基于单片机的全自动洗衣机控制系统软硬件设计Word文档下载推荐.docx
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2.3模拟软件调试
24
第三章系统的实现和关键技术
34
3.1硬件的选择与说明
3.1.1AT89C2051
3.1.2固态继电器的选用
36
3.1.374LS05反相器六非门
37
3.1.4双2-4译码器74LS139
38
3.1.5TC4013BP
39
3.1.6电机
44
3.2汇编程序与模拟软件
45
3.2.1主程序
3.2.2KEIL的使用方法
61
第五章总结
71
致谢
72
参考文献
73
4
第一章绪言
4.1
1.1课题背景
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、摔干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。
展,洗衣机的性能将会不断完善。
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。
而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。
它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。
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社会。
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。
[6]
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1.8V～3.6V,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。
由于单片机功能的飞速发展,它的应用范围日益广泛,已远远超出了计算机科学的领域.小到玩具,信用卡,大到航天器,机器人,从实现数据采集,过程控制,模糊控制等智能系统到人类的日常生活,到处都离不开单片机.其主要的应用领域如下。
（1）在测控系统中的应用
单片机可以用于构成各种工业控制系统,自适应控制系统,数据采集系统等。
例如,工业上的锅炉控制,电机控制,车辆检测系统,水闸自动控制,数控机床及军事上的雷达,导弹系统等。
（2）在智能化仪器仪表中的应用
单片机应用于仪器仪表设备中促使仪器仪表向数字化,智能化,多功能化和综合化等方向发展。
单片机的软件编程技术使长期以来测量仪表中的误差修正,线性化的处理等难题迎刃而解。
（3）在机电一体化中的应用
单片机与传统的机械产品结合使传统的机械产品结构简化,控制走向智能化,构成新一代的机电一体化产品。
这是机械工业发展的方向。
（4）在智能接口中的应用
计算机系统,特别是较大型的工业测控系统中采用单片机进行接口的控制管理,单片机与主机并行工作,可大大提高系统的运行速度。
例如,在大型数据采集系统中,用单片机对模/数转换接口进行控制不仅可提高采集速度,还可以对数据进行预处理。
如数字滤波,误差修正,线性化处理等。
（5）在人类生活中的应用
单片机由于其价格低廉,体积小巧,被广泛应用在人类生活的诸多场合,如洗衣机,电冰箱,空调器,电饭煲,视听音响设备,大屏幕显示系统,电子玩具,信用卡,楼宇防盗系统等.单片机将使人类的生活更加方便舒适,丰富多彩。
4.2
1.2本课题的任务和要求
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。
单片机主要用于计算机外设、实时控制、仪器仪表、通信和家用电器等各个领域,是计算机技术和电子技术的综合性应用,在不同应用场合其技术要求各不相同,因此设计方法和研制的步骤不完全一样。
单片机应用系统由硬件和软件组成。
硬件是指MCU、存储器、I/O接口和外设等物理器件的有机组合。
软件是指系统监控程序的总称。
在开发的过程中,它们的设计不能完全分开,二者需要互相配合、不断调整才能组成高性能的应用系统。
单片机应用系统的开发包括系统总体设计、硬件设计、软件设计、系统调试等几个阶段,它们有时交叉进行。
1.2.1设计任务
（1）系统总体设计任务
在进行系统设计之前,首先应根据对系统的功能要求及其应用环境等确定合理的、具体的功能和技术指标,对应用系统的可靠性、通用性、先进性、可维护性、以及成本等进行综合考虑,以尽量合理并符合相应的标准。
然后根据市场上各种单片机的货源情况和单片机的性能及开发工具等因素选择合适的机型。
接下来要根据系统中可能遇到的传感器、模拟电路、I/O接口、存储器和显示器等器件和设备进行器件选择,使之符合系统在精度、速度和可靠性等方面的要求。
最后确定硬件和软件的功能划分。
由于在系统设计中某些功能用硬件和软件都能实现,在设计中应综合考虑研制周期和成本等因素具体划分软硬件功能。
（2）系统硬件设计任务
硬件设计的任务是根据总体要求,在所选的MCU和各个元器件型号的基础上设计出系统的电路原理图,做一些必要的不见实验,以及工艺结构的设计加工,印刷电路板的设计制作和样机的组装等。
在硬件设计中,需要考虑系统总线的负载能力、系统扩展时的片选方式、模拟电路的速度和精度等,如需扩展存储器则尽量用一片完成,这样既降低了成本,又减小了线路板的面积,同时提高了系统的可靠性。
（3）系统软件设计任务
单片机应用系统的软件设计是系统设计中最基本而且工作量较大的任务。
与系统机上操作系统支持下的纯软件不同,单片机的软件设计是在裸机的条件下进行的,而且随应用系统的不同而不同。
在软件中一般需考虑以下几个方面：
1）
根据要求确定软件的具体任务细节,然后确定合理的软件结构。
一般系统软件的主程序和若干个子程序及中断服务程序组成,详细划分主程序、子程序和中断服务程序的具体任务,确定各个中断的优先级。
主程序是一个顺序执行的无限循环的程序,不停地顺序查询各种软件标志,以完成对事务的处理。
在子程序和中断服务程序中,要考虑现场的保护和恢复,以及它们和主程序之间的信息交换方法。
2）
程序的结构用模块化结构,即把监控程序分解为若干个功能相对独立的较小的程序模块分别设计,以便于调试。
具体设计时可采用自底向上或自顶向下的方法。
3）
在进行程序设计时,先根据问题的定义描述出各个输入变量和输出变量之间的数学关系,即建立数学模型,然后绘制流程图,再根据流程图用汇编语言进行具体程序的编写。
4）
在程序设计完成后,利用相应的开发工具和软件进行程序的汇编,生成程序的机器码。
（4）系统的调试任务
在系统样机的组装和软件设计完成以后,就进入系统的调试阶段。
应用系统的调试步骤和方法是相同的,但具体细节与采用的开发系统（即仿真器）及选用的单片机型号有关。
调试的过程就是软硬件的查错过程,分为硬件调试和软件调试。
硬件调试
单片机应用系统的软硬件调试是分不开的,通常是先排除明显的硬件故障后再和软件结合起来进行调试。
常见的硬件故障有逻辑错误、元器件失效、可靠性差和电源故障等。
在进行硬件调试时先进行静态调试,用万用表等工具在样机加电前根据原理图和装配图仔细检查线路,核对元器件的型号、规格和安装是否正确。
然后加电检查各点电位是否正常。
接下来再借助仿真器进行联机调试,分别测试扩展的RAM、I/O口、I/O设备、程序存储器以及晶振和复位电路,改正其中的错误。
2）软件调试
软件调试就是检查系统软件中的错误。
常见的软件错误有程序失控、中断错误（不响应中断或循环响应中断）、输入/输出错误和处理结果错误等类型。
要把各个程序模块分别进行调试,调试通过后再组合到一起进行综合调试,达到预定的功能技术指标后即可将软件固化。
系统的调试过程要结合具体的仿真器进行。
1.2.2系统设计要求
AT89C2051单片机是ATMEL公司8位单片机系列产品之一,是一种20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,15个I/O口,5个中断,2个定时,已经可以满足程序的需要,指令也和51系列兼容,基于上述特点,选择它来设计一台智能洗衣机,完全可以达到以下的功能：
1、洗衣工作状态功能：
强、弱洗涤；
2、洗衣程序功能：
含4种独立程序,即标准洗衣程序、经济洗衣、单次洗衣、脱水功能；
3、特殊功能：
故障诊断、安全保护、防振、暂停、间歇工作、声光显示功能。
洗衣机要完成洗衣工作,除了对一般洗衣过程的人工工作及效能进行模拟之外,还要根据洗衣机的机械电子性质进行有关控制和检测。
对于一台全自动洗衣机而言,首先要求能完成洗衣功能；
同时还要根据用户的不同要求设置几种不同的洗衣程序；
还要考虑水流的情况决定洗涤的弱强情况；
另外,还要对洗衣过程出现的故障进行诊断；
保证高速运转是脱水的安全性等。
所以对全自动洗衣机,一般要求具有如下基本功能：
（1）弱强洗涤功能。
要求强洗时正反转驱动时间各为4S,间歇时间为1S；
弱洗时正反转驱动时间各为3S,间歇时间为2S。
（2）4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—洗涤—；
脱水,如此循环3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2min,具体是第一循环为洗涤,时间为6min,第二第三次循环为漂洗,时间分别为4min和2min.排水时间采用动态时间法确定,脱水时间为2min.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（6min）—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）进排水系统故障自动诊断功能。
洗衣机在进水或排水过程中,若在一定的时间范围内进水或排水未能达到预定的水位,就说明进排水系统有故障,此故障由控制系统测知并通过警告程序发出警告信号,提醒操作者进行人工排除。
（4）脱水期间安全保护和防振动功能。
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。
脱水期间,如果出现衣物缠绕引起脱水桶重心偏移而不平衡,洗衣机也会自动停止脱水,以免振动过大,待人工处理后恢复工作。
（5）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5s,间歇2s,间歇期间靠惯性力使脱水桶保持高速旋转。
（6）暂停功能。
不管洗衣机工作在什么状态,当按下暂停键时,洗衣机需暂停工作,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。
（7）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和显示。
4.3
1.3系统解决的问题和拟采用的研究手段
本课题主要是研究基于单片机的全自动洗衣机控制系统软硬件设计。
首先要熟悉设计内容,学习掌握单片机的使用方法；
精确分析并设计出该控制系统的全部工作流程图,确定输入、输出的名称功能；
设计系统软件并在PC机上仿真模拟调试；
设计并制作硬件模拟电路盘,接电模拟调试；
软硬件联合调试,实现全部功能,完成设计并撰写毕业论文。
针对课题采取以下研究方法及步骤：
1、各种元器件以及芯片的选择
2、硬件电路的设计
3、用汇编语言完成软件方面的设计
4、结合电路对程序进行调试
5、找出程序中的错误,改正这些错误
4.4
1.4本文的工作
本文的工作就是介绍如何做一个全自动洗衣机,第2部分给出相关方案的研究为后面程序设计打下基础,第3部分给出了系统的总体设计,对程序的模块分析、设计思想第4部分给出详细的实现过程和重要的技术实现。
最后给出了我对这个设计一个看法,这个系统有些什么特色,还有展望之类的。
5
第二章系统的总体设计
5.1
2.1核心单元电路
那么我们先来说说它的硬件设计。
硬件电路框图如图1所示,在该硬件系统中主要由核心单元电路、进水阀控制电路、排水阀控制电路、电机转动控制电路、状态显示电路、特殊功能电路等单元组成。
图1
1．
核心单元电路
单芯片微处理器是属于EmbeddedSystem（嵌入系统）,此系统的是把CPU加上一些少量的记忆体和输出入组件（I/O）,都嵌入在一颗芯片内,再使用特定的组译和编译软体编辑程序,利用烧录器把程序储存到单芯片,如此加上一些简单的周边电路,即可变成一个控制系统,所以单芯片又称为微程控器（microcontroller）。
8051是由INTEL公司发展出来的8bitMCU（微处理器）,目前在工业界的应用相当的普及化,目前已有相当多家的公司也制造与8051兼容的单晶片,除的基本的构造相同外,更增加其周边的控制功能,例如DALLAS公司生产的DS87C550,已经内建A/D转换和PWM,如此可减少周边组件和布线的成本,而国内的华邦电子公司也推出了40MHZW78C51/52/54/58ATMEL半导体公司的AT89C51系列的产品,不需紫外线的清除,而是用电子式抹除,比一般的51系列更为方便,目前在一般的学校实习,大都采用此系列产品。
PHILIPS半导体公司出产的P87C552家族,除了51本身的UART外,更增加的I2C（Inter-integratedCircuit）的功能,这是利用SDA和SCL两条传输线,和周边的IC互相沟通、传送资料,而且这些IC都必须有I2C的编号,这使得选购IC时,受到一些限制,所一在目前的工业应用上,还不是相当的普及化。
由于51家族繁多,所以在设计之前,必须针对51家族功能有相当的认识如此才能选购符合自己所需,而且价格便宜的MCU。
INTEL8051家族介绍：
INTEL公司是第一家出产8051,其它公司也依照INTEL所发展出来的8051为最基本的架构,再加上自己一些额外的功能以显示出自己的特色,让使用者能依照电路所需,选择最适合的8051去做控制,而且最重要的是,为了方变设计者能随时更换不同厂牌的8051,其接脚大都是40Pin,而且每Pin的定亦都相同,但也有24Pin（87C748、87C751）和68PinPLCC包装（DS87C550）,不过这些都是特殊规格的MCS-51。
MCS-51单芯片一般分为三个版本：
1.
单芯片内部不包含程序记忆体,称为ROMless。
2.
单芯片内部已内建ROM。
3.
单芯片内部已内建EPROM。
其中
（2）和（3）的区别在于
（2）的单芯片只可烧录一下,较适合于程序已完成,用于大量生产,因为其价格较便宜,可节省产品的成本,（3）的单芯片适合用于程序发展阶段,因为需要重复的更改程序,而内含有EPROM的MCS-51,只需要使用紫外线清除器,就可把MCS-51的程序记忆体清为空白,达到重复烧录的特性。
INTEL公司出产的各版本MCS-51编号如下：
组件编号
内部程序内存大小
定时器
中断个数
ROM容量
RAM容量
8031AH
None
128*8RAM
2*16Bit
5
8051AH
4K*8ROM
8051AHP
8751H
4K*8EPROM
8751H-8
8751BH
8032AH
256*8RAM
3*16Bit
6
8052AH
8K*8ROM
8752BH
8K*8EPROM
其特性如下：
是一个8位的MCU。
具有布尔代数的运算能力。
4个8位Port,共有32条双向且可独立被控制的I/OPort。
4.
有128*8RAM,可以储存资料记忆体（8052为256*8）。
5.
有4K*8ROM的程序记忆体（8052为8K*8）。
6.
有2组16Bit计时器（8052有3个）。
7.
具有全双工传输信号UART。
8.
5个中断源（8052有6个）,具有两层优先权中断架构。
9.
内部有时脉（CLOCK）振荡器电路（12MHZ）。
10.
程序记忆体（ROM）可扩充至64KByte。
11.
资料记忆体（RAM）可扩充至64KByte。
ATMEL家族介绍：
ATMEL公司所出产的ATC89C51可以说是目前一般在实验阶段最时常被用到MCS-51,因为ATMEL所出产的MCS-51系列其程序记忆体是做成Flashmemory,可以省略使用EPROM照紫外线的时间,而且重复烧录的次数多,价格又比价一般的便宜,其烧录的次数可高达1000次,8051之所以能如此盛行,ATMEL公司其功不可没,因为它使学习者的学习方式变的简单价格上也EPROM型的8051系列便宜的多,虽然目前DALLAS公司所推行的高速8051（HSM）已渐渐威胁到ATMEL的地位,不过它目前所推出的51系列含有更高的速度和增加了更多功能,未来和DALLAS公司所推出的8051都值得消费者注意。
为了方便让读者选购ATMEL公司出产的MCS-51,以下介绍其IC编号所代表的意义：
ATMEL公司生产的各版本MCS-51编号如下：
程序内存（ProgramMemory）
数据存储器容量（DataMemoryBytes）
16bit定时器（16bittimer）
AT89C1051
1KFlash
64RAM
AT89C2051
2KFlash
128RAM
2
AT89C51
4KFlash
AT89C32
8KFlash
256RAM
3
AT89C55
20KFlash
AT89S8252
256RAM
2KEEPROM
AT89S53
12KFlash
由于AT89C51/52/55是一般较为通用的MCU,我们就把它与8051/8052做功能上的比较,其所增加功能如下：
具有4K/8KBytes可重复规划的快闪记忆体（ReprogrammableFlashMemory）,可写入/抹除1000次以上,程序可保存10年以上。
操作频率:
0MHz~24MHz（AT89C55为高速可达33MHz）。
操作电压：
5V。
AT89C51具有两层优先权的5个中断向量结构,AT89C52/55具两层优先权的6个中断向量结构。
三个可规划的记忆体上锁位。
ALE脚可规划为,只在执行MOVC和MOVX时才动作。
（可减少EMI,因为方波的电磁干扰很大）
AT89C52/55的计数器2共有四种操作模式:
1）捕获（capture）。
2）自动重载（auto-reload）（往上或往下计数）。
3）鲍率产生器（baudrategenerator）。
4）时钟输出（clock-out）。
其中第
（2）种操作模式增加了可往上或往下计数的功能（一般为上数功能）,第（4）种操作模式为新增加的功能,利用P1.0可以规划出50%责任周期的时钟输出。
而AT89S53增加了一个相当令人注意的功能：
ISP,这个功能使得程序可经由ISP（In-SystemReprogrammable）接口下载,其具有12K可可重复规划的快闪记忆体,可写入/抹除1000次以上,使得使用者更加方便使用。
Dallas家族介绍：
Dallas公司所出产的8051家族,一般都是用在对高速有严格要求之下才会考虑使用,一般统称为
升级会员 