基于单片机的自动洗衣机控制系统的设计

I 基于单片机的自动洗衣机控制系统的设计基于单片机的自动洗衣机控制系统的设计 摘摘 要要 洗衣机是现代人必备的日常生活家电 它的发明和应用使人们的洗 衣工作变得省时又省力 很好地缓解了人们在家务劳动方面的压力 一般的 数字逻辑电路控制的洗衣机只有两三个程序 也有一按通的傻瓜程序 而基 于单片机控制的洗衣机可以复杂程序控制 将水位段细化 漂洗功能细化 加上适用不同衣物等功能 洗涤程序大大增加 本次设计采用 AT89C51 单片机作为洗衣机控制系统的主控芯片 洗衣机 的各种洗衣程序运行都在单片机的控制下 使得洗涤 漂洗 脱水等各种功 能的操作都不需要手动 系统的硬件设计包括电源模块 谐振式水位监测模 块 洗衣机 LED 显示 输出控制电路 软件设计包括主程序 内部定时中断 服务程序 外部中断服务程序 关键词关键词 洗衣机 单片机 LED 显示 II Design of Automatic Washing Machine Control System Based on Single Chip Microcomputer Abstract The washing machine is the appliance in people s daily life its invention and application to the job gets time saving and relieves the pressure in the domestic labour The digital logic to control circuit of the washing machine has only two or three programs also has a fool according to the program But the revivification of washing machine can control a large complex program and can turn the water level and rinsing functions into tiny because of its different functions in clothing washing procedure increases significantly This design uses AT89C51 as the main control chip all the programs of the washing machine are under the control of the CPU so that washing rinsing and dehydration functions don t need to be operated by manual The hardware design of the system includes power module water monitoring module LED display and output controller the software part is composed of the main procedure timing services application and external services Keywords Washing Machine Single Chip Microcomputer LED display 目目 录录 1 1 绪论绪论 1 1 1 课题提出的目的及意义 1 1 2 国内外研究现状 1 1 3 发展趋势 2 1 4 系统的工作流程 3 1 5 主要研究内容 3 2 2 系统的整体方案设计系统的整体方案设计 4 2 1 系统的整体构架 4 2 2 系统技术方案 6 2 3 系统功能方案 6 3 3 系统的硬件设计系统的硬件设计 7 3 1 主控电路的设计 7 3 1 1 关于 AT89C51 芯片 7 3 1 2 AT89C51 图的引脚图及总线结构图 8 3 1 3 AT89C51 外围辅助电路的设计 10 3 2 各部分电路设计 10 3 2 1 洗衣机控制器控制面板的设计 10 3 2 2 按键的内部连接 12 3 2 3 晶闸管驱动控制电路设计 12 3 2 4 水位监测电路设计 14 3 2 5 开关电源电路设计 16 3 2 6 键盘输入及显示电路设计 17 3 2 7 报警电路设计 21 3 3 本章小结 22 4 4 系统的软件设计系统的软件设计 22 4 1 主程序 22 4 2 键盘中断子程序设计 24 4 3 内部定时中断程序设计 25 4 4 外部中断设计 26 4 5 本章小结 27 5 5 总结总结 28 参考文献参考文献 29 谢谢 辞辞 30 附录附录 自动洗衣机控制系统总程序自动洗衣机控制系统总程序 31 附录附录 自动洗衣机控制系统总硬件连接图自动洗衣机控制系统总硬件连接图 38 2 1 1 绪论绪论 1 11 1 课题提出的目的及意义课题提出的目的及意义 随着数字技术的快速发展 数字技术被广泛应用于智能控制的领域中 单片机以其集成度高 运算速度快 体积小 运 行可靠 价格低廉等特点 在过程控制 数据采集 机电一体化 智能化仪表 家用电器以及网络技术等方面得到了广泛的 应用 洗衣机是现代人必备的日常生活家电 它的发明和应用使人们的洗衣工作变得省时又省力 很好地缓解了人们在家务劳 动方面的压力 而随着人们对生活质量的不断追求 普通的洗衣机已经不能再满足部分人的需求 所以研究多功能的洗衣机 具有重大的意义 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 目前的洗衣机主要有强弱 洗涤功能 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 将人们的需求变成现实 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 大多数洗衣机的厂家都只注重各自品牌的特长 突出一两个与别的 洗衣机不同的个性化的功能 因此 设计出基于单片机的全自动洗衣机控制电路系统具有很强的实用性 基于单片机的自动洗衣机控制系统具有精度高 功能强 经济性好的特点 无论在提高产品质量还是产品数量 节约能 源还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性 对基于单片机的全自动洗衣机控制系统设计进行深入研究 可使我们掌 握全自动洗衣机这种重要家电的工作原理和控制系统 进一步了解单片机在不同领域的应用方法 学会维修全自动洗衣机的 基本技术 同时也为将来从事电子信息行业打下一定基础 所以本课题具有重大的意义 1 21 2 国内外研究现状国内外研究现状 3 自 19 世纪中叶 美国人史密斯研制出世界上首台洗衣机至今 洗衣机的发展已经历了一个多世纪 1910 年世界上第一 台电动洗衣机问世 标志着人类家务劳动自动化的开始 1922 年世界上第一台搅拌式洗衣机在美国诞生 1937 年世界上第 一台全自动滚筒式洗衣机投放市场 1957 年三洋公司推出世界上第一台涡流式波轮洗衣机 从此 确立了搅拌式 滚筒式 和波轮式三种工作方式的洗衣机三足鼎立天下的局面 20 世纪 60 年代以后 洗衣机在一些发达国家的普及率迅速上升 70 年代 日本生产出波轮式套桶全自动洗衣机 70 年代后期 日本又生产出微电脑控制型波轮式套桶全自动洗衣机 80 年代后 模糊控制 开始应用于洗衣机 生产出了 智能型模糊控制洗衣机 使洗衣机的功能更加完善 其洗衣程序更随人意 其使用操作更简单化 进入 90 年代 由于电机 调速技术的提高 实现了洗衣机宽范围大调速比的转速变换与调节 诞生了各种新水流洗衣机 20 世纪末到 21 世纪初 变 频洗衣机问世 使洗衣机的功能更具人性化 实现真正意义上的智能化控制成为目前人们研究的主要方向 由于我国洗衣机起步晚 在技术方面存在问题 不可避免的在现有洗衣机机型中存在噪声大 麻电和漏水等弊病 在质 量方面与国外存在一定的差距 所以现在内资品牌正立足技术升级 也开始重视高端产品研发 洗衣机的技术革命正在国内 愈演愈烈 1 31 3 发展趋势发展趋势 随着更多国内外强势品牌加入研究新的技术 开发新的产品 洗衣机行业将爆发新一轮以 绿色环保 节水节能 为主题的大战 而技术制高点则是未来的竞争焦点 在国内从洗衣机市场得到的商情显示 由于受水资源不断减少 自来水 费有所提高等因素的影响 具有节水功能的洗衣机不断被人们看好 针对市场需求的变化 一些生产厂家如小天鹅 小鸭 海尔等 先后向市场推出了一批节水型全自动洗衣机 受到消费者的青睐 成为洗衣机中的购买热点 节水型全自动洗衣机 的主要特点是可供用水的水位在选择上有 6 种 8 种 10 种等多种 有的节水型全自动洗衣机最低水位在 12 升至 20 升之间 使得用水量大大减少 4 今后 洗衣机将以高可靠性 完善的功能 节水省电 降噪省时以及规格品种多样化为发展方向 但是由于普通洗衣机 采用按键和机械定时器进行控制 导致出现触点易磨损 故障率高 并在使用过程中不能给用户准确的定时和醒目的显示 而采用单片机实现洗衣机的智能控制可以有效地克服这些缺点 并能灵活的实现多功能技术兼容 所以采用单片机来控制全 自动洗衣机的系统会应用的越来越广泛 1 41 4 系统系统的工作流程的工作流程 洗衣机的工作流程包括 洗涤 脱水 漂洗 脱水 漂洗 烘干 上述工作程序中 包含三个过程 洗涤过程 漂洗过 程 脱水过程 1 洗涤过程 放好待洗物 启动开关 进水阀通电 向洗衣机供水 当供水达到预定水位时 水位开关接通 进水阀 断电关闭 停止供水 洗涤电动机接通电源 带动波轮旋转 搅动衣物进行洗涤 通过电动机不停地正传 停 反转 反复 循环 形成洗涤水对衣物产生强烈的翻滚作用 同时 衣物之间 衣物与四周桶壁之间产生相互摩擦和撞击力 以此达到洗 涤衣物的目的 2 漂洗过程 与洗涤过程动作完全一样 3 脱水过程 洗涤或漂洗过程结束后 电动机停止转动 排水阀通电打开 进行排水 当水位低到一定程度时 满足 安全条件 脱水电动机接通 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 由蜂鸣器发出音响 表示衣物已洗干净 1 51 5 主要研究内容主要研究内容 1 5 11 5 1 本论文的主要内容本论文的主要内容 1 设计主控板模块硬件电路 芯片选型 确定选用的芯片 5 了解芯片的外围电路 分析芯片间的接线方式 设计硬件原理图 绘制 protel 电路图 元器件的选型等 2 设计外围电路及附加设备 蜂鸣电路的选型与设计 液晶显示电路的选型与设计 上面两个电路的 protel 电路图的绘制 3 该系统的软件的设计 编制主控板读写程序 编制蜂鸣器及液晶显示相关程序 1 5 21 5 2 本论文主要解决的问题本论文主要解决的问题 1 洗衣机主控模板软硬件设计 2 水位监测设计 3 液晶显示软硬件设计 4 系统电源设计 2 2 系统的整体方案设计系统的整体方案设计 2 12 1 系统的整体构架系统的整体构架 主控制系统运用的是 AT89C51 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 6 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 系统各部分的功能或作用 1 单片机电路 单片机电路是程序控制的中心 它把计算机的各种功能电路都集成在一块芯片上 主要包括中央处理 器 CPU 程序存储器 ROM 数据存储器 RAM 输入 输出接口电路及计时 分频 扫描 定时 时间设定等电路 ROM 内已固化了洗衣机操作程序 单片机根据输入指令和检测信号 调出内部相应的操作程序 通过电路处理后 输出各种电路 控制信号 使洗衣机自动完成程序操作过程 如果单片机自身出故障 或控制电路传送给单片机的信息不正确 洗衣机就不 能正常工作 2 直流电源电路 这是为单片机及其外围控制电路提供直流电源的电路 它将输入的 220V 交流电经过变压 整流 滤波 稳压后 变为稳定的低压直流电 送给单片机 可控硅触发电路 显示电路等 3 复位电路 此电路的作用是复位 在单片机接上电源以后 若电源出 现过低电压时 将单片机存储器复位 使其各项参数处于初始位置 即处于开机时的标准程序状态 以消除由于某种原因引 起的程序紊乱 洗衣机控制器系统整体构架如图1所示 7 变压器整流 滤波 稳压 时基 时钟 双 向 可 控 硅 蜂鸣 驱 动 电 路 按键输入 LED 显示 AT89 C51 82 55 74LS 240 进水阀 排水阀 电机正转 电机反转 3 8 译码器 洗衣机状态 显示指示灯 D0 D6 复位电路 水位选择 图图1 1 硬件结构框图硬件结构框图 4 时钟电路 由晶振元件与单片机内部电路组成 产生的振荡频率为单片机提供时钟信号 供单片机信号定时和计时 8 5 按键输入电路 1 按键 K1 接 P1 0 作为工作过程中的启动 停止键 2 暂停键 K2 接 P3 3 用外部中断 1 实现工作过程的暂停 根据用户的需要可以进行手工洗涤 3 标准键 K3 接 P3 4 作为标准洗涤选择键 4 轻柔键 K4 接 P3 5 作为轻柔洗涤选择键 5 快速键 K5 接 P3 6 作为快速洗涤选择键 6 压电蜂鸣器接 P1 7 作为洗衣时间到以及故障发生的报警器 6 显示电路 74LS138 译码器为 3 8 译码器 选用它可以解决 I O 口线数量不足的问题 从控制要求可知 洗衣机的工作模式以及工 作程序必须有 7 种不同的显示加以区别 74LS138 译码器的输入端 C B A 分别接 P1 1 P1 2 P1 3 输出端分别与 7 个 发光二极管 D0 D6 的阴极相连 发光二极管阳极接电源 输出端 Y0 控制 D0 电源 指示灯 Y1 控制 D1 标准 指示灯 Y2 控制 D2 轻柔 指示灯 Y3 控制 D3 快速 指示灯 Y4 控制 D4 洗涤 指示灯 Y5 控制 D5 漂洗 指示灯 Y6 控制 D6 脱水 指示灯 7 负载驱动电路 该电路多由双向可控硅及触发电路组成 双向可控硅作为无触点开关控制电机等负载的通断及运行 单片机根据按键输 入指令或接收到的检测信号 输出相应的控制信号 控制可控硅触发电路的导通 使电机等负载得电运转 8 报警电路 此电路在洗衣机中起提示和报警的作用 根据程序安排和软件设置 当洗衣完成后 洗衣机将发出蜂鸣声以提示用户洗 衣完成 9 9 水位开关和安全开关电路 水位选择开关 接 P1 5 用户根据需要选择水位 在进水期间 系统不断检测 当到达设定水位时就停止进水 水位 电路和安全开关电路由传感器监测 其通断状态由电路输送给单片机 由单片机进行指令控制 2 22 2 系统技术方案系统技术方案 目前国内市场上有很多种类的洗衣机 采用的控制系统也各不相同 基于学习与实际的情况 本设计我选用 AT89C51 单片机来实现洗衣机控制器的各控制要求 此设计以单片机为主体 配以各种控制电路 构成洗衣机的程序控制系统 当有 故障时 在排除了机械系统和程控器外接部件后 一般来说 先检测判定单片机外围的控制电路 正常后 再判断单片机的 故障 程序控制系统接受来自操作面板的动作指令 送出相应的执行命令 使电动机 进水阀 排水阀等按程序通电运行 同时还可以监测和显示洗衣机的工作状态 并判断工作是否正常 一旦出现异常 会立即送出停止命令 并发出声音报警 程序控制系统的这些功能是由它的各种控制电路相互配合工作来实现的 2 32 3 系统功能方案系统功能方案 本次设计的洗衣机系统具备以下功能 1 洗涤模式选择 该洗衣机有三种不同的洗涤模式即为标准洗涤 轻柔洗涤 快速洗涤 用户可以根据需要来选择相 应的洗涤模式 2 洗涤参数选择 1 时间选择 标准 洗涤 12 分钟 漂洗 5 分钟二次 脱水 3 分钟 轻柔 洗涤 3 分钟 漂洗 3 分钟 二次 脱水 2 分钟 快速 洗涤 4 分钟 漂洗 1 分钟二次 脱水 2 分钟 洗涤 漂洗 22 秒正转 停 8 秒 反转 22 秒 停 8 秒 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 10 3 有水位控制 能自动断水 3 3 系统的硬件设计系统的硬件设计 3 13 1 主控电路的设计主控电路的设计 3 1 13 1 1 关于关于 AT89C51AT89C51 芯片芯片 本次设计中 系统将选择使用的单片机是 AT89C51 在众多的 51 单片机系列中 AT89 系列单片机在我国也得到极其 广泛的应用 越来越受到人们的瞩目 AT89 系列单片机是美国 Atmel 公司的 8 位 Flash 单片机产品 AT89C51 是一种 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS8 位微处理器 俗称单片机 它的 最大特点是在片内含有 Flash 存储器 Flash 存储器是一种可以电擦除和电写入的闪速存储器 简记为 FPEROM 在系统的 开发过程中可以十分容易地进行程序的修改 使开发调试更为方便 AT89 系列单片机以 8031 为内核 是与 8051 系列单片机兼容的系列 Atmel89 系列单片机有许多型号 可分为标准型 号 低档型号和高档型号 3 类 系统将选用的 AT89C51 是属于标准型单片机 标准型 89 系列单片机是与 MCS 51 系列单片 机兼容的 标准型系列在内部含有 4KB 或 8KB 可重复编程的 Flash 存储器 可进行 1000 次擦写操作 全静态工作为 0 33MHz 有 3 级程序存储器加密锁定 内部含有 128 256 字节的 RAM 32 条可编程的 I O 端口 2 个 16 位定时器 计数 器 6 8 级中断 此外有通用串行接口 低电压空闲模式及掉电模式 AT89 系列标准单片机有 4 种型号 分别为 AT89C51 AT89LV51 AT89C52 和 AT89L52 其中 AT89C51 和 AT89C52 直接与 8051 系列兼容 相当于将 8051 8052 中的 4KB 8KB 的 ROM 换成相应数量的 Flash 存储器 其余结构 供电电压 引脚数量及封装均相同 使用时可直接替换 AT89LV51 是 AT89C51 低电压型号 可以在 2 7 6V 的电压范围内工作 其他 功能和 89C51 相同 11 3 1 23 1 2 AT89C51AT89C51 图图的引脚图及总线结构图的引脚图及总线结构图 图图 2 2 引脚图引脚图 图图 3 3 总线结构图总线结构图 AT89C51的引脚功能 1 电源引脚 VSS 和 VCC 1 VSS 20 脚 接地 2 VCC 40 脚 正常操作及对 EPROM 编程和验证时接 5V 电源 2 外接晶体引脚 XTALl 和 XTAL2 12 1 XTALl 19 脚 接外部晶体的一端 2 XTAL2 18 脚 接外部晶体的另一端 注 两脚之间必须接一个 3 5 12HZ 的晶振 常用的晶振有 3 58MHZ 6MHZ 11 059MHZ 和 12MHZ 3 控制或与其他电源复用引脚 RESET ALE PSENEA 1 RESET 9 脚 复位输入脚 此引脚内部已有一个 50 30K 的电阻器接地 所以只需接一个电容至 VCC 即可在电 源 ON 时产生开机复位的功能 但是 常会在 RESET 引脚用一个 8 2 10K 的电阻接地 以缩短开机复位的时间 如需要 也可在电容两端并联一个常开按钮 以便按此按钮时可强迫系统复位 2 ALE 30 脚 地址锁存器输出端 在系统扩展时 用于控制把 P0 口输出的低 8 位地址送入锁存器锁存起来 以实现 低位地址和数据的隔离 ALE 是以晶振 1 6 的固定频率输出的正脉冲 因此可以作为外部时钟或外部定时脉冲用 3 29 脚 外部程序存储器使能输出端 当 CPU 想读取外部 ROM 的内容时 此脚会自动产生负脉冲 PSEN 4 31 脚 输入脚 当引脚接地时 内部程序数据失效 CPU 被迫只读取外部的程序存储器 当接 VCCEAEAEA 时 对 ROM 的读操作从内部程序存储器开始 并可延续到外部 ROM 4 输入 输出引脚 P0 口 P1 口 P2 口和 P3 口 1 P0 口 P0 0 P0 7 共 8 条引脚 即 39 32 脚 双向 8 位 I O 口 没有内部上拉电阻器 输出电平时 需用户在引脚 接上外部上拉电阻器 在访问外部存储器时 可分时用做低 8 位地址线和 8 位数据线 P0 口做输出口用时 每只引脚均可 驱动 8 个 LSTTL 负载 若某引脚想做输入脚用 则必须先将 1 写入该引脚 2 P1 口 P1 0 P1 7 共 8 条引脚 即 l 8 脚 双向 8 位 I O 口 具有内部上拉电阻器 可驱动 4 个 LSTTL 负载 若某引 脚想做输入脚用 则须先将 1 写入该引脚 13 3 P2 口 P2 0 P2 7 共 8 条引脚 即 21 28 脚 双向 8 位 I O 口 具有内部上拉电阻器 可以驱动 4 个 LSTTL 负载 在访问外部存储器时 它送出高 8 位地址 4 P3 口 P3 0 P3 7 共 8 条引脚 即 10 17 脚 双向 8 位 I O 口 具有内部上拉电阻器 可驱动 4 个 LSTTL 负载 若 某引脚想做输入脚用 则须先将 1 写入该脚 P3 口引脚具有特殊功能 3 1 33 1 3 AT89C51AT89C51 外围辅助电路的设计外围辅助电路的设计 1 复位电路 单片机的复位就和计算机的重启是一样的概念 任何单片机工作之前都要有个复位的过程 复位对于单片机来说 程序 还没有开始执行 是在做准备工作 一般的复位只需要 5ms 的时间 复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式 上电复位是外部的复位电路在系统通上电源后直接使单片机工作 单片机的起停通过电源控制 手动复位是在复位电路中设计按键开关触发复位电平 控制单片机复位 一般都用上电复位电 路 上电自动复位原理 通电时 电容两端相当于短路 于是 RESET 引脚上为高电平 然后电源通过电阻对电容充电 RESET 端电压慢慢下降 降到一定程度即为低电平 单片机开始正常工作 2 振荡电路 振荡电路对于单片机来说是非常重要的 没有晶振就没有时钟周期 没有时钟周期 就无法执行程序代码 单片机就无法 工作 单片机工作时是一条一条地从 ROM 中取指令 然后一步一步地执行 单片机内部有一个用于构成片内振荡器的高增益反相放大器 引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出 端 这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体 或陶瓷谐振器 一起构成自激振荡器 振荡电路图中外接石英晶体 或陶瓷谐 振器 以及电容或构成并联谐振电路 接在放大器的反馈回路中 电容的大小没有严格的要求 但也会影响振荡器频率 1 C 2 C 14 的高低 振荡器的稳定性 起振的快速性和稳定性 外接石英晶体时 和一般取 30pF 10pF 外接陶瓷谐振器时 1 C 2 C 和一般取 40pF 10pF 本系统采用 12MHz 的晶振 电容取 30pF 1 C 2 C 3 23 2 各部分电路设计各部分电路设计 3 2 13 2 1 洗衣机控制器控制面板的设计洗衣机控制器控制面板的设计 洗衣机控制面板主要包括 启动 停止 标准 轻柔 快速 水位选择按钮以及状态显示灯 如图 4 所示 标准轻柔快速 启动 停止 低 中 高 电源洗涤漂洗脱水 图图 4 4 洗衣机面板图洗衣机面板图 完成一次洗衣过程所需的动作有 1 进水动作 进行洗涤时 盛水桶内的水量必须达到水位设定要求 洗衣机的进水和水位判断 是由水位开关和进水 阀的开合来进行控制的 当桶内没有水或水量达不到设定水位时 单片机程序将控制进水阀打开 开始注水 当桶内的水位 达到设定水位时 水位开关受压闭合 程序就可进入下一步处理 标准 15 2 排水动作 进入脱水动作前应先排水 为了避免空排水造成时间浪费以及排水不完而带水脱水造成对电机的损害 洗衣机能够根据实际水量对排水时间进行动态控制 3 洗涤动作 洗涤动作指的是电机周期性的 正转 停止 反转 停止 不同的洗衣过程 控制电机执行 正转 停止 反 转 停止 的时间是不同的 4 脱水动作 排水结束后进入脱水动作 脱水是通过电机的正转来实现的 同时要求排水阀一直打开 也正是由于排 水阀的打开 才使得脱水时的电机正转速度不同于洗涤时的电机正转速度 进行脱水时若遇到洗衣机盖打开 则暂停脱水 并发出报警 直至用户合上桶盖后 才继续进行脱水 脱水结束后 发出报警 并自动关闭排水阀 5 脱水不平衡修正 进行脱水处理 电机要正转 电机要进行高速单向正转 若此时衣物偏向于一边 脱水桶会因离 心的作用 在很短的时间内碰撞安全开关装置 使安全开关产生瞬时的关闭和断开 此时要进行脱水不平衡修正 进行脱水 不平衡修正 洗衣机将停止脱水 并自动插入 进水 洗涤 1 分钟 排水 动作 通过这一插入动作 衣服将调整到洗衣桶中 心位置 在同一脱水过程中 如果连续修正 3 次仍达不到脱水平衡 则进行报警 等用户打开洗衣机将衣物放置均匀再盖上 桶盖 方可继续进行脱水 6 其它动作 洗衣机控制器在此控制面板上还配有启动 停止 标准 轻柔 快速 水位选择按钮 3 2 23 2 2 按键的内部连接按键的内部连接 1 按键 K1 接 P1 0 作为工作过程中的启动 停止键 2 暂停键 K2 接 P3 3 用外部中断 1 实现工作过程的暂停 根据用户的需要可以进行手工洗涤 3 标准键 K3 接 P3 4 作为标准洗涤选择键 4 轻柔键 K4 接 P3 5 作为轻柔洗涤选择键 5 快速键 K5 接 P3 6 作为快速洗涤选择键 16 6 压电蜂鸣器接 P1 7 作为洗衣时间到以及故障发生的报警器 7 水位选择开关接 P1 5 3 2 33 2 3 晶闸管驱动控制电路设计晶闸管驱动控制电路设计 1 驱动芯片ULN2803 ULN2803驱动芯片为高电压大电流八达林顿晶体管阵列 该阵列系列的八达林顿晶体管是低逻辑电平数字电路 如 TTL CMOS或PMOS NMOS 和大电流高电压要求的灯 继电器 打印机和其它类似负载间的接口的理想器件 广泛用于计 算机 工业和消费类产品中 所有器件有集电极开路输出和用于瞬变抑制的续流箝位二极管 ULN2803的设计与标准TTL系 列兼容 其工作参数如表3 1所示 内部结构如图5所示 表表 3 13 1 ULN2803ULN2803 工作电压及工作环境工作电压及工作环境 额定值符号值单位 输出电压 V050V 输入电压 V130V 17 集电极电流 连续 LC500mA 基极电流 连续 LB25mA 工作环境温度范围 LA 0至 7 C 保存温度范围 Tstg 55至 150 C 结温 TJ125 C 图图5 5 ULN2803ULN2803内部结构图内部结构图 2 晶闸管驱动控制电路设计 控制洗衣机的进水阀 排水阀和电动机的正反转 完成洗衣机的进水 排水以及驱动电机洗衣功能 单片机I O口直接 与驱动芯片ULN2803连接 将信号放大后驱动晶闸管的导通和关断 具体电路如图6所示 图图6 6 晶闸管驱动电路图晶闸管驱动电路图 洗衣机完成衣物检测或手动设置洗衣程序后 18 进水阀打开 当水位检测电路检测水位达到预定高度时 进水阀关闭停止进水 在整个进水过程中 若进水阀打开时间超过 15分钟水位检测电路仍未检测到水位达到预定高度 洗衣机将会报警并暂停水 等待故障排除 如果无故障 当进水满后关 闭进水阀 启动电机开始洗涤 洗涤程序结束排水阀将会打开 进入脱水程序 3 ULN2803与单片机接口电路 图图7 7 ULN2803ULN2803与单片机接口图与单片机接口图 3 2 43 2 4 水位监测电路设计水位监测电路设计 1 水位开关 水位开关和联动开关是全自动洗衣机中比较重要而结构又相对简单的两个器件 它们一般都在直流低压下工作 是电子 程控器的两个输入端 只有判定它们处于正确的闭合状态 程序才可以正常地向下运行 完成正常的操作 1 工作原理 19 全自动洗衣机水位开关的主要作用是控制洗衣机的水位高低 正常情况下 微电脑全自动洗衣机的水位开关只有 2 个插 片 在没有受到水压时 两插片的触点是断开的 在选定洗涤程序 选择水位后 洗衣机开始工作 先进水 当水位到一定 高度后 盛水桶气室中的气压达到一定值 通过导气管把气压传到水位开关橡胶密封圈上 克服水位开关弹簧 扭簧的力而 推动橡胶密封圈动作 使两插片触点接通 这样就给微电脑一个信号 说明已到所选水位 同样选定脱水程序 在洗衣机排 水后 水位退到一定高度时 由于弹簧力作用 水位开关橡胶密封圈复原 而使两触点断开 给微电脑一个动作信号 过一 段排水时间后 微电脑就控制电机运转 开始脱水 2 双水位开关 传统的下排水全自动洗衣机在进水后达到设定水位时 洗衣机开始洗涤 如果这时进水阀出现了故障 那么洗涤过程中 洗衣机仍旧会不停地进水 当超过溢水水位时 水就会从洗衣机溢水口溢出 再通过排水管排出 而上排水洗衣机的溢水则 因排水放置较高 出现这种情况时就无法从正常渠道排出 而是通过洗衣机的溢水口向外溢出 为防止由此给用户带来的麻 烦 可以通过改进后的双水位开关回路还解决这一问题 双水位开关回路其中的一个水位开关 其功能与普通水位开关没什么区别 是用于设定进水水位的 当进水到达设定水 位时 其触点闭合 单片机接收到这一信号 则发出控制指令给电动机回路 从而实现洗涤控制 另一路水位开关则是水位 达到溢水水位时闭合 单片机接收到这一信号 则发出指令驱动排水泵动作 实现排水 图中是用于进行 低 中 高 水 位调节的水位开关 它还有补水挡 可以随时提供补给水 双水位联动开关 普通的全自动洗衣机 其联动开关只有一组触点 当洗衣上盖板盖好后 其触点闭合 电路处于接通 状态 在过程脱水和脱水最后过程中 若出现 50 200ms 的瞬间断开 则判为碰桶 程序进入开盖处理 断开超过 200ms 判为开盖 程序进入开盖子程序 断开不到 50ms 则不处理 2 水位监测模块 20 水位监测的精度直接影响洗净度 水流强度 洗涤时间等参数 本系统采用谐振式水位传感器 谐振式水位传感器是利 用电磁谐振电路 LC 作为传感器的敏感元件 将被测物体的变化转化为 LC 参数的变化 最终以频率参数输出 其工作原理 是 将水位的高低通过导管转换成一个测试内腔气体变化的压力 驱动内腔上方的一块隔膜移动 带动隔膜中心的磁芯在某 线圈内移动 从而线圈电感发声变化 由此引起谐振电路的固有频率随水位变化 水位测量电路如图 8 所示 为便于与单片 机接口 水位传感器采用数字震荡电路 电感与电容组成的三点式震荡电路经 C2 耦合接入数字式谐振放大器 A1 随着水 位变化 谐振频率作相应变化 放大器在 A 点输入 经 A2 整形 由 c 点输出 此时即可将数字量接到单片机 图图8 8 水位监测电路图水位监测电路图 3 3 2 52 5 开关电源电路设计开关电源电路设计 开关电源为单片机供电 原理图如图 9 所示 交流 220V 电源经变压器降压再经过电力二极管整流 滤波后产生直流电 压 输入到集 成稳压器 7805 组件的输入端 7805 输出稳定的 5V 电压 为单片机供 电 21 7805 稳压器一种三端固定正集成稳压器 有输 入端 输出端和公共端三个引出端 输入电压为7 35V 最大 的输出电流为 1 0A 内部设置有过流保护芯片过热保护及调整管安全工作区保护电路 所以使用安全可靠 图图 9 9 开关电源电路图开关电源电路图 3 2 63 2 6 键盘输入及显示电路设计键盘输入及显示电路设计 显示电路主要由 2 个数码管 8 缓冲数码 驱动器 74LS240 以及 I O 扩展芯片 8255 组成 1 可编程 I O 接口芯片 8255 1 8255 内部结构 22 A 组 端口 A 8 B 组 端口 B 8 A 组端 口 C 上 4 B 组端 口 C 下 4 A 组 控制 B 组 控制 数据 总线 缓冲器 读 写 控制 内 部 总 线 双向数据总线 D0 D7 RD WR A1 A0 RESET CS I O PA0 PA7 I O PC7 PC4 I O PC3 PC0 I O PB7 PB0 图图 1010 82558255 内部结构框图内部结构框图 由图可知 8255 具有 3 个可编程并行 I O 端口 A 口 B 口和 C 口 这个 8 位 I O 端口的功能完全由编程决定 但每个 口都有自己的特点 A 口有三种工作方式 方式 0 方式 1 方式 2 B 口有两种工作方式 方式 0 方式 1 2 8255引脚结构及功能 1 数据总线 D0 D7 PA0 PA7 PB0 PB7 PC0 PC7 此32条数据线均为双向三态 其中D0 D7用于传送CPU与8255 之间的命令与数据 PA0 PA7 PB0 PB7 PC0 PC7分别与A B C3口对应 用于8255与外设之间传送数据 2 控制线 RESETRDWR 23 D01D6D5D1D4D3D2 标识位 A 组方式选择 00 方式 0 01 方式 1 1x 方式 2 PC7 PC4 1 输入 0 输出 端口 B 1 输入 0 输出 A 组方式选择 00 方式 0 01 方式 1 1x 方式 2 端口 A 1 输入 0 输出 PC3 PC0 1 输入 0 输出 RD 读信号 输入信号线 低电平有效 当这个引脚为低电平时 8255输出数据或状态信息到CPU 即CPU对8255A 进行读操作 WR 写信号 输入信号线 低电平有效 当这个引脚为低电平时 8255接收CPU输出的数据或命令 即CPU对8255A 进行写操作 RESET 复位信号 输入信号线 高电平有效 此引脚为高电平时 所有8255内部寄存器都清零 所有通道都设置为 输入方式 24条I O引脚为高阻状态 3 寻址线 A0 A1CS 片选信号 输入信号线 低电平有效 当这个引脚为低电平时 8255被CPU选中 CS A0 A1 这是两条输入信号线 通常一一对应接到地址总线的最低两位A0和A1上 当有效时 这两位的4中组合CS 00 01 10 11分别用来选择A B C口和控制寄存器 所以一片8255共有4个地址单元 4 8255控制字 24 图图 1111 82558255 控制字框图控制字框图 2 数码驱动器 74LS240 74LS240 是原码三态输出的 8 缓冲数码驱动器 G 为控制端 又称为使能端 其工作原理如下 当 G 0 时 A 输入为低电平时 Y 输出也为低电平 当 G 0 时 A 输入为高电平时 Y 输出为高电平 当 G 1 时 A 不论输入高电平还是低电平 Y 为高阻态 3 LED 显示器 由发光二极管组成的八段数码管 LED 是单片机应用产品中最常用的廉价输出设备 它由 8 段发光二极管按一定的规律 排列而成 当某一发光二极管导通时 相应的一个点或一个笔画被点亮 控制不同的组合的二极管导通 就能显示出各种字 符 发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器 阴极连在一起的称为共阴极显示器 如图 12 b 所示 一位显示器的 8 个发光二极管用 a g 表示 dp 表示小数点的亮与暗 如图 12 a 所示 这种笔画式的八段显示器能显示的字符较少 字符 的形状有些失真 但控制简单 使用方便 系统的显示器主要是显示剩余时间 74LS240 是一个反向驱动器 它把由 8255 输出的电平信号进行一次反向输出低电平 这是由于显示电路中的数码管显 示器是共阴极所造成的 25 a a 外形结构外形结构 b b 共阴极共阴极 图图 1212 八段数码管图八段数码管图 4 显示电路设计 26 LED 显示器采用共阴极 由 8255 的 PA 口提供位选码 PB 口提供段选码 PA 口与 8 缓冲数码驱动器 74LS240 连接 后再接入数码管 PC 口与两个非门连接后接入数码管 驱动数码管显示 图图 1313 显示电路图显示电路图 5 8255 与单片机接口电路设计 27 由单片机送出要显示的信息到 8255 的 PB 口 PB 口的端口地址是 0FF7DH 通过 PB0 和 PB1 送出字符信息和时钟 送 出的字符信息通过非门并行输出 其 2 位显示器都收到字符信息 具体哪一位亮就取决于共极信号 这时就要由 PA 口 PA 口的端口地址是 0FF7CH 送出的共极信号来决定哪一位有效 PA 口送出的地址经过 74LS240 反向来控制相应的位点亮 具 体的电路连接如图 14 所示 28 图图 1414 82558255 与单片机接口电路图与单片机接口电路图 3 2 73 2 7 报警电路设计报警电路设计 在洗衣机中运行过程中起提示和报 警的作用 根据程序安排和软件设置 当洗衣完成后 洗衣机将发出蜂鸣声以 提示用户洗衣完成 3 33 3 本章小结本章小结 本章介绍了系统硬件电路的设计 由谐振式水位监测模块 驱动控制模块 LED 显示模块 主控电路模块 外围设 备模块 电源模块等部分组成 并详细 分析了各个模块的组成及作用 介绍了 所用主要芯片的特性及用法 并简述了 模块设计时的注意事项 实现了自动洗 衣机应具备的基本功能 4 4 系统的软件设计系统的软件设计 4 14 1 主程序主程序 29 根据硬件设计要求 控制主程序流程图如图 4 1 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 0 外部中断 0 外部中断 1 的初始化 以及各参数初始值的设定 然后扫描 K3 K4 K5 键的状态 确定洗衣模式 洗 衣机处于待命状态 控制指示灯显示洗衣模式 数码管 LED1 和 LED2 显示预设洗衣时间 当发现启动键 K1 按下 洗衣机 从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 表 4 1 为洗衣机系统控 制表 表表 4 14 1 洗衣机系统控制表洗衣机系统控制表 电机转动时 间 s 漂洗 按键 选择 洗涤时间 min 显示 控制 正 转 间 隔 反 转 时间 min 次 数 脱水时间 min K3 标准 12 D1 亮 22822523 K4 轻柔 3 D2 亮 22822322 K5 快速 4 D3 亮 22822122 30 开始 初始化 定义显示码表 键盘中断允许 启动 进水程序 洗涤程序 脱水 漂洗程序 报警 结束 N Y N Y 31 图图 1515 主程序流程图主程序流程图 1 进水程序设计 当 P2 6 1 时 打开进水电磁阀开始进水 当水位到达要求时 P1 5 0 即水位开关闭合 关闭进水电磁阀 P2 6 0 进 水结束 2 洗涤过程程序设计 电机正反转均为 22S 间歇时间均为 8S 具体见表 4 1 3 脱水 漂洗过程程序设计 脱水前先打开排水阀排水 然后启动电动机脱水 并保持排水阀开启 然后停止脱水 接着根据所选择的洗涤模式判断 漂洗次数的值 若为 0 则洗涤结束 开蜂鸣器报警 提醒洗涤结束 系统返回初始待命状态 若不为 0 则再次执行进水动 作 进入下一循环 4 24 2 键盘中断子程序设计键盘中断子程序设计 32 入口 保护现场 判断是标准 按键按下吗 判断是轻柔 按键按下吗 设置 8255 各种命令 读键盘 恢复现场 返回 判断是启动 按键按下吗 判断是快速 按键按下吗 置启动标志 快速子程序 轻柔子程序 标准子程序 N N N Y Y Y Y 洗衣时间 R3 12 返回 漂洗时间 71H 5 置标志 F 1 脱水时间 72H 2 漂洗时间 71H 3 洗衣时间 R3 3 返回 脱水时间 72H 2 漂洗时间 71H 1 洗衣时间 R3 4 脱水时间 72H 3 返回 返回 标准子程序轻柔子程序 快速子程序 启动子程序 33 图图 1616 键盘中断子程序流程图及各洗衣程序流程图键盘中断子程序流程图及各洗衣程序流程图 4 34 3 内部定时中断程序设计内部定时中断程序设计 工作过程中所需的各种计时均具有定时器 0 定时中断服务程序提供 单片机晶振频率 12MHz 定时器 0 选择工作方式 1 设置时间常数 每 0 1s 中断一次 中断处理程序流程图如图 17 所示 34 中断入口 是否到达 1s 记数值清零 秒值加 1 是否到 1min 显示子程序 分值减 1 秒值清 0 中断返回 35 图图 1717 内部定时中断流程图内部定时中断流程图 4 44 4 外部中断设计外部中断设计 为了防止外部电压过高或过低对洗衣机的电器及控制硬件产生破坏 用外部中断 0 进行保护 如图所示 当电压过高或 过低时 引起外部中断 0 洗衣机停止一切动作 进入保护状态 用外部中断 1 来实现洗衣过程停止工作 在洗衣过程中 当暂停键按下时 引起外部中断 1 转入中断 1 处理程序 中 断 1 处理程序将使洗衣机停止工作 并将停止前的动作存储起来 当按下启动键时 洗衣机又恢复工作 程序设计流程图如 图 18 和 19 所示 中断入口 关电动机 报警 5s 中断入口 中断返回 相关寄存器进栈 暂停否 相关寄存器出栈 置外部中断控制字中断返回 N Y 图图 1818 外部中断外部中断 0 0 程序流程图程序流程图 图图 1919 外部中断外部中断 1 1 程序流程图程序流程图 4 54 5 本章小结本章小结 36 本章主要设计了基于 AT89C51 的自动洗衣机控制系统的软件设计 由主程序 键盘中断子程序 内部定时中断程序设 计和外部中断程序设计等部分组成 我对每个部分都进行了分析 画出了程序流程图 使得系统的软件设计思路清晰的呈现 在读者面前 简单易懂 5 5 总总 结结 37 本课题设计的基于单片机的自动洗衣机控制系统集中体现了电子信息技术在人们日常生活中的应用 文章从硬件和软件 两方面进行了介绍 系统硬件部分主要是对硬件各部分电路的设计 包括水位监测模块 驱动控制模块 LED 显示模块 主控电路模块 外围设备模块 电源模块等部分 并详细分析了各个模块的组成及作用 介绍了所用主要芯片的特性及用法 简述了模块设 计时的注意事项 软件部分包括主程序 键盘中断子程序 内部定时中断程序设计和外部中断程序等部分 每个部分我都画 出了程序流程图 使得系统的软件设计思路清晰的呈现在读者面前 简单易懂 但是由于个人水平能力有限 论文设计上存 在许多不足之处 有待于进一步的改进 在科技高速发展的今天 基于单片机的自动洗衣机控制系统具有精度高 功能强 经济性好的特点 无论在提高产品质 量还是产品数量 节约能源还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性 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