智能洗衣机控制系统设计.docx
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智能洗衣机控制系统设计
摘 要
近年来随着计算机在社会领域的渗透，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统洗衣机的更新。
在现代新型家电产品系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。
本设计是以AT89C51作为核心元件，与直流电机、蜂鸣器等构成全自动洗衣机系统，利用了单片机的延时电路、时钟电路，设计的洗衣机具有实时显示洗衣机各种工作状态的特点，同时还利用C语言编程，使其实现一些基本的功能。
设计的全自动洗衣机的主要功能有七项：
具有强、弱洗涤功能；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；进、排水系统故障自动诊断功能；脱水期间安全保护；间歇驱动方式；暂停功能；声光显示功能。
对于一台智能洗衣机而言，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。
关键词：
智能洗衣机；延时电路；声光显示
第一章简介
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。
除了正常的洗涤和脱水方式外,本设计的洗衣机还具有其它的功能如 进 排水系统故障自动诊断功能﹑ 脱水期间安全保护以及声光显示等特殊功能。
1.1设计目的
使我进一步巩固和加深所学的基础理论、基本技能和专业知识的认识掌握，使之系统化、综合化。
2.培养我综合运用所学的基础理论、基础知识和基本技能进行分析和解决实际问题的能力。
3.培养我的设计计算、Protel2004、文字表达、文献查阅、计算机应用、工具书使用等基本实践能力以及外文资料的阅读和翻译的基本技能，使我初步掌握科学研究的基本方法。
4.培养我严谨负责、实事求是、刻苦钻研的精神。
并使其具有创新意识。
能理论联系实际。
5.培养我和同组人员的团队协作能力。
6.培养我利用单片机进行应用系统开发的能力，掌握单片机系统开发、研制的过程，硬件设计的方法、内容以及步骤，达到能够进行单片机系统设计的目的。
1.2设计要求
本设计智能洗衣机主要功能有：
1.具有洗、漂、脱的功能；
2.具有报警功能；
3.电路具有感应水位和启动暂停开关的设计；
4.掉电后无需重新设置洗衣时间；
5.采用直流稳压电源。
第二章电路部分
2.1智能洗衣机的设计方案分析
智能洗衣机可以通过纯硬件实现，也可以通过软硬件结合的方式来实现。
通常有以下两种方式：
（一）采用中小集成芯片设计数字控制定时器方案。
它的原理是：
首先，从秒脉冲出来的信号，经过一个控制电路后进入秒计数器进行秒计数，进行清零，这时用户置入洗涤时间，并按开始按钮，洗衣机开始工作。
当秒计数器变为零的时候，去分钟计数器上面借数；与此同时，从十秒位转化出来的信号进入移位寄存器后，电机运转；当用户设定的洗涤时间结束后，电路报警并清零；同时电机停止。
它的原理框图如图2.1所示：
图2.1
采用中小规模的数字集成芯片设计的全自动洗衣机，成本高，电路不易分析与焊接，给后来的调试带来相当大的困难。
为了便于焊接与调试因此采用单片机控制方案。
（二）采用单片机控制方案。
电路工作原理：
针对上文的功能，硬件电路应包括五个部分：
单片机电路、显示电路、电机和进水阀、排水阀控制电路以及报警电路。
通过这几个部分电路以直流电机为基础，AT89C51单片机为核心，外加继电器，通过LED灯显示洗衣状态和进水排水状态。
能够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、漂洗、排水和脱水等状态。
从而使洗衣机能够模拟人脑进行操作。
工作框图如图2.2所示：
图2.2工作框图
注：
①电源电路采用外接+5V稳压电源；
②“”代表电源电路给报警、显示、进水排水阀、电机以及单片机电路供+5V电源；
③“”代表单片机电路控制电机、进水排水阀、显示和报警电路。
2.3单元电路设计
2.3.1显示电路
该电路图是由单片机控制、10个LED灯等主要元件组成，10个LED灯接单片机的P1.0到P1.7以及P2.0口为了限流在单片机和LED灯的阴极加上100欧姆的电阻。
显示电路图如图2.3所示：
图2.3显示电路
表2.1LED灯代表的状态
LED灯
LED1
LED2
LED3
LED4
LED5
LED6
LED7
LED8
LED9
LED10
状态
电源指示
标准洗
经济洗
单独洗
排水
强洗
弱洗
洗涤
漂洗
脱水
2.3.2电机和进水排水控制电路
智能洗衣机的工作部件有3个，这就是电机.进水阀和排水阀。
电机是洗衣机的动力源，它的转动带动洗衣桶和波轮的转动，从而实现对衣物的洗涤。
进水阀用于控制洗衣机的进水量。
排水阀用于控制排水。
电机在脱水时还高速旋转带动衣物脱水。
电机的状态有3种，即正转.反转及停止状态。
电机一般工作在这三种状态的不断转换之中，从而实现洗涤。
但在脱水时，只工作在正转高速状态。
进水阀和派排水阀则只有开.关这两种状态。
三极管的基极接单片机的P2.3、P2.4、P2.5以及P2.6口，三极管Q1和Q2的发射极接线圈的一脚，集电极接地。
继电器RL1和RL2的中间触点接集电极，常开触点接电阻，三极管Q3和Q4发射极接地，集电极接线圈的一脚。
继电器RL3和RL4常开触点接地，常闭触点接+5V电源。
L298的5、7脚接继电器RL3和RL4的中间触点，2、3脚接直流+5V电机如上图2.4所示：
图2.4电机和进水排水控制电路
2.3.3报警电路
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。
报警电路主要使用单片机P2.1口，三极管在这里起到放大的作用，发射极接蜂鸣器。
如图2.5所示：
图2.5报警电路
2.3.4单片机电路
1.289C51的最小系统
单片机的最小系统由单片机，晶振（12MHz）和电容组成。
单片机是智能洗衣机的核心部件，控制显示电路，电机和进排水控制电路，同时当洗衣机出现故障时能够让报警电路报警。
如图2.6所示：
图2.6单片机的最小系统
2.3.5按键/开关
洗衣机面板上有5个按钮K1、K2、K3和S1、S2。
K1、K2和K3接单片机的P3.0到P3.2口，P3.6和P3.7接S1和S2。
如图2.7所示：
标准洗衣程序：
进水－洗涤－排水－进水－漂洗－排水－进水－漂洗－排水，相应灯亮，
经济洗衣程序：
进水－洗涤－排水－进水－漂洗－排水，相应灯亮
单独洗衣程序：
进水－洗涤
排水程序：
排水－脱水
相应动作时需要配合S1、S2动作
图2.7按键/开关
各按键功能见表2（注：
按键当按下时是进行加1操作）：
按键
功能
数字
洗涤方式
K1
程序选择键
0
标准洗
1
经济洗
2
单独洗
3
排水
K2
强弱选择键
0
强洗
1
弱洗
K3
运行/暂停/解除报警
0
运行
1
暂停
2
解除报警
S1
水位
拨下
到指定水位
拨上
水位未到
S2
盖开关
拨下
盖开
拨上
盖关
表2
2.4原理图和元件清单
﹙1﹚总原理图：
如图2.8所示：
图2.8
﹙2﹚智能洗衣机控制系统元件清单
名称
代号
数量
104
C3
1
30P
CY1,CY2
2
电机
DJ1
1
继电器
JK1
4
程序选择键
K1
1
强弱选择键
K2
1
运行/暂停/解除报警
K3
1
标准
LED1
1
经济
LED2
1
单独
LED3
1
排水
LED4
1
强洗
LED5
1
弱洗
LED6
1
洗涤
LED7
1
漂洗
LED8
1
脱水
LED9
1
电源显示灯
LED10
1
进水状态显示灯
LED11
1
排水状态显示灯
LED12
1
报警
LS1
1
9013
Q1;Q2Q3,
3
9012
Q4
1
10K
R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7,R8,R9,R10,R11,R12,R13,
13
1K
R14,R15,
2
L298
U2
1
水位
S1
1
盖开关
S2
1
89C51
U4
1
12M晶振
Y1
1
第三章硬件部分
3.1单片机简介
单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。
它的硬件特性主要有：
1.单片机集成度高。
单片机包括CPU、4KB容量的ROM、128B容量的RAM、2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口。
2.系统结构简单，使用方便，实现模块化;
3.单片机可靠性高;
4.处理功能强，速度快。
而本设计用的是AT89C51单片机它的引脚如下图3.1所示：
图3.189C51引脚图
引脚功能：
4个准双向输入输出口：
P0.0~P0.7P0口，8位准双向输入输出口（39~32）
P1.0~P1.7P1口，8位准双向输入输出口（1~8）
P2.0~P2.7P2口，8位准双向输入输出口（21~28）
P3.0~P3.7P2口，8位准双向输入输出口（10~17）
P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表3.1所示。
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
INT0（外中断0）
P3.3
INT1（外中断1）
P3.4
T0（定时/计数器0）
P3.5
T1（定时/计数器1）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
从图中可以看到，其中8位的每一位对应一个引脚。
至于这4个口的作用和区别就等以后实际用到的时候再说。
RST：
单片机复位引脚。
XTAL1和XTAL2为外接晶振引脚。
GND：
接地端。
EA/VPP：
访问程序存储器控制信号引脚。
接高电平时：
CPU读取内部程序存储器（ROM）。
接低电平时：
CPU读取外部程序存储器（ROM）。
R1和R2中都没有扩展外部ROM所以这个引脚就直接接到+5V（高电平）就可以了。
VCC：
电源供电端，接+5V电源。
3.1.2晶振：
单片机的18,19脚接晶振，本设计所用的晶振是12MHZ。
它的时钟周期机器周期和指令周期的计算方法如下：
1.时钟周期
时钟周期T又称为状态周期，是时序中最小的时间单位。
具体计算就是1/fosc。
也就是说如果晶振为1MHz，那么时钟周期就为1us；12MHz的话，就是1/12us。
2.机器周期
机器周期定义为实现特定功能所需的时间，或完成某一规定操作所需的时间，通常由若干时钟周期构成。
具体计算为：
时钟周期Xcycles。
如果单片机是12周期的话，那么机器周期就是T×12。
假设晶振频率为12M，单片机为12周期的话，那么机器周期就是1us。
3.指令周期
置零周期是时序中的最大时间单位，定义为执行一条指令所需的时间。
通常，包含一个机器周期的指令成为单周期指令，比如CLR,MOV等等。
包含两个机器周期的指令称为双周期指令。
另外还有4周期指令，比如乘法和除法指令。
而我现在使用的晶振为12MHz，单片机为4时钟周期，所以机器周期为1/3us。
3.2L298
恒压恒流桥式2A驱动芯片L298NL298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。
可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。
L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。
4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。
输出电流可达2．5A，可驱动电感性负载。
1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。
L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。
5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。
EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。
图3.2是L298N电路连接图和功能逻辑图。
图3.2L298N电路连接图和功能逻辑图
其引脚图如图3.3所示：
图3.3引脚图
3.3电磁继电器
JQC3F-05V-DC-1ZS继电器是电磁式继电器。
继电器是一种常用的电流控制装置，它的工作原理是通电后，线圈中的铁芯产生强大的电磁力，吸动衔铁带动簧片。
是触点N、C断开，NO接通。
当线圈断电后，弹簧使簧片复位，使触点N、C接通，N、O断开，只要把需要的触点接到N、C间（N、C间称为常闭触点）或触点N、O间（称为常开触点），就可以达到需要的目的。
将线圈引脚两端加直流电压。
三只脚的那一边中间的为输出触点的公共端子，另外两个脚是线圈。
另外两个脚分别是常开或常闭触点。
最后三位代号的意义：
“1ZS”是指触点组型
1:
表示一组
ZS：
转换型。
这种触点组共有三个触点，即中间是动触点，上下各一个静触点。
线圈不通电时，动触点和其中一个静触点断开和另一个闭合，线圈通电后，动触点就移动，使原来断开的成闭合，原来闭合的成断开状态，达到转换的目的。
继电器接线图如图3.4所示：
图3.4电磁继电器
3.4三极管9012和9013的比较及原理。
1.base是基极
2.EMITTER是发射极
3.COLLECTOR是集电极
9012PNP50V500mA600mW低频管放大倍数30-90
9013NPN20V625mA500mW低频管放大倍数40-110
对于NPN型管子,是C点电位>B点电位>E点电位,
对PNP型管子,是E点电位>B点电位>C点电位,这
是放大的条件.
要想使管子饱和导通,则应该（NPN型）Ub>Ue,Ub>Uc;（PNP型）Ue>Ub,Uc>Ub
（1）截止区：
其特征是发射结电压小于开启电压且集电结反向偏置。
对于共射电路，UBE<=UON且UCE>UBE。
此时IB=0,而IC<=ICEO。
小功率硅管的ICEO+在1uA以下，锗管的ICEO小于几十微安。
因此在近似计算时认为晶体管截止时的IC=0。
（2）放大区：
其特征是发射结正向偏置（UBE大于发射结开启电压UON）且集电结反向偏置。
对于共射电路， UBE>UON且UCE>=UBE（即UC>UB>UE）。
此时的，IC几乎仅决定于IB，而与UCE无关，表现出IB对IC的控制作用，IC=?
IB。
在理想情况下，当IB按等差变化时，输出特性是一组横轴的等距离平行线。
（简单的说对于NPN型管子,是C点电位>B点电位>E点电位,对PNP型管子,是E点电位>B点电位>C点电位,这是放大的条件.）
（3）饱和区：
其特征是发射结和集电结均处于正向偏置。
对于共射电路，UBE>UON且UCE此时IC不仅与IB有关，而且明显随UCE增大而增大，IC
IB。
在实际电路中，如晶体管的UBE增大时，IB随之增大，但IC增大不多或基本不变，则说明晶体管进入饱和区。
对于小功率管，可以认为当UCE=UBE，及UCB=0时，晶体管处于临界状态，及临界饱和和临界放大状态。
（要想使管子饱和导通,则应该（NPN型）Ub>Ue,Ub>Uc;（PNP型）Ue>Ub,Uc>Ub.）
第四章焊接与调试
4.1元器件检测
1.继电器的检测
用万用表电阻档，电阻值在几百欧或者是1K多（额定电压不同，线圈的电阻值也不同），这一组就是继电器的线圈，另外三个脚中，有两个脚是通的（及电阻阻值是零），这一组就是常闭，问题是在于常闭的这两个脚与另一个脚都是常开的，如何确定哪个脚是中间的动接触脚呢，一个方法就是通电测量，还有就是一般5个脚的继电器，靠近线圈的端中间位置的单独一个脚的，这个脚就是中间的动接触脚（常开点电阻阻值是无穷大的）
2.L298N
用万用表测L298正常情况下1,5,6,7,10,11,12脚电阻互为0的.
4.2电路板的焊接
电路板的焊接首先要把电路图读懂，根据电路图插元件，元件的弯折不要到元件的根部。
焊接时注意正确的焊接方式，不要存在虚焊、漏焊和连焊等。
4.3电路板的调试工艺
一、察看外观质量
⑴察看电路板是否有明显的裂痕、短路、开路或裸露铜线等现象。
⑵察看元器件是否有错装、漏装、错联和歪斜松动等现象。
⑶察看焊点是否有漏焊、虚焊、毛刺、挂锡等缺陷。
二、电路板电源模块的调试
⑴先用万用表测量一下电路板电源和地之间是否短路。
⑵上电时可用带限流功能的可调稳压电源。
先预设好过流保护的电流，然后将电压值慢慢往上调，同时监测输出电流和输出电压。
⑶如果往上调的过程中，没有出现过流保护等问题，且输出电压也达到了正常，则说明电源部分正常。
⑷如果往上调的过程中，出现过流保护，则要断开电源，寻找故障点，并重复上述步骤，直到电源正常为止。
三、电路板功能模块的调试
⑴功能模块上电过程的调试：
每个功能模块，都要上电测试一下，也要按照电源模块调试的步骤进行，以避免因为设计错误和安装错误而导致过流烧坏元器件。
⑵确定功能模块故障的办法：
一般有下面几种：
①测量电压法。
先要确认的是各芯片电源引脚的电压是否正常，再检查各参考电压是否正常，还要测试主要功能点的电压是否正常等。
②信号注入法。
将信号源加至输入端，依次测量各点的电压或波形，判断是否正常，以找到故障点。
③其它方法，看、听、闻、摸等。
“看”就是看元件有无明显的表面异常或机械损坏；“听”就是听工作声音是否正常；“闻”就是检查是否有异味；“摸”就是用手去试探器件的温度是否正常。
四、电路调试的步骤：
一般按下面步骤调试：
⑴、上电观察：
上电后不要急于测量电气指标，要观察电路有无冒烟、打火等现象，听听有无异常杂音，闻闻有无异常气味，用手触摸集成电路有无温度过高现象。
如有异常现象，立即关断电源，排除故障后再上电。
⑵、静态调试：
静态调试一般是指在正常是上电后不加输入信号，或只加固定的电平信号的条件下所进行的直流测试，用万用表测出电路中各点的电位，通过和理论估算值比较，结合电路原理的分析，判断电路直流工作状态是否正常，及时发现电路中已损坏或处于临界工作状态的元器件，使电路直流工作状态符合设计要求。
⑶、动态调试：
动态调试是在静态调试的基础上进行的，在电路的输入端加入合适的信号，按信号的流向，顺序检测各测试点的输出信号，若发现不正常现象，应分析其原因，并排除故障，再进行调试，直到满足要求。
4.4调试故障
设计好电路图后，第一眼感觉元件不是很多，连线也不是很多。
可真正焊接时遇到了一些困难，如关于单片机的引脚与元件的焊接，继电器的焊接还有L298的引脚等，经过网上查阅以及找工具书等，终于解决了这些问题。
调试时主要遇到两个问题：
⑴蜂鸣器没有报警。
猜想的故障：
①蜂鸣器坏了。
蜂鸣器使用万用表通断测试直接加在两端，蜂鸣器会有微弱响声，证明是好的，但是如果蜂鸣器功率大，需要仔细听，声音可能听不见。
②蜂鸣器功率大，声音听不见。
于是采用三级管放大。
经过三极管放大，终于听到声音了。
⑵电机一上电就转以及未正反转。
①单片机程序出问题了。
又重新仿真，加载程序，证明程序没问题。
②继电器，三极管出现问题。
因为继电器和三极管在焊接之前就已经测过,经再次测量正常运作。
③P24，P25脚没有焊好。
用万用表测量这两个脚是否通了。
经测量接通。
④L298可能坏了。
L298是驱动电机的元件。
控制电机停止，正转和反转。
测量5脚和7脚是输出高电平还是低电平。
经测量输出电平有问题。
重新焊接,电机正常运行。
4.5数据记录
（1）电动机正转驱动时单片机24脚为高电平，25脚为低电平；电动机反转驱动时单片机24脚为低电平，25脚为高电平。
（2）电机排水时单片机24脚为高电平，25脚为低电平。
致谢
2011年12月，我开始了我的毕业论文工作，时至今日，论文基本完成。
我最感谢张姮老师，张老师在我大学最后学习阶段——毕业设计阶段给自己的指导，从最初的定题，到搜集资料，到写作，修改，到论文定稿。
她给了我耐心的指导和无私的帮助，她放弃了休息时间，这种无私奉献的精神，令人敬佩。
在此我向表示我最诚挚的谢意。
同时，感谢所有的任课老师和所有的同学们给我的指导和帮助，使他们教会了我专业知识，教会了我如何学习以及如何做人。
正是由于他们，我才能取得显著的进步。
再次由衷地表达我的谢意。
关于毕业设计，我从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。
历经了那么长时间的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。
回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，在这次毕业设计的过程中，我拥有了无数难忘的回忆和收获。
12月初，在与指导师的交流讨论中我的题目定了下来，是：
智能洗衣机控制系统设计。
当选题定下来的时候，我当时便立刻着手资料的收集工作中，当时面对浩瀚的书海真是有些茫然，不知如何下手。
经过一段时间终于让我找到方向。
当我终于完成了所有打字、绘图、排版、校对的任务后整个人都很累，但同时看着电脑荧屏上的毕业设计稿件我的心里是甜的，我觉得这一切都值了。
这次毕业论文的制作过程是我的一次再学习，再提高的过程。
在论文中我充分地运用了大学期间所学到的知识。
脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。
我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮助。
最后，这次毕业设计也锻炼了我的动手能力。
在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。
在此更要感谢我的指导师和专业老师，是你们的细心指导和关怀，使我能够顺利的完成毕业论文。
在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着老师们辛勤的汗水和心血。
老师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。
从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。
再次感谢我的毕业设计指导老师：
张姮老师。
感谢我的同组同学：
徐露露同学。
感谢各位毕业答辩老师，于百忙之中抽出时间听取我的毕业论文答辩。
谢谢。
参考文献
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[5]刘骋．高频电子技术[M]．人民邮电出版社．200
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