基于单片机的洗衣机控制电路的设计毕业论文Word文档格式.docx
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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Ⅰ整体电路图34
附录Ⅱ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。
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，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，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
微电脑控制所有功能衣物无缠绕。
最不会损耗衣物的方式。
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
衣物洁净力最强，省洗衣粉。
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。
1.3洗衣机的工作原理
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。
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。
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；
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：
①洗衣机外观整体造型美观、华贵、协调紧凑，具有艺术性；
②使用方便、便于清洁，通常都采用触摸式控制方式；
③轮廓外形无棱角，有流线感；
④色泽优雅、庄重。
第2章方案的论证与选择
2.1设计要求
⑴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。
⑵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。
⑶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。
⑷本设计包含硬件和软件设计。
⑸因为是全自动洗衣机，程序将完成洗涤、脱水的全过程。
⑹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。
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
⑴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RAM、输入/输出接口电路及计时等电路，ROM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。
⑵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。
⑶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。
⑷时钟电路：
由晶振单元与单片机部电路组成，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。
⑸按键输入电路：
①按键K1，接RST口，作为“复位”按键；
②按键K2，接P3.0，作为“程序选择”按键；
③按键K3，接P3.1，作为“强弱洗选择”按键；
④按键K4，接P3.2，作为“运行/暂停”按键。
⑹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。
⑺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。
⑻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：
⑴进水动作：
进行洗涤时，盛水桶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。
⑵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。
⑶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，洗衣机适当延长排水时间。
⑷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。
3.28051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
图3-28051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，其部有上拉电阻；
P3口有两个功能：
除了作为I/O使用外（其部有上拉电阻），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：
在第五课单片机的部结构及其组成中，我们已知道，在8051单片机部有一个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）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。
当使用芯片部时钟时，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
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