基于单片机的全自动洗衣机 控制系统设计文档格式.docx
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1.1程控器功能设计及说明
参考数据：
（1）最高工作电压为5.5V
（2）最低工作电压与时钟频率有关：
16MHZ时为4.5V，8MHZ时为2.7V
（3）在该洗衣机控制电路中需要+5V直流电供给单片机及显示部分，+12V直流电源驱动继电器和蜂鸣器，220V交流电源驱动电机和各种交流电磁阀。
（4）洗衣机的电源电压为220伏特，50赫兹。
1.1.1六个全自动程序功能设计
六个全自动程序，各程序洗衣特点如表1-1所示：
表1-1六种全自动程序洗衣特点
程序
水流及特点
缺省时间
标准
洗涤12分钟，漂洗2次，脱水6分钟，洗净能力强。
43分钟
快洗
洗涤2.5分钟，漂洗1次并喷淋，脱水1.5分钟，洗净能力较轻。
10分钟
纤细
洗涤10分钟，漂洗2次，脱水2分钟，适合洗涤纤细及高档衣物。
33分钟
大物
洗涤15分钟，漂洗2次，脱水7分钟，洗涤能力特别强。
47分钟
防皱
洗涤8分，漂洗2次，免脱水（仅排水），洗涤怕脱水时皱折衣物。
27分钟
羊毛
洗涤15分钟，漂洗2次，免脱水（仅排水），适合洗涤羊毛衫。
34分钟
1.1.2预约功能设计
按动预约键，数码管闪烁显示预约洗衣开始时间进入预约设定状态，可在１～48小时之间选择。
每按一次预约键，预约时间增加1小时。
到48小时后再按一次回到起始状态。
按住预约键不放，时间自动连续增加，可一次设置１～48小时。
在预约启动后若开盖，则程序报警提示。
1.1.3不平衡调整功能设计
1.1.3.1不平衡调整的判断
在安全开关接通的状态下，若间歇脱水或脱水过程中，出现45±
5～200±
10ms的瞬间断开，则进入不平衡调整状态。
断开超过200ms，判断为开盖。
断开不足40ms，不予处理。
1.1.3.2不平衡调整的工作过程
进入不平衡调整状态，在漂洗状态原选中的灯进行闪烁显示，脱水状态则回到漂洗灯闪烁显示。
同时，注水到当前设定水位后，摆平水流运行1分钟，结束后排水回到原来脱水行程中。
若进行如此2次修正无效后，则蜂鸣器报警，等待人工处理。
1.1.4自动断电功能设计
启动自动断电功能的工作情况：
第一，开机10分钟后，不启动程序，则自动切断电源。
第二，洗衣程序结束并进行六次蜂鸣后即时自动切断电源。
1.1.5运动浸泡功能设计
其洗涤方式是首先预备洗涤搅拌，然后浸泡,搅拌,如此循环。
具体洗涤方式如表1-2所示。
表1-2运动浸泡的洗涤方式
浸泡过程（20＇）
搅拌2＇
浸泡3＇
搅拌1＇
浸泡4＇
1.1.6故障报警功能设计
在洗衣机工作过程中，若出现表1-3所列的故障，则单片机能检测故障类型，同时发出报警信号，提醒操作者排除故障。
表1-3故障报警工作状况
故障原因
故障显示
蜂鸣报警
报警解除
进水报警
进水16分钟不到设定水位
数码显示“E1”
蜂鸣器连续鸣响10秒钟，若报警未被解除,以后每隔16分钟重复蜂鸣10秒钟
打开机盖,处理故障,然后关上
机盖，解除报警
排水报警
排水4分钟不到空水位
数码显示“E4”
开盖报警
预约启动后开盖；
进入脱水状态时开盖
数码显示“E2”
不平衡报警
第3次不平衡检测
数码显示“E3”
1.1.7桶洁净功能设计
目的就是洗衣结束后清洁洗衣桶。
打开电源，在未启动状态下，按程序＆预约键可选则桶洁净功能，然后按启/停键即进入洁桶程序。
在此工作状态下只有启/停键及电源键响应，仅有脱水一个灯闪烁。
1.1.8童锁功能设计
程序启动后，按水位＆功能键即可启动童锁功能。
在童锁工作状态下，数码管显示“CL”，而且所有按键均封锁住不可选，再按水位＆功能键可以解除童锁功能。
1.1.9冷、热进水功能设计
冷水灯亮进水时，由冷水进水阀打开；
热水灯亮进水时，由热水进水阀打开；
冷、热水灯同时亮则进水时两进水阀同时打开。
1.2面板简图
如图1-1所示：
8档水位采用4个灯，一个发光二极管可以显示两种状态，达到节省硬件的目的。
程序按键对应的三个灯也是如此，一个灯可以表示两个状态。
图1-1面板简图
第二章设计方案选择和确定
2.1目前主要应用的单片机机型
（1）Intel公司的单片机
Intel是最早推出单片机的公司之一，主要有MCS-48、MCS-51系列8位单片机和MCS-96系列的16位单片机。
在20世纪八、九十年代，MCS-51和MCS-96曾经是我国最流行的单片机，得到广泛的应用。
这几年Intel公司注重于奔腾系列微处理器，没有推出新的单片机。
（2）东芝（TOSHIBA）公司的单片机
东芝公司主要有TLCS-870、TLCS-870/X、TLCS-870/C等系列的8位单片机，TLCS-900系列的16位单片机，这些单片机是近几年推出的新型单片机，功能强、可靠性高。
在本洗衣机控制系统中，要求洗衣机能自动检测水位、水温、门开关等参数，自动确定标准洗及快速洗等时间、漂洗次数，并能自动控制洗衣机电机、进水阀、排水阀的工作，同时要求有七个按键输入和六路显示电路，因此该系统是一个多输入、多输出系统。
若用Intel的51系列单片机，要么需要进行I/O扩展，要么由于这些单片机驱动能力有限，需外加驱动电路，从而使硬件电路过于复杂。
综合上述考虑，决定选用内部有A/D转换器、驱动能力强的TOSHIBA单片机作为该系统的微处理器，TMP86C846N单片机是TLCS-870/C系列单片机中的典型产品，具有高速率、高性能、低功耗的优点，且结构先进、功能强大。
因此我们选择TMP86C846N单片机作为主芯片。
2.2负载控制电路的选择
在洗衣机工作过程中，需要电机的正反转、进水电磁阀及排水电磁阀的频繁动作，因此就需要一种能适应工作于频繁切换场合的开关器件来控制这些负载的工作。
普通开关设备，均属于有触点开关。
由于这些开关在开断的过程中，存在着机械触点的位移和产生电火花的可能，所以一般都有着动作速度慢和维修工作量大等缺陷。
普通开关的寿命和开断的次数相关，因此在频繁切换的场合其应用受到了一定的限制。
晶闸管作为交流无触点开关没有以上普通开关的各种缺陷，在控制中有着动作快、维修量少、通断次数几乎无限制和没有噪音等优点，因此应用广泛。
鉴于晶闸管自身不可替代的优点，在本控制系统中，采用双向晶闸管作为开关器件来控制电机的正反转及各种电磁阀的通断。
第三章系统硬件电路的设计
3.1硬件结构概述及组成框图
3.1.1概述
本程控器有七个按键（水位K1、程序K2、功能K3、水温K4、启动/暂停K5、预约K6、电源K7），十四个发光二极管（四个八档水位显示、三个程序显示、四个功能显示、两个进水显示、一个预约显示），一个双位数码管，实现对洗衣机运行状态的选择和显示。
通过不同颜色接插件与洗衣机的冷热进水电磁阀、排水牵引器、电机、水位传感器、安全门开关相连接，由双向晶闸管来控制负载，按设定程序实时执行动作。
3.1.2组成框图
图3-1硬件结构组成框图
3.2微处理器
3.2.1TMP86C846N的封装及引脚功能
TMP86C846N为SDIP42密脚双列直插封装，引脚排列如图3-2所示。
图3-2TMP86C846N引脚排列图
表3-1为TMP86C846N引脚功能说明。
表3-1TMP86C46N的引脚功能
引脚名
一般I/O功能
特殊I/O功能
P07（INT4）
8位双向输入/输出口
外部中断4（INT4）信号输入端
P06（
）
同步串行口SIO时钟输入/输出脚
P05（SI）
同步串行口SIO串行数据输入脚
P04（SO）
同步串行口SIO串行数据输出脚
P03（TXD）
异步串行口UART串行数据输出脚
P02（RXD）
异步串行口UART串行数据输入脚
P01（
/
PDO4/PPG4）
定时器TC4输入输出脚
P00（INT0）
外部中断0（INT0）信号输入端
P15（INT3）
6位双向输入/输出口
P14（PPG）
P13（DVO）
P12（INT2/TC1）
P11（INT1）
P10（PWM3/TC3/PDO3）
P20（INT5/STOP1）
3位双向输入/输出口
P21（XTIN）
P22（XTOUT）
P37（AIN7/STOP5）
模拟量信号AIN4～AIN7输入脚或使CPU退出STOP方式的信号STOP2～STOP5输入脚
P36（AIN6/STOP4）
P35（AIN5/STOP3）
P34（AIN4/STOP2）
P33（AIN3）
模拟量信号AIN0～AIN3输入脚
P32（AIN2）
P31（AIN1）
P30（AIN0）
P47
P46
P45
P44
P43
P42
P41
P40
TEST
测试控制输入脚，用户系统中接地
外部复位信号输入脚或内部复位信号输出脚
XIN
高频时钟输入脚
XOUT
高频时钟输出脚
VSS
接地
VDD
+5V
AVSS
模拟地
AVDD
模拟电路电源+5V
VAREF
AD参考电源输入端
3.2.2.I/O口资源分配
按键、水位、门开关等信号需要输入单片机，给单片机提供判断处理的依据，所以相应的I/O口设置为输入口。
而显示及控制驱动电路需要输出控制及驱动信号，所以相应的I/O口设置为输出口。
表3-2为单片机各个I/O口资源分配表。
表3-2I/O口资源分配表
I/O
引脚
功能
9
10
11
12
13
14
15
输出，七段LED数码管显示
其中，P4.0～P4.3兼作水位、功能、程序、进水的状态显示
P22
23
16
输入，第1行按键K1～K6输入
输入，第2行按键K7输入
P30
P31
P32
P35
P36
P37
40
41
42
3
4
5
输出，第6列按键及低位数码管显示控制
输出，第5列按键及高位数码管显示控制
输出，第4列按键及进水状态显示控制
输出，第1列按键及水位状态显示控制
输出，第2列按键及程序状态显示控制
输出，第3列按键及功能状态显示控制
P34
P10
P12
P13
P14
2
39
37
36
35
输出，排水电磁阀驱动电路控制
输出，热水进水电磁阀驱动电路控制
输出，冷水进水电磁阀驱动电路控制
输出，电机正转驱动电路控制
输出，电机反转驱动电路控制
P15
34
输出，继电器线圈通断电控制
P00
26
输入，交流过零检测信号输入
P01
27
输出，蜂鸣器控制
P20
25
输入，水位传感器频率信号输入
P21
22
输入，门开关检测信号输入
3.3双向晶闸管控制驱动电路设计
3.3.1双向晶闸管的结构及工作原理
双向晶闸管的结构如下图所示。
其引出端子分别为MT1，MT2，门极。
通常以MT1作为电压测量的基准点。
如图3-3可知，在端子MT2与MT1之间相当于一个PNPN与一个NPNP器件的并联。
当门极无信号输入时，它与SCR相同，在MT2与MT1之间不导通。
如果MT2施加的电压高于MT1，且门极有正极性信号时，这就可使双向晶闸管导通，电流MT2向MT1流动；
如果MT1施加的电压高于MT2，且门极有负极性信号时，这就可使双向晶闸管导通，电流MT1向MT2流动。
3.3.2双向晶闸管控制驱动电路原理图及工作原理
双向晶闸管采用直流触发，鉴于单片机输出触发信号不足以触发双向晶闸管，故需将触发功率放大。
如图3-4所示，负载驱动电路主要包括七达林顿驱动电路ULN2004，电阻R33～R35、R41～R42、R39～R38，电容C16～C21、C28，双向晶闸管TR1-TR5等组成。
电路中的双向可控硅分别控制电机正转、反转，进水（热水、冷水）电磁阀、排水牵引器的通断。
由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，该信号由芯片ULN2004驱动放大后对可控硅门极施加触发电压，触发可控硅导通，使可控硅处于通路状态。
220V交流电路经过负载形成回路，使相应的负载得电运行。
3.3.2.1电机正、反转及排水牵引器驱动控制原理
当P14脚输出高电平过零脉冲时，经驱动芯片ULN2004输出低电平，则这时来自直流电源电路的+5V电压经TR1（双向晶闸管）的T1极和G极，在经过限流电阻R33到ULN2004内部接地而构成通路，使TR1的T1极和G极间（电阻
图3-4双向晶闸管控制驱动电路
约为100Ω）产生一个电压降，使TR1导通，于是电动机正转。
同样道理，当P13脚输出高电平过零脉冲时，电动机反转。
若要使电动机停转，纸鹞使P14、P13脚都输出低电平即可。
此时，只要交流电压一过零点，可控硅就因T1和G间电压为零而自动截止，电动机失电停止运转。
同时，控制电机的两个双向晶闸管在任何时候不能同时导通，否则会损坏晶闸管，甚至烧坏电机。
当P34脚输出高电平过零脉冲时，可控制排水牵引器的启动停止。
3.3.2.2冷、热进水阀驱动控制原理
当P12脚输出高电平过零脉冲时，经驱动芯片ULN2004输出低电平，则这时来自直流电源电路的+5V电压经TR3（双向晶闸管）的T1极和G极，在经过限流电阻R35接到ULN2004内部接地而构成通路，使TR1的T1极和G极间（电阻约为100Ω）产生一个电压降，使TR3导通，于是电磁阀线圈带电打开冷进水阀阀门。
同样道理，当P10脚输出高电平过零脉冲时，热进水阀阀门打开。
要使阀门关闭，只要使P12或P10脚输出低电平即可。
这时，只要交流电压一过零点，可控硅就因T1和G间电压为零而自动截止，电磁阀不带电而关闭阀门。
3.3.2.3抗干扰措施
电容C16～C19、C28起滤波抗干扰作用，当突然出现干扰信号时，因电容电压不能突变，而不会引起ULN2004内部的变化而造成双向晶闸管的误导通或误截止。
由于电机的电感较大，感应反电势也较大，如果这个电压出现非常迅速，则双向晶闸管将重新导通而失去控制，因此需要在两个8A的双向晶闸管的两个主极上并联一个电阻和电容，组成容阻回路。
电容将起到限制感应电势的作用，而电阻用来限制来自器件触发时电容器的浪涌电流和阻尼由电容和电感构成的振荡。
如图3-21，在双向晶闸管的两端并联RC串联网络，该网络常称为RC阻容吸收电路。
3.4蜂鸣器
为保证洗衣机的安全工作，当洗衣机出现问题或故障时，洗衣机应立即发出蜂鸣报警，提醒用户及时处理，此即全自动洗衣机的故障自诊断功能。
在洗衣机电源接通后，单片机就不断地对接收到的按键、门开关、水位传感器等输入信号进行分析，并结合内部时钟信号，作出当前工作状态是否正常的判断，若出现异常情况，则进行蜂鸣报警。
3.5水位传感器
水位检测的精度直接影响洗净度、水流强度、洗涤时间等参数。
对于全自动洗衣机,要求水位的检测必须是连续的,故常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变为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,从而线圈电感发生变化。
由此引起谐振电路的固有频率随水位变化。
3.6LED和数码管显示及按键电路
如图3-5所示，本程控器设有七个按键（水位K1、程序K2、功能K3、水温K4、启动/暂停K5、预约K6、电源K7），十四个发光二极管（四个八档水位显示、三个程序显示、四个功能显示、两个进水显示、一个预约显示），一个双位数码管，实现对洗衣机运行状态的选择和显示。
通过LED的点亮/闪烁指示洗衣机的各种工作状态，利用数码管显示预约及各种洗衣程序的剩余时间和四种错误类型（E1、E2、E3、E4）。
采用动态扫描显示的方法。
动态扫描显示法是把所有显示器件的各个相同端互相连接在一起,接到一个输出口上，而显示器的公共端COM分别接在另外
输出口上，通过这两个输出口的两组信号相互作用来产生显示效果。
即让各位数码管及LED显示器件按照一定顺序轮流显示，只要扫描频率足够高，由于人眼的“视觉暂留”特性，就观察不到闪烁现象，而是连续稳定的显示。
其特点
图3-5LED和数码管显示及按键电路
在于能显著降低显示部分成本，大大减少显示接口的连线结构，易于编程。
开机后，由P30~P32和P35~P37输出不同时段的扫描方波,用来检测按键的输入。
动态扫描方波信号（键扫描信号）是50HZ频率（间隔20ms）的脉冲序列，有严格的时序关系，其中一个I/O口输出低电平时，其余I/O口皆为高电平（例如111101等）。
扫描信号经限流电阻R1～R6（3.3K）后加载到三极管Q1～Q6的基极。
当P30~P32和P35~P37中某个管脚输出低电平时，相应的三极管饱和导通，从而使高电平驱动相应的显示器件工作。
同时，软件不断检测P22、P47的输入。
当有键按下时，软件便会检测到此按键输入口的高电平。
根据扫描方波，可判断按下的是哪一个键，然后调出存在程序存贮器中的相应按键子程序。
在相应子程序中，由单片机控制从P40~P47输出不同的段值，用来控制相应的LED指示灯（点亮/闪烁）及数码管（点亮/熄灭）的工作状态，并在相应输出口输出控制信号，控制洗衣机电动机、进水电磁阀、排水电磁阀的动作。
在按键的输入处均设有容阻吸收电路，以提高系统抗干扰能力。
二极管D1～D6作用是防止多个按键同时按下时，发生短路。
第四章系统软件设计
4.1软件编程思路
全自动洗衣机控制软件系统根据其功能要求，主要分为以下几个大程序模块：
监控程序模块；
主洗程序模块；
漂洗程序模块；
脱水程序模块。
4.2各模块程序流程图
4.2.1监控程序模块
监控程序模块负责在非洗衣状态下，监视按键和刷新显示工作。
在监控状态下，程序不断扫描7个按键（电源、启动、程序、预约、水位、功能和水温）的状态。
只有在电源键被按下后，按动其它键才能有效响应。
监控程序模块的流程图如图4-1所示。
图4-1监控程序模块框图
在洗衣机通上电源后，单片机上电复位。
程序首先运行在监控程序模块中。
洗衣机初始化内容包括：
I/O口初始化、工作过程初始化（主洗洗涤时间、漂洗洗涤时间、漂洗次数、脱水时间、进水时间等参数）。
因为洗衣机上电后默认洗涤方式为标准洗，故参数初始化主要是对标准洗状态下的参数的预置。
上电数据恢复模块主要用来判断洗衣机上电是否为洗涤时突然掉电。
若为洗涤过程中掉电，则上电后进行恢复断点工作，否则程序返回进入到对按键监视和刷新显示的循环过程中。
在按下电源键后，洗衣机进入到复位状态，在此状态下可进行参数设置，如选择水温、是否防皱、水位、程序等。
若不设定的话，洗衣机启动后处于标准洗涤状态。
若同时按下几个键，则进入到自检，如同时按下水位和电源键，这个功能是无水检测，用来检测发光二极管、数码管和蜂鸣器等是否能正常工作；
如在洗涤过程中同时按下水位和功能键，启动童锁功能,所有按键均封锁不可选。
若按下启动键，则洗衣机开始洗涤。
4.2.2主洗程序模块
当洗衣机上电后默认主洗时间为43分钟。
洗衣机的洗涤过程是否进入到主洗程序模块，由用户操作决定。
若用户选择主洗，则允许标准洗标志有效。
主洗过程是一个包括进水、洗涤、排水洗和脱水全过程。
程序框图如图4-2所示。
图4-2主洗程序模块
4.2.3漂洗程序模块
在洗衣机上电后默认漂洗次数为4次。
用户可选择漂洗次数，也可以只漂洗，不脱水。
当用户选择漂洗过程后，此标志有效。
在整个漂洗过程中，漂洗灯一直闪烁,程序框图如图4-3所示
。
图4-3漂洗程序模块框图
4.2.4脱水程序模块
脱水是洗衣过程中可有可无的环节。
脱水时间由用户设定，在脱水过程中排水阀一直打开，且脱水指示灯一直闪烁显示。
脱水程序模块如图4-4所示。
图4-4脱水程序模块框图
总结
全自动洗衣机由东芝单片机控制。
由于其具有内
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