验设计的水平，可以让更多好的设计应用到产品中去，满足现实的需求，设计出更节能，更具特色，更人性化的全自动洗衣机。因此，全自动洗衣机的设计是基于单片机控制电路，具有很强的实用性。基于单片机的全自动洗衣机控制系统，具有精度高，强大的功能和良好的经济表现。无论是体现在提高产品的产品质量或数量不可比拟的优势，节约能源和改善工作条件等。深入的全自动洗衣机的微控制器为基础的控制系统的设计研究，使我们能够把握这个重要的设备自动洗车机工程及控制系统，以进一步了解应用方法，基本的技术学习维护不同领域的微控制器，但也为电子信息行业的发展奠定了基础，所以这个话题是非常重要的。第1章 绪论第1.1节 研究背景 洗衣机在现代人的日常生活中是一个必要的东西，它是人的发明和应用的洗衣工作变得更多的时间和精力，这是一个很好的方式来缓解人们的压力，做家务。洗衣机目前是人们生活中不可缺少的家电产品，发展非常迅速，以往的家庭洗衣机往往的利用继电器来控制，需要消耗大量人力。针对此问题，近年来自动洗衣机因为易于使用，节省了很多人力而备受欢迎，过去传统的洗衣过程如进水、洗涤、漂洗、甩干、滤水、放水等操作依靠自动控制的技术均均可以实现无监督全自动处理，加上近年来计算机控制技术和单片机技术的迅速发展，自动洗衣机的性能不断在完善。 目前，中国的洗衣机市场正进入一个新的时期，市场潜力巨大，但在很多方面不能满足人们的需求，人们的要求越来越高，洗衣机的性能需要不断增强，洗衣机的最主要的功能是洗涤、漂洗以及甩干功能，这就要求设计师有专业知识和较高用户体验设计的水平，可以让更多好的设计应用到产品中去，满足现实的需求，设计出更节能，更具特色，更人性化的全自动洗衣机。因此，全自动洗衣机的设计是基于单片机控制电路，具有很强的实用性。第1.2节 研究现状近年来得益于单片机技术的发展，使得单片机的集成度更高，运算速度更快，还因为体积比较小、运行可靠、成本低等因素，洗衣机的控制系统均采用单片机来控制。基于单片机的全自动洗衣机控制系统，具有精度高，强大的功能和良好的经济表现。无论是体现在提高产品的产品质量或数量不可比拟的优势，节约能源和改善工作条件等。深入的全自动洗衣机的微控制器为基础的控制系统的设计研究，使我们能够把握这个重要的设备自动洗车机工程及控制系统，以进一步了解应用方法，基本的技术学习维护不同领域的微控制器，但也为电子信息行业的发展奠定了基础，所以这个话题是非常重要的。第2章 方案选择与比较 第2.1节 系统总体框架主控电路中的芯片采用的是STM32F103C8T6单片机,以下都简称STM32单片机，其控制的对象包括：进水阀、排水阀、电机。这些被控对象需要根据不同的洗衣程序来设定它们不同的工作状况和工作时间，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衣机的运行状态；按键用来控制程序的运行和设置洗涤模式；蜂鸣器用来进行程序运行提示及故障报警。洗衣机控制系统框图如图2-1所示： 图2-1 洗衣机控制系统框图第2.2节 系统方案选择主控芯片选择：方案一：采用PC机。它可在线编程、仿真，调试简单，并且人机交互界面友好。但是PC不能直接与外围设备通信，虽然可以使用RS232将电平转换成兼容的硬件合成线调试，但是这样操作十分繁琐。尤其是在汽车这种特定场合中，系统的安全、稳定性尤为重要，PC机不便于安装与更换，性能不稳定，难以符合本设计的要求。方案二：使用STM32单片机。单片机可以实现灵活的编程操作，针对特定的系统环境可以设计出符合需求的软件程序。而且相交于前者，其在价格、体积、硬件设计难易度等方面有着巨大的优势。STM32单片机I/O口资源丰富，可以同时控制多个外围器件。其片内带有USART、12位定时器、高精度的DAC等多种硬件资源，有利于日后软件的优化升级。此外，STM32在工业控制上也有着十分广泛的应用，软硬件设计方案都十分稳定、成熟。 综上所述，综合考虑控制系统的稳定性、灵活性、复杂程度各方面因素，选择方案二。显示模块选择：方案一：利用LED数码管动态扫描显示。LED数码管价格相对低廉，用于显示简单的字母和数字较为合适。但是采用动态扫描法所需单片机的IO口较多，然而因为单片机IO口输出的电流太小，所以还要设计一个驱动电路，利用驱动电路对电流放大后才能控制数码管，如果采用数码管显示的内容多了，电路的焊接的难度会增大比较容易发生错误。方案二：采用OLED显示模块。该模块是的分辨率为12864，的单色线、字符、图形显示模块，使用SSDl303驱动OLED的矩阵，内部整合12864即8192单位的RAM，对应于OLEDl2864像素，被划分为八个，每个页面被分成8行。通过SPI总线通信，每个RAM单元直接作为驱动信号的图形显示的数据。由于显示内容较多，OLED模块更适合本设计，而且LED数码管所占用的IO较多，会影响到本设计的其他模块功能，所以选用方案二，采用OLED模块来作为显示模块。水位检测方案选择：方案一： 超声波液位检测，是利用安装在容器顶部的超声波探头发出超声波，在触碰到水面反射后根据时间差来算出探头与水面的距离，从而算出水位高度。但由于本设计为洗衣机控制系统，探头不方便安装在顶部且超声波方案较为昂贵。方案二： 压力式液位检测，是使用比较广泛的液位检测方案，在体积不变的情况下利用水对压力传感器的压力来计算水位的高度，一般采用陶瓷晶体来作为压力传感器的材料，此种方案设计方便，价格低，比较适合本设计。 考虑到设计的易用性，超声波方案不易安装且价格昂贵，选取了比较经济的方案，采用压力式液位检测的方案。 第2.3节 系统功能方案 本次设计的洗衣机系统具备以下功能： 1洗涤参数选择： (1)时间选择： 用户可以自定义漂洗时间、脱水时间，也可以选择默认参数的全自动模式 (2) 洗涤时，洗涤指示灯亮；漂洗时，漂洗指示灯亮；脱水时，脱水指示 灯亮。 2洗涤模式选择： 洗涤模式选择：该洗衣机有两种不同的洗涤模式即为自定义模式，全自动模式。用户可以根据需要来选择相应的洗涤模式。有水位控制，能自动断水。 3、暂停功能。不管洗衣机工作在什么状态，当按下暂停键时，洗衣机须停止工作，待启动键按下后洗衣机又能按原来所选择的工作方式继续工作。 4、报警提示。洗衣机完成洗涤过程后会有蜂鸣器报警提示第3章 系统的硬件设计第3.1节 主控芯片介绍 本设计使用的STM32F103xx系列微控制器由意法半导体公司生产。决定在本设计中使用STM32F103xx系列微控制器是因为相比于其他的微控制器，它具有更加丰富的片内硬件资源。STM32F103xx系列微控制器工作频率最高可达72MHz，同时待机功耗36mA，是相同性能的32位MCU市场上功耗最低的产品。STM32F103xx系列微控制器基于ARM Cortex-M3的32位RISC（精简指令集）内核，其拥有高达128 KB闪存的和多达20字节的静态随机存取存储器（SRAM），GPIO和外设连接到两个高速APB总线工作。该STM32F103xx微控制器的外设包括两个12位的ADC，一个控制定时器，3个通用16位定时器，同时也是PWM（脉宽调制）定时器。它也有两个I2C（内部集成电路）和SPI（串行提供的外设接口），三个USART（通用同步/异步接收发送器），一个USB和一个CAN（控制器区域网络）作为通信接口。STM32 最小系统电路外接 8MHZ 晶振，经内部 PLL 锁相环倍频之后得到 72MHZ供内部使用；启动项默认为低电平表示从内部 flash开始运行程序；并采用 RC 复位电路实现系统的上电复位。其原理图如下图3-1所示：图3-1 STM32F103C8T6最小系统图第3.2节 水位检测电路设计洗衣机的水位检测是基于压力传感器的也为检测技术，本设计考虑成本采用了压电陶瓷作为压力传感器。压力式液位检测技术是根据液体的重量对传感器所产生的压力进行了测量，液位的高度与液体的所产生的压力成正比，再根据容器的底面积来进行对高度的换算，换算后的高度既液位的高度。其驱动电路如下图3-2所示：图3-2 水位检测电路原理图 第3.3节 矩阵键盘电路设计本次设计的人机交互中有十六个按键的设计，可以方便用户在设置和修改一些参数，使得系统可以满足不同场合的需求。采用4X4的矩阵扫描方式，由于与按键相连的单片机引脚为高电平，当按键被按下时，单片机引脚上的电平被拉低，同时由于单片机会循环扫描引脚上的电平，当发现其电平被拉低时便可判断按键按下，但是在实际中由于人手操作的不准确会产生多个按键信号，所以在本次设计中加入了延时10毫秒来消去按键是的抖动，实验发现具有较好的消抖效果。具体电路如图3-3所示。图3-3 矩阵键盘原理图第3.4节 显示电路设计 OLED属于一个电流 - 型有机发光装置中，由载流子注入和复合发光引起的现象，该电流正比于发光强度和注入。散发出单个像素的机理是：在阳极加210V DC正电压和阴极到0V。电场的作用下的OLED，电子 - 空穴在阳极产生和阴极可发生所得移动，分别向空穴传输层和电子注入输送层，迁移到发光层。当两个发光层中相遇，以产生激子能量，从而激发发光分子最终产生可见光。不像LED OLED的用途为主的单个像素，而是实现平板显示技术。需要大量的像素组合，以形成OLED的阵列。要点亮的像素则需要相应的驱动电路，一般有两种方式。一个是一个动态扫描模式，也称为无源驱动模式或被动驱动模式（PM-OLED）。这样的方法是使用一个公共阴极配置，即阴极连接到每个像素和与交叉点构成的列，行象素矩阵接触的阳极电极的行电极。OLED显示模块有多种型号可供选择，但目前仍然占主导地位的单色显示屏。为了说明的OLED显示器模块和微控制器接口应用到VGGl2864G - S002模型为例加以介绍。该模块是一个12864像素的单色线、字符、图形显示模块，使用SSDl303驱动OLED的矩阵，内部整合128 X64 = 8192单位的RAM，对应于OLEDl28 64像素，被划分为八个，每个页面被分成8行。通过SPI总线通信，每个RAM单元直接作为驱动信号的图形显示的数据，该显示用数据是“1” ，OLED的点“亮”，该数据为“0”，OLED的“关闭”。3.4.1 驱动电路OLED显示模块经过封装以后只引出了6个引脚，其引脚功能如下所示1 GND：电源地；2 VCC：电源正，DC2435V，典型值为3V；3 D0，时钟线4 DC数据指令选择控制端，DC；=0时数据线输入指令；DC=1时输人数据；5 RES复位端，低电平有效；6 CS：片选信号OLED模块较少的占用了单片机的IO引脚端口资源，可以用来实现更多的功能，同时OLED显示技术也是显示屏行业目前发展的一大亮点。OLED在使用的时候是使用SPI通信的，所以OLED的SPI系列引脚需要与单片机SPI系列引脚连接，由单片机通过SPI通信方式来给OLED模块传送指令。OLED模块可以使用3.3V或者5V的供电方式。其原理图如图3-4所示：图3-4 OLED硬件电路设计第3.5节 报警电路设计洗衣机需要报警电路用来给用户操作提示，比如洗衣完成时等等，而比较常用的电路是采用蜂鸣器的驱动电路。 蜂鸣器的运用。蜂鸣器是一种运用于电子产品的元器件，又称为喇叭，许多运用场合都有涉及，如提示、报警、音乐等。其结构图如3.5.1所示 在用法上，蜂鸣器与家用电器的喇叭差不多，有较大的工作电流，蜂鸣器基本不能被电路上的TTL所驱动，外加电流放大电路就可以，因此蜂鸣器很难被一个管脚驱动发出声音，所以蜂鸣器的电流是由增加一个三极管来提供的。 一开始设一分钟计算一次速度，观察速度是否在行驶过程达到标准，蜂鸣器的正极一端接5V电源，另一端接在三极管的集电极，单片机的PB6管脚的与门控制三极管的基极，当PB6管脚为低时，与非门输出高电平，三极管导通，形成蜂鸣器的电流回路，有声音。当PB6管脚为高时，与非门输出低电平，三极管截至，没声音。其电路如图3-5所示。图3-5报警电路原理图第4章 系统的软件设计第4.1节 主程序主程序流程为，首先初始化定时器、蜂鸣器、电机、按键和OLED驱动，接着选择模式，模式一为自定义模式，模式二为甩干模式，模式三位自动模式。其中模式一中可以设置时间和强度；模式二中，可设定甩干时间；模式四中参数为默认模式无需输入，功能完成后蜂鸣器自动报警。其中由TIM3计时器中断控制正反转，TIM4和TIM1输出PWM控制电机强度。详细流程图如图4-1所示：图4-1 主程序框图详细代码如下所示：#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include int main(void)int key_value;delay_init();OLED_Init();key_init();beep_init(8999,0);NVIC_Configuration();TIM3_Int_Init(9999,7199); /计时 (9999+1)*(7199+1)/72MHz =1sTIM2_Int_Init(19999,7199);/计时 (29999+1)*(7199+1)/72MHz =3smoto_init(8999,0); /频率=72000/(8999+1)=8Khz 不分频OLED_P8x16Str(0,0,Select mode);OLED_P8x16Str(0,2,1:Custom mode);OLED_P8x16Str(0,4,2:Drying mode);OLED_P8x16Str(0,6,3:Auto mode);while(1)key_value=key_scan();if(key_value!=-1&key_value=1&key_value=2&key_value=3)OLED_CLS();switch(key_value)case 1:OLED_P8x16Str(0,0,Custom mode);while(key_scan()=key_value);Mode_Wash_Custom();beep();break;case 2:OLED_P8x16Str(0,0,Drying mode);Mode_Dry();beep();break;case 3:OLED_P8x16Str(0,0,Auto mode);Mode_Auto();beep();break;if(key_value=12)OLED_CLS();OLED_P8x16Str(0,0,Select mode);OLED_P8x16Str(0,2,1:Washing mode);OLED_P8x16Str(0,4,2:Drying mode);OLED_P8x16Str(0,6,3:Auto mode);第4.2节 键盘显示程序设计 本次设计采用的4X4矩阵键盘的控制方式是通过行列扫描的方法来实现的，虽然不是由外部中断触发，但也可以满足实时性的需求。在检测程序开始的时候会先逐行和逐列循环扫描是否有按键按下，如果有按键按下就进入按键处理程序，会对按键进行消抖处理通常是延时10ms，再进行键值的匹配，判断是由哪个按键触发，最后保存键值和修改按键状态。其流程图如下图4-2所示：图4-2 矩阵键盘程序流程图第4.3节 内部中断程序设计本次设计运用了STM32芯片中多个内部中断，其中由TIM3计时器中断控制正反转，TIM4和TIM1输出PWM控制电机强度。#include #include #include stm32f10x_tim.h#include #include #define WashStrength_LV3 3000#define WashStrength_LV2 5000#defineWashStrength_LV1 7000extern int Wash_Time;int Moto_State=1;void TIM3_Int_Init(u16 arr,u16 psc)/TIM3定时器（时间计算）初始化 TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); /时钟使能TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; /设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值 计数到5000为500msTIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; /设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值 10Khz的计数频率 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; /设置时钟分割:TDTS = Tck_timTIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; /TIM向上计数模式TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); /根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位 TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update ,ENABLE);NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn; /TIM3中断NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; /先占优先级0级NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3; /从优先级3级NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; /IRQ通道被使能NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); /根据NVIC_InitStruct中指定的参数初始化外设NVIC寄存器 /使能TIM3外设(放到主循环中开启) void TIM2_Int_Init(u16 arr,u16 psc)/TIM4定时器（电机控制）初始化TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); /时钟使能TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; /设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值 计数到5000为500msTIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; /设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值 10Khz的计数频率 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; /设置时钟分割:TDTS = Tck_timTIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; /TIM向上计数模式TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure); /根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位 TIM_ITConfig(TIM2,TIM_IT_Update ,ENABLE);NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn; /TIM3中断NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; /先占优先级0级NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3; /从优先级3级NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; /IRQ通道被使能NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); /根据NVIC_InitStruct中指定的参数初始化外设NVIC寄存器 /使能TIM4外设(放到主循环中开启)void TIM3_IRQHandler()if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET)TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);Wash_Time-;void TIM2_IRQHandler()if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET)TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);Moto_State=!Moto_State;if(Moto_State)Moto1=1;Moto2=0;if(!Moto_State)Moto1=0;Moto2=1;第4.4节 电机控制程序设计洗衣机电机由PA8,PB0和PB1三个管脚控制，采用TB6612驱动芯片，由PA8输出PWM波进行速度控制，PB0和PB1控制电机旋转方向。当PB0为高电平PB1为低电平时电机正转，当PB0为低电平，PB1为高电平时电机反转。详细程序如下所示：#include #include stm32f10x_tim.h#include stm32f10x_gpio.hvoid moto_init(u16 arr,u16 psc)GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA , ENABLE); /使能GPIO外设时RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB , ENABLE); /设置该引脚为复用功能输出,输出TIM1 CH1的PWM波形GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8; /TIM_CH1GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc;TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure); TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2; TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; TIM_OCInitStructure.T