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1、1 1 绪论绪论1.11.1 本课题的研究目的和意义本课题的研究目的和意义 洗衣机是人们日常生活中常见的一种家电，已经成为人们生活中不可缺少的家用电器。在工业生产中应用也十分广泛。但是传统的基于继电器的控制，已经不能满足人们对洗衣机的自动化程度的要求了。洗衣机需要更好地满足人们的需求，必须借助于自动化技术的发展。而随着单片机技术的发展，用单片机来作为控制器，就能很好地满足洗衣机对自动化的要求，并且控制方式灵活多样，控制模式可以根据不同场合的应用而有所不同。自动化技术的飞速发展使得洗衣机由初始的半自动式洗衣机发展到现在的全自动洗衣机，又正在向智能化洗衣机方向发展1。单片机又称微控制器,或称嵌入式
2、控制器。而现在的智能家电无一例外是采用微控制器来实现的，所以家用电器是单片机应用最多的领域之一。它是家用电器实现智能化的心脏和大脑。由于家用电器体积小，故要求其控制器体积更小以便能嵌入其结构之中。而家用电器品种多，功能差异也大,所以又要求其控制器有灵活的控制功能。单片机以微小的体积和编程的灵活性而产生多种控制功能，完全可以满足家用电器的需求。1.21.2 洗衣机的发展和分类洗衣机的发展和分类1.2.1 洗衣机的发展从古到今，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
3、是：辛苦劳累。 1858 年，一个叫汉密尔顿史密斯的美国人在匹茨堡制成了世界上第一台洗衣机。该洗衣机的主件是一只圆桶，桶内装有一根带有桨状叶子的直轴。轴是通过摇动和它相连的曲柄转动的。次年在德国出现了一种用捣衣杵作为搅拌器的洗衣机，当捣衣杵上下运动时，装有弹簧的木钉便连续作用于衣服。19 世纪末期的洗衣机已发展到一只用手柄转动的八角形洗衣缸，洗衣时缸内放入热肥皂水，衣服洗净后，由轧液装置把衣服挤干。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木制手摇洗衣机。这套装置的问世，让那些为提高生活效率而冥思苦想的人士大受启发，洗衣机的改进过程开始大大加快。1880 年，美
4、国又出现了蒸气洗衣机，采用了智能水循环系统，可将高浓度洗涤液与高温蒸气同时对衣物进行双重喷淋，贯穿全部洗涤过程，实现了全球独创性的“蒸汽洗”全新洗涤方式。蒸汽洗衣机之后，水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。1910 年，美国的费希尔在芝加哥试制成功世界上第一台电动洗衣机。电动洗衣机的问世，标志着人类家务劳动自动化的开端。 1922 年，美国玛塔依格公司改造了洗衣机的洗涤结构，把拖动式改为搅拌式，使洗衣机的结构固定下来，这也就是第一台搅拌式洗衣机的诞生。搅拌式洗衣机结构科学合理，受到人们的普遍欢迎。1932 年，美国本德克斯航空公司宣布，他们研制成功第一台前装式滚筒洗衣机，洗涤、漂洗、脱水在同一
5、个滚筒内完成。这意味着电动洗衣机的型式跃上一个新台阶，朝自动化又前进了一大步！第一台自动洗衣机于 1937 年问世。这是一种“前置“式自动洗衣机。靠一根水平的轴带动的缸可容纳 4000 克衣服。衣服在注满水的缸内不停地上下翻滚，使之去污除垢。到了 40 年代便出现了现代的“上置“式自动洗衣机。随着工业化的加速，世界各国也加快了洗衣机研制的步伐。首先由英国研制并推出了一种喷流式洗衣机，它是靠筒体一侧的运转波轮产生的强烈涡流，使衣物和洗涤液一起在筒内不断翻滚，洗净衣物。1955 年，在引进英国喷流式洗衣机的基础之上，日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。至此，波轮式、滚筒式、搅拌式在洗衣机
6、生产领域三分天下的局面初步形成。60 年代的日本出现了带干桶的双桶洗衣机，人们称之为“半自动型洗衣机”。70 年代，生产出波轮式套桶全自动洗衣机。70 年代后期，以电脑（实际上微处理器）控制的全自动洗衣机在日本问世，开创了洗衣机发展史的新阶段。80 年代， “模糊控制”的应用使得洗衣机操作更简便，功能更完备，洗衣程序更随人意，外观造型更为时尚。90 年代，由于电机调速技术的提高，洗衣机实现了宽范围的转速变换与调节，诞生了许多新水流洗衣机。此后，随着电机驱动技术的发展与提高，日本生产出了电机直接驱动式洗衣机，省去了齿轮传动和变速机构，引发了洗衣机驱动方式的巨大革命。 之后，随着科技的进一步发展，
7、滚筒洗衣机已经成了大家耳濡目染的产品。伴随着科技的进一步发展，相信新型更适合人们使用的洗衣机会给我们的生活带来新的方式2。1.2.2 洗衣机种类家用洗衣机的种类很多，按其结构原理可以分为以下几类：1、波轮式洗衣机：这种洗衣机的主要优点是洗涤时间短，洗净度较高，水位可调，品种多，适宜于洗涤棉、麻、纤和混纺等织物。缺点是易使衣物缠绕，影响洗净的均匀性，磨损率也较高。新颖的大波轮、新水流洗衣机，其性能有明显的改善。2、滚筒式洗衣机：其优点是洗涤动作比较柔和，对衣物的磨损小，用水量和洗涤剂都比较省，适合洗涤毛料织物。但机器结构复杂，洗净度低，耗电量大，售价较高。3、搅拌式洗衣机：这种洗衣机好似手工洗涤
8、的揉搓，衣物受力均匀，衣物磨损小，洗涤容量大。缺点是洗涤时间长，结构比较复杂，售价高。4、喷流式洗衣机：其特点是洗涤时间短，污垢容易洗掉，机器结构简单，故障较少。但由于水流激烈，衣物容易拧绞在一起，因而洗涤不均，对衣物损伤较重，洗涤时洗涤液容易飞溅3。除此之外还有波轮搅拌式洗衣机、喷淋漂洗洗衣机、振动式洗衣机、超声波洗衣机等等。1.31.3 课题研究方向课题研究方向洗衣机的洗涤原理是由模拟人工洗涤衣物发展而来的，即通过翻滚、摩擦、水的冲刷等机械作用以及洗涤剂的表面活化作用，将附着在衣物上的污垢除掉，以达到洗净衣物的目的。 现今，大多数的洗衣机都使用以单片机为核心的控制电路来控制电动机、数码显示
9、管、进水阀、排水阀及蜂鸣器的电压输出，使洗衣机根据程序运转。 本设计在设计洗衣机的控制系统时，洗衣机通过控制系统设定洗衣程序，在内桶（洗涤脱水桶）自动完成注水、洗涤、漂洗、浸泡、排水和脱水全过程。洗衣时，控制系统打开进水电磁阀，开始注水；当洗涤脱水桶内的水位达到系统设定值时，水位检测器向单片机发送一个低电平，通知控制系统关闭进水电磁阀，同时启动电机洗衣。电机在系统的控制下进行正转、停、反转，通过传动机构带动波轮执行洗涤程序；当洗涤时间终了，控制系统切断电机电路，打开排水电磁阀，开始排水；然后再次注水，洗衣机进入漂洗状态，完成漂洗程序（通常为 2 次漂洗），再注水进行浸泡；浸泡完，开始排水，同时
10、，排水电磁铁的动作带动减速离合器制动臂，使离合器棘轮与棘爪分离，制动带松开，为脱水程序作好准备；排水结束后，系统控制电机单方向高速运转，完成脱水程序；当脱水程序终了，系统控制排水电磁铁和电机断电，排水阀和减速离合器的制动臂复位，同时蜂鸣器奏响音乐，通知用户整个洗衣程序结束4。本设计要实现的功能有：（1）用户参数的输入：用户根据衣物的数量和质地确定洗涤时间、漂洗次数、脱水时间，然后通过按键输入具体的参数。（2）参数和时间的显示：灵活地运用数码显示管会带来许多方便，它可以用来显示用户实时所处的洗衣功能状态以及所剩时间。（3）实时控制的实现：单片机在获取了用户输入的参数后，对其进行分析处理，然后按照
11、计算结果对洗衣过程进行实时控制。（4）水位检测的实现：水位的高低影响着整个洗衣过程的进行，因此需要水位检测器将水位的变化发送给单片机，单片机根据水位的情况确定下一步应该做什么。（5）洗衣过程的实现：一般的洗衣过程包括注水、洗涤、漂洗、排水和脱水这些步骤。在洗衣过程中，系统主要控制进水电磁阀、排水电磁阀的打开和关闭，电机的正转、反转和停止。（6）洗衣完毕的通知：当洗衣过程结束后，蜂鸣器就报警通知用户洗衣完毕。2 2 硬件设计基本介绍硬件设计基本介绍2.12.1 总体方案总体方案本设计以 MCS-51 单片机为核心，设计由电源、数字控制电路和机械控制电路三大模块构成的控制系统，实现对洗衣机整个洗衣
12、过程的控制。洗衣过程主要包括洗涤过程、漂洗过程、脱水过程。根据洗衣过程的要求，控制程序设计主要包括主程序、内部定时中断服务程序、外部服务中断程序的设计。根据设计要求，其基本系统组成框图如 2.1 所示。2.22.2 器件及原理简介器件及原理简介采用 51 系列单片机作为控制核心，主要包括电源部分、功能设置及控制电路、洗衣机状态显示及输出控制电路。主要组成部件有：单片机、74LS138 译码器、指示灯、LED 显示器、电动机、蜂鸣器、电磁阀以及按键等。根据洗衣机的基本功能，硬件电路设计需要考虑洗衣机的进水、洗涤、漂洗、排LED 显示电路水位检测暂停键 K0强度选择键 K1洗衣状态设定键 K2时间
13、设定键 K3漂洗次数设定键 K4MCS-51变压器整流滤波稳压洗衣机状态显示 指示灯 D0D7电机正转电机反转进水阀排水阀双 向 晶 闸 管触 发 电 路蜂鸣器时钟电路+5V+12V启动键 K5图 2.1 系统组成框图水、脱水等问题，及时间设定长短、工作时间或剩余时间的显示、工作过程中的暂停、启动、复位、洗完后的报警等问题5。通过单片机的 P0 口连接数码管发送段码，P2.4P7 口通过三极管扩大电流去控制数码管的位，显示时采用动态扫描方式，轮流循环扫描。通过 P1.6 口连接蜂鸣器实现报警电路。通过 P1.0P1.5 口作为按键输入，并通过二极管连接到单片机的中断入口引脚，当有键按下，就会产
14、生中断，执行相关按键的功能。根据系统框图可设计出系统原理图，见附录 A。3 3 软件设计软件设计单片机应用系统的软件设计是系统设计中最基本而且工作量较大的任务。与系统机上操作系统支持下的纯软件不同，单片机的软件设计是在裸机的条件下进行的，而且随应用系统的不同而不同。在软件中一般需考虑以下几个方面：1） 根据要求确定软件的具体任务细节，然后确定合理的软件结构。一般系统软件的主程序和若干个子程序及中断服务程序组成，详细划分主程序、子程序和中断服务程序的具体任务，确定各个中断的优先级。主程序是一个顺序执行的无限循环的程序,不停地顺序查询各种软件标志，以完成对事务的处理。在子程序和中断服务程序中,要考
15、虑现场的保护和恢复，以及它们和主程序之间的信息交换方法。2） 程序的结构用模块化结构，即把监控程序分解为若干个功能相对独立的较小的程序模块分别设计，以便于调试。具体设计时可采用自底向上或自顶向下的方法。3） 在进行程序设计时,先根据问题的定义描述出各个输入变量和输出变量之间的数学关系，即建立数学模型,然后绘制流程图，再根据流程图用汇编语言进行具体程序的编写。4） 在程序设计完成后，利用相应的开发工具和软件进行程序的汇编，生成程序的机器码6。本设计中系统软件是采用 C51 编写的.在研制单片机应用系统时，汇编语言是一种常用的软件工具，具有简单的语法结构和强大的处理功能，具有运行速度快、编译效率高
16、，移植性好和可读性强等多种优点，可以实现对系统便件的直接操作。用C 语言来编写目标系统软件，可以大大缩短开发周期，且明显地增加软件的可读性，便于改进和扩充，从而开发出大规模、高性能的应用系统7。3.13.1 主程序设计主程序设计系统的主程序设计主要完成系统初始化、中断优先级设定，以及调用其它各模块程序，即主要实现各模块程序的链接。系统上电复位初始化后，首先进行系统初始化，包括中断的选择及设置，定时器的选择，定时时间，及其相关设置，初始化后，单片机进入主程序，在这“主程序”中不停的循环运行，除非有其它中断。主程序流程图如图 3.1 所示。编写主程序如下：void main() initialize(); /初始化设置while(1) display(); /显示程序 调用calculate(); / 显示数据的计算程序调用YN YN 开始系统初始化启动相关功能洗衣状态显示洗衣功能设置是否有报警报警图 3.1 软件主流程图3.23.2 水位检测程序设计水位检测程序设计水位检测程序的原理是在
