【正文】 BACK 技術(shù)總是不停向前發(fā)展的，洗衣機(jī)也向著幾個(gè)明顯的方向發(fā)展。 智能化。傳統(tǒng)的洗衣機(jī)只按進(jìn)水→漂洗→出水→甩干這幾個(gè)工作過(guò)程進(jìn)行合理組合工作。而智能洗衣機(jī)除了實(shí)現(xiàn)上述的功能之外，還能對(duì)洗滌衣物的衣質(zhì)、衣量、衣物的污臟性質(zhì)以及污濁度進(jìn)行識(shí)別，并根據(jù)具體的情況選擇合適的洗滌 3 劑、水量和水流狀態(tài)進(jìn)行有針對(duì)性的洗滌。洗衣機(jī)智能化技術(shù)有賴于微處理器和傳感器的發(fā)展 [3]。 高效節(jié)能。不可再生能源日益減少和人類對(duì)能源要求 量日益增加的矛盾，決定了節(jié)能成為整個(gè)社會(huì)活動(dòng)的趨勢(shì)。對(duì)于洗衣機(jī)行業(yè)來(lái)說(shuō)，要在保證洗凈度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)省電、節(jié)水。高效節(jié)能已經(jīng)成為洗衣機(jī)行業(yè)發(fā)展必然的趨勢(shì)。 BACK 新型洗衣機(jī)控制技術(shù) 使用直接驅(qū)動(dòng)（ DD）滾筒洗衣機(jī)用永磁無(wú)刷直流電機(jī)的相關(guān)技術(shù)，運(yùn)用轉(zhuǎn)子位置預(yù)估、單片機(jī)、 DSP 等技術(shù)設(shè)計(jì)了 DD 滾筒洗衣機(jī)用永磁無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。首先，針對(duì)滾筒洗衣機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)和負(fù)載要求，進(jìn)行了永磁無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟、硬件部分設(shè)計(jì)。提出了設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中參數(shù)選用的一些基 本原則，介紹了基于轉(zhuǎn)子位置預(yù)估的驅(qū)動(dòng)技術(shù)。針對(duì)滾筒洗衣機(jī)在洗滌狀態(tài)下負(fù)載偏心的特點(diǎn)，建立了滾筒洗衣機(jī)洗滌狀態(tài)下衣物的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并利用Simulink 進(jìn)行了負(fù)載特性的仿真。通過(guò)仿真，定性認(rèn)識(shí)了滾筒洗衣機(jī)洗滌狀態(tài)下負(fù)載偏心對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響，并利用國(guó)外樣機(jī)的實(shí)測(cè)結(jié)果證明了仿真的正確性，分析了 DD 滾筒洗衣機(jī)節(jié)拍的特點(diǎn)，制定了相關(guān)的控制策略，并通過(guò)上位機(jī)程序的編寫來(lái)實(shí)現(xiàn) [4]。 BACK 隨著模糊技術(shù)的發(fā)展，多種多樣的模糊技術(shù)產(chǎn)品相繼問(wèn)世，已有洗衣機(jī)、電視機(jī)、電冰 箱、空調(diào)器、攝像機(jī)、吸塵器、微波爐等 40 多種。這些模糊家電由于能最大限度地順應(yīng)人們?nèi)粘Ｉ畹男枰缒：匆聶C(jī)模仿人腦的功能，將人的模糊信息和直接思維轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)確的控制，它具有智能分析、判斷，能自動(dòng)收集需要洗的衣物重量、布質(zhì)、水溫及污垢程度等信息，進(jìn)行綜合判斷，決定洗衣粉用量的多少、水位的高低、洗滌方式和洗滌時(shí)間的長(zhǎng)短，同時(shí)在洗滌過(guò)程中，不斷調(diào)整水位、時(shí)間及水流的強(qiáng)弱，并能自動(dòng)顯示故障報(bào)警，以達(dá)到最佳洗滌狀態(tài)。一臺(tái) 公斤模糊洗衣機(jī)的用水量比雙缸洗衣機(jī)節(jié)水一半，省電 10%[5]。 課題的意義 本次畢業(yè)設(shè)計(jì) 選擇 “基于單片機(jī)的洗衣機(jī)節(jié)水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)” 是為了更好地學(xué)習(xí)和 研究 51 系列單片機(jī)電路 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)， 并掌握基本應(yīng)用電路設(shè)計(jì)的方法和技巧。 通常 的 洗衣機(jī)會(huì)優(yōu)先滿足洗凈比的要求，而對(duì)能耗和耗水量的考慮則較少 ， 造成水電的浪費(fèi)。 本設(shè)計(jì) 采用濁度傳感器測(cè)量 洗滌水 的污濁程度， 4 確定最佳的洗滌時(shí)間和漂洗次數(shù)，可以用較少的能耗和水耗獲得滿足要求的洗凈比。 BACK 設(shè)計(jì)內(nèi)容 本文（設(shè)計(jì)）是“基于單片機(jī)的洗衣機(jī)節(jié)水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”，系統(tǒng)以STC89C52 單片機(jī)為控制核心，通過(guò) TS 濁度傳感器檢測(cè)電路送回的數(shù)據(jù)對(duì)洗滌水的濁度進(jìn)行判斷，通過(guò)洗衣水的污濁程度來(lái)決定是否繼續(xù)漂洗以及漂洗所需用時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)洗衣過(guò)程的實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制，達(dá)到用最少的能耗實(shí)現(xiàn)最大程度地清潔衣物的目的。 BACK 5 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 方案選擇 PLC 控制方案 采用可編程邏輯系統(tǒng) PLC 控制。 PLC 是一種數(shù)字式運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，集成度高，工作穩(wěn)定可靠，且外圍接口多，編程方便，是專為工業(yè)環(huán)境下的系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì) 數(shù)和算術(shù)等操作指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程 [6]。但其造價(jià)昂貴，大批量生產(chǎn)費(fèi)用很高，不適用于一般家電使用，故不選用此方案。 BACK PIC 系列單片機(jī)方案 PIC 單片機(jī)系列是美國(guó)微芯公司 （ Microchip） 的產(chǎn)品，它的 CPU 采用 RISC結(jié)構(gòu)，分別有 3 3 58 條指令，屬精簡(jiǎn)指令集。采用 Harvard 雙總線結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度快。此外，它還具有低功耗、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn) [7]。 BACK 由于該系列單片機(jī)的專用寄存器（ SFR）并不像 51 系列那樣都集中在一個(gè)固定的地址區(qū)間內(nèi) (80～ FFH)，而是分散在四個(gè)地址區(qū)間內(nèi)，有 5 個(gè)專用寄存器，得反復(fù)地選擇對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)體，給編程控制帶來(lái)麻煩。對(duì)于不熟悉這種硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，它不是一個(gè)最優(yōu)的選擇 [8]。 BACK 51 系列單片機(jī)方案 51 系列單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)之一是它從內(nèi)部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統(tǒng)，它不僅能對(duì)片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進(jìn)行處理，還能進(jìn)行位的邏輯運(yùn)算。 51 系列在片內(nèi) RAM 區(qū)間 還特別開辟了一個(gè)雙重功能的地址區(qū)間，它既可作字節(jié)處理，也可作位處理，使用極為靈活 [9]。 BACK 家用洗衣機(jī)要求體積小，容量大，并且功能完備，因此要求控制器體積小，以便能嵌入其結(jié)構(gòu)之中；且控制功能靈活，以實(shí)現(xiàn)不同用戶的需求。 51 系列單片機(jī)具有體積小、編程靈活、外設(shè)多樣、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于各種電路控制系統(tǒng)中。由于 51 系列單片機(jī)技術(shù)成熟，加上其多功能，低功耗等特點(diǎn)，能滿足不同系統(tǒng)的應(yīng)用需要。相比之下， 51 系列單片機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)就是生產(chǎn)成本低，操作簡(jiǎn)單，適 用于小型電路產(chǎn)品開發(fā)和大批量生產(chǎn)以其為核心的電器設(shè)備，且都能滿足電路系統(tǒng)的要求。 BACK 6 綜上所述，本次設(shè)計(jì)采用 51 系列的 STC89C52 單片機(jī)作為主控芯片。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)為節(jié)能洗衣機(jī)的控制設(shè)計(jì)。節(jié)能洗衣機(jī)系統(tǒng)由主控制器、按鍵、濁度傳感器、倒計(jì)時(shí)顯示、狀態(tài)顯示和電機(jī)水閥伺服機(jī)構(gòu)等幾大模塊組成，由程序控制實(shí)現(xiàn)洗衣過(guò)程的節(jié)能化與自動(dòng)化。 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖 所示。 BACK 圖 節(jié)能洗衣機(jī)系統(tǒng)組成 本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)洗衣機(jī)整個(gè)洗衣過(guò)程的控制，包括用戶參數(shù)輸入， 洗滌，漂洗，濁度檢測(cè)，脫水等幾大步驟。洗衣機(jī)就會(huì)在每次漂洗完成后智能判斷洗滌水的混濁情況，對(duì)于不同的污濁度設(shè)計(jì)了不同的漂洗時(shí)間。若在任何一次漂洗結(jié)束時(shí)進(jìn)行的濁度檢測(cè)結(jié)果表明洗滌水已足夠清凈，程序就會(huì)直接跳轉(zhuǎn)至“脫水”模式進(jìn)行衣物脫水，從而節(jié)約了大量的冗余漂洗時(shí)間和能源。波輪式全自動(dòng)洗衣機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖 所示 [10]。 BACK 圖 波輪洗衣機(jī)結(jié)構(gòu)圖 MCU AD轉(zhuǎn)換 排水閥 濁度檢測(cè) 進(jìn)水閥 按鍵輸入 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 倒計(jì)時(shí)顯示 LED 指示燈 機(jī)蓋 內(nèi)桶 外桶 吸簧式水位傳感器 TS 濁度傳感器 排水閥 排水管 顯示模塊 MCU 控制單元與按鍵 進(jìn)水閥 機(jī)蓋動(dòng)作開關(guān) 洗衣波輪 承重彈簧與過(guò)載檢測(cè) 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 減速器與傳動(dòng)裝置 機(jī)蓋開關(guān) 水位傳感器 7 模塊電路設(shè)計(jì)與元件選擇 電源設(shè)計(jì) 電源模塊是為整個(gè)電路系統(tǒng)和伺服機(jī)構(gòu)提供能源和動(dòng)力的重要保證。一般的直流穩(wěn)壓電源由整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路等幾部分組成 [11]。 本機(jī)電源采用雙路輸出 +5V 和 +12V，分別用于提供電子電路工作電源和電磁閥驅(qū)動(dòng)電源。使用交流變壓器將 220V 市電降壓至 15V，經(jīng)過(guò)二極管整流橋整流、電容濾波和穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，能輸出穩(wěn)定的直流 5V 和 12V 電壓。電源模塊的電路原理圖如圖 所示。 圖 雙路穩(wěn)壓電源模塊 主控芯片 STC89C52 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 本課題的系統(tǒng)控制使用 STC89C52 單片機(jī)，時(shí)鐘晶振使用 12MHz。 STC89C52是一種帶 8K 字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能 COMOS8 的微處理器。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容 [12]。 STC89C52 單片機(jī) 主要功能如表 所示； 其 封裝與引腳排列如圖 所示，其在系統(tǒng)中的工作電路如圖 所示。 表 STC89C52 主要功能 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) 8K 可反復(fù)擦寫 Flash ROM 32 個(gè)雙向 I/O 口 256x8bit 內(nèi)部 RAM 3 個(gè) 16 位可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器中斷 時(shí)鐘頻率 024MHz 2 個(gè)串行中斷 可編程 UART 串行通道 2 個(gè)外部中斷源 共 6 個(gè)中斷源 2 個(gè)讀寫中斷口線 3 級(jí)加密位 低功耗空閑和掉電模式 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 8 圖 STC89C52 引腳排列與引腳功能 圖 STC89C52 電路原理圖 LED 燈顯示與 74HC573 鎖存器 節(jié)能洗衣機(jī)系統(tǒng)有六個(gè)基本的狀態(tài)，分別是厚物洗滌，薄物洗滌，漂洗，脫水，暫停，停止和報(bào)警。本系統(tǒng)用六個(gè)發(fā)光二極管作 為狀態(tài)指示燈，使用共陽(yáng)極接法，由單片機(jī) P1 口通過(guò)一個(gè)鎖存器來(lái)控制它們的亮滅。 LED 燈的電路接法如圖 所示。 BACK 9 圖 LED 狀態(tài)指示燈 鎖存器 (Latch)是一種對(duì)脈沖電平敏感的存儲(chǔ)單元電路，它們可以在特定輸入脈沖電平作用下改變狀態(tài)。典型的鎖存器邏輯電路是 D 觸發(fā)器電路 [13]。本設(shè)計(jì)使用的 74HC573 鎖存器的真值表如表 所示。 BACK 表 鎖存器的真值表 輸出使能 (/OE) 鎖存使能 (LE) 輸入端 (D) 輸出端 (Q) L H H H L H L L L L X Q0 H X X Z 74HC573的八個(gè)鎖存器都是透明的 D型鎖存器，當(dāng)使能引腳 LE 為高電平時(shí)，Q 輸出將隨數(shù)據(jù) D 輸入而變化；反之，鎖存器進(jìn)入鎖存狀態(tài)， D 將保持原有信號(hào)的輸出而不受輸入信號(hào)變化的影響 [14]。鎖存器的引腳功能與封裝如圖 。 圖 鎖存器的引腳及其功能 10 在在本課題的應(yīng)用中，單片機(jī) P0 口和 P1 口的八路 I/O 口上分別需要外接鎖存器，這是為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和地址在 I/O 口上的復(fù)用。 BACK 七段數(shù)碼管顯示 LED（ Light Emiting Diode）是發(fā)光二極管英文名稱的縮寫。常用的 LED 有共陽(yáng)極和共陰極 2 種。共陰極 LED 顯示器的發(fā)光二極管的陰極連在一起，通常此公共陰極接地 [15]。 本次設(shè)計(jì)是用于顯示時(shí)間，采用共陰極 LED 顯示就可以有較好的顯示效果。 在多位 LED 顯示時(shí)，通常將所有位的段碼線相應(yīng)段并聯(lián)在一起，由 1 個(gè) 8 位I/O 口控制，形成段碼線的多路復(fù)用，而各位的共陰極或共陽(yáng)極分別由相應(yīng)的地址線控制，形成各位的分時(shí)選通 [16]。七段數(shù)碼 管電路如圖 所示。 BACK 圖 七段數(shù)碼管顯示 濁度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì) TS 濁度傳感器是 GE 公司開發(fā)的一種專門用于家電產(chǎn)品的低成本傳感器，主要用于洗衣機(jī)、洗碗機(jī)等產(chǎn)品的水污濁程度的測(cè)量 ，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖 所示。此種濁度傳感器體積小，兼容 TTL 電平，使用方便 [17]，故本次設(shè)計(jì)采用 TS 濁度傳感器 。 BACK 圖 TS 濁度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 11 濁度 傳感器的工作原理是：當(dāng)光線穿過(guò)一定量 的水時(shí)，光線的透過(guò)量取決于該水的污濁程度 ： 水越污濁，透過(guò)的光就越少。光接收端把透過(guò)的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電 壓 大小 。 通過(guò)測(cè)量接收端的電 壓 ，就可以計(jì)算出水的污濁程度。 洗滌水的透光度與洗滌時(shí)間 t 的關(guān)系曲線如圖 所示。 BACK （ a）圖為洗滌全過(guò)程的濁度變化 （ b）圖為輕污和重污的透光度比較 圖 洗滌水的透光度與洗滌時(shí)間 t 的關(guān)系曲線 在節(jié)能洗衣機(jī)系統(tǒng)中，濁度傳感器安裝在洗衣機(jī)的排水管口附近，如圖 所示，在洗衣機(jī)開始排水時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行水 質(zhì)檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果送單片機(jī)。 圖 濁度傳感器的工作示意圖 濁度值是由 TS 濁度傳感器測(cè)得濁度數(shù)據(jù)，送 ADC0804 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后所得的數(shù)值。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同容量的洗衣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)確定更準(zhǔn)確的濁度值與對(duì)應(yīng)的洗滌時(shí)間。表 表明衣物濁度與洗滌參考時(shí)間的關(guān)系。 BACK 表 洗滌水濁度與洗滌參考時(shí)間的關(guān)系 序號(hào) 污濁程度 A（十進(jìn)制 A/D 值） 洗滌時(shí)間（ min） 1 A ≤ 55 6 2 55 A ≤ 94 8 3 94 A ≤ 126 10 4 126 A ≤ 152 12 5 152 A ≤ 173 14 6 173 A ≤ 191 16 7 191 A ≤ 208 18 8 A 208 20 12 ADC0804 是用 CMOS 集成工藝制成的逐次比較型摸數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當(dāng)與控制器連接時(shí)，無(wú)須附加邏輯接口電路。逐次比較型AD 由一個(gè)比較器和 DA 轉(zhuǎn)換器通過(guò)逐次比較邏輯構(gòu)成，從 MSB 開始，順序地對(duì)每一位將輸入電壓與內(nèi)置 DA 轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)多次比較而輸出數(shù)字值。其優(yōu)點(diǎn)是速度高、 功耗低。 ADC0804 引腳如圖 所示。 BACK 圖 ADC0804 引腳功能 在本系統(tǒng)中， 濁度信號(hào)轉(zhuǎn)換為 0V～ 5V電壓信號(hào)，濁度傳感器連接 ADC0804的 輸入接口進(jìn)行采樣處理， 然后將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為 8 位數(shù)值 0x00～ 0xff 送入 單片機(jī) P1 口