洗衣机控制器设计.docx

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洗衣机控制器设计

洗衣机控制器硬件设计

一．————概述

二．————电源线路

三，————选择单片机

四．————复位电路

五.————按键、显示电路

六．————可控硅及其控制电路

七．————水位检测电路

八．————音乐蜂鸣电路

九．————盖开关检测线路

十．————模糊检测电路

十一.————EEPROM电路

一．概述

《洗衣机控制器》的作用，顾名思义，就是要实现对洗衣机的各种自动控制。

如何着手进行一台《洗衣机控制器》的设计，从硬件角度，需要哪些基本模块，这些模块需具备什么功能，怎样工作的，设计时元器件参数如何选择，有哪些地方需要特别注意，这就是本说明书将要阐述的内容。

为此目的，在开始设计控制器之前，我们需要先对洗衣机的整体结构及工作流程有个初步的了解，知道洗衣机有哪些东西需要控制？

洗衣机对控制器有什么要求？

下面我们将以金羚洗衣机厂的XQB60-768B为例，对洗衣机、主要是《洗衣机控制器》逐一展开描述。

洗衣机是为了减轻人们洗涤衣物这种劳动而发明的一种家用电器，为着了解洗衣机的工作过程和基本动作，我们不妨简单地回顾一下手工洗涤的过程：

1.首先将待洗涤的衣物放入盆中——

2.加入洗涤剂、洗衣粉等——

3.注入清水——

4.浸泡一段时间（视情况可省略此环节）——

5.用手搓洗——

6.将衣物从盆中取出、拧干——

7.倒掉污水——

8.注入清水——重复5——8步，2～3个循环，衣物洗净。

洗衣机的工作即是模拟手工洗涤的过程：

1.第一步还是要人来干的。

将待洗涤的衣物放入洗衣机桶中。

2.第二步也需要人预先将洗涤剂等放入洗衣机内有关的容器中，或届时直接加入洗衣机桶内也可以。

从第三步开始，就是洗衣机要做的事了，下面逐一叙述，并顺便介绍一些专用术语，这些术语后面会经常用到；

3.注入清水——专业术语叫“进水”，洗衣机装有一个（或两个）控制进水的开关——“进水阀”，进水的具体实现就是将进水阀打开，让水流入桶内，水量达到要求后关闭进水阀，停止进水。

细心的读者会发现，这里有个问题：

就是水量控制的问题。

手工操作时，是靠人观察水量，水够了，就停止加水。

洗衣机是怎么控制的呢？

自动控制的洗衣机必需能感知水量的多少，这里引入一个新的名词——“水位检测”。

负责检测水位的传感器叫“水位计”，早期的洗衣机使用机械式水位计，现在大多使用鉴频式电子水位计，它与电控板中的电路组合起来，构成一个振荡器，洗衣机桶内水位高低不同，产生不同的压力，通过连接胶管，迫使水位计中的磁芯位置发生变化，因此水位计中的电感量就发生变化，导致振荡器的振荡频率随之改变，电控板的MCU检测到不同的频率，就可以判定目前水位是否满足要求，以确定是否要关闭进水阀。

4.浸泡——洗衣机根据操作者的选择和不同的洗涤程序，来确定是否需要浸泡，以及浸泡多长时间。

5.洗涤——洗衣机通过改变洗衣桶和水流的旋转方向来模拟手工搓洗。

顺时针旋转：

业内通称“正转”

逆时针旋转：

业内通称“反转”

6.排水——手工操作的第6、7步，在洗衣机自动运行时，其次序倒过来完成：

先将污水排除，业内通称“排水”。

通过排水电机将连接排水管的阀拉开，使污水排除机外。

（对于某些具上排水功能的机型，则是排水电机打开后，将污水泵出机外。

滚筒洗衣机就用上排水，波轮洗衣机也有某些型号是采用上排水的）

7.脱水——通过高速旋转，利用离心力，将水分从衣物中分离出来。

业内通称“脱水、甩干”。

整个脱水过程，排水电机保持开通状态。

使分离出的水分继续流出机外。

8.此后重复3——8步，循环遍数由程序确定。

直至衣物洗净。

从上面的描述中，我们已经知道，一台洗衣机要完成基本的洗涤功能，最起码要有以下几种部件：

进水阀、排水阀、能进行正、反两个方向旋转的电机，这就是《洗衣机控制器》需要控制的几个基本对象。

再加上水位计、还有为方便使用者而必需设置的人——机界面装置：

按键、显示等，这些就构成了《洗衣机控制器》的总体需求的概况。

下面就是金羚洗衣机厂的XQB60-768B《洗衣机控制器》的总框图，其中有些模块，前面尚未提及，后面我们将一一给以说明。

图1XQB60-768B《洗衣机控制器》总框图

《洗衣机控制器》的基本性能和基本参数是从用户提供的《技术协议书》中节录下来的：

3基本性能

3.1电源:

～220V±15%（187V～253V），50Hz/60Hz。

3.2工作温度:

0～50℃。

3.3可完成浸泡、洗衣、漂洗、脱水多种组合程序。

3.4具有模糊、标准、牛仔、快速、轻柔、迷你洗、毛毯和洁桶8种程序。

3.5具有10档水位。

3.6具有自动跳电功能。

3.7具有脱水不平衡处理功能。

3.8具有故障报警功能。

3.9具有无水检查功能。

3.10具有连续运转功能。

3.11时间误差在±1%或0.1秒以内。

3.12具有模糊功能。

4基本参数

4.1进水控制电流不小于0.5A（峰值电流3A以下）。

4.2电机正/反转控制电流不小于3A（峰值电流8A以下）。

4.3牵引器控制电流不小于1.5A（峰值电流3A以下）。

4.4程控器在小于253V～的电压下工作,变压器的温升应小于53K。

二．电源线路

电源线路为整个控制器提供直流工作电源。

进行电源线路设计时，首先要考虑的问题就是要满足控制器的所有电压和功率需求。

在尚未开始其它模块的工程设计以前，可以根据《技术协议书》或客户以其它方式提出的总体要求，对控制器需要的电源电压种类和功率需求作一个概略的估算，以作为电源线路设计的依据。

当然，先设计完其它电路，回过头来再设计电源线路，也是可以的。

现在的控制器（不限于洗衣机），通常都以+5V做主工作电源。

以XQB60-76XB系列的控制器为例，它有35个LED灯、一个两位的数码管、5个可控硅。

这些是+5V耗能的主要器件，但它们或是以扫描方式工作，或以分时方式工作，根据经验，它们可能同时工作需要的最大电流，加上控制器其它模块所需的+5V电流，应≤120mA。

另外有一个继电器，使用+12V电源，蜂鸣器也用+12V做电源，+12V电流需求约≤50mA。

根据估算，我们对这款机型所需的电源要求，就有了一个基本轮廓：

能提供2种电源：

+5V——150mA和+12V——60mA.，大家看到，这里电流值加大了，因为电源设计时，通常需要留出一些余量，以防出现某些异常状况时，电源模块不致轻易损坏。

以前洗衣机控制器的电源线路大多使用线性电源，即使用变压器作降压。

这种电源的优点是性能可靠，工作稳定，但缺点也很多，如体积较大，待机功耗太大，输入电压范围太窄等。

2008年12月18日，欧委会在其官方公报OJL339公布了委员会条例（EC）No1275/2008，就家用和办公用电子电气设备待机和关机模式电能消耗的生态设计要求，执行欧洲议会与理事会指令《2005/32/EC》，这标志着欧盟EuP指令的第一个实施措施正式出台。

该法规对家用和办公用电子电气设备待机和关机模式电能消耗的生态设计作了具体要求,

第一阶段：

实施措施生效1年后（即2010年-01-07）投入市场的产品，在关机模式或待机/重新启动模式下功耗不得超过1W，而具有显示功能的待机或重新启动模式功耗不得超过2W；

　　第二阶段：

在实施措施生效4年后（即2013年-01-07）投入市场的产品，关机模式或待机/重新启动模式功耗不得超过0.5W，而具有显示功能的产品待机或重新启动模式功耗不得超过1W。

这样对电源的设计要求就提高了，一般的线性电源很难达到这个要求。

所以本控制器采用了开关电源的设计，85-265V交流输入，1路+5V输出，1路+12V输出，

下面就是电源模块的电路图：

图2电源模块

电路采用隔离式结构，这种结构输入——输出之间交互影响较小，参见其它同类线路，大家可以看到，我们省掉了一个三端稳压器7805。

这既节省了成本，又简化了结构，方便PCB排版。

集成开关电源选用LNK364这种芯片：

使用外围元件较少，

输入电压适应范围宽：

～85V－265V

功率大，在开放式环境下可达6W

空载能耗低：

<300mW

内部振荡频率：

132K

以上特性完全能满足本控制器的要求。

D6、D7、D107需采用快速恢复二极管UF4007VR=700V，否则电路不能正常工作。

开关电源的工作原理，大家可参阅有关的工具书，这里不赘述。

我们的的采样点取自+5V支路，经光耦隔离反馈到LNK364，可以获得较稳定平滑的+5V输出。

C105、ZNR106是出于安规角度配置的，一方面平时可以滤除一些杂波，另一方面在雷击等意外事件引起电网供电产生突变时，对电路起到一定的防护作用。

R153是专为安规测试设置的，没有它，在打脉冲群时。

会烧毁LNK364和其它一些器件。

三，选择单片机

现在的嵌入式控制器，都是以单片机为核心，展开人——机间的对话、接收各种各样的信息——包括开关量的逻辑信号、各种传感器采集的模拟信号和以频率为主要特征的电子信号等等、根据检测结果，判定处理方式或流程走向，实行对各种机电部件的控制。

单片机既在功能上是控制器的最重要部件，在经济成本上也占有相当比重，所以对MCU的选择就成了设计过程中一件很重要的事。

选择单片机，需要考虑以下几个方面的因素：

1.理所当然，首先是功能上要满足总体方案的要求。

这可以分成几个更细的方面来考虑：

1.1I/O端口数。

根据总体要求，详细列出对I/O口的总需求量，包括输入和输出

1.2是否有模拟量的信息，以决定是否要求单片机具有A/D功能及相应端口数。

1.3一些特殊的计时、计数，事件捕捉等功能方面的要求

1.4内存容量。

各种控制器功能不同，程序大小就不同，存储空间需满足软件要求。

1.5某些控制器的特殊需要而产生的对单片机的其它要求，例如PWM等

1.6从研发的角度，最好选用flash的芯片。

2.价格因素。

家用电器市场，价格是个敏感因素，单片机费用在整个控制器中占有较大比重，成本控制就显得很重要。

3.品牌因素：

单片机的品质对整个控制器的质量起着决定性作用，选择那些经过市场考验、口碑好的单片机，对设计出的产品的质量，就有了基本保证。

也容易得到下游厂家的认可。

当然，为着成本等其它方面的考虑，常常需要试用一些以前了解不多的单片机，这就需要在样机试制阶段，制定一系列严格的试验措施，以验证它的品质，是否符合我们的要求。

其实，许多重要器件，都有类似的选型、试验问题。

4.货源问题。

尽量选用那些使用广泛的芯片，货源广，这样，将来投入生产后不容易在采购方面出现供货问题。

金羚的XQB60-768B计有：

·35只LED，一个两位的数码管，9个按键，用矩阵组合的方式构建电路，占用15个I/O口，

·最多达6只可控硅：

包括正反转、2个进水、2个排水。

·自动断电1Pin

·断电记忆2Pin

·音乐蜂鸣2Pin

·复位1Pin

·盖开关1Pin

·水位检测1Pin

·过零检测1Pin

·连开发机2Pin

·OSC2Pin

选用的单片机是Microchip的PIC16F727，

这款芯片有

35I/O口and1Input-onlyPin:

8-位14通道A/D转换

8KFlash内存

一个8位的计时、计数器Timer0:

一个加强型的Timer1:

还一个8位的Timer2:

能够完成XQB60-768B所需的功能。

四．复位电路

单片机的复位可以用多种方法来实现，

·最简单省钱的方法是用片内自带的复位功能。

·用一个RC电路来复位

·专门的复位功能芯片

·由一个三极管和一些阻容构成的单管电压鉴别复位电路。

XQB60-768B采用的就是此方法：

如图所示，我们的复位电路采用的是简单的单管电压鉴别电路，利用R105、R106分压，当分压点电压与电源电压的压差V分>Vebo三极管导通

V分

Vebo≈0.6V三极管阈值拐点

合理选取R106的值，使三极管进入饱和导通。

先要确定ib，ib=ic/β小功率管的β值在50～200之间，R107选用10K，

ic=（Vcc–Vcc0）/Rc=（4–0.3）/10K=3.7mA

设β=90，临界导通ib0=3.7/80=0.041mA

R106选用10K

当Vcc升到4V时，ib=（Vcc–Veb）/R106≈3.4mA，约8倍于ib0

五.按键、显示电路

前面提到过，XQB60-768B有：

35只LED，一个两位的数码管，9个按键，为了节省MCU的I/O端口，我们用矩阵组合的方式构建电路，LED部分分成4列，每列9只LED（富余一个位置，空闲），两位的数码管，每位占一列，这样共6列，9行，占用15个I/O口，程序控制用扫描方式依次打开每一列，与行控制配合，决定点亮哪些LED或数码管的相应段。

每列开通时间2mS，共6列，一个扫描周期是12mS。

按键不单独占用I/O口，与行选共用端口，当需要知道哪个按键是否动作时，程序将端口的设置从输出状态改为输入状态，即可读取按键信息。

参数选择：

列选用三极管控制，由于工作环境的电压低、电流小、频率低，所以对三极管的选择条件非常宽松，多种型号的小功率管都能适应，PNP、NPN均可，只是逻辑极性不同，这只需软、硬件协同好就行。

本机用8050NPN管，hFE>100，所以基极电阻用2.2K已足以使其进入饱和。

按照规格书，点亮LED的电流IF>20mA，但根据经验和实际测试效果，IF在7-8mA就完全能点亮LED，在满足亮度要求的前提下，限流电阻R142～R149可选为200——300Ω，

本机用220Ω。

R157、R158、R159、R160的作用是当列选三极管被关断时，为其发射极关联的电路提供一个电荷释放通道。

这些电阻在以往的设计里是没有的，那样，有的控制器在使用某些厂家的LED时，有可能出现LED不该亮时，而呈现微亮（或称暗亮）的现象。

R157～R160取值100K，对电路的正常显示工作无影响。

仅增加了4×0.05mA的负载。

按键与行选共用同一个I/O口，以SW1为例：

与LED1、LED10、LED19、LED28共用RD1口，其间用R126隔离，R126=10K，在显示状态下，因R126的存在，由于它远大于显示支路在RD1输出为“0”时的阻抗，所以不会妨碍显示；而在读键期间，按键的通断状态则可以通过R126送达RD1。

R180的作用是在按键不动作时，为端口提供一个高电平，以示按键未按下。

如果使用的是具有内部上拉的端口，此电阻可省略。

取值10K，起限流作用。

六．可控硅及其控制电路

洗衣机控制器的控制对象，主要是电机、进水阀、排水牵引器等机电部件，这些部件都在交流220V的市电下工作，需要通过大功率的电子开关来控制，洗衣机通常是使用可控硅来执行控制功能。

因MCU端口的输出能力有限。

不能直接驱动可控硅，这就需要在CPU与可控硅之间加上驱动电路。

我们选用的是功率驱动器件ULN2003，如上图所示，我们节选了一下，没画全，但主要的基本部件都有了。

由于需要控制的对象不一样，功率不同，选用的可控硅也就不同，电机控制：

电机的正常工作电流<2A（技术协议书标称3A），但冲击电流可达5-6A，所以选用8A的可控硅。

进水阀、排水牵引器的工作电流是mA级的，现在用4A的可控硅来控制。

选用的可控硅不同，它们需要的控制极电流IGT也不同，R156的取值也就要随之相应变化，对于SanRex的4A可控硅TMG4E80F，它要求IGT≥15mA，R=220Ω，对于SanRex的8A可控硅TMG8E80F，它要求IGT≥30mA，R=120Ω。

要特别注意的是，即使同样输出功率的可控硅，由于品牌不同、厂家不同，需要的IGT也可能是不同的。

上述的取值是针对三社的可控硅来选用的。

D105的作用，是防止正反转的输出控制电平同时出现低的情况，那样，会发生堵转，损坏电机和可控硅。

如果U102（ULN2003）-14（对应正转）输出为低电平，经D105反馈到U102（ULN2003）-4脚，迫使U102（ULN2003）-13（对应正转）为高，从电路逻辑上保证正反转的输出控制电平总是，一个高，一个低。

R113是限流电阻，限制流经D105的电流，保护2003和D105。

七水位检测电路

前面说过，自动控制的洗衣机必需能感知桶内水量的多少，这需要一个专门负责检测水位的传感器——“水位计”，早期的洗衣机使用机械式水位计，现在电脑控制的洗衣机，大多使用鉴频式电子水位计，电子水位检测电路就是为了适应这一需要而设计的。

电子水位检测电路如上图所示，这是配合最新的水位计的电路，水位计有2条引出线，稍早时候用的水位计有3条引出线，与之相适应的电路与上图略有区别，但基本工作原理是一样的，我们还是以上图为例来进行阐述，R122、R123、R157、U103E、U103F，与电子水位计内部的电感、电容共同组成一个振荡器，振荡波经U103D整形后送往CPU处理。

R124、C123是一个简单的RC滤波器，滤除高频杂波。

C123不要大于1N，否则正常的振荡波会受损，甚至完全被吃掉。

从机械结构上看，电子水位计内的电感中有一个磁柱，洗衣机桶内水位高低不同，产生不同的压力，通过连接胶管，迫使水位计中的磁芯位置发生变化，因此水位计中的电感量就发生变化，结果导致振荡器的振荡频率随之改变，电控板的MCU检测到不同的频率（所以称为鉴频式电子水位计），就可以判定目前水位是否满足要求，以确定是否要开/关进水阀。

八．音乐蜂鸣电路

音乐蜂鸣电路如上图所示。

它需要2个CPU端口来控制，与R133相连的端口输出频率，控制声音的高低——注意：

是高低（指频率），不是强弱（声音大小）——和持续时间。

这是音响的基本控制。

另一个与R127连接的端口，我们叫它电压控制，也参与声音持续时间的控制。

音乐蜂鸣电路的独特点，是作为电源控制的TR106除直接控制蜂鸣器的工作电源外，它的输出C极，还向C124充电，当TR106关断后，C124则通过蜂鸣器放电，这一放电过程，就形成了富有乐感的余音。

略去复杂的蜂鸣振荡计算，通过简单的时常数计算，可知余音时间约130mS左右。

与普通单音蜂鸣电路相比，音乐蜂鸣电路多用了2个三极管、一个电解电容、几个电阻，还要占用一个I/O口，换来的是较为悦耳的声音。

选用何种电路，需根据产品项目的需求来决策。

九．盖开关检测线路

洗衣机都有一个盖开关检测功能，线路很简单，如上图所示。

但对整机而言，却是一个不可或缺的功能，当盖未盖好时，某些程序功能是不能执行的，这是从安全角度考虑作出的规定，所以盖开关在业内也常常被称为安全开关。

盖开关本身就是一个简单的机械触点开关，线路只要将其通断状态，以高低电平的方式传递到MCUI/O端口，程序即能侦测到盖是否盖好。

值得一提的是，经验告诉我们，因为盖开关引线较长，容易引进干扰，所以隔离电阻R116取值较大，为20K，为了得到逻辑低电平，上拉电阻R117取值100K。

C110是滤波电容，取值100N。

盖开关是电平变化信号，RC值不妨大些，有利于抗干扰。

顺便提一下，滚筒洗衣机的安全开关是门锁开关，门锁受电控板控制，而门锁本身又节制各种机电负载的高压回路，所以其功能和线路形式都比上述波轮洗衣机的盖开关检测线路要复杂一些，这里不详述。

十．模糊测试电路

较高档些的洗衣机要求控制器能对衣物的重量和材质进行模糊判别。

模糊检测电路就是因应这一需求设计的。

如上图所示：

A、B两点分别接在控制电机正、反转的两个可控硅的输出点上，也即电机正、反转绕组的各一个端点。

当CPU断开正、反转可控硅后，电机因惯性还会旋转，根据桶内衣物量和材质的不同，惯性大小也不同，表现出来就是旋转的圈数不一样，这一信息通过A、B两点，经光耦隔离，再由TR104放大整形，被CPU读取，进行分析判定。

A、B两点间是高压，R190起限流作用，使光耦不至被烧坏。

D10则是当A、B间为负向波时对光耦起保护作用。

十一.EEPROM电路

有些机型的洗衣机配有EEPROM记忆模块，它是出于这样一些功能的要求而配备的：

一是断电记忆，需要在断电时，将当时的机器运行状态记录下来，即现场保护，当重新来电时能按规定恢复断电时的现场，使机器能接着被中断的程序继续运行下去。

另一个是模糊数据的初值记录，以供模糊处理时比较、判定使用。

记忆功能的实施，可以选用外挂的记忆芯片，如本机选用的AT24C01A；也可选用带EEPROM功能的单片机，那样对PCB布板、编程都会方便些，但单片机价格较高。