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基于单片机洗衣机模拟控制与实现毕业设计论文
基于单片机洗衣机模拟控制与实现
诚信申明
本人申明：
我所呈交的本科毕业设计（论文）是本人在导师指导下对四年专业知识而进行的研究工作及全面的总结。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中创新处不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京化工大学或其它教育机构的学位或证书而已经使用过的材料。
与我一同完成毕业设计（论文）的同学对本课题所做的任何贡献均已在文中做了明确的说明并表示了谢意。
若有不实之处，本人承担一切相关责任。
本人签名：
年月日
基于单片机洗衣机模拟控制
摘要
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。
单片机以体积小、功能全、价格低廉、开发方便的优势得到了许多电子系统设计者的青睐。
它适合于实时控制，可构成工业控制器、智能仪表、智能接口、智能武器装置以及通用测控单元等。
本文以AT89S52单片机为核心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，包括用户参数输入、洗衣、脱水和结束报警四个阶段。
控制系统主要由电源电路、单片机控制系统和外部硬件电路三大模块组成。
电源电路为单片机主控系统提供5v的直流电压；单片机主控系统负责控制洗衣机的工作过程，主要由AT89S52单片机、数码管、按键、蜂鸣器、LED指示灯组成；外部硬件电路有继电器、三极管、LED灯组成。
本系统的电路并不复杂，给AT89S52单片机载入软件程序后，能够实现全自动洗衣机的基本功能。
虽然不能与电器市场上的洗衣机控制系统媲美，但也具有一定的实用性。
关键词：
单片机；洗衣机；控制系统
Microcontroller Based ControlSystemfor AutomaticWashingMachine
Abstract
Withitsrapiddevelopment,digitaltechnologyiswidelyusedinthefieldofcontrolsystem.Singlechipmicrocontrollerisfavoredbymanyelectronicsystemdesignersforitssmallness,fullfunction,lowpriceandeasyapplication.Itsprettyfitforreal-timecontrolasacoreinindustrialcontroller,intelligentapparatus,intelligentinterface,intelligentweapondevice,universalmeasurecontrolunit,etc.
Thisarticledesignsafull-automaticwashingmachinecontrolsystemwithAT89S51ascore.Thissystemrealizeswholeworkingcourseoffull-automaticwashingmachine,includingfourparts:
userparameterinput,wash,dehydrateandendingmusicplay.Hardwaresystemismadeupofthreemodules:
powersupplycircuit,digitalcontrolcircuitandmachinecontrolcircuit.PowersupplycircuitprovidessteadyDC5VvoltagefordigitalcontrolcircuitandAC220Vformotor.Digitalcontrolcircuittakeschargeofcontrollingtheworkingcourse.ItconsistsofAT89S52,double-figuredcommon-cathodednumeraldisplay,buttons,buzzer,LED.Machinecontrolcircuitrealizesthefunctionsofwaterleveldetect,motordriven,waterimportandexport,itconsistsofwaterleveldetector,motor,transmissionsystemcomponentsandpenstocks.
AfterdownloadingtheprogramtoAT89S52,thiscircuitcanrealizebasicfunctionsoffull-automaticwashingmachine.Itseemshardforthiscontrolsystemtocomparewithperfectonesintheelectricalappliancemarket,butithascertainpracticability.
Keywords:
WasherMonolithicIntegratedCircuitsinglechip
前言
利用电能产生机械作用来洗涤衣物的清洁电器。
按其额定洗涤容量分为家用和集体用两类。
中国规定洗涤容量在6kg以下的属于家用洗衣机：
家用洗衣机主要由箱体、洗涤脱水桶（有的洗涤和脱水桶分开）、传动和控制系统等组成，有的还装有加热装置。
洗衣机一般专指使用水作为主要的清洗液体，有别于使用特制清洁溶液，及通常专人负责的干洗。
要了解硬件上单片机内部功能部件，如A/D,D/A,PWM.WATCHDOG,LCD驱动器，串行口等，又要认识C语言在计算机仿真调试，产品更新以及软件升级中的重要作用。
但是要做实际的系统，单单从网站上的学习是不够的，所以我从书籍和期刊上查阅了大量的资料。
以下是关于洗衣机的一些文献资料。
第1章课题研究价值
第1.1节洗衣机的发展历程
从古到今，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动，而在洗衣机出现以前，对于许多人而言，它并不像田园诗描绘的那样充满乐趣，手搓、棒击、冲刷、甩打……这些不断重复的简单的体力劳动，留给人的感受常常是：
辛苦劳累。
1858年，一个叫汉密尔顿•史密斯的美国人在匹茨堡制成了世界上第一台洗衣机。
该洗衣机的主件是一只圆桶，桶内装有一根带有桨状叶子的直轴。
轴是通过摇动和它相连的曲柄转动的。
同年史密斯取得了这台洗衣机的专利权。
但这台洗衣机使用费力，且损伤衣服，因而没被广泛使用，但这却标志了用机器洗衣的开端。
次年在德国出现了一种用捣衣杵作为搅拌器的洗衣机，当捣衣杵上下运动时，装有弹簧的木钉便连续作用于衣服。
19世纪末期的洗衣机已发展到一只用手柄转动的八角形洗衣缸，洗衣时缸内放入热肥皂水，衣服洗净后，由轧液装置把衣服挤干[1]。
1874年,“手洗时代”受到了前所未有的挑战，美国人比尔•布莱克斯发明了木制手摇洗衣机。
布莱克斯的洗衣机构造极为简单，是在木筒里装上6块叶片，用手柄和齿轮传动，使衣服在筒内翻转，从而达到“净衣”的目的。
这套装置的问世，让那些为提高生活效率而冥思苦想的人士大受启发，洗衣机的改进过程开始大大加快.
1880年，美国又出现了蒸气洗衣机，蒸气动力开始取代人力。
经历了上百年的发展改进，现代蒸汽洗衣机较早期有了无与伦与的提高，但原理是相同的。
现代蒸汽洗衣机的功能包括蒸汽洗涤和蒸汽烘干，采用了智能水循环系统，可将高浓度洗涤液与高温蒸气同时对衣物进行双重喷淋，贯穿全部洗涤过程，实现了全球独创性的“蒸汽洗”全新洗涤方式。
。
与普通滚筒洗衣机在洗涤时需要加热整个滚筒的水不同，蒸汽洗涤是以深层清洁衣物为目的，当少量的水进入蒸汽发生盒并转化为蒸汽后，通过高温喷射分解衣物污渍。
蒸汽洗涤快速、彻底，只需要少量的水，同时可节约时间。
对于放在衣柜很长时间产生褶皱、异味的冬季衣物，能让其自然舒展，抚平褶皱。
“蒸汽烘干”的工作原理则是把恒定的蒸汽喷洒在衣物上，将衣物舒展开之后，再进行恒温冷凝式烘干。
通过这种方式，厚重衣物不仅干得更快，并且具有舒展和熨烫的效果。
蒸汽洗衣机之后，水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。
水力洗衣机包括洗衣筒、动力源和与船相连接的连接件，洗衣机上设有进、出水孔，洗衣机外壳上设有动力源，洗衣筒上设有衣物进口孔，其进口上设有密封盖，洗衣机通过连接件与船相连。
它无需任何电力，只需自然的河流水力就能洗涤衣物，解脱了船民在船上洗涤衣物的烦恼，节约时间，减轻家务劳动强度。
1910年，美国的费希尔在芝加哥试制成功世界上第一台电动洗衣机。
电动洗衣机的问世，标志着人类家务劳动自动化的开端。
1922年，美国玛塔依格公司改造了洗衣机的洗涤结构，把拖动式改为搅拌式，使洗衣机的结构固定下来，这也就是第一台搅拌式洗衣机的诞生。
这种洗衣机是在筒中心装上一个立轴，在立轴下端装有搅拌翼，电动机带动立轴，进行周期性的正反摆动，使衣物和水流不断翻滚，相互摩擦，以此涤荡污垢。
搅拌式洗衣机结构科学合理，受到人们的普遍欢迎。
1932年，美国本德克斯航空公司宣布，他们研制成功第一台前装式滚筒洗衣机，洗涤、漂洗、脱水在同一个滚筒内完成。
这意味着电动洗衣机的型式跃上一个新台阶，朝自动化又前进了一大步！
第一台自动洗衣机于1937年问世。
这是一种"前置"式自动洗衣机。
靠一根水平的轴带动的缸可容纳4000克衣服。
衣服在注满水的缸内不停地上下翻滚，使之去污除垢。
到了40年代便出现了现代的"上置"式自动洗衣机。
随着工业化的加速，世界各国也加快了洗衣机研制的步伐。
首先由英国研制并推出了一种喷流式洗衣机，它是靠筒体一侧的运转波轮产生的强烈涡流，使衣物和洗涤液一起在筒内不断翻滚，洗净衣物。
1955年，在引进英国喷流式洗衣机的基础之上，日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。
至此，波轮式、滚筒式、搅拌式在洗衣机生产领域三分天下的局面初步形成。
60年代的日本出现了带干桶的双桶洗衣机，人们称之为“半自动型洗衣机”。
70年代，生产出波轮式套桶全自动洗衣机。
70年代后期，以电脑（实际上微处理器）控制的全自动洗衣机在日本问世，开创了洗衣机发展史的新阶段。
80年代，“模糊控制”的应用使得洗衣机操作更简便，功能更完备，洗衣程序更随人意，外观造型更为时尚。
诞生了许多新水流洗衣机。
此后，随着电机驱动技术的发展与提高，日本生产出了电机直接驱动式洗衣机，省去了齿轮传动和变速机构，引发了洗衣机驱动方式的巨大革命。
之后，随着科技的进一步发展，滚筒90年代，由于电机调速技术的提高，洗衣机实现了宽范围的转速变换与调节，洗衣机已经成了大家耳濡目染的产品。
伴随着科技的进一步发展，相信新型更适合人们使用的洗衣机会给我们的生活带来新的方式。
第1.2节洗衣机的分类
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，适合洗涤衣物：
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：
全面的洗涤能力鹤立鸡群。
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[2]。
（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。
第1.3节洗衣机的工作原理
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。
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。
为使洗衣机长期运转正常好用，必需按时认真进行正确的润滑维护保养，需要润滑的地方主要是轴承和齿轮，轴承需由注油孔注入抗磨性和抗氧化安定性好的L-TSA22号防锈抗氧化润滑油，一般2-3年加油一次，如用一般机械油则需每年加油一次。
齿轮则应用粘附性好的2号极压锂基润滑脂，或油性好的，加质量分数为1%的二烷基二硫代磷酸锌，或质量分数为3%的MoS2，L-CKC100号中等极压抗磨齿轮油进行润滑。
甩干机的轴承和齿轮都应每年或半年加入抗氧化防锈抗磨性好的L-AN15和L-AN68号润滑油。
用密封滚动轴承的，则应由轴承厂封入使用寿命在1000h以上的，聚脲基稠化精制石油润滑油，并加防锈抗氧化剂的2号润滑脂[3]。
中国家电研究院的洗衣机专家指出，洗衣机内部的环境非常潮湿，闲置几天之后，就会孳生大量霉菌。
使用时间越长，内部滋生霉菌的机会就越多。
一台洗衣机用久了之后，如不及时清洗，慢慢地就会出现水发浑，漂洗不干净。
久而久之，对下一次要洗的衣物就会造成污染。
人们如果长期使用有霉菌的洗衣机洗衣服，就有可能产生交叉感染，引发各种皮肤病。
第1.4节任务要求
设计一个基于单片机的洗衣机控制系统，洗衣机的工作流程由进水、洗衣、排水和脱水四个过程组成，并且能达到“正常运行”和“强制停止”两种控制要求：
（1）第1次按功能选择键KEY1，LED1标准洗模式灯亮，此时按一下KEY3选定标准洗
（2）第2次按功能选择键KEY1，LED2简易洗模式灯亮，此时按一下KEY3选定简易洗
（3）第3次按功能选择键KEY1，LED3洗涤时间灯亮，此时按KEY3进行时间加1分钟按KEY4进行时间减1分钟，设定好洗涤时间。
（4）第4次按功能选择键KEY1，LED4脱水时间灯亮，此时按KEY3进行时间加1分钟，按KEY4进行时间减1分钟，设定好脱水时间。
（5）第5次按功能选择键KEY1，LED5漂洗次数/漂洗指示灯亮，此时按KEY3进行次数加1次，按KEY4进行次数减1次，设定好洗涤次数。
（6）第6次按功能选择键KEY1，就绪指示灯亮，表示可以按启动键KEY2进行洗衣了
第2章现代单片机技术
第2.1节单片机的应用
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。
因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师[4]。
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：
1.在智能仪器仪表上的应用。
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。
采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。
2.在工业控制中的应用。
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管芯片理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。
3.在家用电器中的应用。
可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。
4.在计算机网络和通信领域中的应用。
现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。
5.单片机在医用设备领域中的应用。
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
6.在各种大型电器中的模块化应用。
某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。
如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。
如：
音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。
在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。
7.单片机在汽车设备领域中的应用。
单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。
此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途[11]。
第2.2节单片机的发展前景
现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。
纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：
2.2.1低功耗CMOS化
MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）。
象80C51就采用了HMOS（即高密度金属氧化物半导体工艺）和CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）。
CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。
所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。
2.2.2微型单片化
现在常规的单片机普遍都是将中央处理器（CPU）、随机存取数据存储（RAM）、只读程序存储器（ROM）、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、WDT（看门狗）、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。
甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片[6]。
此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。
现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD（表面封装）越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。
2.2.3主流与多品种共存
现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国TW的Winbond系列单片机。
所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。
而Microchip公司的PIC精简指令集（RISC）也有着强劲的发展势头，中国TW的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。
此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。
在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。
第3章电机控制系统的设计
第3.1节直流电机M1控制系统
3.1.1电机的选取
直流电动机按励磁方式不同可分为他励、并励、串励和复励四种。
下面一常用的他励和并励电动机为例介绍其机械特性、起动、反转和调速，他励和并励电动机只是连接方式上的不同，两者的特性是一样的。
他励电动机的励磁绕组与电枢是分离的，分别由励磁电源电压Uf和电枢电源电压U两个直流供电；而在并励电动机中两者是并联的，由同一电压U供电。
并励电动机的励磁绕组与电枢并联，其电压与电流间的关系为：
U=E+RaIa即：
（3·1）
当电源电压U和励磁电路的电阻Rf（包括励磁绕组的电阻和励磁调节电阻
）保持不变时，励磁电流If以及由它所产生的磁通Φ也保持不变，即Φ=常数。
则电动机的转距也就和电枢电流成正比，T=KTΦIa=KIa这是并励电动机的特点。
当电动机的电磁转距T必须与机械负载转距T2及空载损耗转距T0相平衡时，电动机将等速转动；当轴上的机械负载发生变化时，将引起电动机的转速、电流及电磁转距等发生变化。
，称为：
（3·2）
并励电动机在稳定运行时，其电枢电流位：
，因电枢电阻Ra很小，所以电动机在正常运行时，电源电压U与反电动势E近似相等[7].
在起动时，n=0，所以E＝kEΦn＝0。
这时电枢电流及起动电流为
，由于Ra很小，因此起动电流Iast可达额定电流IN的10～20倍，这时不允许的。
同时并励电动机的转距正比于电枢电流Ia，这么大的起动电流引起极大的起动转距，会对生产机械的传动机构产生冲击和破坏。
限制起动电流的方法就是在起动时的电枢电路中串接起动电阻Rst，见图。
这时起动电枢中的起动电流的初始值为：
则起动电阻为：
一般：
Iast=（1.5～2.5）IN
起动时，可将起动电阻Rst放在最大值处，待起动后，随着电动机转速的上升，再把它逐段切除。
注意：
直流电动机在起动或工作时，励磁电路一定要保持接通，不能断开（满励磁起动）。
否则，由于磁路中只有很小的剩磁，就有可能发生以下：
要改变电动机的转动方向，就必须改变电磁转距T的方向，可通过改变磁通Φ
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