自动控制系统课程设计全自动洗衣机控制系统的设计
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- 1 - / 19 第1章 前 言
1.1 全自动洗衣机的发展背景
从古到今，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动，而在洗衣机出现以前，对于许多人而言，它并不像田园诗描绘的那样充满乐趣，手搓、棒击、冲刷、甩打……这些不断重复的简单的体力劳动，留给人的感受常常是：辛苦劳累。
1858年，汉密尔顿·史密斯制成了世界上第一台洗衣机。1874年,“手洗时代”受到了前所未有的挑战，美国人比尔·布莱克斯发明了世界上第一台人工搅动洗衣机。1911年美国人又研制了世界上第一台电动洗衣机。1920年美国的玛依塔格公司又把洗衣机的木制桶改为铝制桶体，第二年又把铝制桶体改为外层铸铝、内层为铜板的双层结构。1936年，他们又将搪瓷用于洗衣机桶体。与此同时，世界各地也相继出现了洗衣机。欧洲国家研究成功了喷流式洗衣机和滚筒式洗衣机。
1932年后，美国一家公司研制成功了第一台前装式滚筒全自动洗衣机，洗涤、漂洗和脱水都在同一个滚筒内自动完成，使洗衣机的发展跃上了一个新台阶。这种滚筒洗衣机，目前在欧洲、美洲等地得到了广泛的应用。
第二次世界大战结束后，洗衣机得到了迅速的发展，研制出具有独特风格的波轮式洗衣机。这种洗衣机由于其波轮安装在洗衣机桶底，又称涡卷式洗衣机。
1.2 全自动洗衣机的设计目的及意义
目前中国洗衣机市场正进入更新换代期，市场潜力巨大，人们对于洗衣机的要求也越来越高。这就要求设计者们有更高的专业和技术水平，能够提出更多好的建议和新的课题，将人们的需要变成现实，设计出更节能、功能更全面、更人性化的全自动洗衣机。目前的洗衣机都没有实现全方面的兼容，大多洗衣的厂家都注重各自品牌的洗衣机的特长，突出一两个与别的洗衣机不同的个性化的功能，洗衣机的各项功能是由单片机控制实现的，
- 2 - / 19 单片机的体积小，控制功能灵活，因此，设计出基于单片机的全自动洗衣机控制电路系统具有很强的实用性。
1.3 设计任务
（1） 将水位通过水位开关设在合适的位置（高、中、低），按下“启动“按钮，开始进水，达到设定的水位（高、中、低）后，停止进水；
（2） 进水停止2s 后开始洗衣；
（3） 洗衣时，正转20s，停2s，然后反转20s,停2s；
（4） 如此循环共5次，总共220s后开始排水，排空后脱水30s；
（5） 然后再进水，重复（1）～（4）步，如此循环共3次；
（6） 洗衣过程完成，报警3s并自动停机。
第2章 硬件设计
2.1 洗衣机控制器的外部设计
洗衣机控制面板主要包括：启动开关K0、拨码器（选择水位）。
完成洗衣一次洗衣所需要的过程包括：
(1)进水动作进行洗涤时，盛水桶内的水量必须达到水位设定要求。洗衣机的进水和水位判断，是由水位开关和 进 水阀的开合来进行控制的，当桶内没有水或水量达到设定水位时，单片机程序将控制进水阀闭合，开始注水，当桶内的水位达到设定水位时，水位开关受压闭合，程序就可进入下步。
(2)排水动作进入脱水动作前应先排水。为了避免空排水造成时间浪费以及排水不完而带水脱水造成对电机的损害。洗农机能够根据实际水量对排水时
间进动态控制。
(3)洗涤动作是电机周期性的“正转—停止—反转—停止”。不同的洗衣过程，控制电机执行“ 正转—停止—反转—停止”的时间是相同的。
2.2 硬件设计框图
针对上述，一方面涉及到硬件电路，另一方面要配合相应的软件，才能完成上述
- 3 - / 19 功能。下面为本设计的整机框图如下：
图2.2 整机设计框图
洗衣机控制系统是由AT89c51单片机控制，其主要控制的对象包括：进水阀、排水阀、电机及数码管显示。这些被控刘象是需要根据不同的洗衣程序来设定它们的不同工作状况和工作时间的，进水阀和排水阀的控制还需要水位检测，同时需要数码管显示洗衣的次第和每次洗衣电机正反转的次第及电机正反转所用的时间。发光二极管用来指示工作状态。
（1）直流电源电路这是为单片机及其外…控制电路提供晓以电压 直流电源的电路，它将输入的220v交流电经过变压、整流、滤波、稳压后，变为稳
定的低压直流电，送给单片机、可控硅触发电路、显示电路等。
（2）复位电路此电路的作用是复位。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。
（3）时钟 电路由晶振元件与单片机内部电路组成，产牛的振荡频率为单片机提供时钟信 号，供单片机信号定时和训时。
（4）按键输入电路按键开关按定的矩阵排列，当按键被按动时，其接通
的信号将输送到单片机。单片机对应地调出内部软件进行工作，使洗衣机进入
相应的洗涤程序。除了启动开关，水位开关有拨码器代替。
单
片
机
A
T
8
9
C
5
1
电机控制电路
进水阀控制电路
排水阀控制电路 时钟电路 数码管显示电路
按键控制及报警电路
复位电路
- 4 - / 19 （5）显示电路由发光一极管按一定的矩阵排列而成，它是程序控
制系统向用户直接观察到洗衣机的工作状态的窗口。预设工作程序时，可根据
指示灯的闪亮来判断洗衣机是否接受了指令；还可以通过批示灯的显示来判断洗衣机工作是否正常。
（6）负载驱动电路该电路多由双向可控硅及触发电路组成。双各可控硅作
为无触点开关控制电机等负载的通断及运行。单片机根据按键输入指令或接收
到的检测信号，输出相应的控制信号，控制可控硅触发电路的导通，使电机等
负载得电运转。
2.3 系统硬件电路
2.3.1 水位选择开关
本设计中水位高、中、低的选择是采用六路选择开关来选取的。仿真图中采用拨码开关选取。拨码器如下图：
图2.3.1.a 2位拨码开关 图2.3.1.b 2—4译码器
图2.3.1.c 水位选择控制电路 OFFON1243拨码器A2Y04B3Y15Y26E1Y3774LS139A2Y04B3Y15Y26E1Y3774LS139OFFON1243
- 5 - / 19 2.3.2 水位检测电路
图2.3.2 水位检测电路
Proteus中无法进行水位的检测，故采用软件延时控制实现。
2.3.3 进水（排水）和报警电路
图2.3.2.a 进水（排水）电路
图2.3.2.b 报警电路 P31进水或排水电路D6S5S6P3.1P34D9P3.4
- 6 - / 19 2.3.4 电机正反转电路
图2.3.3.a “H”桥式驱动电路
如上图，该电路是基PWM原理的“H”桥式驱动电路。单片机各引脚提供10mA左右的驱动力，可以作为“H”形驱动电路中各达林顿管的基极电流。“H”桥式驱动电路的4个达林顿管与单片机得4个I/O段口相连。4个二极管以对角组合分为两组；根据两个输入端的高、低电平决定达林顿管的导通和截止。4个二极管在电路中起防止达林顿管产生反向电压的保护作用。
当Q1和Q4导通，电流方向从左到右。则直流电动机正转；Q3和Q2导通时，电流方向从右向左，则直流电机反转。当Q1、Q2 、Q3及Q4均截止，无电流流过直流电动机，则直流电动机停机。
仿真图中采用继电器电路来简单控制电机的正反转。如下图所示：
图2.3.3.a 继电器电路
- 7 - / 19 2.3.5 单片机的复位与震荡电路
图2.3.4.a AT89C51单片机的震荡电路
图2.3.4.b AT89C51单片机的复位电路
图2.3.4.c BCD数码管
2.3.6 AT89C51单片机引脚及功能
(1) 信号引脚的功能介绍
① 输入/输出口线 BCD码数码管DBCA
- 8 - / 19 P0.0～P0.7 P0口的8位双向口线；
P1.0～P1.7 P1口的8位双向口线；
P2.0～P2.7 P2口的8位双向口线；
P3.0～P3.7 P3口的8位双向口线。
② ALE 地址锁存控制信号
在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送，此外由于ALE是以六分之一的晶振频率的固定频率输出正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。
③ PSEN 外部程序存储器选通信号
在读外部的ROM时PSEN有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。
④ EA访问程序存储器控制信号
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；而当EA信号为高电平的时候，则对于ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可以延续至外部程序存储器。
⑤ RST 复位信号
当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位操作。
⑥ XYAL1和XTAL2 外接晶体引线端
当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；但是当使用外部时钟脉冲信号。
⑦ VSS 地线
⑧ VCC +5V电源
以上就是80C51单片机芯片的40条引脚的定义及简单说明。
(2) 信号引脚的第二功能
由于工艺及标准化等原因，芯片的引脚数目是有限的，例如MCS-51系列芯片引脚数目40条，但单片机为实现其功能所需要的信号数目却远远超过此数，因此就出现了供需矛盾。
① EPROM存储器程序固化所需要的信号
- 9 - / 19 有内部EPROM的单片机芯片，如87C51，为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，它们是由信号引脚的第二功能的形式提供的，即：
编程脉冲： 30脚（ALE/PROG）
编程电源：（25V）31脚（EA/VPP）
② 备用电源的引入
MCS-51单片机的备用电源也是以信号引脚的第二功能方式由9脚（RST/VPD）引入的。当电源发生故障的时候，电源下降到下限值时，备用电源经此端向内部的RAM提供电压，以保护内部RAM信息不会丢失。
表2.4 P3口线的第二功能
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 0INT 外部中断0的申请
P3.3 1INT 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的写通道
P3.7 RD 外部RAM的读通道
(3) 最后，引脚的第一、第二功能是不会在用的时候混淆的，因为：
① 对于各种型号的芯片，所有管脚的第一功能信号是相同的，所不同的是引脚的第二功能信号上。
② 对于9、30和31各个引脚，由于第一功能信号与第二功能信号是单片机在不同的工作方式下的信号，因此不会发生使用上的矛盾。
③ P3口线的情况却有所不同，它的第二功能信号都是单片机上的重要控制信号，因此，在实际使用的时候，总是先按照需要优先选用它的第二功能，剩下不用的再考虑作为口线使用。
