智能洗衣机控制器设计.docx
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智能洗衣机控制器设计
1.设计主要内容及要求；
设计一个智能洗衣机控制器。
要求：
1）硬件电路设计，包括原理图和PCB板图。
2）控制器软件设计。
3）要求能够设定温度、测量温度、显示温度、测量转速、显示转速以及定时控制等。
2.对设计论文撰写内容、格式、字数的要求；
（1）.课程设计论文是体现和总结课程设计成果的载体，一般不应少于3000字。
（2）.学生应撰写的内容为：
中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献等。
课程设计论文的结构及各部分内容要求可参照《沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范》执行。
应做到文理通顺，内容正确完整，书写工整，装订整齐。
（3）.论文要求打印，打印时按《沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范》的要求进行打印。
（4）.课程设计论文装订顺序为：
封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献。
3.时间进度安排；
顺序
阶段日期
计划完成内容
备注
1
月日
教师讲解题目，学生查阅相关资料
2
月日
查阅相关资料、进行方案论证
3
月日
参数计算、确定方案
4
月日
绘制原理图，设计PCB板图
5
月日
设计PCB板图，程序设计
6
月日
程序设计
7
月日
程序调试
8
月日
撰写论文
7
月日
论文答辩，成品验收
一设计任务描述
1.1设计题目
智能洗衣机控制器
1.2设计要求
1.2.1基本要求
设计一个智能洗衣机控制器。
要求：
1）硬件电路设计，包括原理图和PCB板图。
2）控制器软件设计。
3）要求能够设定温度、测量温度、显示温度、测量转速、显示转速以及定时控制等。
二设计思路
2.1洗衣机功能与要求
洗衣机的主要工作程序是：
洗涤——脱水——漂洗——脱水——漂洗——脱水。
上述工作程序中，包含三个过程，洗涤过程、漂洗过程、脱水过程。
（1）洗涤过程：
放好待洗物，启动开关，进水阀通电，向洗衣机供水，当供水达到预定水位时，水位开关接通，进水阀断电关闭，停止供水。
洗涤电动机接通电源，带动波轮（或桶）旋转，产生各种形式的水流搅动衣物进行洗涤。
通过电动不停的正转、停、反转、反复循环，形成洗涤水对洗涤物产生强烈的翻滚作用。
同时，衣物之间、衣物与四周桶壁之间产生互相摩擦和撞击力，以次达到洗涤衣物的目的。
（2）漂洗过程：
漂洗的目的在于清除衣物上的洗涤液，因此，漂洗过程与洗涤过程的电器动作是完全相同的。
（3）脱水过程：
洗涤或漂洗后，需要对衣物进行脱水以便晾干，节省水资源
所以脱水是洗衣过程中必不可少的环节。
洗涤或漂洗过程结束后，电动机停止转动，排水阀通电，打开排水阀门排水。
当水位低到一定程度时，满足安全条件，脱水电动机接通，电机带动脱水桶高速旋转，利用离心力把衣服上的水从桶壁的小眼里甩出。
全部洗衣工作完成后，由蜂鸣器发出音响，表示衣物已洗干净。
2.2洗衣机的基本工作原理
全自动洗衣机的进水和排水分别有进水电磁阀和排水电磁阀来执行。
进水时，通过电控系统把进水阀打开，经进水管将水注入机内，排水时，通过电控系统使排水阀打开，将水又排到机外。
洗衣机正转，反转由洗涤电机驱动波轮正反来实现，此时脱水桶并不旋转。
脱水时，通过电控系统将离合器合上，由洗涤电机带动桶转进行甩干；高中低水位开关分别用来测高中低水位；启动按钮用来启动洗衣机工作；空水位按钮用来测空水位；进水、洗涤、排水、脱水及报警自动完成。
三硬件设计方框图
椭圆型表示指示灯：
从上到下依次为强洗、弱洗、洗涤次数、洗衣定时、脱水定时、洗衣剩余时间、脱水剩余时间。
电动机正转为强洗，正反交替转动设定为弱洗，初始设定的状态为强洗，若要选择弱洗模式需按下增加按键，再次按下选择按键，则表示洗涤次数的指示灯被点亮，选择增加或减少按键对时间进行加减。
然后对脱水时间设定，最后按下启动键，洗衣机开始工作。
四硬件设计
4.1单片机模块
4.1.1电源电路
在电源电路中，SPX1117-3.3是稳压芯片将输入电压5V转换成3.3V作为C8051F020单片机的主要供电电源。
S2为输入电源开关按钮，在下载完数据后可用此按键来更新下载数据。
其电路图如图4—1单片机电源电路所示。
图4—1单片机电源电路
4.1.2复位电路
当开发板上电时，C14经充电后复位端电压相当于低电平实现上电复位：
当断电后通过1N4148形成放电回路。
其电路图如图4—2单片机复位电路所示。
图4—2单片机复位电路
4.1.3液晶显示（LCD）接口电路
单片机留有一个LCD液晶接口，相对应的液晶为MzL05-12864，它是一款仅写入的串行SPI接口方式的液晶，给液晶仅需5个控制口即可完成对其控制。
单片机使用模拟SPI的方式对液晶进行操作。
其电路图如图4—3单片机液晶接口电路所示。
图4—3单片机液晶接口电路
4.1.4晶振电路
Y1为晶体振荡器，其振荡频率为22.11842MHZ，为单片机提供其工作所需要的时钟，C16、C17起到帮助晶振的作用。
电路图如图4—4单片机晶振电路所示。
图4—4单片机晶振电路
4.2洗衣机系统模块
根据洗衣机的基本功能，硬件电路设计需要考虑：
水流强度的问题、洗涤、漂洗、脱水时间设定长短的问题、工作时间或剩余时间的显示、工作过程中的暂停、启动、复位、洗完后的报警等问题。
采用5l系列单片机作为控制核心，主要包括功能设置及控制电路、洗衣机状态显示及输出控制电路。
主要组成部件有：
单片机、74LSl38译码器、ULN2003、指示灯、数码管、电动机、蜂鸣器以及按键等。
4.2.1功能设置及控制
（1）暂停键K0，接P3.3，用外部中断1实现工作过程的暂停，根据人的需要可以进行手工洗涤；
（2）水位开关K1，接P1.O，水位到位时，K1闭合。
在进水期间，系统不断检测K1，当检测到K1闭合就停止进水；
（3）按键K2，接P1.6，作为工作过程中的启动键；
（4）按键K3是洗衣强度选择键，接P3.4，每按一次代表一种强度。
分别是标准、弱洗、强洗和自编，由4个指示灯进行显示；
（5）按键K4，接P3.5，对洗衣时间进行设置，并用数码管LEDl和LED2显示：
（6）按键K5，接P3.6，对漂洗、脱水次数进行设置，并用数码管LEDI显示；
（7）压电蜂鸣器接P1.7，作为洗衣时间到以及故障发生的报警器。
控制电路如图4-5洗衣机控制电路所示.
图4-5洗衣机控制电路
4.2.2状态显示
74LSl38译码器为3—8译码器，选用它可以解决I／0口线数量不足问题。
从控制要求可知，洗衣机的工作模式以及工作程序必须有7中不同的显示加以区别。
74LSl38译码器的输入端C、B、A分别接P1.3、P1.4、P1.5，输出端分别与7个发光二极管DO--D6的阴极相连，发光二极管阳极接电源。
输出端YO控制D0“弱洗”指示灯：
Y1控制D1“标准洗”指示灯，Y2控制D2“强洗”指示灯，Y3控制D3“自编”指示灯，Y4控制D4“洗衣”指示灯，Y5控制D5“漂洗”指示灯，Y6控制D6“脱水”指示灯.状态显示电路如图4-6状态显示电路所示.
图4-6状态显示电路
4.2.3输出控制
输出控制电路由触发器电路和相应的双向晶闸管组成。
控制电机正反转以及进水阀和排水阀的开启和关闭。
通过触发器电路和相应的双向晶闸管，电动机的正转和反转用单片机P1.1和P1.2进行控制；进水电磁阀和排水电磁阀用单片机的P3.0和P3.1进行控制
五软件设计方框图
5.1主程序流程图
5.2中断程序流程图
六软件设计
6.1主程序设计
根据硬件设计要求，控制主程序流程图如图所示。
洗衣机通电之后，单片机上电，首先进行程序的初始化，包括定时器O、外部中断O、外部中断l的初始化，以及各参数初值的设定。
默认洗衣强度为“标准洗”，漂洗次数3次。
然后扫描K2、K3、K4、K5键的状态，确定洗衣强度R2、洗衣时间R3和漂洗次数R4。
洗衣机处于待命状态，控制指示灯显示洗衣强度，液晶显示预设洗衣时间。
当发现启动键K2按下，洗衣机从待命状态进入工作状态。
完成进水——洗涤——脱水——漂洗的循环过程。
当洗衣结束时，控制蜂鸣器发声。
6.1.1进水程序设计
当P3.0=1时，打开进水电磁阀开始进水。
当水位到达要求时，P1.0=0，即水位开关K1闭合，关闭进水电磁阀，P3.0=0，迸水结束；
6.1.2洗涤过程程序设计
电机正反转均为10S，根据R2的值确定洗衣强度、洗衣时间R3及电动机的间歇时间。
6.1.3脱水、漂洗过程程序设计
脱水前先打开排水阀排水1min。
然后启动电动机脱水1min，并保持排水阀开启，然后停止脱水。
接着判断漂洗次数即R4的值，若R4为0则洗衣结束，开蜂鸣器提醒洗衣结束，系统返回初始待命状态；若R4不为0，则再次执行进水操作，进入下一循环。
程序如下图所示：
6.2内部定时中断设计
工作过程中所需的各种计时均有定时器0定时中断服务64程序提供。
单片机晶振频率12Mllz，定时器0选择工作方式1，设置时间常数，每0．1S中断～次。
中断处理程序流程图如下图所示。
6.3外部中断设计
为了防止外部电压过高或过低对洗衣机的电器及控制硬件产生破坏，用外部中断0进行保护。
当电压过高或过低时，引起外部中断0，洗衣机停止一切动作，进入保护状态。
用外部中断1来实现洗衣过程停止工作。
在洗衣过程中，当暂停键K0按下时，引起外部中断1，转入中断1处理程序。
中断l处理程序将使洗衣机停止工作，并将停止前的状态存储起来。
当按下启动键K2时，洗衣机又恢复工作。
程序设计流程图
七工作过程分析
本设计采用常用的C8051F020单片机为控制核心，辅以电机、数码管等其他元器件，通过软，硬件的配合设计，很好的实现了洗衣机的控制功能。
本系统结构简单，控制功能强大，自动化程度高等特点。
（1）系统软硬件设计采用模块化的设计方法，各模块功能相对独立，最后把它们整合在一起，大大的缩短了系统的设计周期。
（2）为保证洗衣机及人身安全，设计了蜂鸣器报警电路。
（3）本设计还考虑半自动的设计，用户可以根据自己的需求自由选择洗衣机的工作方式，这一点是通过按键实现的。
本文设计的时候只考虑了洗衣机的实用功能，其他的功能可以在他上面进行扩展，使洗衣机功能更能强大。
八元器件清单
名称
型号
数量
备注
普通电阻器
3
电容
5
整流二极管
1N4004
2
发光二极管
10
数码管
2
单片机
C8051F020
1
集成稳压器
LM7805
1
开关
CA3130
6
晶振
2
液晶
1602
1
九主要元器件介绍
9.1C8051F020
C8051F020引脚图如图9-1C8051F020引脚图
图9-1C8051F020引脚图
C8051系列单片机是集成的混合信号片上系统，具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准8051的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。
C8051系列单片机是真正能独立工作的片上系统（SOC）。
CPU有效地管理模拟和数字外设，可以关闭单个或全部外设以节省功耗。
C8051F系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的CIP-51微控制器内核，采用流水线结构，单周期指令运行速度是8051的12倍，全指令集运行速度是原来的9.5倍。
其内部电路包括CIP-51微控制器内核及RAM、ROM、I／O口、定时／计数器、ADC、DAC、PCA、SPI和SMBus等部件，即把计算机的基本组成单元以及模拟和数字外设集成在一个芯片上，构成一个完整的片上系统（SOC）。
C8051F020内部带有数据采集所需的ADC和DAC，其中ADC有两个，一个是8路12位逐次逼近型ADC，可编程转换速率，最大为100kS／s．可通过多通道选择器配置为单端输入或差分输入。
内有可编程增益放大器PGA用于将输入的信号放大，提高A／D的转换精度。
可编程增益为：
0.5、1、2、4、8或16，复位时默认值为1。
另一个是8路8位ADC，可编程转换速率最大为500kS／s，其可编程放大增益为0.5、1、2、4，复位时默认值为0.5。
有2个12位的DAC，用于将12位的数字量转换为电压量，可产生连续变化的波形，两路信号可同步输出。
C8051F020外设还增添了三个串行口。
可同时与外界进行串行数据通信，SMBus兼容于I2C串行扩展总线；SPI串行扩展接口；两个增强型UART串口。
C8051F020具有基于JTAG接口的在系统调试功能，片内的调试电路通过JTAG接口可提供高速、方便的在系统调试。
9.21602
所谓1602液晶显示器，就是指每行可以显示16个字符，可以显示2行，总共可以显示32分字符。
1602是是单排16引脚，1脚是电源地，2脚是电源，3脚是对比度调节，4（RS）、5（RW）、6（E）是控制读写指令，7—14是数据线，15脚是LCD背光电源正，16脚是LCD背光电源负。
1602的控制主要通过4、5、6引脚的控制进行:
读状态输入：
RS=L，RW=H，E=H输出：
DB0～DB7=状态字
写指令输入：
RS=L，RW=L，E=下降沿脉冲，DB0～DB7=指令码输出：
无
读数据输入：
RS=H，RW=H，E=H输出：
DB0～DB7=数据
写数据输入：
RS=H，RW=L，E=下降沿脉冲，DB0～DB7=数据输出：
无
液晶显示器1602的外观如图9-2液晶显示器所示
图9-2液晶显示器
9.3LM7805
X78XX系列是三端正电源稳压电路,它的封装TO-220它有一系列固定的电压输出,应用非常的广泛.每种类型由于内部电流的限制,以及过热保护和安全工作区的保护,使它基本上不会损坏。
如果能够提供足够的散热片,它们就能够提供大于1.5A的输出电流。
虽然是按照固定电压值来设定的,但是当接入适当的外部器件后,就能获得各种不同的电压和电流。
特点：
（1）最大输出电流为1.5A
（2）输出电压为5V;6V;8V;9V;10V;12V;15V;18V;24V
（3）热过载保护
（4）短路保护
（5）输出晶体管安全工作区保护
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