基于51单片机的全自动洗衣机控制系统设计机械自动化专业.docx

基于51单片机的全自动洗衣机控制系统设计 王聪 1 引言 全自动洗衣机作为家用电器，已经走入了千家万户的生活中，成为了我们生活的必需品。目前中国的洗衣机市场需求特别大而且潜力巨大，人们对洗衣机的要求也越来越高。目前洗衣机的功能很多，但是并不能完全满足人们的需求，这就要求设计者们在进行设计以及改进是更加贴近生活，符合民意，将人们的需求变为设计的根本，创造出更节能、更安全、更干净舒适的全自动洗衣机。 目前的洗衣机市场竞争压力大，各个厂商在设计和制造时往往只能单一提现洗衣机的几个功能，体现出自己的个性化而并不能全面兼备。这就给我们带来了生活上的不便，我们需要更加智能而且全面的洗衣机。所以，本论文就全自动洗衣机的选择与性能设计进行讨论与设计。此次设计需要解决的问题有：如何选择本次设计的全自动洗衣机类型；分析此类全自动洗衣机的优缺点，提出课题设计方案方向；就全自动洗衣机的安全性与清洁性进行设想与设计；单片机与传感器的选择、安置以及各自实现的功能；电路及控制系统的设计。 1.1课题的提出及意义 本次所选择的题目为基于单片机的全自动洗衣机的控制系统的设计。在我们日常生活中，全自动洗衣机主要可以分为波轮式洗衣机和滚筒式洗衣机。在选择洗衣机的类型之前，要对两种洗衣机的应用范围、工作方式、内部结构进行了解调查。通过走访邻里和网上调查，了解相对小样本下两种洗衣机的使用情况以及在使用过程中出现的一系列问题，根据使用数量的多少和出现问题的程度，选择使用量和出现问题较多的洗衣机。选题人自行调查两种洗衣机的工作方式、工作流程、工作原理以及软硬件的构成，自行观察两种洗衣机的实际运行过程以及运行结束后水、衣服的清洁程度。通过对比两种洗衣机的运行过程以及运行模式，选择洗衣较为干净，运行更接近于手洗模式的洗衣机，选定为我们此次研究对象。通过选题人的对比和观察，此次研究对象选择为滚筒式全自动洗衣机。 本课题针对于当下全自动洗衣机的研究现状以及能够实现的功能，结合自身的生活需求和常见问题，能够做出基本满足本课题选择的滚筒式全自动洗衣机的控制系统设计。 1.2国内外研究现状 在以前的生活中，人们只能通过不断重复的手动操作来洗衣服，整个过程十分劳累而且时间很长。后来，人们发明了洗衣机来大题手工洗衣，洗衣机也经历了越来越智能的蜕变。随着洗衣机越来越智能化，也越来越解放人们的双手和生活，可以说，洗衣机的一代代进步，改变了人们的生活方式。进入21世纪以来，各大厂商研制出了各类智能全自动洗衣机，可以根据不同的洗衣情况，以及不同的水温、水位，从而选择出最佳的洗涤程序。此外，现代的全自动洗衣机还被研发出了更加接近人类手洗程度的功能，或者是更加贴近人们生活的智能洗涤程序，而这些功能都可以通过一个小小的按键来实现操作。另外还有专门针对婴儿、妇女等特殊群体的洗衣机，以及定位不同档次的洗衣机。随着现在智能家居的概念普及开来，很多厂商在研发产品的时候都着力于更加智能化，力求通过自己的产品为人们带来“智慧”的洗衣体验。现代的全自动洗衣机大致可以分为以下几种： 按自动化程度分为：（1）普通型洗衣机： 各功能的转换都需要手动操作；（2）半自动型洗衣机：在使用过程中，任意两个功能能够实现自动转换；（3）全自动型洗衣机：各功能间的转换全部自动完成。 按结构原理分类来分为：（1）波轮式洗衣机：通过波轮旋转，洗涤液在波轮带动衣物旋转翻动的同时清洗衣物；（2）滚筒式洗衣机：具有套筒装置，滚筒绕轴心旋转并带动衣物翻滚，模拟手洗时的重复摔打过程，洗涤液在摔打过程中进入衣物从而进行清洗；（3）搅拌式洗衣机：采用立式洗衣桶，在桶的中央置有一 3 2 根装有搅拌桨的垂直立轴。轴在旋转时就爱那个洗涤液搅拌进入衣物，实现清洗功能；（4）喷流式洗衣机：在立桶的侧壁装有波轮。电动机起动带动侧壁波轮旋转，利用具有清理冲击力的水流将衣物在洗涤液中甩打、抛掷、揉搓、冲刷，实现清洗功能。 1.3本课题的研究内容和预定目标 1.主要内容：设计一个用单片机控制的洗衣机控制器。以单片机为核心，扩展必要的外围电路，设计一个洗衣机的控制器。 2.主要功能: （1）标准洗涤：洗涤十二分钟；漂洗六分钟，三次，脱水三分钟。（在此次设计中为了便于观察结果，时间有所调整） （2）有启动／暂停按钮控制：按菜单键，再按菜单选择键，选择所需要的功能，工作时，按停止键停止。 （3）具备进水与脱水功能。 （4）具备指示功能：进水时进水指示灯亮；洗涤时洗涤指示灯亮；排水时排水指示灯亮；漂洗时漂洗指示灯亮；脱水时脱水指示灯亮。 2 课题总体方案的设计 2 2 2.1 洗衣机类型的选择 本课题选取了两种市面上主流的全自动洗衣机作为选择对象进行对比选择，分别是波轮式洗衣机和滚筒式洗衣机。在课题开始前，我们将这两种洗衣机的性能和问题进行了详细的对比。 2.1.1 波轮式洗衣机 波轮洗衣机在立桶的底部安装有一个圆形的波轮，上面有突出的立棱。在洗衣机启动后，电机带动波轮的旋转，通过电机的正反转，桶内形成同向旋转的漩涡，衣物在桶内的水中进行摩擦，在洗涤剂的作用下实现去污清洗。 波轮式洗衣机的特点： 1、波轮转动带动的水流对衣物的损伤较小；2、利用单片机进行控制，简单易操作；3、内桶材质为不锈钢； 4、洗衣使用同心洗功能； 5、如果型号为变频波轮式洗衣机，就可以对针对不同衣质的衣物选择不同的电机转速，从而选择出最佳的洗涤条件，既能保证洗净衣物，又能最大程度的降低对衣物的磨损。 优点：单片机控制省时省力，洗衣速度较快； 缺点：相比较其他类型的洗衣机耗电、耗水，衣服容易出现缠绕，打结的情况。 2.1.2 滚筒式洗衣机 1 2 滚筒洗衣机和波轮洗衣机一样具有不锈钢内桶结构，普遍也通过单片机进行控制，具有质地较好的外壳和内置平衡装置一同来平衡滚筒旋转时产生的巨大离心力，重复的洗衣运动加上洗涤液和水进行共同作用使衣物洗涤干净。 滚筒式洗衣机具有如下性能： 1、水温的平衡可以更好地软化衣物纤维，减小洗涤过程中衣物的损伤和变形程度，并且还可以使洗后的衣物柔软而蓬松；2、洗涤过程中加热的水温可充分溶解洗涤液，加快洗涤液中弱酸性物质与污物的化学反应速度，提高洗衣粉中酶的活性；3、温度高有利于污物在水中的扩散；4、高温能有效的杀死一些细菌。 优点：单片机的控制可以使得所有程序自行运转、衣物无缠绕，是最大程度地减小损耗衣物的洗衣方式。 缺点：洗衣时间普遍较长。滚筒洗衣机在运行洗衣程序时机盖无法打开，添加衣物不方便。 2.1.3 选取标准 1、从洗衣时间来看：波轮时间更短； 2、从省水省电来看：波轮耗水滚筒耗电； 3、从衣物的磨损度来看，滚筒洗衣机模拟手搓，洗净度均匀、磨损率低，衣服不易缠绕； 16 2 4、从洗净度方面来看，用常温水洗的话，波轮洗的更干净；而滚筒的则需要加热洗才能洗干净（但有的衣服一加热就变形）。滚筒的洗净比都是1.03。 综合以上的对比，滚筒洗衣机更能模拟人的手洗过程，更符合人们的生活需求，性能方面更加全面只能。本次课题选取滚筒全自动洗衣机进行性能设计。 2.2 洗衣机的设计方案 1. 按键功能。洗衣机面板上有4个按钮K1、K2、K3、K4。K1为菜单键，在按K4键时，需先按下K1键，防止误操作。K2为开始键，用于启动洗衣机。K3用于停止。K4为菜单选择键，用于选择用户所需的功能。 2. 洗衣功能。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，进水指示灯亮，开始向洗衣机供水，当到达要求时间时，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。 3. 漂洗功能。漂洗过程与洗涤过程操作相同，只是时间短一些。 4. 脱水功能。洗涤或漂洗过程结束后，电机M停止转动，开始排水。排水完毕，电机开始正转，带动内桶高速旋转，甩干衣物。 5. 报警与指示功能。在运行相应的程序时相应的指示灯会亮起，并在结束运行程序时采用蜂鸣器报警。 2.3 设计方案的总体结构 本系统实现了对洗衣机整个洗衣过程的控制，包括按键的输入、进水、洗涤、漂洗、排水和脱水等阶段。利用电源电路供给电源，单片机控制系统控制洗衣机的运转过程，主要由AT89C51单片机、2位共阳数码管、按键、蜂鸣器、LED指示灯组成。如图1为设计总方框图： 3 洗衣机硬件部分设计 3.1单片机选取 在本次课题的设计中，主要的涉及的内容是单片机，我们需要用单片机和控制电路一起运行来控制我们所设计的洗衣机。当洗衣机发生损坏或出现故障的时候，如果不是外部机械系统的问题，就要从我们所设计的单片机控制系统和与其一起运行的控制电路入手检查。洗衣机内的单片机根据按键系统接受到的操作面板的动作指令，给其他元器件发出执行命令，使得电动机、进水阀、排水阀等通电运行；同时，单片机微控器还要监测洗衣机的各部件的工作状态，判定工作正常与否，一旦有异常，就立刻送出停止的命令。这些功能都是由电单片机微控器配合各种电路控制来实现。 本次课题选择的是AT89C51单片机。AT89C51是一种低耗能、高性能8位微控制器字节的系统内可编程快闪记忆体，具有8位微控制器字节的系统内可编程快闪记忆体，该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。AT89C51单片机具有如下功能：8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，是一种高效微控制器，32 位的I/O 端口线。AT89C单片机 为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。引脚图如图2所示： 3.2 电源电路设计 生活用电为220V，变压器T经过变压后形成12V交流电，再通过4只二极管全桥整流，电容C4、C6滤波后得到直流电压，经过三端稳压管稳压得到稳定的+5V电压给各器件供电。电源电路如图3所示： 3.3 电机控制电路设计 电机控制电路如图4所示，其中包括步进电机驱动芯片L298。 L298是双全桥步进电机专用驱动芯片，内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动两个二相和一个四相步进电机，内含两个H-Bridge的高电压、低电流双全桥式驱动器，接受标准TTL逻辑准位信号可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压，此芯片可直接由单片机的IO端口来提供模拟时序信号 3.4 蜂鸣器报警电路设计 在洗衣机运行结束后，蜂鸣器会发出警报提示用户洗衣程序的结束。蜂鸣器与单片机的P0.7口相连，当P0.7口为低电平时蜂鸣器报警，用三极管驱动蜂鸣器。蜂鸣器报警电路如图5所示： 3.5显示电路设计 显示模块由数码管构成。在本次设计中，我们采用两位共阳数码管来显示洗衣机在运行相应程序的时候倒计时的时间。两位数码管分别与单片机的P2口以及P1.2、P1.3口连接，其中，P1.2和P1.3口控制数码管的位码，P2口控制数码管的段码。显示电路仿真图以及相应段码连接电路图如图6所示： 3.6按键控制电路设计 本次设计分别用K1、K2、K3、K4四个按键分别控制洗衣机的菜单，启动，停止，和功能选择，分别为：K1菜单键、K2开始键、K3停止键、K4菜单选择键，分别于单片机的P3.4、P3.5、P3.6、P3.7相连。如图7所示： 3.7指示电路设计 指示电路由6个发光二极管组成，分别指示洗衣机的进水、洗涤、漂洗、脱水、排水、结束，分别接单片机的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5口，当对应口为低电平时，相应指示灯亮，指示洗衣机现在的工作状态。指示电路如图8所示： 3.8 进排水电路设计 洗衣机的进排水过程由单独的进排水继电器进行控制。继电器控制着进排水电磁阀，进排水电路如图9所示： 3.9 复位、时钟电路