基于51单片机智能洗衣机的控制系统设计.docx
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基于51单片机智能洗衣机的控制系统设计
图二4
设计方案4
设计任务4
洗衣机的设计方案4
按键4
洗衣程序4
设计总方框图5
控制系统的功能5
控制系统的电路组成6
3.2电源电路6
单片机控制电路6
AT89S51单片机主控系统6
单片机的复位电路8
单片机的时钟电路9
显示电路10
蜂鸣器报警电路12
电动机的控制电路12
进水/排水电路13
一：
51单片机技术介绍
1简介：
51单片机是对目前所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。
该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flashrom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。
目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。
51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。
需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。
当前常用的51系列单片机主要产品有：
*Intel的：
80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；
*ATMEL的：
89C51、89C52、89C2051等；
*Philips、华邦、Dallas、Siemens（Infineon）等公司的许多产品
目前，国产宏晶STC单片机以其低功耗、廉价、稳定性能，占据着国内51单片机较大市场。
（图一：
51单片机引脚）
图一
2结构：
·8位CPU·4kbytes程序存储器（ROM）（52为8K）
·256bytes的数据存储器（RAM）（52有384bytes的RAM）
·32条I/O口线·111条指令，大部分为单字节指令
·21个专用寄存器
·2个可编程定时/计数器·5个中断源，2个优先级（52有6个）
·一个全双工串行通信口
·外部数据存储器寻址空间为64kB
·外部程序存储器寻址空间为64kB
·逻辑操作位寻址功能·双列直插40PinDIP封装
·单一+5V电源供电
CPU：
由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；
RAM：
用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；
ROM：
用以存放程序、一些原始数据和表格；
I/O口：
四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出；
T/C：
两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式；
五个中断源的中断控制系统；
一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；
片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。
最高振荡频率为12M。
·8位CPU·4kbytes程序存储器（ROM）（52为8K）
·256bytes的数据存储器（RAM）（52有384bytes的RAM）
·32条I/O口线·111条指令，大部分为单字节指令
·21个专用寄存器
·2个可编程定时/计数器·5个中断源，2个优先级（52有6个）
·一个全双工串行通信口
·外部数据存储器寻址空间为64kB
·外部程序存储器寻址空间为64kB
·逻辑操作位寻址功能·双列直插40PinDIP封装
·单一+5V电源供电
CPU：
由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；
RAM：
用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；
ROM：
用以存放程序、一些原始数据和表格；
I/O口：
四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出；
T/C：
两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式；
五个中断源的中断控制系统；
一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；
片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。
最高振荡频率为12M。
（图二：
8051内部结构）
图二
设计方案
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。
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。
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。
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。
设计总方框图
设计总方框图
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。
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。
3.2电源电路
单片机系统电源部分的电气原理图如图所示。
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。
电源电路
单片机控制电路
AT89S51单片机主控系统
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：
AT89S51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
P3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所示:
数据存储器的分配情况图
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
单片机复位电路
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3.6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。
时钟电路
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3.7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3.7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。
如图所示:
图3.8LED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。
本次设计中我们采用的是2位共阳极数码管，其中段码线占用1个8位I/O口，即为P0口，而位选占用2个I/O口，在P2口。
由于各位的段码线并联，8位I/O口输出的段码对各个显示位来说都是相同的。
因此，在同一时刻，如果各位位选都处于选通状态的话，2位LED将显示相同的字符。
若要各位LED能够显示出与本位相应的显示字符，就必须采用动态显示，即在某一时刻，只让一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选处于关闭状态，同时，段码线上输出相应位要显示的字符段码。
这样，在同一时刻，2位LED中只有选通的那位显示字符，而其他1位则是熄灭的。
同样，在下一时刻，只让下一位的位选处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，在段码线上输出将要显示字符的段码，则同一时刻，只有选通位显示出相应的字符，而其他各位都是熄灭的。
如此循环下去，就可以使各位显示出将要显示的字符。
虽然这些字符是在不同时刻出现的，而在同一时刻，只有一位显示，其他各位熄灭，但由于LED显示器的余辉和人眼的视觉暂留作用，只要每位显示间隔足够短，则可以造成多位同时亮的假象，达到同时显示的效果。
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。
如图所示：
蜂鸣器报警电路
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3.10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。
电动机的控制电路
进水/排水电路
如图所示，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。
进水、排水电路
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