单片机控制的全自动洗衣机设计.docx

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单片机控制的全自动洗衣机设计

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。

单片机以其体积小、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、智能电器、智能武器装置以及通用测控单元等。

本文以AT89C51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AT89C51单片机、按键、蜂鸣器、LED指示灯、LM324电压比较器、NPN型差分放大器组成；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AT89C51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。

关键词：

AT89C51；用户参数；继电器；控制系统；电压放大器、比较器

Abstract

Withtherapiddevelopmentofdigitaltechnology,digitaltechnologyhasbeenwidelyappliedinthefieldofintelligentcontrol.Itssmallsize,completefunctions,lowprice,convenientdevelopmentadvantagebymanyelectronicsystemdesignersfavor.Itissuitableforreal-timecontrol,canformindustrialcontroller,intelligentinstrument,intelligentappliances,intelligentweapondeviceanduniversalmeasurementandcontrolunit.

ThispapertakesAT89C51microcontrollerasthecoredesignoftheautomaticwashingmachinecontrolsystem,thissystemhasrealizedthecontrolofthewashingmachineandthewholewashingprocess,includinguserinputparameters,washing,dehydrationandendalarmfourstages.Thecontrolsystemismainlycomposedofapowercircuit,SCMcontrolsystemandtheexternalhardwarecircuitiscomposedofthreemodules.ThepowersupplycircuitprovidesDCVoltage5Vforsingle-chipmicrocomputercontrolsystem;single-chipmicrocomputercontrolsystemresponsiblefortheprocesscontrolofwashingmachine,mainlybytheAT89C51microcontroller,buttons,buzzer,LEDlights,LM324voltagecomparator,NPNdifferenceamplifier;externalhardwarecircuitwitharelay,atriode,LEDlamp.

Thecircuitofthissystemisnotcomplicated,downloadingtheprogramtoAT89C51microcontroller,toachievethebasicfunctionsofautomaticwashingmachine.

Keywords:

AT89C51;UserParameters;Relay;ControlSystem;VoltageAmplifier;

Comparator

第一章绪论

1.1课题开发背景

目前中国洗衣机市场正进入更新换代的时期，市场潜力巨大，人们对于洗衣机的要求也是越来越高。

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、暂停等几大功能，但是在许多方面还是满足不了人们的需求。

这就要求设计者们有更高的专业和技术水平设计出更节能、功能更齐全、更人性化的洗衣机。

随着加入世贸组织，很多的国内外强势品牌加入，研究新的技术开发新的产品，洗衣机行业将爆发新一轮的以“绿色环保”、“节水节能”为主题的大战，而技术制高点则是未来的竞争焦点。

在国内从洗衣机市场得到的商情显示由于受水资源不断减少自来水费有所提高等因素的影响，市场上那些用水量比较大的洗衣机销售受阻而具有节水功能的洗衣机的销路不断看好。

针对市场需求的变化，一些生产厂家如小天鹅、小鸭、海尔等先后向市场推出了一批节水型全自动的洗衣机。

作为未来技术发展方向之一，变频技术将带动整个洗衣机行业的技术提升，有利于洗衣机产业的升级。

目前的洗衣机都没有实现全方面的兼容，大多数的洗衣机生产的厂家都注重各自品牌的洗衣机的特长，突出一两个与别的洗衣机不同的个性化的功能，洗衣机的各项功能都是由单片机控制实现的，因此设计出基于单片机的洗衣机控制电路系统具有很强的实用性。

并且随着单片机技术日新月异的发展，单片机以其集成度高、运算速度快、体积小、可靠运行、价格低廉等特点在过程控制、机电一体化、智能化仪表、家用电器等方面得到了广泛应用。

总之，每一项技术的进步极大地推动了洗衣过程自动化程度的提高。

1.2国内外现状及水平

1.洗衣机的分类

普通洗衣机：

其洗涤、漂洗、脱水等功能均须手工转换；半自动洗衣机：

它能在洗涤、漂洗、脱水等功能之间，实现某两个功能的自动转换；全自动洗衣机：

它能自动实现洗涤、漂洗、脱水等所有功能。

2.全自动洗衣机在国内外的现状及水平

全自动洗衣机根据结构不同可分为波轮式全自动洗衣机（也叫套桶式全自动洗衣机）、滚筒式全自动洗衣机和搅拌式全自动洗衣机三大类。

波轮式、滚筒式、搅拌式全自动洗衣机分别占全球洗衣机市场份额的33％、52％和15％。

搅拌式洗衣机目前还没有进入我国市场，以下仪对波轮式和滚筒式两种洗衣机进行讨论。

（1）滚筒式洗衣机

更好地软化衣物纤维，减小洗涤过程中衣物的损伤和变形，并且还可以使洗后的衣物柔软而蓬松。

提高温度来洗涤可充分溶解洗衣粉，加快洗衣粉中弱酸性物质与污物化学反应速度，提高洗衣粉中酶的活性，同时有利于溶解汗渍、血渍、降低灰尘、油污的粘附作用，从而可在同样的洗净比下（注：

洗净比是国家对洗衣机的质量考核标准中的一个基本指标）大幅度降低洗涤过程对机械外力的需求。

（2）波轮式洗衣机

因为滚筒式机的价格远远高于波轮式机，况且波轮式机使用方便适合国人，所以受到普遍欢迎。

关于程序控制器，新推出的波轮式全自动洗衣机均采用单片机程序控制器。

各厂家生产的各种弓型的波轮式全自动洗衣机的控制程序有所不同，最少的也有好几个控制项，每一项又有几种不同的洗涤程序可供选择，足以满足不同的洗涤要求，所以没有必要考虑这个问题。

关于不锈钢内桶：

采用不锈钢内桶的目的是为了减小衣物和内桶壁的摩擦力，从而减轻衣物的磨损，选购时应予以考虑。

关于同心洗：

同心洗是直接把电动机轴与洗衣桶主轴同心安装，直接驱动。

这样在洗涤和脱水的时洗衣桶震动减小，噪声得以降低。

为了达到一定的洗净比，就必须有足够的机械力，而机械力对衣物是有损伤的，这就注定了波轮式洗衣机的磨损率远远高于滚筒式洗衣机。

1.3设计的目的和意义

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，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，将人们的需要变成现实，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，大多洗衣的厂家都注重各自品牌的洗衣机的特长，突出一两个与别的洗衣机不同的个性化的功能。

洗衣机的各项功能是由单片机控制实现的，单片机的体积小，控制功能灵活，因此，设计出基于单片机的洗衣机控制系统就具有很强的实用性。

而本次设计的洗衣机也是为了满足某些用户的不同需求。

同时也将单片机控制技术用到了实际生活中，提高我们的实践能力，为以后我们的发展做了个良好的开端，我相信通过亲身的设计，定会受益匪浅。

第二章设计方案

2.1设计参数

1.标准洗涤

（1）洗衣机的最大载重量6Kg；

（2）衣物最佳洗涤时间20分钟；

（3）漂洗3分钟（单次）；

（4）漂洗次数不超过5次，且漂洗2次后开始水的清洁度检测；

（5）最终脱水时间5分钟；

2.快速洗涤

（1）洗衣机的最大载重量3Kg；

（2）衣物快速洗涤时间10分钟；

（3）漂洗3分钟（2次）；

（4）最终脱水时间5分钟；

2.2设计任务

1.主要内容：

计一个用单片机控制的洗衣机控制器。

以单片机为主的控制器，扩展必要的外部电路，设计制作一个洗衣机控制器。

2.主要功能:

（1）标准洗涤：

洗涤20分钟；漂洗3分钟，2次；检测水的清洁度，达标就直接进入最终脱水，否则继续漂洗，再检测水的清洁度最多循环不超过三次；达标之后脱水5分钟。

快速洗涤：

洗涤10分钟；漂洗3分钟，只有2次；脱水5分钟。

主要应用在一些轻薄衣物，且总重量不足3Kg的情况。

（2）有四个启动／暂停按钮。

第一个是洗衣机启动键K1，控制洗衣机的启动和停止。

第二个是标准洗涤启动键K2，工作时按此按钮暂停，再按则恢复工作。

洗涤、漂洗4秒正转，停2秒，反转4秒，停2秒。

第三个是快速洗涤启动键K3，工作时按此按钮暂停，再按则恢复工作。

洗涤、漂洗6秒正转，停3秒，反转6秒，停3秒。

第四个是洗衣机脱水启动键K4，具有单独脱水的功能。

（3）有脱水功能，并且在脱水时，如果打开盖板脱水暂停。

（4）进水时进水指示灯亮；排水时排水指示灯亮；洗涤时洗涤指示灯亮；漂洗时漂洗指示灯亮；脱水时脱水指示灯亮。

2.3洗衣机的设计方案

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、进水、洗涤、漂洗、排水和脱水等阶段。

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构成。

电源采用三端集成固定稳压器7805提供+5V电源。

单片机控制系统负责控制洗衣机的工作过程，主要由AT89C51单片机、NPN型差分放大器、LM324电压比较器、按键、蜂鸣器、LED指示灯组成。

外部硬件电路有继电器、三极管、电动机、进水电磁阀、排水电磁阀、压力和浊度传感器组成。

2.3.1按键

洗衣机面板上有4个按钮K1、K2、K3、K4。

K2、K3、K4不能同时启动。

K1洗衣机启动键；

K2标准洗涤启动键；

K3快速洗涤启动键；

K4脱水启动键，具有单独脱水的功能；

2.3.2洗衣程序

1.洗涤过程

通电后，洗衣机从洗涤过程开始。

进入洗涤过程，首先进水阀接通，开始向洗衣机供水，当到达要求水位时，进水阀断电关闭，停止进水；电机M接通，带动波轮旋转，形成洗衣水流。

电机M是一个双速正反转电机，可以形成往返水流，有利于洗涤衣物。

2.漂洗过程

与洗涤过程操作相同，只是时间短一些。

3.脱水过程

漂洗过程结束后，电机M停止转动，排水阀接通，开始排水。

当排水结束后，电机M高速端接通，电机开始正转，带动内桶高速旋转，甩干衣物。

该过程也可单独运行，此时由K4按键控制。

2.3.3设计总方框图

图2.1设计总方案图

2.4控制系统的功能

基于单片机通过控制系统设定洗衣程序在洗涤脱水桶内自动完成进水、洗涤、漂洗、排水和脱水全过程。

按下洗衣机启动键，再标准洗涤启动键或快速洗涤启动键。

洗衣机控制系统打开进水电磁阀开始进水，进水结束后，电机在系统的控制下进行正转、停、反转通过传动带动波轮执行洗涤程序；当洗涤时间结束，控制系统切断电机电路并且打开排水电磁阀开始排水；然后再次注水，洗衣机进入漂洗状态，完成漂洗程序（至少2次漂洗）后，开始排水，同时排水电磁阀的动作并且松开为脱水程序作好准备；排水结束后系统控制电机单方向高速运转完成脱水程序；当脱水程序终了系统控制排水电磁阀和电机断电，排水阀复位，同时蜂鸣器奏响，通知用户整个洗衣程序结束。

第三章元器件的选择

3.1洗衣机类型的选择

1.波轮上开门洗衣机的优点

（1）洗净度高，洗涤速度快省电、移动方便、使用简单、中途可随意添加衣物或者洗涤液、不论老少都可以使用、价格便宜且程序设置灵活方便。

（2）洗衣方便适合国人，并且市场消量巨大。

（3）内筒是塑料材料制成，噪音小，而且上开盖，使用比较方便。

这种洗衣机适用于居住在绿化较差，空气尘埃量较大，平均每2至3天换一次衣服的家庭，主要以洗净度为主，服装面料以化纤、腈纶为主。

2.波轮上开门洗衣机工作原理

洗衣机的洗涤过程主要是在机械产生的排渗、冲刷等机械作用和洗涤剂的润湿、分散作用下，将污垢拉入水中来实现洗净的目的。

首先充满于波轮叶片间的洗涤液，在离心力的作用下被高速甩向桶壁，并沿桶壁上升。

在波轮中心处，因甩出液体而形成低压区，又使得洗涤液流回波轮附近。

这样，在波轮附近形成了以波轮轴线为中心的涡流。

衣物在涡流的作用下，作螺旋式回转，吸入中心后又被甩向桶壁，与桶壁发生摩擦。

又由于波轮中心是低压区，衣物易被吸在波轮附近，不断地与波轮发生摩擦，如同人工揉搓衣物，污垢被迫脱离衣物。

其次，当衣物被放进洗涤液之后，由于惯性作用运动缓慢，在水流与衣物之间存在着速度差，使得两者发生相对运动，水流与衣物便发生相对摩擦，这种水流冲刷力同样有助于污垢离开衣物。

再次由于洗衣涌形状的不规则，当旋转着的水流碰到桶壁后，其速度和方向都发生了改变，形成湍流。

在湍流的作用下，衣物做无规则地运动并翻滚，其纤维不断被弯曲、绞纽扣拉长，衣物相互相摩擦，增大了洗涤的有效面积，提高衣物的洗净的均匀性。

鉴于波轮上开式洗衣机的种种优点，所以本设计选择波轮上开式洗衣机。

3.2洗衣机马达的选择

1.洗涤-脱水电机

通过对现有各种品牌全自动洗衣机的调查和分析得知，当洗涤转速为400~500转/分时，洗衣效果最好，当脱水转速为转速1400~1500转/分时，脱水时间快且对衣物的伤害最小。

根据电机的转速，可以根据公式得到电机的功率，如下是其计算过程。

（1）电机的速度:

电动机的满载转差率为1~6%转差率取

频率

漂洗洗涤时电机的速度：

此时电机低速运转，定子极对数

，转速

。

脱水时电机的速度：

此时电机高速运转，定子极对数

，转速

。

（2）电机转动时必须克服转矩

，

角速度

力矩

（滚筒的半径）

洗衣机转动过程中衣服和滚筒之间的摩擦力

，

衣物重量（含水）

摩擦系数

（3）电机的功率：

洗涤漂洗时电机的功率：

脱水时电机的功率：

全自动洗衣机马达必须满足洗涤、漂洗和脱水时的转速要求，洗涤、漂洗和脱水时电机的功率、转速是不同的。

根据上述计算可知：

洗涤电机功率320瓦，转速480转/分；脱水电机功率565瓦，转速1440转/分。

2.洗涤-脱水电机的原理

洗涤衣物时为提高洗涤效果及防止衣物缠绕，要求波轮双向运转工作，故而用于洗涤的洗涤-脱水电机都是双向运转电机。

洗涤-脱水电机为配合洗衣机的洗涤及脱水转速的不同，采用双速设计。

它在电机定子上布置有两套不同极数的绕组。

采用鼠笼型转子，可以自动适应两套定子绕组。

由于此种电机的低速时极数较多、速度较低，考虑到满足低速时的转矩及此时电机的温升、效率，所以电机的体积较大。

单相异步双速电机结构较简单、寿命长，但造价较单速单相异步电机要高。

本设计根据电机的功率和转速，选择西门子单相异步双速电机YXG62/2/16G。

图3.1和3.2分别是其实物图和接线图。

图3.1电动机的实物图图3.2电动机的接线图

3.3单片机的选择

1.AT89C51单片机的优点

（1）低电压、高性能、功耗小、价格便宜且应用广泛；

（2）可擦除只读存储器可以反复擦除100次；

（3）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；

（4）用该单片机设计的系统,可以反复进行系统试验，能够保证用户的系统设计达到最优；

2.AT89C51单片机的引脚图和实物图

图3.3AT89C51引脚图图3.4AT89C51实物图

3.引脚描述

表3.1AT89C51引脚功能表

端口引脚

功能

VCC

电源端

GND

接地端

XTAL1

外接石英晶体的一个引脚

XTAL2

外接石英晶体的另一个引脚

RST

复位输入端

ALE

地址锁存允许

外部程序存储器（外ROM）的读选通信号

外部访问允许端

P0口

一组8位漏极开路型双向I/O口，地址数据总线复用口

P1口

一个内部上拉电阻的8位双向I/O口

P2口

一个内部上拉电阻的8位双向I/O口

P3口

一个内部上拉电阻的8位双向I/O口

表3.2P3口第二功能

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外部中断0）

P3.3

（外部中断1）

P3.4

T0（定时/计数器0）

P3.5

T1（定时/计数器1）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选通）

AT89C51单片机优点甚多，能够满足全自动洗衣机的程序的设计，所以，本设计采用美国ATMEL公司生产的低电压,高性能单片机AT89C51。

3.4水位开关与电磁进水、排水阀

全自动洗衣机是通过水位开关与电磁进水、排水阀配合来控制进水、排水以及电机的通断，从而实现自动控制的。

3.4.1电磁进水、排水阀

电磁进水阀起着通、断水源的作用。

电磁排水阀起着通、断排水的作用。

当电磁线圈断电时，移动铁芯在重力和弹簧力的作用下，紧紧顶在橡胶膜片上，并将膜片的中心小孔堵塞，这样阀门关闭，水流不通。

当电磁线圈通电后，移动铁芯在磁力作用下上移，离开膜片，并使膜片的中心小孔打开，于是膜片上方的水通过中心小孔流入洗衣桶内。

由于中心小孔的流通能力大于膜片两侧小孔的流通能力，膜片上方压强迅速减小，膜片将在压力差的作用下上移，闭门开启，水流导通。

我们设计所要选择的阀体必须结构简单，性能好，价格便宜，且维修方便。

通过上网查阅资料得知科多牌电磁阀性价比很高且应用广泛，所以我们选择科多牌电磁阀。

根据排水量的大小，本设计采用的电磁阀型号：

科多FCD-270L工作电压：

220V（交流）流量：

可调范围（设为最大）20~50L/min。

电磁阀的实物图如图3.5所示。

图3.5电磁阀的实物图

3.4.2水位开关

水位开关实际上是一个空气压力开关。

气室的入口与洗衣桶中的贮气室相联接。

当水注入洗衣桶后，贮气室口很快被封闭，随水位上升，贮气室的水位也上升，被封闭的空气压强亦增大，水位开关中的波纹管受压而胀起，推动顶杆运动而使触点改变，从而实现自动通断。

水位开关触头（Kq1）只连接在进水电路中且与电磁进水阀的线圈串联在一起，当进水结束时能够切断电路。

洗衣机排水时，贮气室的水位也下降，被封闭的空气压强亦减小，水位开关触头（Kq1）自动复位。

Kq1指如图3.9的AB两触点。

水位开关的压力值得设定，如下是其计算值。

压力的设定值

贮气室水位上升高度

标准大气压

水的密度

由计算所得压力为根据，本设计采用采用KEWLL公司的KFP30系列柱塞式压力开关，该压力开关性能高价格便宜、压力可调且误差不超过2%，压力范围100KPa~110KPa,完全满足设计需要。

图3.6和3.7分别是压力开关的实物图和接线图。

图3.6压力开关实物图图3.7压力开关接线图

3.5传感器

3.5.1TS浊度传感器

TS 浊度传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点。

此外，它价格便宜，应用也非常广泛。

TS 浊度传感器详细参数表如表3.3所示。

表3.3TS浊度传感器的详细参数表

操作温度、范围

-30~80℃

额定电压

5VDC

额定电流

最大30mA

应用范围

检测水的浑浊度

TS浊度传感器原理：

当光线穿过一定量的水时,光线的透过量取决于该水的污浊程度,水越污浊,透过的光就越少。

光接收端把透过的光强度转换为对应的电流大小,透过的光多,电流大,反之透过的光少,电流小。

通过测量接收端电流的大小,就可以计算出水的污浊程度。

如图3.8所示（虚线框内为浊度传感器内部）。

浊度电流信号经过电阻R1转换为0V~5V电压信号,利用电压比较器进行采样处理,单片机就可以获知当前水的浊度状况，从而确定漂洗的次数和时间。

TS浊度传感器有3个引脚,按照图3.8电路连接就可以实现水浊度的测量。

实际使用时需要通过实验获得衣物污浊程度的经验数据。

因为TS浊度传感器应用广泛，性能高且工作温度范围广，完全能够满足本设计的要求，所以本设计选用GE（通用）公司的TS浊度传感器。

水的清洁度检测值有个标准，换算成电压后，通过查手册可知，该值大小为4.5V。

图3.9为浊度传感器的实物图。

图3.8浊度传感器的结构图图3.9浊度传感器的实物图

3.5.2压力传感器

1.压力传感器特点：

（1）能实现对基本参数和特殊参数的测量，满足不同场合的需要。

（2）对于微弱信号测量，各种信号的校正和补偿都可以实现，测量数据可以根据需要进行存储。

（3）数据测量的稳定性和可能性得到提升，减小外界环境对压力传感器输出干扰，可以对测量有选择性地进行。

（4）能够实现自我诊断功能，对发生故障的部位能及时且准确地进行锁定，故障状态迅速识别，解决一些通过硬件不能实现的问题。

（5）信号输出形式和接口选择更为多样，通信距离得到更大提高。

2.压力传感器工作原理

压力传感器是使用最为广泛的一种传感器。

它是一种能够感受压力并转换成可用输出信号的传感器，压力传感器中最常用的是电阻应变式压力传感器。

电阻应变片的工作原理：

金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。

金属导体的电阻值可用下式表示：

 导体的电阻率ρ（Ω.cm2/m）导体的截面积S（cm2）导体的长度L（m）

电阻应变式应变压力传感器的主要由电阻应变片按照惠斯通电桥原理组成。

图3.10为惠斯通电桥电路原理图。

图3.10惠斯通电桥电路原理图

惠斯通电桥是采用比较法的思想对未知电阻进行测量的。

测量时选择一定的比例臂数值（R1/R2）并将电桥量的调整平衡，就可以将待测电阻（Rx）与标准电阻（R0）进行比较，从而确定待测电阻的阻值，然后以电信号（即电压）的形式输出。

标准的信号根据压力量程的不同标定2.0/3.0/3.3mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。

通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补