【正文】 BACK 技術(shù)總是不停向前發(fā)展的，洗衣機也向著幾個明顯的方向發(fā)展。 智能化。傳統(tǒng)的洗衣機只按進水→漂洗→出水→甩干這幾個工作過程進行合理組合工作。而智能洗衣機除了實現(xiàn)上述的功能之外，還能對洗滌衣物的衣質(zhì)、衣量、衣物的污臟性質(zhì)以及污濁度進行識別，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)進行有針對性的洗滌。洗衣機智能化技術(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能源要求 量日益增加的矛盾，決定了節(jié)能成為整個社會活動的趨勢。對于洗衣機行業(yè)來說，要在保證洗凈度的基礎(chǔ)上實現(xiàn)省電、節(jié)水。高效節(jié)能已經(jīng)成為洗衣機行業(yè)發(fā)展必然的趨勢。 BACK 新型洗衣機控制技術(shù) 使用直接驅(qū)動（ DD）滾筒洗衣機用永磁無刷直流電機的相關(guān)技術(shù)，運用轉(zhuǎn)子位置預(yù)估、單片機、 DSP 等技術(shù)設(shè)計了 DD 滾筒洗衣機用永磁無刷直流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)。首先，針對滾筒洗衣機特殊的結(jié)構(gòu)和負載要求，進行了永磁無刷直流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的軟、硬件部分設(shè)計。提出了設(shè)計過程當(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)動技術(shù)。針對滾筒洗衣機在洗滌狀態(tài)下負載偏心的特點，建立了滾筒洗衣機洗滌狀態(tài)下衣物的動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并利用Simulink 進行了負載特性的仿真。通過仿真，定性認識了滾筒洗衣機洗滌狀態(tài)下負載偏心對電機轉(zhuǎn)矩的影響，并利用國外樣機的實測結(jié)果證明了仿真的正確性，分析了 DD 滾筒洗衣機節(jié)拍的特點，制定了相關(guān)的控制策略，并通過上位機程序的編寫來實現(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)品相繼問世，已有洗衣機、電視機、電冰 箱、空調(diào)器、攝像機、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?，例如模糊洗衣機模仿人腦的功能，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，能自動收集需要洗的衣物重量、布質(zhì)、水溫及污垢程度等信息，進行綜合判斷，決定洗衣粉用量的多少、水位的高低、洗滌方式和洗滌時間的長短，同時在洗滌過程中，不斷調(diào)整水位、時間及水流的強弱，并能自動顯示故障報警，以達到最佳洗滌狀態(tài)。一臺 公斤模糊洗衣機的用水量比雙缸洗衣機節(jié)水一半，省電 10%[5]。 課題的意義 本次畢業(yè)設(shè)計 選擇 “基于單片機的洗衣機節(jié)水控制系統(tǒng)的設(shè)計” 是為了更好地學(xué)習(xí)和 研究 51 系列單片機電路 系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)知識， 并掌握基本應(yīng)用電路設(shè)計的方法和技巧。 通常 的 洗衣機會優(yōu)先滿足洗凈比的要求，而對能耗和耗水量的考慮則較少 ， 造成水電的浪費。 本設(shè)計 采用濁度傳感器測量 洗滌水 的污濁程度， 4 確定最佳的洗滌時間和漂洗次數(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)計內(nèi)容 本文（設(shè)計）是“基于單片機的洗衣機節(jié)水控制系統(tǒng)的設(shè)計”，系統(tǒng)以STC89C52 單片機為控制核心，通過 TS 濁度傳感器檢測電路送回的數(shù)據(jù)對洗滌水的濁度進行判斷，通過洗衣水的污濁程度來決定是否繼續(xù)漂洗以及漂洗所需用時，實現(xiàn)對洗衣過程的實時檢測與控制，達到用最少的能耗實現(xiàn)最大程度地清潔衣物的目的。 BACK 5 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 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)計的。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計 數(shù)和算術(shù)等操作指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程 [6]。但其造價昂貴，大批量生產(chǎn)費用很高，不適用于一般家電使用，故不選用此方案。 BACK PIC 系列單片機方案 PIC 單片機系列是美國微芯公司 （ Microchip） 的產(chǎn)品，它的 CPU 采用 RISC結(jié)構(gòu)，分別有 3 3 58 條指令，屬精簡指令集。采用 Harvard 雙總線結(jié)構(gòu)，運行速度快。此外，它還具有低功耗、驅(qū)動能力強等特點 [7]。 BACK 由于該系列單片機的專用寄存器（ SFR）并不像 51 系列那樣都集中在一個固定的地址區(qū)間內(nèi) (80～ FFH)，而是分散在四個地址區(qū)間內(nèi)，有 5 個專用寄存器，得反復(fù)地選擇對應(yīng)的存儲體，給編程控制帶來麻煩。對于不熟悉這種硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計者來說，它不是一個最優(yōu)的選擇 [8]。 BACK 51 系列單片機方案 51 系列單片機的優(yōu)點之一是它從內(nèi)部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統(tǒng)，它不僅能對片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進行處理，還能進行位的邏輯運算。 51 系列在片內(nèi) RAM 區(qū)間 還特別開辟了一個雙重功能的地址區(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，以實現(xiàn)不同用戶的需求。 51 系列單片機具有體積小、編程靈活、外設(shè)多樣、易于擴展等優(yōu)點，廣泛地應(yīng)用于各種電路控制系統(tǒng)中。由于 51 系列單片機技術(shù)成熟，加上其多功能，低功耗等特點，能滿足不同系統(tǒng)的應(yīng)用需要。相比之下， 51 系列單片機最大的優(yōu)點就是生產(chǎn)成本低，操作簡單，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)計采用 51 系列的 STC89C52 單片機作為主控芯片。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 本系統(tǒng)為節(jié)能洗衣機的控制設(shè)計。節(jié)能洗衣機系統(tǒng)由主控制器、按鍵、濁度傳感器、倒計時顯示、狀態(tài)顯示和電機水閥伺服機構(gòu)等幾大模塊組成，由程序控制實現(xiàn)洗衣過程的節(jié)能化與自動化。 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖 所示。 BACK 圖 節(jié)能洗衣機系統(tǒng)組成 本系統(tǒng)實現(xiàn)了對洗衣機整個洗衣過程的控制，包括用戶參數(shù)輸入， 洗滌，漂洗，濁度檢測，脫水等幾大步驟。洗衣機就會在每次漂洗完成后智能判斷洗滌水的混濁情況，對于不同的污濁度設(shè)計了不同的漂洗時間。若在任何一次漂洗結(jié)束時進行的濁度檢測結(jié)果表明洗滌水已足夠清凈，程序就會直接跳轉(zhuǎn)至“脫水”模式進行衣物脫水，從而節(jié)約了大量的冗余漂洗時間和能源。波輪式全自動洗衣機的結(jié)構(gòu)如圖 所示 [10]。 BACK 圖 波輪洗衣機結(jié)構(gòu)圖 MCU AD轉(zhuǎn)換 排水閥 濁度檢測 進水閥 按鍵輸入 電機驅(qū)動 倒計時顯示 LED 指示燈 機蓋 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 進水閥 機蓋動作開關(guān) 洗衣波輪 承重彈簧與過載檢測 驅(qū)動電機 減速器與傳動裝置 機蓋開關(guān) 水位傳感器 7 模塊電路設(shè)計與元件選擇 電源設(shè)計 電源模塊是為整個電路系統(tǒng)和伺服機構(gòu)提供能源和動力的重要保證。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)動電源。使用交流變壓器將 220V 市電降壓至 15V，經(jīng)過二極管整流橋整流、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)動電路設(shè)計 本課題的系統(tǒng)控制使用 STC89C52 單片機，時鐘晶振使用 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 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 個雙向 I/O 口 256x8bit 內(nèi)部 RAM 3 個 16 位可編程定時 /計數(shù)器中斷 時鐘頻率 024MHz 2 個串行中斷 可編程 UART 串行通道 2 個外部中斷源 共 6 個中斷源 2 個讀寫中斷口線 3 級加密位 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)能洗衣機系統(tǒng)有六個基本的狀態(tài)，分別是厚物洗滌，薄物洗滌，漂洗，脫水，暫停，停止和報警。本系統(tǒng)用六個發(fā)光二極管作 為狀態(tài)指示燈，使用共陽極接法，由單片機 P1 口通過一個鎖存器來控制它們的亮滅。 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)是一種對脈沖電平敏感的存儲單元電路，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，Q 輸出將隨數(shù)據(jù) D 輸入而變化；反之，鎖存器進入鎖存狀態(tài)， D 將保持原有信號的輸出而不受輸入信號變化的影響 [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 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)計是用于顯示時間，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，通常將所有位的段碼線相應(yīng)段并聯(lián)在一起，由 1 個 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極分別由相應(yīng)的地址線控制，形成各位的分時選通 [16]。七段數(shù)碼 管電路如圖 所示。 BACK 圖 七段數(shù)碼管顯示 濁度檢測模塊設(shè)計 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、洗碗機等產(chǎn)品的水污濁程度的測量 ，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)光線穿過一定量 的水時，光線的透過量取決于該水的污濁程度 ： 水越污濁，透過的光就越少。光接收端把透過的光強度轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電 壓 大小 。 通過測量接收端的電 壓 ，就可以計算出水的污濁程度。 洗滌水的透光度與洗滌時間 t 的關(guān)系曲線如圖 所示。 BACK （ a）圖為洗滌全過程的濁度變化 （ 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間 t 的關(guān)系曲線 在節(jié)能洗衣機系統(tǒng)中，濁度傳感器安裝在洗衣機的排水管口附近，如圖 所示，在洗衣機開始排水時啟動數(shù)據(jù)采集進行水 質(zhì)檢測，并將檢測結(jié)果送單片機。 圖 濁度傳感器的工作示意圖 濁度值是由 TS 濁度傳感器測得濁度數(shù)據(jù)，送 ADC0804 進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后所得的數(shù)值。實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同容量的洗衣機進行實驗來確定更準(zhǔn)確的濁度值與對應(yīng)的洗滌時間。表 表明衣物濁度與洗滌參考時間的關(guān)系。 BACK 表 洗滌水濁度與洗滌參考時間的關(guān)系 序號 污濁程度 A（十進制 A/D 值） 洗滌時間（ 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，無須附加邏輯接口電路。逐次比較型AD 由一個比較器和 DA 轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，從 MSB 開始，順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置 DA 轉(zhuǎn)換器輸出進行比較，經(jīng)多次比較而輸出數(shù)字值。其優(yōu)點是速度高、 功耗低。 ADC0804 引腳如圖 所示。 BACK 圖 ADC0804 引腳功能 在本系統(tǒng)中， 濁度信號轉(zhuǎn)換為 0V～ 5V電壓信號，濁度傳感器連接 ADC0804的 輸入接口進行采樣處理， 然后將電壓信號轉(zhuǎn)換為 8 位數(shù)值 0x00～ 0xff 送入 單片機 P1 口