洗衣機洗滌控制電路設(shè)計實例

洗衣機洗滌控制電路

設(shè)計實例11.1洗衣機洗滌控制電路的性能要求 11.2洗衣機洗滌控制電路的結(jié)構(gòu) 11.3洗衣機洗滌控制電路的算法狀態(tài)機圖描述11.4洗衣機洗滌控制電路的VHDL描述習題與思考題

11.1洗衣機洗滌控制電路的性能要求

1．強洗、標準、輕柔三種洗滌模式強洗周期水流控制：正向電機接通5秒后，停2秒；再反向電機接通5秒，停2秒；然后又正向電機接通5秒。如此循環(huán)控制電機，直到洗滌定時結(jié)束。標準洗周期水流控制：其過程與強洗周期水流控制相同，不同的是正向接通時間為3.5秒，停止時間為1.5秒，反向接通時間為3.5秒。輕柔洗周期水流控制：正向接通時間為2.5秒，停止時間為1.5秒，反向接通時間為2.5秒。

2．三種洗滌定時

洗衣機洗滌定時有三種選擇：5分鐘、10分鐘、15分鐘。

3．上電復位后的初始設(shè)定

初始設(shè)定為標準模式，定時時間為15分鐘。如需修改，可按模式選擇按鍵和定時選擇按鍵。每按一次按鍵轉(zhuǎn)換一次，可多次進行循環(huán)選擇。當某一次洗滌過程結(jié)束后，自動返回初始狀態(tài)，等待下一次洗滌過程開始。

4．啟/?？刂?/p>

洗滌過程由啟/停鍵控制。每按一次啟/停鍵，狀態(tài)轉(zhuǎn)換一次。

5．洗滌定時精度

洗滌定時誤差要求不大于0.1秒。

為簡化洗衣機洗滌控制電路設(shè)計，只要求輸出正向和反向的電機控制信號。

11.2洗衣機洗滌控制電路的結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述對洗衣機洗滌控制電路的性能要求，可以畫出如圖11-1所示的結(jié)構(gòu)框圖。該控制器由四大部分組成：主分頻器、主控制器、洗滌定時器和水流控制器。圖11-1洗衣機洗滌控制電路的結(jié)構(gòu)框圖

1．主分頻器

主分頻器用來產(chǎn)生0.1秒的時鐘供主控制器使用。本方案使用民用的石英晶體，其振蕩頻率為76.8?kHz。這樣，主分頻器的分頻系數(shù)為7680?，F(xiàn)采用3個分頻器構(gòu)成主分頻器的分頻電路，分別是256分頻器、10分頻器和3分頻器。主分頻器的結(jié)構(gòu)如圖11-2所示。

圖11-2主分頻器的結(jié)構(gòu)

2．主控制器

主控制器的輸入信號和輸出信號如圖11-1所示，分別敘述如下：

(1)輸入信號：

reset：上電復位；

start_stop：啟/停按鍵輸入；

mode_sel：洗滌模式選擇按鍵輸入；

系統(tǒng)時鐘輸入(sysclk)：76800Hz主時鐘；

timer_sel：洗滌時間選擇按鍵輸入；

timer_down：定時到輸入。

(2)輸出信號：

5min_out：5分鐘定時控制；

10min_out：10分鐘定時控制；

15min_out：15分鐘定時控制；

start_out：啟/停控制；

j_out：強水流控制；

b_out：標準水流控制；

z_out：輕柔水流控制。

主控制器的功能是根據(jù)各輸入按鍵的狀態(tài)，輸出對應的控制狀態(tài)信號，控制洗滌定時器和水流控制器的工作。

3．洗滌定時器

洗滌定時器的功能是根據(jù)主控制器送來的有關(guān)控制信號，實現(xiàn)5分鐘、10分鐘和15分鐘的洗滌時間控制。其輸入和輸出信號分別如下：

(1)輸入信號：

s5min_in；

s10min_in；

s15min_in；

start_in；

reset

；

sysclk。

(2)輸出信號：

timer_on_out：定時有效；

timer_down_out：定時到。

4．水流控制器

水流控制器的功能是根據(jù)主控制器輸出的強、標準、輕柔控制信號產(chǎn)生不同的水流控制周期，控制洗衣機電機的工作，其輸入和輸出信號分別如下：

(1)輸入信號：

j_in；

b_in；

z_in；

sysclk；

clk_01；

timer_down；

reset；

timer_on。

(2)輸出信號：

off_out：電機斷開控制信號輸出；

on_out：電機接通控制信號輸出。

11.3洗衣機洗滌控制電路的算法狀態(tài)機圖描述

如圖11-1所示，洗衣機洗滌控制電路主要是控制電路和計數(shù)電路，因此直接用算法狀態(tài)機圖描述比較方便。

1．主控制器的算法狀態(tài)機圖描述

根據(jù)主控制器的工作要求，洗衣機洗滌時的工作狀態(tài)共有以下9種：

標準——15分鐘；

標準——10分鐘；

標準——5分鐘；

輕柔——15分鐘；

輕柔——10分鐘；

輕柔——5分鐘；

強洗——15分鐘；

強洗——10分鐘；

強洗——5分鐘。

如果該主控制器用9個狀態(tài)的算法狀態(tài)機圖來描述，則其狀態(tài)轉(zhuǎn)換將會變得復雜而難以處理?？紤]到模式和定時選擇是相對獨立的，沒有很強的關(guān)聯(lián)性，因此，可以用3個算法狀態(tài)機圖來描述。

1)模式選擇控制狀態(tài)機圖

模式選擇控制狀態(tài)機圖如圖11-3(a)所示。

(a)模式選擇控制狀態(tài)機圖；(b)定時選擇控制狀態(tài)機圖圖11-3主控制器算法狀態(tài)機圖

復位后進入標準洗滌模式，并輸出set_b標準模式狀態(tài)信號。接著判斷定時結(jié)束timer_down是否有效。如果有效，則表明洗滌結(jié)束，set_b置“0”回到標準模式狀態(tài)；如果無效，則判別模式選擇按鍵是否按下。如果未按下，則仍處于標準狀態(tài)；如果已按下，則進入輕柔狀態(tài)。通過類似的操作和判別，該狀態(tài)機圖可在標準、輕柔、強洗三種模式下循環(huán)選擇和工作，并送出相應的狀態(tài)信號。

2)定時選擇控制狀態(tài)機圖

定時選擇控制狀態(tài)機圖如圖11-3(b)所示。其結(jié)構(gòu)與模式選擇控制狀態(tài)機圖一致，所不同的僅僅是狀態(tài)名、狀態(tài)輸出信號及引起狀態(tài)轉(zhuǎn)換的按鍵信號。圖中，3個狀態(tài)分別為s_5min、s_10min、s_15min；3個狀態(tài)輸出信號分別為set_5?min、set_10?min、set_15?min；按鍵輸入信號為timer_sel。

3)啟/?？刂扑惴顟B(tài)機圖描述

主控制器還要產(chǎn)生啟/停控制信號。啟/停控制算法狀態(tài)機圖如圖11-4所示。

圖11-4啟/?？刂扑惴顟B(tài)機圖

圖11-4中只有2種狀態(tài)：停止狀態(tài)和啟動狀態(tài)。系統(tǒng)復位時進入停止狀態(tài)s_stop，當start_stop按鍵按下時，狀態(tài)轉(zhuǎn)移至啟動狀態(tài)s_start，并送出啟動控制信號start(start?=?1)。再按一下start_stop鍵，狀態(tài)回到停止狀態(tài)，start控制信號置“0”，暫停洗滌工作。再按一次start_stop按鍵，系統(tǒng)又回到啟動狀態(tài)。這樣，根據(jù)需要可人為地暫停或啟動洗衣機工作。

2．洗滌定時器的算法狀態(tài)機圖描述

洗滌定時器的算法狀態(tài)機圖如圖11-5所示。

洗滌定時器有3種狀態(tài)：停止狀態(tài)(IDLE)、計時狀態(tài)(INCCOUNT)和暫停狀態(tài)(TMP_STOP)。

系統(tǒng)復位后就進入停止狀態(tài)(IDLE)。在停止狀態(tài)下不斷判別啟動信號start是否為“1”。如果為“1”，則表明啟動鍵已按下，定時器開始工作，timer_on標志置“1”，轉(zhuǎn)移的下一個狀態(tài)為計數(shù)狀態(tài)；否則仍留在停止狀態(tài)。

圖11-5洗滌定時器的算法狀態(tài)機圖

在計時狀態(tài)(INCCOUNT)下，先要判別啟動信號是否仍為“1”。前面已經(jīng)提到，啟/停按鍵是一個乒乓按鍵，按一次啟/停按鍵使start輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換一次。如果復位后按一下啟/停按鍵，使start?=

1，則定時器開始進行定時計數(shù)。如果再按一次啟/停按鍵，使start=0，則定時器處于暫時停止狀態(tài)，定時計數(shù)值將被保留。如果再按一次啟/停鍵，則洗滌定時器繼續(xù)啟動，在原有計時值上進行計時。如果在計時狀態(tài)下發(fā)現(xiàn)start?=

0，則定時器進入暫停狀態(tài)(TEMP_STOP)，同時timer_on置“0”，定時器停止計數(shù)。

在暫停狀態(tài)下，繼續(xù)判別start信號。如果start?=?0，則仍留在暫停狀態(tài)；如果start?=

1，則表明定時器再啟動，timer_on?=

1，狀態(tài)將轉(zhuǎn)移至計時狀態(tài)。

在計時狀態(tài)下，如果start

=

1，接著判別分時鐘s1min上升沿是否到來。如果未到來，則仍停留在計時狀態(tài)；若分時鐘的上升沿已到來，則分計數(shù)器就進行加1操作。接著判斷是否到了指定的定時計時值(定時計數(shù)值只有3種：5分鐘、10分鐘和15分鐘)。如果未到計時值，則仍停留在計時狀態(tài)；如果到了計時值，則停止計時，timer_on?=

0，timer_down?=

1，count?=

0000，start?=

0，狀態(tài)轉(zhuǎn)移至停止狀態(tài)。

3．水流控制器的算法狀態(tài)機圖描述

水流控制器的算法狀態(tài)機圖如圖11-6所示。

該狀態(tài)機圖有3種狀態(tài)：停止狀態(tài)(STOP)、電機接通定時計數(shù)狀態(tài)(ON_TIME)和電機斷開定時計數(shù)狀態(tài)(OFF_TIME)。

圖11-6水流控制器的算法狀態(tài)機圖

系統(tǒng)復位后進入停止狀態(tài)，接著判斷洗滌定時器是否啟動(timer_on

=

1)。如果未啟動，則仍停留在停止狀態(tài)；如果已啟動，則判別當前電機是處在接通定時計數(shù)狀態(tài)，還是處在斷開定時計數(shù)狀態(tài)。根據(jù)設(shè)置不同，轉(zhuǎn)入相應的狀態(tài)：ON_TIME或OFF_TIME。

在ON_TIME狀態(tài)下，判別timer_on是否繼續(xù)為“1”(因為洗滌過程有可能暫停)。如果為“1”，再判別0.1秒時鐘clk_01的上升沿是否到來。如果未到來，則停留在ON_TIME狀態(tài)；如果已到來，則電機接通定時計數(shù)器加1(on_count?=?on_count+1)。下面判別定時計數(shù)值是否到規(guī)定時間值：

強洗：on_count_u=5秒

標準洗：on_count_u=3.5秒

輕柔洗：on_count_u=2.5秒

在未到規(guī)定計數(shù)值時，返回ON_TIME狀態(tài)繼續(xù)進行定時計數(shù)；當計數(shù)到規(guī)定的定時值時，就使cnton_inc、clron、cntoff_inc、set_off置“1”，接著狀態(tài)轉(zhuǎn)移至電機斷開定時計數(shù)狀態(tài)OFF_TIME。

在ON_TIME狀態(tài)下，如果發(fā)現(xiàn)timer_on為“0”，表明洗滌定時過程結(jié)束，對水流控制器進行初始化，然后進入停止狀態(tài)。

電機斷開的定時計數(shù)狀態(tài)的工作過程與電機接通的定時計數(shù)狀態(tài)的工作過程類同，請讀者自行分析。

下面對標志量的含義作一說明：

set_on='1' →on_out='1'

；

clron='1'→on_out='0'；

set_off='1' →off_out='1'；

cnton_inc='1' →count_on+1；

cntoff_inc='1'→count_off+1；

如果上述這些標志量是'1'，就會發(fā)生后面所示的操作。設(shè)置標志量的目的是為了編程方便，使控制操作集中在一個進程中，以避免VHDL中的“多源”描述的出現(xiàn)，這一點在后面程序中就可以看到。

11.4洗衣機洗滌控制電路的VHDL描述

洗衣機洗滌控制電路由5個模塊組成：主分頻器timectr_clkdiv、定時器timer_count、定時器控制timer_ctr、水流周期控制timeronoff_ctr及洗滌定時控制電路timer_sum模塊。

1．主分頻器timectr_clkdiv模塊

主分頻器的功能是將76

800

Hz的主頻分頻為10?Hz的時鐘。該模塊由3個進程組成，其VHDL描述的程序清單如下：

div_10進程為10分頻進程，div_256進程為256分頻進程，div_3進程為3分頻進程。76800Hz主頻經(jīng)該3個進程串行分頻就得到10Hz的時鐘clk_01。

2．定時器控制timer_ctr模塊

如前所述，定時器控制timer_ctr模塊的功能是根據(jù)啟/停按鍵(start_stop)、模式選擇按鍵(mode_sel)和定時選擇按鍵(timer_sel)的不同輸入狀態(tài)，產(chǎn)生對應的控制信號輸出，其VHDL描述的程序清單如下：

該模塊由4個進程組成。mode_ctr進程是模式選擇控制進程，對應圖11-3(a)所示的模式選擇控制狀態(tài)機圖；timer_ctr進程是定時選擇控制進程，對應圖11-3(b)所示的定時選擇控制狀態(tài)機圖；start_ctr進程是啟/?？刂七M程，對應圖11-4所示的啟/停控制算法狀態(tài)機圖；最后一個進程是timer_ctr_update進程，它的功能是根據(jù)上述3個進程中不同的控制標志輸出，在該進程中對輸出控制信號進行刷新，其刷新頻率為系統(tǒng)主時鐘頻率(76800Hz)，這樣就可確?？刂频木?。

3．定時器timer_count模塊

定時器timer_count模塊的功能是根據(jù)定時控制輸出，對洗衣機的洗滌時間進行定時控制。它由3個進程構(gòu)成，其VHDL描述的程序清單如下：

count_ctr進程是定時計時進程，根據(jù)定時選擇所確定的定時時間進行計時控制，它對應圖11-5所示的洗滌定時器的算法狀態(tài)機圖。update進程是一個刷新進程，它根據(jù)count_ctr進程的輸出控制標志，對輸出控制信號進行刷新。INIT進程是對本次定時器賦初值的進程。定時器根據(jù)所賦初值的時間，實現(xiàn)洗滌時間的控制。

在timer_count清單中還含有10分頻器和60分頻器元件，這主要是為了在本模塊中得到分時鐘