【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 AT89C2051作為核心器件，設(shè)計(jì)了全自動(dòng)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)。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 。 包括進(jìn)水、洗滌、漂洗、排水和脫水五個(gè)階段。控制系統(tǒng)主要由電源電路、數(shù)字控制電路 [2]和機(jī)械控制電路三大模塊組成，電源電路為數(shù)字控制電路提供穩(wěn)定的 5V 直流電壓；數(shù)字控制電路負(fù)責(zé)控制洗衣機(jī)的工作過(guò)程，主要由 AT89C2051單片機(jī)、按 鍵、蜂鳴器、 LED 指示燈組成；機(jī)械控制電路實(shí)現(xiàn)水位檢測(cè)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、進(jìn)水、排水等功能，主要由水位 開(kāi)關(guān) 、電動(dòng)機(jī)、進(jìn)水排水電磁閥組成。 The gnralstf(1mpoyidvc,u)0jb。5w2 3 硬件電路的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)控制的硬件電路（如圖 31）應(yīng)包括七個(gè)部分：微 控制 器控制電路、顯示電路、電機(jī)控制電路、進(jìn)水閥控制電路、排水閥控制電路、按鍵及報(bào)警電路和洗衣機(jī)的暫停功能和安全保護(hù)及防 振 動(dòng)功能。通過(guò)這幾個(gè)部分電路的協(xié)調(diào)工作，洗衣機(jī)能 自動(dòng) 進(jìn)行操作。 電路中 R5R15 均為 ，其余電阻均為 1K。 下面分別 闡 述各電路組成。 圖 31 洗衣機(jī)硬件控制電路 AT89C2051 單片機(jī) 微 控制 電路我們采用 ATMEL 公司的單片機(jī)，價(jià)格便 宜 、功能齊全、可靠性高、使用普遍。 AT89C2051 單片機(jī)，如圖 32，是 ATMEL 公司 8 位單片機(jī)系列產(chǎn)品之一， AT89C2051 單片機(jī)是一種 20 引腳雙列直插式芯片。它內(nèi)含 2KB 可反復(fù)燒錄的唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 3 FLASH 存儲(chǔ)器， RAM 字節(jié)也有 128 個(gè)， 有 15 條可編程控制的 I/O 線 [3]， 5 個(gè)中斷觸發(fā)源 ， 2 個(gè) 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ，已經(jīng)可以滿足程序的需要，指令和 MCS51 系列 完全 兼容 ?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，在需要 I/O 線 不多的控制場(chǎng)合，選用它作為核心控制芯片，可 使 電路極大簡(jiǎn)化 ，而且程序的編寫及固化也相當(dāng)方便、靈活。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 1000 次。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 ， 將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中 。 圖 32 AT89C2051 The gnralstf(1mpoyidvc,u)0jb。5w4 錯(cuò)誤 !未指定書簽。 主要特性及管腳說(shuō)明 主要特性 與 MCS51 兼容 2K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 1288 位內(nèi)部 RAM 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 5 個(gè)中斷源 錯(cuò)誤 !未指定書簽。 管腳說(shuō)明 VCC（ 20） ：供電電壓 +5V。 GND（ 10） ： 公共 接地 端 。 P1 口（ 1219）： P1 口是一組 8 位雙向 I/O 口， ～ 提供內(nèi)部上拉電阻， 和 內(nèi)部無(wú)上拉電阻，主要是考慮它們分別是內(nèi)部精密比較器的同相輸入端(AINO)和反相輸入 端 (AIN1)。 P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1 口引腳寫入 1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，它們將因內(nèi)部的上拉電阻而作為輸出。 P1 口還在 Flash 閃速編程及程序校驗(yàn)時(shí)接收代碼數(shù)據(jù)。 P3 口： P3 口的 ～ 、 是帶有內(nèi)部上拉電阻的 7 個(gè)雙向 I/O 口。 沒(méi)有引出，它作為一個(gè)通用 I/O 口雖不可訪問(wèn)，但可以作為固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號(hào)。當(dāng) P3 口寫入 1時(shí)，它們將被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。當(dāng)作為輸入端時(shí)，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸 出電流。 P3口也可作為 AT89C2051 的一些特殊功能口 [5]，如下所示： 口管腳 備選功能 （ 2）━ RXD（串行輸入口） （ 3）━ TXD（串行輸出口） （ 6）━ 0INT （外部中斷 0） （ 7）━ 1INT （外部中斷 1） （ 8）━ T0（ 計(jì) 時(shí)器 0 外部輸入） （ 9）━ T1（ 計(jì) 時(shí)器 1 外部輸入） ━ WR （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫 選通） （ 11）━ RD （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） RST(1)━ 復(fù)位輸入 ,當(dāng)振蕩器 [7]復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 5 XTAL1（ 5） ━ 反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2（ 4）━ 來(lái)自反向振蕩器的輸出。 顯示電路 本電路 包 括兩部：一部分為 LED 顯示，主要顯示：進(jìn)水時(shí)間、排水時(shí)間、洗滌時(shí)間，另一 部 分為各狀態(tài)顯示：強(qiáng)洗、弱洗等工作狀態(tài)。如圖 33 所示。 圖 33 顯示電路 發(fā)光二 極管簡(jiǎn)稱為 LED。由鎵（ Ga）與砷（ AS）、磷（ P）的化合物制成的二極管，當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出可見(jiàn)光，因而可以用來(lái)制成發(fā)光二極管，在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。 它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個(gè) PN 結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。?dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從 P 區(qū)注入到 N 區(qū)的空穴和由 N 區(qū)注入到 P 區(qū)的電子，在 PN 結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與 N 區(qū)的電子和 P 區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。 不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長(zhǎng)越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。 與小白熾燈泡和氖燈相比，發(fā)光二極管的特點(diǎn)是：工作電壓很低（有的僅一點(diǎn)幾伏）；工作電流很小（有的僅零點(diǎn)幾毫安即可發(fā)光）；抗沖擊和抗震性能 The gnralstf(1mpoyidvc,u)0jb。5w6 好，可靠性高，壽命長(zhǎng)；通過(guò)調(diào)制通過(guò)的電流強(qiáng)弱可以方便地調(diào)制發(fā)光的強(qiáng)弱。由于有這些特點(diǎn)，發(fā)光二極管在一些光電控制設(shè)備中用作光源，在許多電子設(shè)備中用作信號(hào)顯示器。 圖 34 74LS139 擴(kuò)口電路 74LS139 為雙 2— 4 線譯碼器，如圖 34 選用它可解決 AT89C2051 單片機(jī) I/O線數(shù)量不足 的問(wèn)題 。從控制要求可知，洗衣機(jī)有 4 種洗衣工作程序，因此須有 4 種不同的顯示來(lái)加以區(qū)別。 譯碼器是組合邏輯電路的一個(gè)重要的器件，其可以分為：變量譯碼和顯示譯碼兩類。 把二進(jìn)制代碼的各種狀態(tài)，按其原意翻譯成對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)的電路，叫做二進(jìn)制譯碼器，也稱為變量譯碼器，因?yàn)樗演斎胱兞康娜≈等g出來(lái)了 從控制要求可知，洗衣機(jī)有 4 種洗衣工作程序，因此須有 4 種不同的顯示來(lái)加以區(qū)別。 74LS139 雙 2— 4 線譯碼器（如圖 34）占用 AT89C2051 單片機(jī) 的 和 兩口線 ， 可提供 4 種不同顯示的驅(qū)動(dòng) [9]，其邏輯關(guān)系是： ， 為“ 11”時(shí) LED1 亮，指示標(biāo)準(zhǔn)程序；為“ 10”時(shí) LED2 亮，指示經(jīng)濟(jì)程序；為“ 01”時(shí) LED3亮，指示單獨(dú)程序；為“ 00”時(shí) LED4 亮，指示排水程序。 電機(jī)控制電路 電機(jī)控制電路如圖 35，由電路中可以看出： AT89C2051 單片機(jī) 的 P1 端 口的、 共 2 條 I/O 線通過(guò) 2 塊 SP1110 新型固態(tài)繼電器分別直接驅(qū)動(dòng)洗衣機(jī)的電唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 7 機(jī)工作部件。 SP1110 是一種交流固態(tài)繼電器，內(nèi)有發(fā)光二極管及 光觸發(fā)雙向可控硅 圖 35 電機(jī)控制電路 10～ 50mA 輸入電流即可使雙向可控硅完全導(dǎo)通，輸出端通態(tài)電流為 3A（平均值），浪涌電流 15A（不重復(fù)）。之所以選用這個(gè)器件，是因?yàn)樗环矫婵墒闺娐愤M(jìn)一步簡(jiǎn)化，另一方面還可使強(qiáng)、弱兩類電完全隔離，保證主板的安全。 洗衣機(jī)電機(jī)要有一定的輸出功率，所以要采用 220V 50HZ 的交流電。電機(jī)主要由定子鐵芯、定子繞組、轉(zhuǎn) 子 前后端蓋等組成。定子鐵芯中放置兩相繞組軸線在軸間成 90 度位置的線圈，其中一相稱為主繞組，另一相為副繞組。轉(zhuǎn)子是鑄鋁制成，成鼠籠條形狀。前、后端蓋軸承 室中安放軸承用以支撐轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 這種電機(jī)稱為單項(xiàng)異步電機(jī) [10]。為了在單一相供電時(shí)電機(jī)能異步啟動(dòng)，并在運(yùn)行時(shí)能正常旋轉(zhuǎn)，要采取一定的工作方式才能符合要求。根據(jù)不同的工作方式，單相異步電機(jī)可分為內(nèi)電阻異步啟動(dòng)電機(jī)、電容異步啟動(dòng)電機(jī)、罩極異步電機(jī)等。而根據(jù)洗衣機(jī)的特點(diǎn)：要求有好的 啟 動(dòng)和運(yùn)行性能，好的過(guò)載能力，能正反轉(zhuǎn)工作等，因此選用電容運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)比較合適。 電容運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)就是將電容器與副繞組串聯(lián)，由于電容器的作用，使副相繞組中電流的時(shí)間相位超前于主繞組中電流的相位 90 度（近似）。由電機(jī)學(xué)的基本理論可知，當(dāng)在空間兩 繞組軸線位置為 90 度，而通入兩相繞組的電流時(shí)間相位相差 90 度時(shí)，其合成磁場(chǎng)為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這樣才能使電機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)。 為滿足洗衣機(jī)工作要求，電機(jī)應(yīng)能正反相交替運(yùn)轉(zhuǎn)，要 使 電機(jī)反復(fù)進(jìn)行正 The gnralstf(1mpoyidvc,u)0jb。5w8 反運(yùn)轉(zhuǎn)，可采用兩種方法，一種是將主、副繞組中任意一相繞組的首位兩端換接， 為 將主繞組首位兩端換接，則在換接前副繞組的磁通在時(shí)間相位上超前主繞組，產(chǎn) 生 一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向，而主繞組首位換接后，主繞組產(chǎn)生超前于副繞組的磁通，這樣電機(jī)反相運(yùn)轉(zhuǎn)。另一種方法是將原接入副繞組的電容器，換接到主繞組上，這樣也使電機(jī)反轉(zhuǎn)。在這種情況下，要求電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)的性能 完全相同，而要求主 副 繞組設(shè)計(jì)完全一致，這樣兩繞組輪流使用時(shí)才不影響電機(jī)運(yùn)行性能。 圖 36 74S05 反相器 74S05 為六反相器 （如圖 36 所示） ，用作為中間緩沖器，其中的 4 個(gè)反相器可分別驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) SP1110 繼電器，剩余兩個(gè)反相器用于驅(qū)動(dòng) LED5 和 LED6。圖中 LED 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 9 發(fā)光二極管用于指示電機(jī)工作狀態(tài)。 電機(jī)是接在 220V 交流電壓上的，通過(guò)固體繼電器來(lái)開(kāi)通，其內(nèi)的雙向可控硅受發(fā)光二極管控制，如圖 35 所示，我們只要給發(fā)光二極管加低電平，二極管就會(huì)發(fā)光，雙向可控硅過(guò)零后，就會(huì)導(dǎo)通，電機(jī)一個(gè)繞組 就會(huì)有電流流過(guò)，同時(shí)我們?cè)匍_(kāi)通另外一個(gè)繞組，電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起 來(lái) ，由單片機(jī)來(lái)控制端口脈沖，即可啟動(dòng)，另外電機(jī)的方向控制，主要 是將原接入副繞組的電容器，換接到主繞組上，這樣可 使電機(jī)反轉(zhuǎn)。 進(jìn)水閥控制電路 進(jìn)水閥控制電路如圖 36 所示。 和電機(jī)控制電路一樣，通 過(guò) 固體繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)隔離，反相器 74S05 實(shí)現(xiàn)緩沖，發(fā)光二極管，指示工作狀態(tài)，進(jìn)水閥門的開(kāi)關(guān)，由繼電器來(lái)控制，當(dāng)繼電器線圈中有電流流過(guò)時(shí)，繼電開(kāi)關(guān)吸合，反之，就斷開(kāi)，利用這一特性，和單片機(jī) 端口相連來(lái)控制，給這個(gè)端口加低電平，反相緩沖后變成高電平，雙 向可控硅斷開(kāi)，線圈中沒(méi)有電流流過(guò)，閥門打開(kāi)；當(dāng)給端口加高電平時(shí)，給反相 器 倒相后變成低電平，點(diǎn)亮發(fā)光二極管，雙向可控硅開(kāi)通，繼電器線圈繞組中有電流流過(guò)，產(chǎn)生磁場(chǎng)，吸合開(kāi)關(guān)，閥門關(guān)閉。 圖 36 進(jìn)水閥控制電路 排水閥控制電路 排水閥控制電路如圖 37 所示。 排水閥控制電路和進(jìn)水閥電路一樣，通 過(guò) 固體繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)隔離，反相器 74S05 實(shí)現(xiàn)緩沖，發(fā)光二極管，指示工作狀態(tài)，進(jìn)水閥門的開(kāi)關(guān)，由繼電器來(lái)控制，當(dāng)繼電器線圈中有電流流過(guò)時(shí)，繼電開(kāi)關(guān)吸合，反之，就斷開(kāi)，利用這一特性，和單片機(jī) 端口相連來(lái)控制，給 這個(gè)端口加低電平，反相緩沖后變成高電平，雙向可控硅斷開(kāi)，線圈中沒(méi)有電流流過(guò)，閥門打開(kāi)；當(dāng)給端 The gnralstf(1mpoyidvc,u)0jb。5w10 口加高電平時(shí)，給反相 器 倒相后變成低電平，點(diǎn)亮發(fā)光二極管，雙向可控硅開(kāi)通，繼電器線圈繞組中有電流流過(guò)，產(chǎn)生磁場(chǎng)，吸合開(kāi)關(guān)，閥門關(guān)閉。 圖 37 排水閥控制電路 按鍵及報(bào)警電路 圖 38 按鍵及報(bào)警電路 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 11 CPU 的 線用于驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出各種報(bào)警信號(hào)（如圖 38 所示）。 5 引 腳外接 6MHZ 的晶振。 1 引 腳通過(guò) 10uF 電容接到 +5 電源，可實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)復(fù)位。 K7為強(qiáng)制復(fù)位鍵。洗衣機(jī)的強(qiáng)、弱洗可通過(guò) K1 鍵進(jìn)行 循環(huán)選擇。 K1 還具有第二功能，即當(dāng)洗衣機(jī)發(fā)生故障轉(zhuǎn)入報(bào)警程序后，按下 K1 鍵可使洗衣機(jī)退出報(bào)警狀態(tài)回到初始待命狀態(tài)。洗衣工作程序可通過(guò) K2 鍵循環(huán)選擇。洗衣機(jī)的工作狀態(tài)可通過(guò)LED7～ LED9 進(jìn)行顯示。脫水期間系統(tǒng)在響應(yīng)開(kāi)蓋或不平衡中止后， CPU 采取軟件查詢的方式通過(guò) 線對(duì)蓋開(kāi)關(guān)進(jìn)行監(jiān)測(cè)以確定洗衣機(jī)是否繼續(xù)進(jìn)行脫水操作。 洗衣機(jī)的暫停功能和安全保護(hù)及防振動(dòng)功能采用中