基于单片机的洗衣机控制电路的设计毕业论文.doc

基于单片机的洗衣机控制基于单片机的洗衣机控制 电路的设计毕业论文电路的设计毕业论文 目 录 摘 要 ABSTRACT 第 1 章 引 言 1 1 1 研究背景 目的与意义 1 1 2 洗衣机的分类 2 1 3 洗衣机的工作原理 3 1 3 1 普通型波轮洗衣机 3 1 3 2 机械全自动洗衣机 4 1 4 国内外洗衣机应用现状及发展趋势 4 第 2 章 方案的论证与选择 6 2 1 设计要求 6 2 2 设计方案与比较 6 2 2 1 方案设计 6 2 2 2 方案比较 7 2 3 控制功能要求 8 2 4 实现方法 8 第 3 章 硬件电路的设计 9 3 1 系统的整体框图 9 3 2 8051 单片机 11 3 2 1 管脚说明 11 3 2 2 单片机最小系统复位电路 13 3 3 电源电路 14 3 4 标准时钟电路 15 3 5 键盘输入及显示电路 16 3 6 数码管显示电路 18 3 7 水位检测电路 19 3 7 1 水位开关 19 3 7 2 水位监测模块 20 3 8 报警电路设计 21 3 9 电机控制系统 21 3 11 硬件系统整体电路图 22 第 4 章 系统软件设计 24 4 1 主程序设计 24 4 2 洗涤程序设计 25 4 3 计时程序设计 26 第 5 章 洗衣机功能的仿真 28 5 1 仿真流程 28 5 2 仿真图 30 结束语 31 致 谢 32 参考文献 33 附录 整体电路图 34 附录 源程序 35 第 1 章 引 言 1 1 研究背景 目的与意义 洗衣机是一种在家庭中不可缺少的家用电器 发展非常快 全自动式洗衣 机因使用方便得到大家的青睐 全自动即进水 洗涤 漂洗 脱水等一系列过 程自动完成 控制器通常设有几种洗涤程序 对不同的衣物可供用户选择 随 着电子技术的发展 洗衣机的性能将会不断完善 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 脱水烘干等几大功能 但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 1 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 是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 学会单片机控制全自动洗衣机的电控板设计的必 要手段 同时也为将来从事电子行业打下一定基础 具有重大意义 全自动洗衣机由于具有对衣物的磨损小 洗涤量大 节水等特点 越来越 得到广大家庭的青睐 随着社会的进步和生活水平的提高 人们对全自动洗衣 机的功能多样化 操作简单化也提出了更高的要求 为适应这种变化 全自动 洗衣机的控制器已由机械式 混合式逐步过渡到全电子控制 单片机又称微控制器 或称嵌入式控制器 现在的智能家电无一例外是采 用微控制器来实现的 所以家用电器是单片机应用最多的领域之一 是家用电器 实现智能化的心脏和大脑 由于家用电器体积小 故要求其控制器体积更小以便能嵌入其结构之中 2 而家用电器品种多 功能差异也大 所以又要求其控制器有灵活的控制功能 单片机以微小的体积和编程的灵活性而产生多种控制功能 完全可以满足家用 电器的需求 单片机是一个单芯片形态 面向控制对象的嵌入式应用计算机系统 它的出 现及发展使计算机技术从通用型数值计算领域进入到智能化的控制领域 从此 计算机技术在两个重要领域 通用计算机领域和嵌入式计算机领域都得到了 极其重要的发展 并正在深深地改变着我们的生活 单片机的结构特征是将组成计算机的基本部件集成在一块晶体芯片上 构 成一台功能独特的 完整的单片微型计算机 2 单片机独特的结构决定了它具有如下特点 1 高集成度 高可靠性 单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上 集成度很高 体积自然也 是最小的 芯片本身是按工业测控环境要求设计的 内部布线很短 其抗工业噪 音性能优于一般通用的 CPU 单片机程序指令 常数及表格等固化在 ROM 中 不易破坏 许多信号通道均在一个芯片内 故可靠性高 2 控制功能强 为了满足对对象的控制要求 单片机的指令系统均有极丰富的条件 分支 转移能力 I O 口的逻辑操作及位处理能力 非常适用于专门的控制功能 3 低电压 低功耗 为了满足广泛使用于便携式系统 许多单片机内的工作电压仅为 1 2V 12V 而工作电流仅为数百微安 4 优异的性能价格比 单片机的性能极高 为了提高速度和运行效率 单片机已开始使用 RISC 流水线和 DSP 等技术 单片机的寻址能力也已突破 64KB 的限制 有的已可达 到 1MB 和 16MB 片内的 ROM 容量可达 62MB RAM 容量则可达 2MB 由 于单片机的广泛使用 因而销量极大 各大公司的商业竞争更使其价格十分低 廉 其性能价格比极高 1 2 洗衣机的分类 当今主流洗衣机主要有三大类 分别是波轮式洗衣机 滚筒式洗衣机和搅 3 拌式洗衣机 三种洗衣机各有所长 下面我们详细介绍一下三种洗衣机的特点 1 波轮式洗衣机 洗衣特点 微电脑控制洗衣及甩干功能 省时省力 缺点 耗电 耗水 衣物易缠绕 清洁性不佳 适合洗涤除需要特别洗涤 之外的所有衣物 轮式洗衣机流行于日本 中国 东南亚等地 2 滚筒式洗衣机 洗衣特点 微电脑控制所有功能 衣物无缠绕 最不会损耗衣物的方式 缺点 耗时时间是普通的几倍 而且一旦关上门 洗衣过程中无法打开 洁净力不强 适合洗涤衣物 羊毛 羊绒以及丝绸 纯毛类织物 流行于欧洲 南美等主要穿毛 绵为主的地区 几乎 100 的家庭使用的都是滚筒洗衣机 滚筒洗衣机优点 全面的洗涤能力 因为衣物在洗涤过程中不缠绕 洗涤 均匀 磨损小 所以就连羊绒 羊毛 真丝衣物也能在机内洗涤 做到真正的 全面洗涤性能 可以利用加热激活洗衣粉中的活性酶 充分发挥出洗衣粉的去 污效能 由于用水量较小 可以在桶内形成高浓度洗衣液 在节水的情况下带 来理想的洗衣效果 这种发源于欧洲的洗衣机是模仿棒锤击打衣物原理设计 利用电动机的机械 做功使滚筒旋转 衣物在滚筒中不断地被提升摔下 再提升 再摔下 做重复运动 加上洗衣粉和水的共同作用使衣物洗涤干净 滚筒洗衣 机的发展最为成熟 多年来在结构上没有多少变化 基本是不锈钢内桶 机械 程序控制器 经过磷化 电泳 喷涂三重保护的外壳 和两块笨重的水泥块用 于平衡滚筒旋转时产生的巨大离心力 由于用料比波轮洗衣机好 所以寿命一 般在 15 20 年 而以塑料件为主的波轮寿命一般只有 8 10 年左右 3 搅拌式洗衣机 洗衣特点 衣物洁净力最强 省洗衣粉 缺点 喜欢缠绕相比前两种方式损坏性加大 噪音最大 适合洗涤衣物 除需要特别洗涤之外的所有衣物 北美普遍使用 4 1 3 洗衣机的工作原理 1 3 1 普通型波轮洗衣机 结构 由洗衣桶 电动机 定时器 传动部件 箱体 箱盖及控制面板等 组成 工作原理 依靠装在洗衣桶底部的波轮正 反旋转 带动衣物上 下 左 右不停地翻转 使衣物之间 衣物与桶壁之间 在水中进行柔和地磨擦 在洗 涤剂的作用下实现去污清洗 1 3 2 机械全自动洗衣机 结构 由电动程控器 水位开关 安全开关 盖开关 排水选择开关 不 排水停机开关 贮水开关 漂洗选择开关 洗涤选择开关等组成 工作原理 通过各种开关组成控制电路 来控制电动机 进水阀 排水电 磁铁及蜂鸣器的电压输出 使洗衣机实现程序运转 1 4 国内外洗衣机应用现状及发展趋势 洗衣机起源于 19 世纪初期 历经了一个多世纪的发展 1911 年世界上第 一台洗衣机问世 标志着家务劳动自动化的开始 1922 年世界上第一台搅拌式 洗衣机诞生 1937 年世界上第一台全自动滚筒洗衣机投放市场 1957 年第一台 涡流式波轮洗衣机推出 从此 确立了搅拌式 滚筒式和波轮式洗衣机三足鼎 立的局面 20 世纪中期以后 洗衣机在一些发达国家的普及率迅速上升 70 年 代初期 日本推出波轮式套筒全自动洗衣机 70 年代后期 日本又推出微电脑 控制型波轮式套筒全自动洗衣机 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 20 世纪末 变频洗衣机问世 使洗衣机的功 能更具人性化 实现了真正意义上的智能化控制 成为目前研究的主要方向 随着更多国内外品牌研究新的技术 开发新的产品 洗衣机行业爆发以 节能环保 的技术更新 消费者通过选择智能模式 进一步实现省水 省电 今后 洗衣机将以高可靠性 完善的功能 节水节电 降噪省时及规格品种多 样化为发展方向 3 1 向大容量 小容量和多功能方向发展 5 为了节约时间和能源 提高洗衣机效率 洗衣机向大容量方向发展是必然 趋势 但也有很多独身和双职工的小家庭 因受居住环境等限制 迫切需要小 容量 轻便化的全自动洗衣机 小容量的小型化洗衣机也是当前一种新的发展 趋势 多功能洗衣机是目前家庭用户较受欢迎的产品 多功能全自动洗衣机通常 指洗衣机从脏衣服投入 到预洗 洗涤 漂洗 甩干 烘干等 能完成多种功 能 现在又开发出了 模糊 逻辑控制的全自动洗衣机 使得洗衣机的功能更 加完善 2 向微处理器 传感器 模糊逻辑控制方向发展 在洗衣机中应用了微处理器技术后 配以各种传感器 能自动称重 自动 测出各种洗涤参数 从而实现洗衣全过程各动作能连续 自动完成 3 向节水 省电 省时 节约洗涤剂方向发展 通常全自动洗衣机比双桶半自动洗衣机明显费水 在一些波轮式全自动洗 衣机装有水量控制器 能根据衣物的多少做到最大限度地节水 之后又通过改 进漂洗方法 以及采用边淋边甩的方法进一步降低了耗水量 有些滚筒式全自 动洗衣机采用自动循环装置和水量控制器 在洗衣机省电方面制定出洗衣机的 额定耗电标准 限制耗能高的产品生产 有的厂家将具有正温度系数 PTC 电热 元件应用于全自动洗衣机 可有效地节省 10 以上的电能 另外用液体洗涤剂 取代粉沫剂 以便按微电脑的要求 随时按程序泵入洗涤剂 4 向机电一体化方向发展 将洗衣机产品与微电子技术 微处理器技术相结合 可构成机电一体化全 自动洗衣机 该产品在结构上由机械部分 传感器 信息处理部分和执行部分 构成 5 洗衣机外观设计更加美观 实用 全自动洗衣机总体外观设计发展趋势为 洗衣机外观整体造型美观 华贵 协调紧凑 具有艺术性 使用方便 便于清洁 通常都采用触摸式控制方式 轮廓外形无棱角 有流线感 色泽优雅 庄重 6 第 2 章 方案的论证与选择 2 1 设计要求 洗衣机可选择多种洗涤状态 用户只需要按下一键 洗衣机即可根据不 同的衣物质地和重量自动选择洗涤程序 完成洗涤 暂停功能 不管洗衣机工作在什么状态 当按下暂停键时 洗衣机必须 暂停工作 待驱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 声光显示功能 洗衣机各种工作方式的选择和各种工作状态均有声光提 示或显示 本设计包含硬件和软件设计 因为是全自动洗衣机 程序将完成洗涤 脱水的全过程 脱水完成后 蜂鸣器蜂鸣 通知用户洗涤完成 2 2 设计方案与比较 2 2 1 方案设计 方案一 电动程序控制器式洗衣机 一般来说 电动程序控制器式洗衣机电路虽然比普通型双桶洗衣机复杂 但 比电脑程序控制器式电路要简单 程序控制器中的电触点都能够直接控制电动 机 进水电磁阀 排水电磁阀等 控制电路基本原理图如图 2 1 所示 同 步 电 动 机 同 步 电 动 机 同 步 电 动 机 进水电磁阀 电动机 排水电磁阀 蜂鸣器 水位开关 选择开关 电源开关 7 图2 1 控制电路基本原理图 方案二 电脑程序控制器式洗衣机 单片机控制的全自动洗衣机 就是指它的程序控制器采用微电脑 这种微电 脑程序控制器的核心是单片机 外加稳压电源 时钟电路 功能选择键输入电路 放 大驱动电路 显示电路等 它们组成了一个完整的全自动洗衣机的指挥中心 单片 控制式全自动洗衣机电路的基本原理框图机如图 2 2 所示 图2 2 单片控制式全自动洗衣机电路的基本原理框图机 生产厂已在单片机中存入各种程序 操作者通过功能选择键选定某种洗衣 程序后 电脑根据输入的这一操作命令 从存储器中取出对应的程序 依次在它的 各个输出端上输出有效电平 经外部电路放大后 控制电动机 进水电磁阀 排 水电磁阀等产生相应的动作 从而实现整个洗衣过程的自动化操作 2 2 2 方案比较 对比以上两种方案 第一种方案虽然电路要比第二种方案简单 但从抗干 扰 造价等其他方面都不能与第二种方案相比 由于单片机控制的全自动洗衣机除了功能齐全外 还有一个重要的特点 就 是各种功能及程序进行过程中的各种状态都由显示器件显示出来 常用的显示 8 器件是发光二极管 电脑输出的功能显示信号 由三极管电流放大后驱动发光 二极管发光 有的全自动洗衣机还采用 LED 数码管作洗涤程序进行中的时间 显示 增加了这些显示器件后 除进一步完善了洗衣机的功能外 还能美化洗衣 机的外观造型 为使用者的操作提供方便 基于以上原因 加上实际情况 所以选择了自动化程度较高的第二种方案 来实现本设计 2 3 控制功能要求 本系统控制的对象为套桶式单缸低波轮全自动洗衣机 其功能要求如下 1 强 弱洗涤功能 强洗时正 反转驱动时间各为 4 秒 间歇时间为 1 秒 弱洗时正 反转驱动时间各为 3 秒 间歇时间为 2 秒 2 四种洗衣工作程序 即标准程序 经济程序 单独程序和排水程序 标 准程序是进水 洗涤 漂洗 排水 脱水 如此循环三次 每循环一次洗涤或 漂洗环节时间比上一循环同一环节时间减少 2 分钟 具体是 第一循环为洗涤 时间为 6 分钟 第二 第三次循环为漂洗 时间分别为 4 分和 2 分 排水时间 采用动态时间法确定 脱水时间为 2 分钟 经济程序与标准程序一样 只是循 环次数为二次 单独程序是进水 洗涤 6 分钟 结束 留水不排不脱 排 水程序是排水 脱水 结束 时间确定与上述程序相应环节相同 3 脱水期间安全保护功能 洗衣机脱水期间 若打开机盖时 洗衣机就会 自动停止脱水操作 待机盖关闭后恢复工作 4 间歇驱动方式 脱水期间采取间歇驱动方式 以便节能 本系统要求驱 动 5 秒 间歇 2 秒 间歇期间靠惯性力使脱水桶保持高速旋转 5 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 6 声光显示功能 洗衣机各种工作方式的选择和各种工作状态均有声 光 提示或显示 2 4 实现方法 基于上述要实现软硬件结合 考虑到 8051 的特点 以其作为核心器件 设 计了全自动洗衣机控制系统 本系统实现了对洗衣机整个洗衣过程的控制 包 9 括进水 洗涤 漂洗 排水和脱水五个阶段 控制系统主要由电源电路 数字 控制电路和机械控制电路三大模块组成 电源电路为数字控制电路提供稳定的 5V 直流电压 数字控制电路负责控制洗衣机的工作过程 主要由 8051 单片机 按键 蜂鸣器 LED 指示灯组成 机械控制电路实现水位检测 电机驱动 进 水 排水等功能 主要由水位开关 电动机 进水排水电磁阀组成 第 3 章 硬件电路的设计 3 1 系统的整体框图 主控系统是运用 8051 单片机 其控制的对象包括 进水阀 排水阀 驱动 电机 按键和 LED 显示器件 这些被控制对象需要根据不同的洗衣程序来设定 它们的工作状态和时间 进水阀和排水阀的控制还需要检测水位 同时需要数 码管显示不同的工作状态及运行剩余时间 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结束提示 洗衣机控制系统整体框图如图 3 1 所 示 图 3 1 控制系统整体框图 单片机电路 单片机电路是控制的中心 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 10 RAM 输入 输出接口电路及计时等电路 ROM 内已经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 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 滤波和稳压后 变为稳定的低压直流 电 送给单片机 显示电路等 复位电路 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 时钟电路 由晶振单元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 供单片机定时和计时 按键输入电路 按键 K1 接 RST 口 作为 复位 按键 按键 K2 接 P3 0 作为 程序选择 按键 按键 K3 接 P3 1 作为 强弱洗选择 按键 按键 K4 接 P3 2 作为 运行 暂停 按键 显示电路 采用 LED 灯及一片 7seg mpx2 cc 共阴数码管 用以显示洗衣机 的各种工作方式 状态及剩余时间 水位控制电路 在进水期间 系统不断检测 当到达预定水位时就停止进水 水位控制电路由传感器监测 其通断状态由电路传给单片机 由单片机进行 指令控制 报警电路 在洗衣机工作结束时 发出蜂鸣声提示用户洗衣完成 完成一次洗衣过程所需的动作有 进水动作 进行洗涤时 盛水桶内的水量必须达到设定要求 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 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 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 11 水不完而带水脱水造成对电机的损害 洗衣机适当延长排水时间 脱水动作 排水结束后进入脱水动作 脱水是通过电机的正反转来实现的 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 进行脱水是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 发出警报 并自动关闭排水阀 3 2 8051 单片机 微控制电路我们采用 8051 单片机 其价格便宜 功能齐全 可靠性高 使用普遍 8051 单片机是 Intel 公司 8 位单片机系列产品之一 它一种 40 引脚 双列直插式芯片 它内含 2KB 可反复烧录的 FLASH 存储器 RAM 字节也有 128 个 有 15 条可编程控制的 I O 线 4 5 个中断触发源 2 个定时器 计数器 已经可以满足程序的需要 指令和 MCS 51 系列完全兼容 基于上述特点 在 需要 I O 线不多的控制场合 选用它作为核心控制芯片 可使电路极大简化 而且程序的编写及固化也相当方便 灵活 8051 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机 单片机的 可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次 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 将多功 能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中 3 2 1 管脚说明 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 12 图 3 2 8051 管脚图 VCC 40 供电电压 5V GND 20 公共接地端 P0 P0 0 P0 7 口 8 位双向口线 在引脚的 39 32 号端子 P1 P1 0 P1 7 口 8 位双向口线 在引脚的 1 8 号端子 P2 P2 0 P2 7 口 8 位双向口线 在引脚的 21 28 号端子 P3 P3 0 P3 7 口 8 位双向口线 在引脚的 10 17 号端子 四个 I O 接口 P0 口有三个功能 1 外部扩展存储器时 当做数据总线 如图 3 2 中的 D0 D7 为数据总线 接口 2 外部扩展存储器时 当作地址总线 如图 3 2 中的 A0 A7 为地址总线 接口 3 不扩展时 可做一般的 I O 使用 但内部无上拉电阻 作为输入或输出 时应在外部接上拉电阻 P1 口只做 I O 口使用 其内部有上拉电阻 P2 口有两个功能 1 扩展外部存储器时 当作地址总线使用 2 做一般 I O 口使用 其内部有上拉电阻 P3 口有两个功能 除了作为 I O 使用外 其内部有上拉电阻 还有一些特殊功能 由特殊寄 存器来设置 具体功能请参考我们后面的引脚说明 有内部 EPROM 的单片机芯片 例如 8751 为写入程序需提供专门的编 程脉冲和编程电源 这些信号也是由信号引脚的形式提供的 即 编程脉冲 30 脚 ALE PROG 编程电压 25V 31 脚 EA Vpp 当外接电源下降到下限值时 备用电源就会经第二功能的方式由第 9 脚 即 RST VPD 引入 以保护内部 RAM 中的信息不会丢失 四个 I O 口时的 上拉电阻 当作为输入时 上拉电阻将其电位拉高 若 13 输入为低电平则可提供电流源 所以如果 P0 口如果作为输入时 处在高阻抗状 态 只有外接一个上拉电阻才能有效 ALE PROG 地址锁存控制信号 在系统扩展时 ALE 用于控制把 P0 口的 输出低 8 位地址送锁存器锁存起来 以实现低位地址和数据的隔离 ALE 有可 能是高电平也有可能是低电平 当 ALE 是高电平时 允许地址锁存信号 当访 问外部存储器时 ALE 信号负跳变 即由正变负 将 P0 口上低 8 位地址信号 送入锁存器 当 ALE 是低电平时 P0 口上的内容和锁存器输出一致 在没有访问外部存储器期间 ALE 以 1 6 振荡周期频率输出 即 6 分频 当访问外部存储器以 1 12 振荡周期输出 12 分频 从这里我们可以看到 当 系统没有进行扩展时 ALE 会以 1 6 振荡周期的固定频率输出 因此可以做为外 部时钟 或者外部定时脉冲使用 PORG 为编程脉冲的输入端 在第五课 单片机的内部结构及其组成中 我 们已知道 在 8051 单片机内部有一个 4KB 或 8KB 的程序存储器 ROM ROM 的作用就是用来存放用户需要执行的程序的 那么我们是怎样把编写好的 程序存入进这个 ROM 中的呢 实际上是通过编程脉冲输入才能写进去的 这 个脉冲的输入端口就是 PROG PSEN 外部程序存储器读选通信号 在读外部 ROM 时 PSEN 低电平有效 以实现外部 ROM 单元的读操作 1 内部 ROM 读取时 PSEN 不动作 2 外部 ROM 读取时 在每个机器周期会动作两次 3 外部 RAM 读取时 两个 PSEN 脉冲被跳过不会输出 4 外接 ROM 时 与 ROM 的 OE 脚相接 EA VPP 访问和序存储器控制信号 1 接高电平时 CPU 读取内部程序存储器 ROM 扩展外部 ROM 2 接低电平时 CPU 读取外部程序存储器 ROM 3 8051 烧写内部 EPROM 时 利用此脚输入 21V 的烧写电压 RST 复位 信号 当输入的信号连续 2 个机器周期以上高电平时即为有效 用以完成单片 机的复位初始化操作 当复位后程序计数器 PC 0000H 即复位后将从程序存 储器的 0000H 单元读取第一条指令码 XTAL1 和 XTAL2 外接晶振引脚 当使 14 用芯片内部时钟时 此二引脚用于外接石英晶体和微调电容 当使用外部时钟 时 用于接外部时钟脉冲信号 5 3 2 2 单片机最小系统复位电路 在图 3 13 的复位电路中 当 Vcc 掉电时 必然会使 RST 端电压迅速下降 到 0V 以下 但是 由于内部电路的限制作用 这个负电压将不会对器件产生 损害 另外 在复位期间 端口引脚处于随机状态 复位后 系统将端口置为 全 l 态 如果系统在上电时得不到有效的复位 则程序计数器 PC 将得不到一 个合适的初值 因此 CPU 可能会从一个未被定义的位置开始执行程序 复位 电路是为确保微机系统中电路稳定可靠工作必不可少的一部分 在复位电路中 单片机的复位引脚分别与一个复位按键 电阻 电容相连 复位电路的第一功 能就是上电复位 6 一般微机电路正常工作需要供电电源为 5V 5 即 4 75 5 25V 由于微机电路是时序数字电路 它需要稳定的时钟信号 因此在 电源上电时 只有当 VCC 超过 4 75V 低于 5 25V 以及晶体振荡器稳定工作时 复位信号才被撤除 微机电路开始正常工作 P9 C7 22uF R13 1k 5V 图 3 3 复位电路 3 3 电源电路 电源是各种系统所必不可少的重要部分 电源是整个系统的动力 其性能 的好坏 直接影响系统的性能 线性稳压电源其稳压性能好 输出纹波电压小 但是其体积大笨重 致使效率低 模拟电源由基准比较器 误差放大器和闭锁 电路组成 基本电路占用很小的硅片面积 补偿和实现架构易于实现比较容易 理解 并且成本比较低 精度比较高 耗能低 没有系统抖动 只需很少的额 外供电 7 该电源电路是由 7805 三端稳压器构成的典型稳压电路 输入 220V 15 交流电 经过电桥整流 再由极性电容滤波 所以最后由稳压器稳压后输出直 流 5V 电压 电源电路如图 3 4 所示 BR1 DF04M TR1 TRAN 2P2S VI 3 VO 2 ADJ 1 U3 LM7805 C1 3300u C3 100u 220V 50Hz 5V C2 0 1uF C4 3300u D1 LED RED 电电源源显显示示灯灯 K 5v 图 3 4 电源电路 图 3 4 中已知 V1 220V 0 f 50HZ 0 V 5V max0 I 1A 由 V2 1 5 2 0 V 8V 1 确定二极管 1 平均电流 D I max0 I 0 5A 1 2 2 耐压 单只 RM V 1 1 2V2 12 4V 故二极管选取条件为 RM V 25V D I 1A 2 滤波电容的设计 C1的确定 3 1 t 20ms 2 0 01s VC1 i V T 2 由稳压系数可知 ii 00 V VV VV S 3 2 i V 1 1 1 2 V2 9 6V 查手册得 V S 3 3 10 由 3 2 得 Vc1 i V V0 i S V V V opp 3 3 一般 pp0 V 5mv 所以 VC1 3 2V 由 3 1 得 取 Ic1 max0 I C1 max0 It 4C V 3125 F 1 C 1 1 C C tI dti C 1 V 1 1 C 16 查标称值取 C1 3300 F 同理取 4 C C1 3300 F 3 4 标准时钟电路 该电路由时钟 8051 内部计时器和晶振组成 晶振全称为晶体振荡器 其作 用在于产生原始的时钟频率 这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了 电脑中各种不同的总线频率 晶振一般叫做晶体谐振器 是一种机电器件 是 用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成 这种晶体 有一个很重要的特性 如果给它通电 它就会产生机械振荡 反之 如果给它 机械力 它又会产生电 这种特性叫机电效应 8 他们有一个很重要的特点 其振荡频率与他们的形状 材料 切割方向等密切相关 由于石英晶体化学性 能非常稳定 热膨胀系数非常小 其振荡频率也非常稳定 由于控制几何尺寸 可以做到很精密 因此 其谐振频率也很准确 因此我们使用外部振荡脉冲信 号 由 XTALl 和 XTAL2 端引脚输入 9 其电路图如图 3 5 所示 图 3 5 标准时钟电路 3 5 键盘输入及显示电路 洗衣机的控制电路中的输入模块选用独立按键 独立按键具有编程简单但 占用 I O 口资源的特点 适用于按键不多的场合 为节约 I O 口资源 本设计 选用矩阵键盘 矩阵键盘又叫行列键盘 它是由二条 I O 线作为行线 二条 I O 线作为列线组成的键盘 在行线和列线的每个交叉点上设制一个按键 这样按 键的个数就为 2 2 个 这种行列式结构的键盘能有效的提高单片机系统中的 I O 口的利用率 10 P19 P18 X1 12MHz C5 33pF C6 33pF K1 复位 K2 程序选择 K3 强弱选择 K4 暂停 运行 17 图 3 6 矩阵键盘布局图 本设计的按键输入是由 4 只按键分别用于洗衣机的工作方式 强制复 位 程序选择 强弱洗选择 和 运行 暂停 的选择 矩阵键盘布局 图如图 3 6 所示 根据键盘扫描方法 一开始单片机将行线全部置低电平 此时读入列线数据 若列线全为高电平 则没有键按下 当列线有出现低电 平时调用延时程序以此来去除按键抖动 延时后再判断是否有低电平 如果 此时读入列线数据还是有低电平 则说明确实有键按下 最后一步确认键值 键盘输入电路图如图 3 7 示 图 3 7 键盘输入电路 指示灯主要是以光亮指示的方式引起操作者注意或者指示操作者进行某种 操作 并作为某一种状态或指令正在执行或已被执行的指示 本设计用七只发 光二极管作为洗衣机的指示灯 它是半导体二极管的一种 当 LED 的 A 极通 过限流电阻连接到 8051 单片机的 I O 口 K 极连接到了 GND 地线 因此要使 LED 发光 也就是使电流流过 LED 只需要把 I O 口置成高电平即可 所以最 终我们对 LED 的控制变成了对一个 I O 口的控制 比如要点亮标号为 D10 的 LED 就是把 RC0 口设置成高电平而已 这就是实现方法 本设计中 8051 单片机的 P1 口和 P2 0 分别与 9 个发光二极管的阴极相连 发光二极管的阳极 接电源 分别指示 洗衣模式 洗涤方式 和 工作状态 D2 为 标准模 P9 P30 P31 INT0 P36 SW1 SW SPST K1 K2 K3 K4 程程序序选选择择键键 强强弱弱选选择择键键 运运行行 暂暂停停 水水位位 盖盖开开关关 强强制制复复位位键键 18 式 指示灯 D3 为 经济模式 指示灯 D4 为 单独洗涤模式 指示灯 D5 为 排水模式 指示灯 D6 为 强洗模式 指示灯 D7 为 弱洗模式 指示 灯 D8 D9 D10 分别指示当前工作状态 分别指示 洗涤 漂洗 脱水 状态显示电路如图 3 8 所示 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P20 D2 LED RED D3 LED RED D4 LED RED D5 LED RED R2 100 R3 100 R4 100 R5 100 5V 标标准准经经济济单单独独排排水水 D6 LED RED D7 LED RED R6 100 R7 100 5V 强强洗洗弱弱洗洗 R8 100 R9 100 R10 100 5V 洗洗涤涤漂漂洗洗脱脱水水 D8 LED RED D9 LED YELLOW D10 LED GREEN 图 3 8 状态显示电路 3 6 数码管显示电路 发光二极管简称为 LED 可以把电能转化成光能 发光二极管与普通二 极管一样是由一个 PN 结组成 也具有单向导电性 当给发光二极管加上正向 电压后 从 P 区注入到 N 区的空穴和由 N 区注入到 P 区的电子 在 PN 结附近 数微米内分别与 N 区的电子和 P 区的空穴复合 产生自发辐射的荧光 不同的 半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同 当电子和空穴复合时释放出的 能量多少不同 释放出的能量越多 则发出的光的波长越短 常用的是发红光 绿光或黄光的二极管 与小白炽灯泡和氖灯相比 发光二极管的特点是 工作电压很低 有的仅 一点几伏 工作电流很小 有的仅零点几毫安即可发光 抗冲击和抗震性能 好 可靠性高 寿命长 通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱 由于有这些特点 发光二极管在一些光电控制设备中用作光源 在许多电子设 备中用作信号显示器 LED 数码管根据 LED 的接法不同分为共阴和共阳两类 不同类型的数码 管 除了它们的硬件电路有差异外 编程方法也是不同的 将多只 LED 的阴极 连在一起即为共阴式 而将多只 LED 的阳极连在一起即为共阳式 以共阴式为 例 如把阴极接地 在相应段的阳极接上正电源 该段即会发光 而 LED 的电 19 流通常较小 一般均需在回路中接上拉电阻 共阴极 LED 数码管的内部结构原 理图 3 9 所示 图 3 9 共阴极 LED 数码管的内部结构原理图 为了使 LED 显示器显示数字或字符 必须对数字或字符进行编码 七段数 码管加上一个小数点 共计 8 段 因此为 LED 显示器提供的编码正好是一个字 节 LED 数码管真值表如下表 3 1 所示 表 3 1 LED 数码管真值表 0 x3f0 x060 x5b0 x4f0 x66 01234 0 x6d0 x7d0 x070 x7f0 x6f 56789 LED 显示器工作方式有两种 静态显示方式和动态显示方式 静态显示的 特点是每个数码管的段选必须接一个 8 位数据线来保持显示的字形码 当送入 一次字形码后 显示字形可一直保持 直到送入新字形码为止 这种方法的优 点是占用 CPU 时间少 显示便于监测和控制 缺点是硬件电路比较复杂 成本 较高 动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起 由位选线控制 是哪一位数码管有效 选亮数码管采用动态扫描显示 动态显示的亮度比静态 显示要差一些 所以在选择限流电阻时应略小于静态显示数码管显示模块 但 为了减少硬件开销 提高系统可靠性并降低成本 单片机控制系统通常采用动 态扫描显示 本设计选用的是 7seg mpx2 cc 共阴数码管 用以显示显示洗衣工作的剩余 时间 单片机的 P39 P33 口分别接数码管的 A G 口 P2 7 P2 8 口分别接数码管 的 1 2 口 分别控制第一片和第二片 20 的暗亮 外加上拉电阻加强驱动能力 使数码管更亮 11 数码管显示电路图如 图 3 10 所示 P38 P37 P36 P35 P34 P33 P39 1 2 2 3 4 5 6 7 8 1 RP2 RESPACK 7 图 3 10 数码管显示电路 3 7 水位检测电路 3 7 1 水位开关 水位开关和继电器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 洗衣机的进出水控制由两个继电器配合电控水龙头完成 设计中电控水阀 共 2 只 一只为进水阀 受 P2 2 控制 另一只为排水阀 受 P2 3 控制 当进水 阀的控制端 即三极管 Q2 的基极为高电平时 阀门打开 开始进水 当进水 阀的控制端 即三极管 Q2 的基极为低电平时 阀门关闭 进水完成 进水控 制电路图如图 3 11 所示 P22 RL1 OJ SH 105HM R11 100 5v Q2 PNP 进进水水阀阀 21 图 3 11 进水控制电路 当洗涤步骤完成后 排水阀的控制端 即三极管 Q3 的基极为低电平时 阀门打开 开始排水 当排水阀的控制端 即三极管 Q2 的基极为高电平时 阀门关闭 排水完成 排水控制电路图如图 3 12 所示 图 3 12 排水控制电路 3 7 2 水位监测模块 洗衣机的水位监测模块实际上是一个压力检测装置 它由导管 浮子 波 纹膜片 继电器等组成 导管与洗衣桶相连 导管中的水位就是洗衣桶内的水 位 在放水或进水的过程中 当水注入洗衣桶后 导管口很快被封闭 随水位 上升 导管内的水位也上升 被封闭的空气压强亦增大 水位开关中的波纹膜 片受压而胀起 推动顶杆运动而使触点改变 从而实现自动通断 全自动洗衣机气压式水位开关 以下简称水位开关 的两组触头分别与程 控器以及相关电路配合 共同完成洗涤 脱水等洗衣工序 水位开关中的两组 触头的动作分别对应两个水位值 洗衣机接水桶内水位的变化 通过一段密封 的连接导管 引致水位开关中导管的气压改变 继而转换成触头的动作 触头 的动作控制继电器接通产生一个电平值 传送给单片机 进而控制进 排水阀 的工作状态 水位监测模块的电路图如下图 3 13 所示 当洗衣机进水水位达到 上限水位 传感器控制继电器 RL3 接通产生一个高电平经三极管 Q4 基极传递 给单片机 关闭进水阀 当洗衣机排水水位达到下限水位 传感器控制继电器 RL4 接通产生一个高电平经三极管 Q5 基极传递给单片机 关闭排水阀 P23 RL2 OJ SH 105HM R12 100 5v Q3 PNP 排排水水阀阀 P24 P25 RL3 G2RL 14B CF DC5 Q4 PNP RL4 G2RL 14B CF DC5 Q5 PNP 上上限限水水位位传传感感器器 下下限限水水位位传传感感器器 22 图 3 13 水位监测模块的电路 3 8 报警电路设计 在洗衣机运行中起提示的作用 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 本设计采用电磁式蜂鸣器 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 本设计中的蜂鸣器由 P2 1 控 制 当 P2 1 输出为 1 脱水完成后 时 洗衣机的蜂鸣器发声 提示用户洗 衣过程完成 其电路如图 3 14 所示 P21 BUZ1 BUZZER Q1 PNP 5V 图 3 14 报警电路图 23 3 9 电机控制系统 电动机也称电机 它的主要作用是产生驱动力矩 作为用电器或小型机械 的动力源 交流异步电动机是领先交流电压运行的电动机 广泛应用于电风扇 电冰箱 洗衣机 空调器 食品加工机等家用电器及各种电动工具 小型机电 设备中 单相交流电动机只有一个绕组 转子是鼠笼式的 当单相正弦电流通 过定子绕组时 电动机就会产生一个交变磁场 这个磁场的强弱和方向随时间 作正弦规律变化 但在空间方位上是固定的 所以又称这个磁场是交变脉动磁 场 这个交变脉动磁场可分解为两个以相同转速 旋转方向互为相反的旋转磁 场 当转子静止时 这两个旋转磁场在转子中产生两个大小相等 方向相反的 转矩 使得合成转矩为零 所以电动机无法旋转 当我们用外力使电动机向某 一方向旋转时 这时转子与顺时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变 小 转子与逆时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变大 这样平衡就 打破了 转子所产生的总的电磁转矩将不再是零 转子将顺着推动方向旋转起 来 洗衣机里的机动机是电容式单相异步电动机 电容式单相异步电动机有原 理是在启动绕组上串联一个适量的电容器 由于电容器的电流滞后于它的电压 90 度 所以会在定子上产生一个偏转磁场 使电动机旋转 12 本洗衣机的控制电路中单片机通过 L298 电机电机驱动芯片直接驱动单相异 步交流电机 L298 通过单片机的 I O 输入改变芯片控制端的电平 即可以对电 机进行正反转 停止的操作 13 输入引脚与输出引脚的逻辑关系如表 3 2 所示 表 3 2 逻辑关系 EnAIn1In2 运转状态 0 停止 110 正转 101 反转 111 刹停 100 停止 L298 控制电机的正反转 完成最基本的洗涤 漂洗 脱水功能 电动机有 2 个控制端 一端控制电动机正向运转 该端与 L298 的 OUT1 相连 另一端控 制电动机反向运转 与 OUT2 相连 L298 的使能端接的地 因此 IN1 IN4 开关 全开 在整个洗衣过程中 程序会不断判断洗衣机的强弱洗模式 从而不断调 24 整电机转动 14 电动机控制原理图如图 3 15 所示 图 3 15 电动机控制原理图 3 11 硬件系统整体电路图 通过前面各节单元电路的设计及器件的选择 得到 8051 单片机控制的洗衣 机整体硬件电路图 见附录 整体硬件电路的工作过程是 通过按键 K 打开电源后 单片机及各个部分 电路开始工作 单片机调用内部存储数据对各部分接口电路初始化 待用户选 择工作程序 用户通过按键 K2进行 标准 经济 单独 或 排水 程序 选择 通过按键 K3选择 强洗 或 弱洗 按 K4 暂停 运行 键开始工作 工作过程中 单片机控制继电器 RL1 打开进水阀 开始注水 待水位达到 预定值时 水位传感器控制继电器 RL3 打开 输出一个高电平给单片机 关闭 进水阀 电机控制芯片 L298 控制电机按预设程序转动 当洗涤完成 进行排水 操作时 单片机控制继电器 RL2 打开排水阀 开始排水 待水位降低至预定位 置 水位传感器控制继电器 RL4 输出一个高电平给单片机 关闭排水阀 在洗 衣的过程中 LED 显示器显示的数字即为洗衣机的剩余时间 脱水完成后 洗 衣机的蜂鸣器发出 5 次 嘟嘟 声 提示用户洗衣过程已经结束 IN1 5 IN2 7 ENA 6 OUT1 2 OUT2 3 ENB 11 OUT3 13 OUT4 14 IN3 10 IN4 12 SENSA 1 SENSB 15 GND 8 VS 4 VCC 9 U2 L298 5V 5V 88 8 25 第 4 章 系统软件设计 4 1 主程序设计 洗衣机控制系统功能要求如下 1洗涤时正 反转驱动时间各为 4 秒 间歇时间为 1 秒 2 标准程序是进水 洗涤 漂洗 排水 脱水 如此循环两次 每循环一 次洗涤或漂洗环节时间比上一循环同一环节时间减少 2 分钟 具体是 第一循环为洗涤 时间为 6 分钟 第二次循环为漂洗 时间分别为 4 分 和 2 分 排水时间采用动态时间法确定 脱水时间为 2 分钟 洗衣机脱水期间 若打开机盖时 洗衣机就会自动停止脱水操作 待关 闭机盖后恢复工作 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 声光显示功能 洗衣机各种工作方式的选择和各种工作状态均有声 光 提示或显示 洗衣结束是有蜂鸣声提示用户结束 本系统主要依靠 8051 单片机的软件设计控制洗衣机的整体功能 打开洗衣 机的电源