基于MCS-51的全自动洗衣机控制系统的模拟设计与实现.doc

西北工业大学明德学院本科毕业设计论文本科毕业设计论文 题 目 基于MCS-51的全自动洗衣机控制 系统的模拟设计与实现 专业名称 自动化 学生姓名 刘一樊 指导教师 宋彩利 毕业时间 2014.6 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文设计论文 毕业 任务书一、题目基于MCS-51的全自动洗衣机控制系统的模拟设计与实现二、指导思想和目的要求本题目可锻炼学生对计算机应用系统的设计与调试能力、绘制电路图的能力和程序设计能力。要求能用Proteus软件绘制基于单片机的全自动洗衣机系统硬件电路，在keil软件下用C语言编写自动洗衣控制程序，将软硬件进行关联，实现全自动洗衣机的系统模拟。三、主要技术指标1掌握MCS-51单片机的工作原理和单片机应用系统的开发过程和系统模拟调试方法。2掌握keil软件的应用方法，熟练应用C51软件编写应用程序代码。3掌握Proteus软件，熟练绘制全自动洗衣机系统原理图，能将目标程序与硬件关联，进行系统的模拟调试。4掌握LED等、电机、键盘等常用设备的工作原理，绘制单片机对这些设备控制的原理图，编写控制程序并进行模拟调试。5掌握全自动洗衣机的工作原理，设计洗衣机控制系统原理图，用C51进行编程，实现自动洗衣功能。6. 按时、按质、按量完成论文撰写，按标准格式装订成册。四、进度和要求第1周：布置任务，熟悉Proteus软件和keil软件环境。第2周第3周：熟悉单片机最小系统工作原理，用单片机控制LED灯实现流水灯效果。第4周：熟悉七段数码管显示原理，用单片机控制实现静态和动态两种显示效果。第5周：熟悉直流电机的工作原理和调速方法，用单片机控制电机以不同速度和方向进行工作。第6周第7周：熟悉键盘输入方法，用单片机控制接收洗衣机上的按键值，并将接收值进行显示。第8周第9周：熟悉全自动洗衣机的工作原理，绘制洗衣机系统电路图，编写用按键控制洗衣流程。第10周第11周：进行设备联调，实现全自动洗衣功能。第12周第13周：总结设计内容，完成毕业论文初稿。第14周：修改论文，完成正式稿。第15周：提交毕业设计论文，准备答辩工作。第16周：毕业答辩。五、主要参考书及参考资料 1 王守中，聂元铭.51单片机开发入门与典型实例M .人们邮电出版社，2009 2 张毅刚.单片机原理及应用M .高等教育出版社，2003. 3 韩全立.单片机控制技术及应用.电子工业出版社，2004. 4 宋浩，田丰.单片机原理及应用M .清华大学出版社，2005 5 童诗白，华成英.模拟电子技术基础M .高等教育出版社，2006 6 刘竺仁，韩保君，刘锗.传感器原理及应用技术.西安电子科技大学出版社，2008 7 宋雪臣.传感器与检测技术.人民邮电出版社，20098 李华.MCS-51单片机实用接口技术M .人民邮电出版社，2005.6 9 张毅刚.单片机原理及应用M .高等教育出版社，2003.10 宋浩，田丰.单片机原理及应用M .清华大学出版社，200511张兵,袁寿其,成立,将惠凤;基于PLC的全自动灌溉控制系统的设计J;广西水利水电2004年03学生 指导教师 系主任 摘要 随着单片机技术日新月异的发展，单片机以其集成度高、运算速度快、体积小、可靠运行、价格低廉等特点在过程控制、机电一体化、智能化仪表、家用电器等方面得到了广泛的应用。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，目前的洗衣机主要由进排水系统故障自动诊断功能、暂停等几大功能，在许多方面还不能达到人们的需求。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、更人性化的全自动洗衣机。目前的洗衣机都没有实现全方面的兼容，大多洗衣机的厂家都注重各自品牌的洗衣机的特长，突出一两个与别的洗衣机不同的个性化的功能，洗衣机的各项功能是由单片机控制实现的，单片机体积小，控制功能灵活，因此，设计出基于单片机的洗衣机控制系统就具有很强的实用性。而本次设计的洗衣机控制器也是为了满足某些用户的不同需求。同时也将单片机控制技术用到了实际生活中，最重要的是将所学的东西运用化。关键词：单片机、洗衣机、控制器。ABSTRACT With the development of SCM technology change rapidly, its characteristics of high integration, fast operation, small volume, reliable operation, low price, has been widely used in process control, mechatronics, intelligent instruments,household appliances etc. At present Chinese washing machine market is to enter thereplacement period, the market potential is enormous, people have more and more requirement for washing machine, washing machine is currently the main from the drainage system of automatic fault diagnosis of several majorfunction, pause, in many ways cant meet peoples needs. This requiresdesigners have higher professional and technical level, can give more good suggestions and new topic, peoples need to become a reality, design moreenergy-efficient, function more comprehensive, more human nature is full automatic washing machine. Washing machine at present are not compatible with all aspects of the washing machine, washing machine manufacturers are mostly focused on their own brand of specialty, highlighting one or two differentpersonality and other washing machine function, various functions of washing machine is realized by microcontroller, monolithic body small, flexible control functions, therefore, design the washing machine control system based on MCUis very practical. Washing machine controller and the design is in order to meet the different needs of some users. At the same time the single-chip microcomputer control technology used in real life, the most important is to use what they have learned.KEY WORDS:single chip microcomputer 、washing machine.、the controller.目录第一章 绪论71.1选题的背景71.2选题的意义91.3 本课题的主要任务和要求9第二章 系统实现的核心元件与技术102.1单片机AT89C51基本知识102.1.1单片机AT89C51管脚说明102.1.2单片机最小系统电路132.2数码显示器简介132.2.1数码显示器的分类132.2.2 LED显示器的结构与原理152.2.3 LED显示器的扩展(显示方式)152.2.4 LED液晶显示屏与单片机接口电路设计162.3水位传感器162.4洗衣机电机简介172.4.1定速电机172.4.2变速电机182.4.3变频感应电机192.4.4永磁无刷电机192.4.5开关磁阻电机202.5本章小结20第三章 系统的总体设计213.1控制系统的硬件组成213.2系统硬件设计223.3单片机外围电路设计233.3.1.电源电路233.3.2振荡电路233.3.3.复位电路233.3.4.低电压保护电路243.4洗衣机的实际控制电路设计253.4.1显示电路253.4.2开始/暂停按键253.4.3水位、安全开关电路253.4.4外接蜂鸣器电路263.4.5进出水阀电路273.4.6洗衣机电机控制电路273.5系统的工作过程283.5本章小结29第四章 系统硬件仿真及程序设计304.1控制系统程序编写304.1.1系统的运行分析304.1.2初始定义程序314.1.3延时程序344.1.4电机初始化程序344.1.5电机控制程序344.2程序调试404.3系统硬件仿真414.3.1仿真软件简介414.3.2硬件仿真414.4本章小结44第五章 总结45参考文献46致 谢47毕业设计小结48附录一程序源代码49附录二电路图59VI第一章 绪论简要介绍洗衣机的发展历史以及更新换代的情况，分析人们对洗衣机功能的现实需要，最后，简要介绍了本论文的主要工作。1.1选题的背景从古到今,洗衣服也都是一项繁重的家务劳动,需要手搓、棒击、冲刷、甩打而这些不断重复的简单的体力劳动,留给人的感受常常就是:辛苦劳累而且在洗衣机出现以前,对于大部分的人毫无乐趣可言。到了1874年,有人发明了用木制手摇洗衣机。它的发明者是美国人比尔布莱克斯。布莱克斯所发明的洗衣机只是在木筒里装上6块叶片,使用用手柄和齿轮传动,构造却极为简单,通过叶片来使衣服在筒内翻转,从而达到是衣物洁净的目的。而这套装置的问世,可以使那些为了冥思苦想提高生活效率的人们很受启发,这开始大大加快了洗衣机的改进过程。到了1880年,美国又发明了蒸气洗衣机,开始使用蒸气动力取代人力。之后,随着水力洗衣机以及内燃机洗衣机的相继出现。到了1911年,世界上第一台的电动洗衣机在美国试制成功。而电动洗衣机的问世,则标志着人类家务劳动的自动化开端。电动洗衣机经过不断的改进与完善,在1922年美国玛依塔格公司所研制成功一种新的洗衣方式称之为“搅拌式”的机器搅拌式洗衣机。这种洗衣机的构造是在筒的中心位置装上一个立轴,而立轴的下端有一个装置叫搅拌翼,并通过电动机来带动立轴工作,进行周期性的正反方向的摆动,通过这种方式来驱使衣物和水流之间进行不断翻滚和相互摩擦,以此来去除衣物上的污垢。因为搅拌式洗衣机从结构和洗衣功能相对来说更加科学合理和具有更好的洗涤效果,从而受到人们的普遍欢迎。但是不过很快不到10年的工夫,美国的本德克斯航空公司又宣布,他们公司所研制成功了第一台的前装式滚筒洗衣机,这种机器可以实现洗涤和漂洗以及脱水功能在同一个滚筒内完成。这就意味着电动洗衣机在型式上又前进了一步,在自动化方向又跃进了一个台阶!直到今天,滚筒式洗衣机仍然在很多地区和国家得到广泛的应用。随着工业化的加速发展,在世界上各个国家都加快了洗衣机研制的进程。起初英国研制并推出了一种叫做为喷流式洗衣机,它就是靠筒体一侧来运转波轮从而产生强烈涡流,来促使洗涤液和衣物共同在滚筒之内不断翻滚旋转,达到洗净衣物的效果。到了1955年,另具风格、并且至今都在流行的波轮式洗衣机在日本研制出来。此时,搅拌式和滚筒式以及波轮式这三种类型的洗衣机共同占有了洗衣机市场的大部分江山。到了20世纪60年代之后,许多发达国家在洗衣机的消费市场开始形成一系列的产品,洗衣机的家庭普及率急速上升。在此期间日本在洗衣机的发展领域备受瞩目。60年代在日本出现了能带干桶的双桶洗衣机,也就是人们所谓的“半自动型洗衣机”。到了70年代,日本又生产了出波轮式套桶全自动洗衣机。而到了70年代后期随着计算机技术的发展,通过单片机控制(即微电脑控制)的全自动洗衣机横空出世。而到80年代,通过所谓的“模糊控制,使洗衣机功能更加完备,操作更加简便,外观造型更加为时尚,洗衣程序更加随人意。进入了90年代以后,由于电机调速技术水平的提高,宽范围的转速变换以及调节在洗衣机上的实现,从而诞生了许多的新水流洗衣机。在此以后,在电机驱动技术的发展和提高的基础上,日本又开发和生产出了电机直接驱动式洗衣机,这中洗衣机直接省去了齿轮传动和变速机构,这是洗衣机驱动方式上的一场革命。但是在中国,由于历史的原因,洗衣机工业的起步非常的晚,一直到1978年才开始正式生产家用洗衣机。但是,随着改革开放的不断深化,随着人们认识水平的提高以及经济实力和收入的增长,进入80年代后中国的的洗衣机工业持续保持着旺盛的发展势头。从1978年到1983年洗衣机的产量由400台急剧飘升到了365万台,在此以后大规模的技术引进的热潮在全国各地掀起,大约有数十个厂家不分先后从先进国日本、英国、法国、意大利、澳大利亚等国把把洗衣机先进技术引进了数十项。相关技术的大规模引进和吸收甚至创新,从而极大的提升了我国的国产洗衣机的生产能力质以及产业素,从而大大缩短了同发达国家之间的技术差距。到了今天,我国洗衣机的年产销量大概占据了世界年产量的四分之一,从而跃居世界首位。伴随着科学技术的的进一步发展,相信新的更适合人们使用的洗衣机能够给我们的生活带来新的方式。1.2选题的意义 随着单片机技术日新月异的发展，单片机以其集成度高、运算速度快、体积小、可靠运行、价格低廉等特点在过程控制、机电一体化、智能化仪表、家用电器等方面得到了广泛的应用。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，目前的洗衣机主要由进排水系统故障自动诊断功能、暂停等几大功能，在许多方面还不能达到人们的需求。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、更人性化的全自动洗衣机。目前的洗衣机都没有实现全方面的兼容，大多洗衣机的厂家都注重各自品牌的洗衣机的特长，突出一两个与别的洗衣机不同的个性化的功能，洗衣机的各项功能是由单片机控制实现的，单片机体积小，控制功能灵活，因此，设计出基于单片机的洗衣机控制系统就具有很强的实用性。而本次设计的洗衣机控制器也是为了满足某些用户的不同需求。同时也将单片机控制技术用到了实际生活中，最重要的是将所学的东西运用化。1.3 本课题的主要任务和要求本论文是基于AT89C51单片机设计洗衣机的核心控制模块，主要分为硬件设计和软件设计调试。硬件设计利用Protues软件完成，主要完成各个外围辅助电路的设计，最后完成仿真。而软件设计调试则是利用C语言编程实现洗衣机各个状态的自动控制。主要实现以下任务：（1）设计硬件电路和控制电路，搭建仿真模型，并用Protues上电仿真。（2）利用C语言编写单片机的控制程序，设计电机控制程序，来完成洗衣过程的各个环节。（3）最终实现洗衣过程的自动控制。 第二章 系统实现的核心元件与技术详细介绍了系统实现过程中使用到的关键元件的引脚与功能，本文实现洗衣机自动控制的核心是AT89C51单片机，还要用到的包括水位传感器以及洗衣机电机，本章将详细介绍这些核心器件的具体功能。2.1单片机AT89C51基本知识AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51与MCS-51 兼容，4K字节可编程闪烁存储器，寿命：1000写/擦循环，数据保留时间：10年，全静态工作：0Hz-24Hz，三级程序存储器锁定，128*8位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。AT89C51芯片引脚布局如图2.1所示。2.1.1单片机AT89C51管脚说明VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。图2.1 AT89C51芯片P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下：口管脚 备选功能P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 /INT0(外部中断0)P3.3 /INT1(外部中断1)P3.4 T0(记时器0外部输入)P3.5 T1(记时器1外部输入)P3.6 /WR(外部数据存储器写选通)P3.7 /RD(外部数据存储器读选通)P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.1.2单片机最小系统电路本文采用51单片机最小系统作为控制核心，设计的最小系统如图2.2所示。图2.2 单片机最小系统电路图晶振采用12MHZ。由于单片机只访问片内Flash ROM并执行内部程序存储器中的指令，因此单片机的31脚接高电平VCC。2.2 数码显示器简介2.2.1 数码显示器的分类通过发光二极管芯片的适当连接（包括串联和并联）和适当的光学结构。可构成发光显示器的发光段或发光点。由这些发光段或发光点可以组成数码管、符号管、米字管、矩阵管、电平显示器管等等。通常把数码管、符号管、米字管共称笔画显示器，而把笔画显示器和矩阵管统称为字符显示器。（一）LED显示器结构 基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片按图12排列而成的。可实现09的显示。其具体结构有“反射罩式”、“条形七段式”及“单片集成式多位数字式”等 （1）反射罩式数码管一般用白色塑料做成带反射腔的七段式外壳，将单个LED贴在与反射罩的七个反射腔互相对位的印刷电路板上，每个反射腔底部的中心位置就是LED芯片。在装反射罩前，用压焊方法在芯片和印刷电路上相应金属条之间连好30m的硅铝丝或金属引线，在反射罩内滴入环氧树脂，再把带有芯片的印刷电路板与反射罩对位粘合，然后固化。 反射罩式数码管的封装方式有空封和实封两种。实封方式采用散射剂和染料的环氧树脂，较多地用于一位或双位器件。空封方式是在上方盖上滤波片和匀光膜，为提高器件的可靠性，必须在芯片和底板上涂以透明绝缘胶，这还可以提高光效率。这种方式一般用于四位以上的数字显示（或符号显示）。（2）条形七段式数码管属于混合封装形式。它是把做好管芯的磷化镓或磷化镓圆片，划成内含一只或数只LED发光条，然后把同样的七条粘在日字形“可伐”框上，用压焊工艺连好内引线，再用环氧树脂包封起来。 （3）单片集成式多位数字显示器是在发光材料基片上（大圆片），利用集成电路工艺制作出大量七段数字显示图形，通过划片把合格芯片选出，对位贴在印刷电路板上，用压焊工艺引出引线，再在上面盖上“鱼眼透镜”外壳。它们适用于小型数字仪表中。 （4）符号管、米字管的制作方式与数码管类似。 （5）矩阵管（发光二极管点阵）也可采用类似于单片集成式多位数字显示器工艺方法制作。 （二）LED显示器分类 （1）按字高分：笔画显示器字高最小有1mm（单片集成式多位数码管字高一般在23mm）。其他类型笔画显示器最高可达12.7mm（0.5英寸）甚至达数百mm。 （2）按颜色分有红、橙、黄、绿等数种。 （3）按结构分，有反射罩式、单条七段式及单片集成式。（4）从各发光段电极连接方式分有共阳极和共阴极两种。（三）LED显示器的参数 由于LED显示器是以LED为基础的，所以它的光、电特性及极限参数意义大部分与发光二极管的相同。但由于LED显示器内含多个发光二极管，所以需有如下特殊参数： （1）发光强度比 由于数码管各段在同样的驱动电压时，各段正向电流不相同，所以各段发光强度不同。所有段的发光强度值中最大值与最小值之比为发光强度比。比值可以在1.52.3间，最大不能超过2.5。（2）脉冲正向电流 若笔画显示器每段典型正向直流工作电流为IF，则在脉冲下，正向电流可以远大于IF。脉冲占空比越小，脉冲正向电流可以越大。2.2.2 LED显示器的结构与原理 LED显示器有两种不同的形式：一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称为共阴极LED显示器,我们选择其中一种共阳极.如图2.3所示。 图2.3 LED显示器的机构与原理图单片机系统扩展LED数码管时多用共阳LED:共阳数码管每个段笔画是用低电平(“0”)点亮的,要求驱动功率很小；而共阴数码管段笔画是用高电平(“1”)点亮的，要求驱动功率较大。 通常每个段笔画要串一个数百欧姆的降压电阻。在本次设计中我们采用共阳数码管。2.2.3 LED显示器的扩展(显示方式)LED数码管的显示方式：静态与动态静态显示: 各数码管在显示过程中持续得到送显信号，与各数码管接口的I/O口线是专用的。动态显示: 各数码管在显示过程中轮流得到送显信号，与各数码管接口的I/O口线是共用的。静态显示特点: 无闪烁，用元器件多，占I/O线多，无须扫描，节省CPU时间，编程简单。动态显示特点: 有闪烁，用元器件少，占I/O线少，必须扫描，花费CPU时间，编程复杂。(有多个LED时尤为突出）在本次设计我们采用动态显示。2.2.4 LED液晶显示屏与单片机接口电路设计LED液晶显示屏与单片机接口电路设计如图2.4所示。P0.0/AD0-AP0.1/AD1-BP0.2/AD2-CP0.3/AD2-DP0.4/AD4-EP0.5/AD5-FP0.6/AD6-GP0.7/AD7-DPP10-1P11-2图2.4LED液晶显示屏与单片机接口电路设计2.3 水位传感器水位传感器就相当于压力开关。当你设定好一个压力值以后,注水后产生水压,达到压力值后就自动通电,达到了开关的作用洗衣机水位开关分为电子式(可调电阻式)和开关式两种,它们都是通过水位上升时所产生的空气压力通过管传递到传感器使电阻发生变化或内部开关接通来使电脑产生动作的,它损坏后都会产生注水不准,长注水不动作(运转),排完水后不甩干(此情况比较少见,原因是传感器不复位)。检修时应注意检查管道是否破裂,两端密封是否良好,传感器是否漏气,检查传感器时可用嘴从空气入口处吹入空气同时用表测量传感器两端阻值是否发生变化或开关是否接通,开关式传感器上面的螺钉是用来调整水位注入高低用的,水位不准时可调整。水位传感器示意图如图2.5所示。图2.5 水位传感器2.4 洗衣机电机简介目前国内市场上比较多的洗衣机主要有以下两种:波轮式和滚筒式洗衣机。这两种洗衣机,它们的基本原理都是通过电机来带动波轮或者滚筒旋转,从而通过通过水流和衣物之间的冲击来洗涤衣服,电机的性能好坏决定了洗衣机的运行情况以及洗涤的效果,也就是说决定了振动的大小以及洗涤、甩干的质量等。现在在波轮洗衣机一主要使用的电机有:单相感应电机、用变频电机和无刷电机,而串激电机重要用在滚筒洗衣机上,另外还有无刷电机、变频电机、开关磁阻电机等等。总的来说,可以将他们分为两大类:变速电机以及定速电机,下面对以上电机进行简单的介绍。2.4.1定速电机定速电机属于感应电机的一种,其基本原理是通过电容进行运转的单相异步电机,就此可以分为单速电机和双速电机两种类型。单速电机:是指电机在定子上有二相绕组在空间上相互垂直,其中的一相通过移相电容和电源相连接,而转子则由鼠笼和铁心组成,转子以及定子之间在电路上没有直接联系,而是通过磁场祸合在一起实现能量的传递,在定子绕组上通电则产生旋转磁场,通过旋转磁场切割转子鼠笼从而产生感应电流,二者之间又相互作用产生电磁力。通过产生的电磁转矩带动电机旋转,它具有感应电机所具有的结构简单和成本低的优点,运行性能较好,但缺点是起动性能稍差和无法调速。波轮洗衣机上一般使用单速电机。双速电机:从原理上来说基本与同单速电机相同,但是两者也有不同之处,电机的变速采用改变绕组的连接方式,也就是说采用改变电机旋转磁场的磁极对数来改变它的转速。双速电机,平时的转速低,有时风机就高速转,主要是通过外部控制线路的切换来改变电机线圈的绕组连接方式来实现。按照绕组结构的不同一般可以分为共享绕组和分离绕组两种电机。双速电机目前主要用于波轮洗衣机,其中也有一部分用在滚筒洗衣机上,但是其缺点就在于用于滚筒洗衣机时甩干转速不能很高。2.4.2变速电机随着科学技术水平和人们生活水平的提高,不同材质的衣物也越来越多,对洗衣机的要求也越来越高,比如可以根据不同的衣物选择相对合适的洗涤方式,这可以使得衣物既能洗干净又能磨损少,而且还要具备省电和省水以及噪声低的优点。这就要求洗衣机的电机能根据不同的情况和需要提供不同的转速和转矩,而单速电机很显然不能满足这一较高的要求,只能通过变速电机来解决。常用的变速电机主要有串激电机、变频感应电机和永磁无刷电机以及开关磁阻电机几种。串激电机:它的原理和基本结构就是一台直流串激电机,之所以又叫通用电机或交直流两用电机是因为供给其交流电时也能工作。单相串励电动机的定子由凸极铁心和励磁绕组组成,转子由隐极铁心、电枢绕组、换向器及转轴等组成。励磁绕组与电枢绕组之间通过电刷和换向器形成串联回路。单相串励电动机属于交、直流两用电动机,它既可以使用交流电源工作,也可以使用直流电源工作。原理,通电导线在磁场中会到受力的作用。串激电机具有感应电机所无法达到的特点就是其调节特性和机械特性基本上都是平行的直线。另外,串激电机还具有起动力矩大、效率较高、调速方便、动态性能好等优点。但是,串激电机的缺点是结构复杂,转子的电流需要经过换向器和电刷共同作用来进行机械式换向,电机可靠性低、寿命短。另外由于控制电路简单,串激电机成本也较其他变速电机要低。串激电机一般主要用在滚筒洗衣机上,其甩干时电机的最高转速甚至可以达到每分钟1600转。2.4.3变频感应电机近两年发展起来的变频感应电机主要是由电机和控制器两部分组成。我们都知道,感应电机在电机极数已定的情况下要想得到不同的电机转速只能通过控制电路改变电机的供电电源频率来实现。现在比较常用的是采用变频控制方式。变频电机具有异步电机所具有的结构优点,同时又能达到串激电机的调速范围,另外效率比普通感应电机和串激电机高、噪声低。但是缺点是控制电路价格较高。随着电力电子技术以及控制理论的快速发展,使控制器的价格急剧下降,变频感应电机也将会逐步替代串激电机走向市场。变频感应电机主要用在滚筒洗衣机上,其甩干时电机的最高转速可以达到每分钟18000转,而且还可以再提高。2.4.4永磁无刷电机无刷电机也是最近几年快速发展起来的一种电机,按照其供电电流的波形和反电势的不同可以分为直流无刷电机和交流无刷电机这两种,无刷电机主要由控制器、位置传感器和电机本体所构成。洗衣机中用的无刷电机使用的通常都是外转子式,由于其转子使用的是永磁体,并且因为运行在同步状态而没有转子损耗,所以无刷电机的效率最高,它的噪声也最低。同变频电机一样,随着控制器价格的不断的大幅度下降,无刷电机也终将会逐步取代感应电机和串激电机。无刷电机既可以驱动波轮洗衣机也可以驱动滚筒洗衣机,尤其是近几年发展起来的直接驱动的滚筒洗衣机都使用了无刷电机。2.4.5开关磁阻电机这也是最近几年才刚刚发展起来的一种新型电机,它的结构主要是由电机本体、位置传感器和控制器构成,定子上是集中绕组,而转子仅是由铁心构成,在转子上既没有绕组又没有永磁体,只是依靠交轴和直轴之间的磁阻变化来产生力矩。更能适用于高转速以及环境恶劣的场合。缺点是其开关磁阻电机的噪声较高、力矩波动比较大。开关磁阻电机在目前仅仅只有少量使用在滚筒洗衣机上,但是随着控制技术的发展,其将具有更加广阔的应用前景。随着社会的发展,洗衣机电机不断向高功率密度、节能和环保以及智能化等方面发展,这也决定了变速电机将会成为市场的主流电机。尤其是变频电机和无刷电机这两种电机,由于具有结构可靠、控制方便、效率高等等较多优点,必将受到越来越多的用户的青睐。2.5本章小结本章详细介绍了洗衣机自动控制系统的主要硬件组成的基本功能，主要包括AT89C51单片机最小系统的设计，数码显示器，水位传感器以及洗衣机电机的介绍，为系统的硬件电路设计做好铺垫。第三章 系统的总体设计详细介绍了自动洗衣机的硬件电路组成以及设计方法，利用Protues制图软件绘制了各部分的实际电路图，简要介绍了洗衣机的整个工作流程，最后绘制了整体硬件总图。3.1控制系统的硬件组成 本系统的硬件电路共分成8部分：分别为AT89C51单片机时钟电路、复位电路、电机驱动控制电路、负载和液位传感器检测电路、进水排水阀电路、液晶显示电路、按键电路、报警电路。总体方案框图如图3.1所示。单片机复位电路功能指示灯显示模块报警电路进水阀模块排水阀模块图3.1 总体方案框图图3.2 整体硬件框图该电气图的核心部件是由单片机控制芯片,再加上由振荡时钟电路、输入开关、按键、8位LED数码管显示器、蜂鸣报警器和双向可控硅驱动电路以及欠压检测保护电路等组成的系统,来形成一个完整的单片机控制系统。通过对单片机编程以实现对洗衣机整个洗涤程序和过程进行监测、判断、控制以及人机交互。从整个控制板引出的导线主要包括:电源线、安全开关引线、水位压力开关引线、进水电磁阀引线以及电动机引线(包括正向和反向)和排水阀引线等。当接通电源后,通过安全开关、水位压力开关和按键开关向单片机输入信号,单片机则按照预先设定的程序来驱动进水阀、洗涤电机、排水阀等输出部件进行动作,同时,通过数码管显示和蜂鸣器鸣叫与用户进行相互交互,来指示当前正在进行的洗衣过程和剩余的时间多少。3.2系统硬件设计系统的硬件设计包括两部分，即单片机的外围辅助电路和洗衣机的实际控制电路。外围辅助电路主要包括单片机的电源电路、时钟振荡电路、复位电路、以及低电压保护电路。而洗衣机的实际控制电路包括进水控制的进水阀以及出水控制的出水阀电路、按键电路和报警电路。在实际的洗衣过程中，单片机通过对输入信号的处理来控制进出水阀的开闭，控制滚筒的正反转动以及静止，实现洗衣机的自动进水、浸泡、洗涤、脱水和排水的全过程。3.3单片机外围电路设计3.3.1.电源电路交流22OV经过电源开关后输入至变压器Tl、二极管全波整流电路和电解电容,以变压、整流、滤波后,再经过7805进行稳压,提供稳定的十SV电压供应给控制板各器件。3.3.2振荡电路由一个6MHz的晶振和两个30PF电容构成,组成单片机的时钟电路如图3.3.所示。图3.3 振荡电路3.3.3.复位电路复位方式有两种：1.手动复位：按钮按下，复位脚得到VCC的高电平，单片机复位，按钮松开后，单片机开始工作；2.上电复位：上电后，电容电压不能突变，VCC通过复位电容给单片机复位脚施加高电平5V，同时，通过10K电阻向电容器反向充电，使复位脚电压逐渐降低。经一定时间后复位脚变为0V，单片机开始工作。用于单片机上单时产生复位动作如图3.4所示。图3.4 复位电路3.3.4.低电压保护电路变压器次级绕组经二极管全波整流后的电压作为低电压保护电路的电压检测端,当该电压低于某一值时,将向单片机的万厅石引脚产生低电平中断。单片机响应该中断,关闭各输出端口,以保护执行部件如电机等设备不因欠压而损坏,如图3.5所示。图3.5低电压保护电路3.4洗衣机的实际控制电路设计3.4.1显示电路接两只共阳8段LED数码管,在开机时显示00值；用户按下选择按键后, 显示选择的洗衣过程代码；开始洗涤后,显示剩余的时间(单位为分钟)并闪动。如图3.6所示。图3.6显示电路3.4.2开始/暂停按键洗衣机刚加电时,该按键用于选择所需要的洗衣过程；开始洗衣后,该按键则用于暂停或继续洗衣过程。如图3.7所示。图3.7按键电路3.4.3 水位、安全开关电路水位开关用于检测洗衣桶内水位高低,若洗衣时遇水不足或需补水,单片机将根据该开关的通断情况以决定是否需要进水。若需进水,则打开进水阀直至水位开关闭合。安全开关用于在脱水时,判断洗衣机的桶盖是否打开。若进入脱水前遇桶盖打开则通过蜂鸣报警,若脱水时遇桶盖打开则通过显示报警,直到闭合桶盖后才能继续脱水处理;在脱水过程中,当脱水桶因衣物放置不匀而晃动较大,瞬间断续碰撞造成安全开关的闭和合,单片机将检测到这种短时间的开合信号,使洗衣机停止脱水,并自动进行脱水不平衡修正。如图3.8所示。图3.8水位、安全开关电路3.4.4外接蜂鸣器电路当有按键按下时,蜂鸣器将发出鸣叫(叫一下):当有下列情况发生时,也能发出鸣叫(连续叫六下):不能进水、自动开始洗衣、不能排水、不平衡修正失效、脱水时安全开关打开、洗衣全过程结束。为了更方便于大众，让一些老年人可以清楚的看到报警，我们准备连接一个蜂鸣报警和一个LED灯闪烁报警。1.设计并安装一个蜂鸣报警器。2.显示报警用一位LED显示器显示。3.报警时间持续1分钟或人为解除报警。4.通电调试。设计方案确定好以后，再通过Multisim软件进行测试仿真。如图3.9所示。图3.9蜂鸣器电路3.4.5 进出水阀电路通过水位传感器探测洗衣机内液面的高度，将数据送至单片机，利用单片机产生的控制信号作用于进出水阀电路，保证洗衣机内的水位保持在一个较为合适的高度，如图3.10所示。 图3.10进出水阀电路3.4.6洗衣机电机控制电路该电路主要由四只双向可控硅组成,将单片机输出的控制信号转换为电机或电磁阀的通断动作。当某一时刻通过单片机在可控硅的触发极上加入触发信号时,可控硅将导通,电机或电磁阀将获得22OV的交流供电而进入工作,因此,双向可控硅在该电路中起交流电源的开关作用。洗衣机的进水、排水,洗涤过程中的电机正转、反转,实际上就是通过控制上述四只可控硅的通断来实现的。如图3.11所示。3.11电机控制电路3.5系统的工作过程 洗衣机的功能主要就是要求能够完成衣物的洗涤、漂洗和脱水过程。而这三种功能的组合就可以形成总共9种选择,到底是选择由哪一种组合来执行洗衣的程序,则是由用户通过控制功能板上的选择按键(开始/暂停按键)来做决定。比如:若单独进行脱水,或者进行洗涤以及漂洗而不进行脱水这个过程,则是由单片机系统根据用户的要求来执行相对应程序实现。 洗涤和漂洗两种动作的功能上基本相同,两者都是通过控制电机的正转和反转来达到清洗衣物的主要目的。并且它们在同一个过程中,洗涤和漂洗的时候电机的停止、正转、反转的周期是完全相同的。而在洗涤和漂洗过程中,则都需要盛水桶里面的水位达到所设定的要求。假如遇到没有水或者水位不足的情况,那么就要随时进水。脱水动作是通过电机的正转来实现的,在脱水的同时要求排水阀门一直打开,也正是由于排水阀门的打开,才能使脱水时的电机速度和洗涤时的电机正转速度不相同(这是通过机械装置实现)。 而当设定水位以及按下电源开关后,那么洗衣机就将进入洗衣功能的选择状态,这个时侯控制面板指示为0,通过按启动/暂停键就可以选择不同的过程(在0109之间进行循环显示来指示选择不同的洗衣过程),而在停止按键3秒钟之后,蜂鸣器就开始鸣叫6次(其中时间长度总共为3秒),然后进入洗衣机的洗涤、漂洗或脱水控制程序。在蜂鸣器开始鸣叫之后,启动/暂停按键就不再能进行洗衣过程的选择,那么此时该按键就只能是暂停或重启功能。 在进入洗衣程序并且开始洗涤、漂洗、脱水操作的时候,数码管此时显示的是剩下的时间(以分钟为单位),并且是以1秒的频率在不停地闪烁。如果此时按下暂停按键,则显示的时间不再闪烁,并且要关闭所有的执行功能部件(即进水,或者排水,或电机的正转或反转);而只有当再次按暂停按键以后(也就是重启),洗衣程序才重新从暂停处开始继续执行,显示的时间则再次闪烁