基于51單片機的全自動洗衣機控制系統(tǒng)設計[精選]

1、基于51單片機的全自動洗衣機控制系統(tǒng)設計王聰1 引言全自動洗衣機作為家用電器，已經(jīng)走入了千家萬戶的生活中，成為了我們生活的必需品。目前中國的洗衣機市場需求特別大而且潛力巨大，人們對洗衣機的要求也越來越高。目前洗衣機的功能很多，但是并不能完全滿足人們的需求，這就要求設計者們在進行設計以及改進是更加貼近生活，符合民意，將人們的需求變?yōu)樵O計的根本，創(chuàng)造出更節(jié)能、更安全、更干凈舒適的全自動洗衣機。目前的洗衣機市場競爭壓力大，各個廠商在設計和制造時往往只能單一提現(xiàn)洗衣機的幾個功能，體現(xiàn)出自己的個性化而并不能全面兼?zhèn)?。這就給我們帶來了生活上的不便，我們需要更加智能而且全面的洗衣機。所以，本論文就全自動洗衣

2、機的選擇與性能設計進行討論與設計。此次設計需要解決的問題有：如何選擇本次設計的全自動洗衣機類型；分析此類全自動洗衣機的優(yōu)缺點，提出課題設計方案方向；就全自動洗衣機的安全性與清潔性進行設想與設計；單片機與傳感器的選擇、安置以及各自實現(xiàn)的功能；電路及控制系統(tǒng)的設計。提出及意義本次所選擇的題目為基于單片機的全自動洗衣機的控制系統(tǒng)的設計。在我們?nèi)粘Ｉ钪?，全自動洗衣機主要可以分為波輪式洗衣機和滾筒式洗衣機。在選擇洗衣機的類型之前，要對兩種洗衣機的應用范圍、工作方式、內(nèi)部結(jié)構進行了解調(diào)查。通過走訪鄰里和網(wǎng)上調(diào)查，了解相對小樣本下兩種洗衣機的使用情況以及在使用過程中出現(xiàn)的一系列問題，根據(jù)使用數(shù)量的多少和出

3、現(xiàn)問題的程度，選擇使用量和出現(xiàn)問題較多的洗衣機。選題人自行調(diào)查兩種洗衣機的工作方式、工作流程、工作原理以及軟硬件的構成，自行觀察兩種洗衣機的實際運行過程以及運行結(jié)束后水、衣服的清潔程度。通過對比兩種洗衣機的運行過程以及運行模式，選擇洗衣較為干凈，運行更接近于手洗模式的洗衣機，選定為我們此次研究對象。通過選題人的對比和觀察，此次研究對象選擇為滾筒式全自動洗衣機。本課題針對于當下全自動洗衣機的研究現(xiàn)狀以及能夠?qū)崿F(xiàn)的功能，結(jié)合自身的生活需求和常見問題，能夠做出基本滿足本課題選擇的滾筒式全自動洗衣機的控制系統(tǒng)設計。 在以前的生活中，人們只能通過不斷重復的手動操作來洗衣服，整個過程十分勞累而且時間很長。

4、后來，人們發(fā)明了洗衣機來大題手工洗衣，洗衣機也經(jīng)歷了越來越智能的蛻變。隨著洗衣機越來越智能化，也越來越解放人們的雙手和生活，可以說，洗衣機的一代代進步，改變了人們的生活方式。進入21世紀以來，各大廠商研制出了各類智能全自動洗衣機，可以根據(jù)不同的洗衣情況，以及不同的水溫、水位，從而選擇出最佳的洗滌程序。此外，現(xiàn)代的全自動洗衣機還被研發(fā)出了更加接近人類手洗程度的功能，或者是更加貼近人們生活的智能洗滌程序，而這些功能都可以通過一個小小的按鍵來實現(xiàn)操作。另外還有專門針對嬰兒、婦女等特殊群體的洗衣機，以及定位不同檔次的洗衣機。隨著現(xiàn)在智能家居的概念普及開來，很多廠商在研發(fā)產(chǎn)品的時候都著力于更加智能化，力

5、求通過自己的產(chǎn)品為人們帶來“智慧”的洗衣體驗?，F(xiàn)代的全自動洗衣機大致可以分為以下幾種： 按自動化程度分為：（1）普通型洗衣機： 各功能的轉(zhuǎn)換都需要手動操作；（2）半自動型洗衣機：在使用過程中，任意兩個功能能夠?qū)崿F(xiàn)自動轉(zhuǎn)換；（3）全自動型洗衣機：各功能間的轉(zhuǎn)換全部自動完成。 按結(jié)構原理分類來分為：（1）波輪式洗衣機：通過波輪旋轉(zhuǎn)，洗滌液在波輪帶動衣物旋轉(zhuǎn)翻動的同時清洗衣物；（2）滾筒式洗衣機：具有套筒裝置，滾筒繞軸心旋轉(zhuǎn)并帶動衣物翻滾，模擬手洗時的重復摔打過程，洗滌液在摔打過程中進入衣物從而進行清洗；（3）攪拌式洗衣機：采用立式洗衣桶，在桶的中央置有一根裝有攪拌槳的垂直立軸。軸在旋轉(zhuǎn)時就愛那個洗

6、滌液攪拌進入衣物，實現(xiàn)清洗功能；（4）噴流式洗衣機：在立桶的側(cè)壁裝有波輪。電動機起動帶動側(cè)壁波輪旋轉(zhuǎn)，利用具有清理沖擊力的水流將衣物在洗滌液中甩打、拋擲、揉搓、沖刷，實現(xiàn)清洗功能。1.主要內(nèi)容：設計一個用單片機控制的洗衣機控制器。以單片機為核心，擴展必要的外圍電路，設計一個洗衣機的控制器。2.主要功能:（1）標準洗滌：洗滌十二分鐘；漂洗六分鐘，三次，脫水三分鐘。（在此次設計中為了便于觀察結(jié)果，時間有所調(diào)整）（2）有啟動暫停按鈕控制：按菜單鍵，再按菜單選擇鍵，選擇所需要的功能，工作時，按停止鍵停止。（3）具備進水與脫水功能。（4）具備指示功能：進水時進水指示燈亮；洗滌時洗滌指示燈亮；排水時排水指

7、示燈亮；漂洗時漂洗指示燈亮；脫水時脫水指示燈亮。2 課題總體方案的設計2.1 洗衣機類型的選擇 本課題選取了兩種市面上主流的全自動洗衣機作為選擇對象進行對比選擇，分別是波輪式洗衣機和滾筒式洗衣機。在課題開始前，我們將這兩種洗衣機的性能和問題進行了詳細的對比。 2.1.1 波輪式洗衣機 波輪洗衣機在立桶的底部安裝有一個圓形的波輪，上面有突出的立棱。在洗衣機啟動后，電機帶動波輪的旋轉(zhuǎn)，通過電機的正反轉(zhuǎn)，桶內(nèi)形成同向旋轉(zhuǎn)的漩渦，衣物在桶內(nèi)的水中進行摩擦，在洗滌劑的作用下實現(xiàn)去污清洗。 波輪式洗衣機的特點： 1、波輪轉(zhuǎn)動帶動的水流對衣物的損傷較??；2、利用單片機進行控制，簡單易操作；3、內(nèi)桶材質(zhì)為不銹

8、鋼； 4、洗衣使用同心洗功能； 5、如果型號為變頻波輪式洗衣機，就可以對針對不同衣質(zhì)的衣物選擇不同的電機轉(zhuǎn)速，從而選擇出最佳的洗滌條件，既能保證洗凈衣物，又能最大程度的降低對衣物的磨損。優(yōu)點：單片機控制省時省力，洗衣速度較快；缺點：相比較其他類型的洗衣機耗電、耗水，衣服容易出現(xiàn)纏繞，打結(jié)的情況。2.1.2 滾筒式洗衣機 滾筒洗衣機和波輪洗衣機一樣具有不銹鋼內(nèi)桶結(jié)構，普遍也通過單片機進行控制，具有質(zhì)地較好的外殼和內(nèi)置平衡裝置一同來平衡滾筒旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的巨大離心力，重復的洗衣運動加上洗滌液和水進行共同作用使衣物洗滌干凈。 滾筒式洗衣機具有如下性能： 1、水溫的平衡可以更好地軟化衣物纖維，減小洗滌過程

9、中衣物的損傷和變形程度，并且還可以使洗后的衣物柔軟而蓬松；2、洗滌過程中加熱的水溫可充分溶解洗滌液，加快洗滌液中弱酸性物質(zhì)與污物的化學反應速度，提高洗衣粉中酶的活性；3、溫度高有利于污物在水中的擴散；4、高溫能有效的殺死一些細菌。優(yōu)點：單片機的控制可以使得所有程序自行運轉(zhuǎn)、衣物無纏繞，是最大程度地減小損耗衣物的洗衣方式。缺點：洗衣時間普遍較長。滾筒洗衣機在運行洗衣程序時機蓋無法打開，添加衣物不方便。 2.1.3 選取標準1、從洗衣時間來看：波輪時間更短；2、從省水省電來看：波輪耗水滾筒耗電；3、從衣物的磨損度來看，滾筒洗衣機模擬手搓，洗凈度均勻、磨損率低，衣服不易纏繞；。 綜合以上的對比，滾筒

10、洗衣機更能模擬人的手洗過程，更符合人們的生活需求，性能方面更加全面只能。本次課題選取滾筒全自動洗衣機進行性能設計。 洗衣機的設計方案 1. 按鍵功能。洗衣機面板上有4個按鈕k1、k2、k3、k4。k1為菜單鍵，在按k4鍵時，需先按下k1鍵，防止誤操作。k2為開始鍵，用于啟動洗衣機。k3用于停止。k4為菜單選擇鍵，用于選擇用戶所需的功能。 2. 洗衣功能。通電后，若不選擇洗衣周期，則洗衣機從洗滌過程開始。進入洗滌過程，首先進水，進水指示燈亮，開始向洗衣機供水，當?shù)竭_要求時間時，停止進水；電機m接通，帶動波輪旋轉(zhuǎn)，形成洗衣水流。電機m是一個正反轉(zhuǎn)電機，可以形成往返水流，有利于洗滌衣物。 3. 漂洗

11、功能。漂洗過程與洗滌過程操作相同，只是時間短一些。 4. 脫水功能。洗滌或漂洗過程結(jié)束后，電機m停止轉(zhuǎn)動，開始排水。排水完畢，電機開始正轉(zhuǎn)，帶動內(nèi)桶高速旋轉(zhuǎn)，甩干衣物。 5. 報警與指示功能。在運行相應的程序時相應的指示燈會亮起，并在結(jié)束運行程序時采用蜂鳴器報警。2.3 設計方案的總體結(jié)構 本系統(tǒng)實現(xiàn)了對洗衣機整個洗衣過程的控制，包括按鍵的輸入、進水、洗滌、漂洗、排水和脫水等階段。利用電源電路供給電源，單片機控制系統(tǒng)控制洗衣機的運轉(zhuǎn)過程，主要由at89c51單片機、2位共陽數(shù)碼管、按鍵、蜂鳴器、led指示燈組成。如圖1為設計總方框圖：3 洗衣機硬件部分設計在本次課題的設計中，主要的涉及的內(nèi)容是

12、單片機，我們需要用單片機和控制電路一起運行來控制我們所設計的洗衣機。當洗衣機發(fā)生損壞或出現(xiàn)故障的時候，如果不是外部機械系統(tǒng)的問題，就要從我們所設計的單片機控制系統(tǒng)和與其一起運行的控制電路入手檢查。洗衣機內(nèi)的單片機根據(jù)按鍵系統(tǒng)接受到的操作面板的動作指令，給其他元器件發(fā)出執(zhí)行命令，使得電動機、進水閥、排水閥等通電運行；同時，單片機微控器還要監(jiān)測洗衣機的各部件的工作狀態(tài)，判定工作正常與否，一旦有異常，就立刻送出停止的命令。這些功能都是由電單片機微控器配合各種電路控制來實現(xiàn)。本次課題選擇的是at89c51單片機。at89c51是一種低耗能、高性能8位微控制器字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程快閃記憶體，具有8位微控制

13、器字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程快閃記憶體，該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。at89c51單片機具有如下功能：8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中，是一種高效微控制器，32 位的i/o 端口線。at89c單片機 為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。引腳圖如圖2所示：3.2 電源電路設計生活用電為220v，變壓器t經(jīng)過變壓后形成12v交流電，再通過4只二極管全橋整流，電容c4、c6濾波后得到直流電壓，經(jīng)過三端穩(wěn)壓管穩(wěn)壓得到穩(wěn)定的+5v電壓給各器件供電。電源電路如圖3所示：3.3 電機控制電路設計電機控制電路如圖4所示，其中

14、包括步進電機驅(qū)動芯片l298。l298是雙全橋步進電機專用驅(qū)動芯片，內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相步進電機的專用驅(qū)動器，可同時驅(qū)動兩個二相和一個四相步進電機，內(nèi)含兩個h-bridge的高電壓、低電流雙全橋式驅(qū)動器，接受標準ttl邏輯準位信號可驅(qū)動46v、2a以下的步進電機，且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓，此芯片可直接由單片機的io端口來提供模擬時序信號3.4 蜂鳴器報警電路設計在洗衣機運行結(jié)束后，蜂鳴器會發(fā)出警報提示用戶洗衣程序的結(jié)束。蜂鳴器與單片機的p0.7口相連，當p0.7口為低電平時蜂鳴器報警，用三極管驅(qū)動蜂鳴器。蜂鳴器報警電路如圖5所示： 顯示模塊由數(shù)碼管構成。在本次設

15、計中，我們采用兩位共陽數(shù)碼管來顯示洗衣機在運行相應程序的時候倒計時的時間。兩位數(shù)碼管分別與單片機的p2口以及p1.2、p1.3口連接，其中，p1.2和p1.3口控制數(shù)碼管的位碼，p2口控制數(shù)碼管的段碼。顯示電路仿真圖以及相應段碼連接電路圖如圖6所示：本次設計分別用k1、k2、k3、k4四個按鍵分別控制洗衣機的菜單，啟動，停止，和功能選擇，分別為：k1菜單鍵、k2開始鍵、k3停止鍵、k4菜單選擇鍵，分別于單片機的p3.4、p3.5、p3.6、p3.7相連。如圖7所示：指示電路由6個發(fā)光二極管組成，分別指示洗衣機的進水、洗滌、漂洗、脫水、排水、結(jié)束，分別接單片機的p0.0、p0.1、p0.2、p0

16、.3、p0.4、p0.5口，當對應口為低電平時，相應指示燈亮，指示洗衣機現(xiàn)在的工作狀態(tài)。指示電路如圖8所示：3.8 進排水電路設計 洗衣機的進排水過程由單獨的進排水繼電器進行控制。繼電器控制著進排水電磁閥，進排水電路如圖9所示：3.9 復位、時鐘電路設計在本次設計中采用了復位電路中的自動復位電路。其工作原理是：上電瞬間，電容充電，rst端的電容與vcc相同，隨著電容的充電，+5v的電壓加到rst端，高電平使單片機復位。時鐘電路由晶振和和單片機內(nèi)部電路組成，將晶振跨接到xtal1和xtal2之間。一般單片機采用的晶振頻率為11.0592mhz。單片機的復位時鐘電路如圖如圖10所示：4 洗衣機系統(tǒng)

17、軟件設計主程序設計主程序流程圖：標準的洗衣程序是默認的洗衣過程，當用戶按下啟動鍵以后，若無其他選擇，則進行默認的洗衣程序。如圖12為標準洗衣程序流程圖：洗衣開始電 機 運 轉(zhuǎn)進水洗滌結(jié)束？漂洗開始漂洗三次結(jié)束？脫水開始電機運轉(zhuǎn)電機正轉(zhuǎn)脫水結(jié)束？蜂鳴器報警洗衣結(jié)束ynnyny圖12 標準洗衣程序流程圖4.3 洗滌程序流程圖洗衣機在進水結(jié)束后就進入洗滌程序。在洗衣機的運行過程中，洗滌程序是主要的一環(huán)，是我們使用洗衣機的基本功能。洗滌程序開始后，電動機執(zhí)行“正轉(zhuǎn)-停止-反轉(zhuǎn)”的循環(huán)程序，直至洗滌程序結(jié)束進入下一個程序。如圖13為洗滌程序流程圖：洗衣開始電機正轉(zhuǎn)電機反轉(zhuǎn)電機停止剩余時間=0？進入漂洗y

18、n電機停止圖13 洗滌程序流程圖4.4 漂洗程序流程圖開始漂洗指示燈亮第一次漂洗第二次漂洗第三次漂洗洗滌完成漂洗指示燈滅漂洗結(jié)束進入脫水ny漂洗是一個與洗滌過程有相同操作的洗衣方式，洗衣時間較短，次數(shù)為三次。如圖14為漂洗程序流程圖:圖14 漂洗程序流程圖4.5 脫水程序流程圖y開始脫水開電機脫水脫水結(jié)束關電機開蜂鳴器洗衣結(jié)束n在洗衣機排水結(jié)束以后,就將進入脫水過程。脫水主要分間隙脫水和長脫水兩種。首先進行的是間隙脫水。此在間隙脫水過程中電機按照“正轉(zhuǎn)一?！钡闹芷谶M行循環(huán)動作。長脫水過程則在間隙脫水過程結(jié)束之后運行，用戶可以選擇脫水的時間，在運行過程中電機將一直保持高速正轉(zhuǎn)。脫水結(jié)束后，蜂鳴器

19、會報警提醒用戶脫水結(jié)束。如圖15為脫水程序流程：圖15 脫水程序流程圖5 系統(tǒng)的安裝與調(diào)試根據(jù)繪制好的電路圖，按照上面所需元件買回并且檢查好元件的好壞，分別檢測元件是否能夠正常使用。檢測完以后按照原理圖一一核對檢查是否一致，方可進行焊接。2.放置、焊接各元件按照繪制好的電路圖放置各個元件，在放置過程中，先選擇操作程度較低的元件進行焊接，然后操作要求較高的元件，特別注意那些成本高切操作過程中容易損壞的元件要最后焊接。軟件調(diào)試與設計本身選擇的調(diào)試軟件和前期的程序設計過程有關。如果采用的是模塊化程序的開發(fā)技術，那么在調(diào)試好各個模塊以后，才能再進行系統(tǒng)程序的總調(diào)試。調(diào)試子程序時，要符合入口條件和出口狀

20、態(tài)，即一定要求符合現(xiàn)場環(huán)境。調(diào)試的手段一般情況下分為單步運行方式以及斷點運行方式，通過在調(diào)試過程中檢查用戶系統(tǒng)cpu的現(xiàn)場、ram的內(nèi)容和i/o口的狀態(tài)，顯示程序執(zhí)行結(jié)果，檢測出不符合設計需求的程序。通過檢測，可以發(fā)現(xiàn)程序中存在的的死循環(huán)錯誤、機器碼錯誤及轉(zhuǎn)換地址錯誤，同時也可以發(fā)現(xiàn)用戶系統(tǒng)中的硬件故障、軟件算法及硬件設計錯誤。在調(diào)試過程中根據(jù)調(diào)試結(jié)果一步步調(diào)整用戶系統(tǒng)的軟件和硬件。在調(diào)試好各個程序模塊以后，就可以進入相關的功能模塊聯(lián)合起來從而進行整體綜合調(diào)試的步驟。存儲這個階段若發(fā)生錯誤，可以考慮各子程序存儲運行時是否存破壞現(xiàn)場，緩沖區(qū)數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化，標志位的建立和清除是否影響其它標志位的

21、變化，堆棧區(qū)的深度是否不夠，輸入設備的狀態(tài)是否正常等。此次設計選擇的是proteus軟件進行仿真調(diào)試。 proteus軟件是由英國lab center electronics公司開發(fā)并推廣的eda工具軟件。該仿真軟件不但能夠?qū)da工具軟件進行仿真，而且還能夠?qū)纹瑱C及其外圍元器件進行仿真演示。深受廣大單片機愛好者的喜愛。從最根本的原理圖布圖，到接下來的程序調(diào)試，再到到單片機與外圍電路仿真。proteus軟件具有其它eda工具軟件例如multisim的功能。這些功能分別是：原理布圖；pcb自動或人工布線；spice電路仿真。革命性的特點：互動的電路仿真，例如：鍵盤，馬達，led。仿真處理器及其

22、外圍電路。可以對51系列、avr型等市場上常用主流單片機進行仿真測試。還可以配合使用其他顯示器件及輸出設備，能大致看到運行后輸入和輸出的顯示效果。我們采用proteus軟件進行電路的調(diào)試。在進入軟件后，根據(jù)我們的需要在軟件界面挑選出各個器件。在進行硬件調(diào)試前需要先進行靜態(tài)調(diào)試。在調(diào)試過程中，需要在通電前根據(jù)原理圖用萬用表等檢測工具檢測電路是否可以正常運行，并核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否正確。檢測完畢后，需要借助仿真器進行聯(lián)機調(diào)試，分別測試擴展的ram、i/o口、i/o設備、程序存儲器以及晶振和復位電路是否存在錯誤，并根據(jù)檢測結(jié)果進行改正。第一步：核對好相應元器件的型號、規(guī)格，在確定符合要求

23、后，在沒有通電的情況下用萬用表檢查線路的正確性。特別注意電源的正負極以及電源之間是否有短路并檢查地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線是否存在相互間的短路或其它信號線的短路。由于本系統(tǒng)的開發(fā)是基于曾經(jīng)用過的單片機，所以此步驟不會發(fā)生故障。 第二步：通電后檢查單片機i/o的電位，測量各點電位是否正常。尤其是應注意單片機輸出口的各點電位。若有高壓將有可能損壞外部仿真電路，同樣如果電壓過低就沒有能力驅(qū)動負載。第三步：將單片機信號輸出接口與外部仿真電路接口連接起來，為軟件調(diào)試做好準備。在硬件的調(diào)試過程中常見的硬件故障有：元器件失效：元器件失效的原因包括兩個方面，一方面是期間本身在使用過程中因操作不當造成了損壞，另一方面是在購買其間的時候沒有仔細檢查，購買之處已經(jīng)損壞。我們在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)小電機在安裝過程中出現(xiàn)了損壞?？煽啃圆睿阂鹣到y(tǒng)不可靠的因素很多，如金屬化孔、接插件接觸不良會造成系統(tǒng)時好時壞，經(jīng)不起振動；內(nèi)部和外部的干擾、電源紋波系統(tǒng)過人、器件負載過大或熱穩(wěn)定性差等造成邏輯電平不穩(wěn)定；另外，走線和布局