09325235波轮洗衣机控制电路设计.docx
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09325235波轮洗衣机控制电路设计
涡轮洗衣机控制电路设计
姓名：
周江峰
学号：
09325235
专业：
电子信息工程
班级：
093252
指导教师：
高浪琴
2011年12月20日
1设计任务
1.主要内容：
设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12分钟；漂洗6分钟，二次；脱水3分钟。
快速洗涤：
洗涤7分钟；漂洗3分钟，二次；脱水2分钟。
2）有启动／暂停按钮控制：
第一次启动，标准洗涤；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。
3）有脱水功能，并且在脱水时，如果打开盖板（K2键模拟），脱水暂停。
4）洗涤时洗涤指示灯闪烁；漂洗时漂洗指示灯闪烁；脱水时脱水指示灯闪烁。
1.2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、洗衣、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AT89S51单片机、2位共阳数码管、按键、蜂鸣器、LED指示灯组成；外部硬件电路有继电器、三极管、电动机、进水电磁阀、排水电磁阀组成。
1.2.1按键
洗衣机面板上有4个按钮K1、K2、K3、K4。
1K1为启动键。
K2用于模拟洗衣机的盖板打开。
K3用于快速洗衣方式；当脱水时，模拟盖板合闭。
K4用于脱水。
1.2.2洗衣程序
⑴洗涤过程
通电后，若不选择洗衣周期，则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是一个正反转电机，可以形成往返水流，有利于洗涤衣物。
⑵漂洗过程
与洗涤过程操作相同，只是时间短一些。
⑶脱水过程
洗涤或漂洗过程结束后，电机M停止转动，排水阀M接通，开始排水。
排水阀动作的同时，电机M也接通，使电机可以带动内桶转动。
当水位低到一定值，再经过一段时间后，电机开始正转，带动内桶高速旋转，甩干衣物。
1.2.3设计总方框图
图1.2.3设计总方框图
1.3控制系统的功能
基于单片机洗衣机通过控制系统设定洗衣程序在洗涤脱水桶内自动完成注水、洗涤、漂洗、排水和脱水全过程。
洗衣时控制系统打开进水电磁阀开始注水；当洗涤脱水桶内的水位达到系统设定值时单片机发送一个低电平通知控制系统关闭进水电磁阀，同时启动电机洗衣。
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；当洗涤时间终了，控制系统切断电机电路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（通常为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2章硬件设计
2.1控制系统的电路组成
该电路主要组成部件是由AT89S51单片机、指示灯、电动机、蜂鸣器、电控水龙头、LED显示灯、及4只按键组成。
其组成如图3.1所示。
电动机有两个控制端，一端控制电动机正转且该端与P2.0相连，另一端控制电动机的反转且该端与P2.1相连。
电控水龙头共两个，一个为进水水龙头且受P1.6的控制，另一个为排水水龙头而受P1.7的控制，当电控水龙头的控制端为“0”时水龙头打开，当电控水龙头的控制端为“1”时水龙头关闭。
显示器共有两只P0控制高位显示器，P2控制低位显示器。
蜂鸣器有由P3.5控制，当P3.5输出为“1”时蜂鸣器发声。
本系统采用12M的晶体振荡器定时器0和定时器1的设置为每隔100us产生一次中断。
2.2电源电路
单片机系统电源部分的电气原理图如图2.2所示。
市电220V经过变压器T变压为12V交流电，再通过4只二极管全桥整流，经过电容C9、C10滤波得到光滑的直流电压后，经过三端稳压管（7805）稳压得到稳定的+5V电压给各器件供电。
图2.2电源电路
2.3单片机控制电路
2.3.1AT89S51单片机主控系统
（1）单片机的概述
单片机又称微控制器或嵌入式控制器。
现在的智能家电没有一个不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。
它是家用电器实现智能化的心脏和大脑。
单片机主要应用在计算机外设、实时控制、仪器仪表、通信和家用电器等各个地方是计算机技术和电子技术的综合性应用，在不同的应用场合其技术要求各不相同，因此设计方案和研发的步骤也完全不一样。
单片机应用系统由硬件和软件组成。
硬件是指MCU、存贮器，I/O接口和外设等物理器件的组合。
软件是指系统监控程序的总称。
在开发过程中它们的设计是不能完全分开的，应该互相配合、不断调整才能组成高性能的应用系统。
单片机应用系统的开发包括系统总体设计、硬件设计、软件设计、系统调试等，而且它们有时交叉进行。
单片机是现代电子设计中使用最广泛的电子元件。
它价廉，但是功能强大、体积小、性能稳定。
目前在各类产品中都能看到单片机的身影如门铃、电梯、玩具以及各种数据采用系统中等。
（2）AT89S51芯片的特点
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗高性能CMOS8位单片机内含4kbytes的可系统编程的flash，只读程序存贮器采用ATMEL公司的高密度、非易失性存贮技术产生兼容标准8051指令系统及引脚，它集flash程序存贮器既可在线编程（ISP）也可以用传统方法进行编程及通用8位微处理器于芯片中，ATMEL公司的功能强大低价位AT89S51单片机可位你提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各个控制领域。
主要的性能参数：
与MCS-51产品指令系统完全兼容
4k字节在系统编程（ISP）flash闪速存贮器
1000次擦写周期
全静态工作模式0Hz-33MHz
128*8字节内部RAM
32个可编程I/O线
2个16位定时/计数器
6个中断源
低功耗空闲和掉电模式
中断可从空闲模式唤醒系统
掉电标示和快速编程特性
灵活的在于系统编程（ISP字节或叶写模式），此外AT89S51设计和配置了振荡频率为11.0529MHz的振荡电路并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下CPU暂停工作而RAM定时计数器、串行口、外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其他功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC三种封装形式以适应不同产品的需要。
硬件复位电路主要是实现复位功能，当单片机运行出现死循环时复位电路就可以起保护功能而实现复位作用。
AT89S51单片机作为控制部件，该型号单片机共有40个引脚采用双列直插式的，下面是各个引脚的功能：
图2.3AT89S51的引脚图
（1）输入/输出口线
P0.0～P0.7P0口的8位双向口线。
P1.0～P1.7P1口的8位双向口线；内部具有上拉电阻。
P2.0～P2.7P2口的8位双向口线；内部具有上拉电阻。
P3.0～P3.7P3口的8位双向口线；内部具有上拉电阻。
还具有第二功能见表2-1。
表2-1P3口的第二功能
口线
第二功能
信号名称
P3.0
RXD
串行数据接收
P3.1
TXD
串行数据发送
P3.2
INT0
外部中断0的申请
P3.3
INT1
外部中断1的申请
P3.4
T0
定时器/计数器0计数输入
P3.5
T1
定时器/计数器1计数输入
P3.6
WR
外部RAM写选通
P3.7
RD
外部RAM读选通
2）控制信号线
RST---复位输入信号高电平有效,用以完成单片机的复位初始化操作。
EA/Vpp---外部程序存贮器访问允许信号/编程电压输入端，当EA信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；当EA信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始的，并可延至外部程序存储器。
PSEN---低电平有效，可实现对外部ROM单元的读操作。
ALE/PROG---低字节地址锁存信号/编程脉冲输入端
3）电源和外部晶振引脚
Vcc---电源电压输入引脚
GND---电源地
XAL1、XTAL2---外部晶振引脚
4）存储器的分配
AT89S51的内部共有256个数据存储单元，通常把这256个单元按其功能划分为两部分：
低128单元和高128单元，其中低128个单元供用户暂存中间数据，可读可写，掉电后数据会丢失；高128个单元被专用寄存器占用。
其中内部数据存储器的分配情况如图2.4所示:
图2.4数据存储器的分配情况图
2.3.2单片机的复位电路
复位电路的作用是复位。
在单片机接上电源以后，或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，即处于开机时的标准程序状态，以消除由于某种原因的程序紊乱。
单片机的复位电路有上电复位和手动复位两种形式，RST端的高电平直接由上电瞬间产生高电平则为上电复位；若通过按钮产生高电平复位信号则称为手动复位。
图3.5为兼有上电复位和手动复位的电路。
上电复位是利用电容充电来实现复位，其工作原理是：
上电瞬间RST端的电位与VCC相同，随着电容C6充电电流的减小，+5V的电压立即加到了RST端，该高电平使得单片机复位。
手动复位是利用开关K来实现复位，此时电源Vcc经两电阻分压，在RST端产生一个高电平，使得单片机复位。
当RST由高变低后复位结束，CPU从初始状态开始工作。
单片机的复位都是靠外部电路实现的，在本次设计中采用手动复位，如图2.5：
图2.5单片机复位电路
2.3.3单片机的时钟电路
时钟电路由晶振元件与单片机内部电路组成，产生的振荡频率为单片机提供时钟信号，供单片机信号定时和计时。
在AT89S51单片机内部有一个高增益反相放大器，其输入端引脚为XTAL1，其输出端为XTAL2。
只要在两引脚之间跨接晶体振荡器和微调电容C4、C5，就可以构成一个稳定的自激振荡器。
本设计采用图2.6所示电路。
一般地，电容C1和C2取33pf左右；晶体振荡器，简称晶振，频率范围是1.2~12MHz。
晶振频率越高，系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。
在通常情况下，使用振荡频率为6MHz或12MHz的晶振。
如果系统中使用了单片机的串行口通信，则一般使用频率为11.0592MHz的晶振。
而在本次设计中采用的是频率为11.0592MHz的晶振。
图2.6时钟电路
2.3.4显示电路
显示模块由发光二极管和LED显示器组成。
1.LED（LightEmitingDiode）是发光二极管英文名称的缩写。
本次设计中我们采用发光二极管主要是用来指示洗衣机的工作状态。
5个发光二极管分别跟单片机的P1口的5个I/O口连接，如图2.7所示。
当发光二极管的负极所对应的P1口为低电平时，发光二极管导通。
图2.7发光二极管电路
2.LED显示器是由发光二极管构成的，所以在显示器前面冠以“LED”。
本次设计只是显示时间，所以采用LED显示器就可以达到目的了。
如图2.8所示:
图2.8LED显示器电路
（1）LED显示器的结构
常用的LED为8段或7段。
每一个段对应一个发光二极管。
这种显示器有共阳极和共阴极2种。
共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连在一起，通常此公共阴极接地。
当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。
同样，共阳极LED显示器的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压，当某个发光二极管接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。
为了使LED显示器显示不同的符号或数字，就要把不同段的发光二极管点亮，这样就要为LED显示器提供代码，因为这些代码可使LED相应的段发光，从而显示不同字型，因此该代码称之为段码（或称为字型码）。
（2）LED显示器工作原理
LED显示器有静态显示和动态显示2种方式。
LED显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极（共阳极）连接在一起并接地（或+5V）；每位的段码线（a-dp）分别与一个8位的锁存器输出相连。
之所以称之为静态显示，是因为各个LED的显示字符一经确定，相应锁存器锁存的段码输出将维持不变，直到送入另一个的段码为止。
正因为如此，静态显示器的亮度都较高，但静态现实的缺点是占用口线太多，如果显示器的位数太多，则需要加锁存器，因此一般情况下采用动态显示。
在多位LED显示时，为简化硬件电路，通常将所有位的段码线相应段并联在一起，由1个8位I/O口控制，形成段码线的多路复用，而各位的共阴极或共阳极分别由相应的I/O线控制，形成各位的分时选通。
2.3.5蜂鸣器报警电路
本设计采用无源蜂鸣器，单片机必须输出固定频率的方波信号，其工作电压范围宽，4-12V，需要外围元件少，电压增益可调范围为20-200。
通过CPU的P3.5输出高电平来控制蜂鸣器报警。
如图2.9所示：
图2.9蜂鸣器报警电路
2.3.6电动机的控制电路
1.继电器的作用
继电器是在自动控制电路中起控制与隔离作用的执行部件，它实际上是一种可以用低电压、小电流来控制高电压、大电流的自动开关。
2.电动机控制电路的工作原理
电动机M控制部分的电气原理图如图2.10所示。
电动机有两个控制端，一端控制电机正传该端与P2.0相连，另一端控制电机反转该端与P2.1相连。
系统供电时交流220V电压经过继电器加在电动机的两个控制端。
当洗衣机接到“正转”指令时P2.0输出高电平经过R19、Q1使得继电器Kb线圈得电导通Kb，从而使得电机正转。
当洗衣机接到“反转”的指令时P2.1输出高电平经过R20、Q2使得继电器Ka线圈得电导通Ka，从而使得电机反转。
图2.10电动机的控制电路
2.3.7进水/排水电路
如图2.11所示，进水阀受P1.6的控制，出水阀受P1.7的控制。
当电控水龙头的控制端P1.6为“0”时，Ka线圈得电使得进水阀打开。
当电控水龙头的控制端P1.7为“0”时，Kb线圈得电使得出水阀打开。
图2.11进水、排水电路
第3章软件设计
3.1主程序设计
根据硬件设计要求控制主程序流程图如图3.1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0、外部中断0、外部中断1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2次。
然后扫描按键的状态确定洗衣过程。
当发现启动键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。
图3.1主程序流程图
3.2标准洗衣程序设计
标准洗衣是默认的洗衣方式，其流程图如图3.2所示:
图3.2标准洗衣程序流程图
3.3洗涤程序的设计
洗涤是洗衣过程中的主要步骤。
当进水结束后进入洗衣状态，洗衣开始，电动机正转-停止-反转一直循环，当洗衣时间等于零时，洗衣结束且进入漂洗。
程序流程图如图3.3所示：
图3.3洗涤程序流程图
3.4漂洗程序的设计
漂洗是一个比较固定的洗衣方式，与洗涤过程操作相同，只是时间短一些。
漂洗次数为二次。
漂洗程序流程图如图3.4所示:
图3.4漂洗程序流程图
3.5脱水程序的设计
脱水前先打开排水阀排水。
然后启动电动机脱水并保持排水阀开启，然后停止脱水,并且蜂鸣器报警提醒用户洗衣完成。
程序流程图如图3.5所示:
图3.5脱水洗涤程序流程图
第4章调试
在系统样机的组装和软件设计完成以后就进入系统的调试阶段。
应用系统的调试步骤和方法是相同的，但具体细节与采用的开发系统（即仿真器）及选用的单片机型号有关。
调试的过程就是软硬件的查错过程，分为硬件调试和软件调试。
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