【文章內(nèi)容簡介】 洗時 ， 漂洗指示燈 亮 ；脫水時 ， 脫水指示燈 亮 。 3． 有水位控制 ，能自動斷水。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 3 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì) 主控電路的設(shè)計(jì) 關(guān)于 AT89C51 芯片 本次設(shè)計(jì)中， 系統(tǒng) 將選擇使用的單片機(jī)是 AT89C51。在眾多的 51 單片機(jī)系列中，AT89 系列單片機(jī)在我國也得到極其廣泛的應(yīng)用，越來越受到人們的矚目 [14]。 AT89 系列單片機(jī)是美國 Atmel 公司的 8 位 Flash 單片機(jī)產(chǎn)品。 AT89C51 是一種 4K字節(jié)閃爍可編程可擦除 只讀存儲器 (FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱 單片機(jī) 。它的最大特點(diǎn)是在片內(nèi)含有 Flash 存儲器， Flash 存儲器是 一種可以電擦除和電寫入的閃速存儲器 (簡記為FPEROM)，在系統(tǒng)的開發(fā)過程中可以十分容易地進(jìn)行程序的修改，使開發(fā)調(diào)試更為方便。 AT89 系列單片機(jī)以 8031 為內(nèi)核，是與 8051 系列單片機(jī)兼容的系列， Atmel89 系列單片機(jī)有許多型號，可分為標(biāo)準(zhǔn)型號、低檔型號和高檔型號 3 類。 系統(tǒng) 將選用的AT89C51 是屬于標(biāo)準(zhǔn)型單片機(jī)。標(biāo)準(zhǔn)型 89 系列單片機(jī)是與 MCS51 系列單片機(jī)兼容的。標(biāo)準(zhǔn)型系列在內(nèi)部含有 4KB 或 8KB 可重復(fù)編程的 Flash 存儲器，可進(jìn)行 1000 次擦寫操作。全靜態(tài)工作為 0~33MHz，有 3 級程序存儲器加 密鎖定，內(nèi)部含有 128~256 字節(jié)的RAM、 32 條可編程的 I/O 端口、 2 個 16 位定時器 /計(jì)數(shù)器、 6~8 級中斷，此外有通用串行接口、低電壓空閑模式及掉電模式。 AT89 系列標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)有 4 種型號，分別為 AT89C5 AT89LV5 AT89C52 和AT89L52，其中 AT89C51 和 AT89C52 直接與 8051 系列兼容，相當(dāng)于將 805 8052 中的 4KB、 8KB 的 ROM 換成相應(yīng)數(shù)量的 Flash 存儲器，其余結(jié)構(gòu)、供電電壓、引腳數(shù)量及封裝均相同，使用時可直接替換。 AT89LV51 是 AT89C51 低電壓型號 ， 可以在 ~6V的電壓范圍內(nèi)工作，其他功能和 89C51 相同 [15]。 AT89C51 圖的引腳圖及總線結(jié)構(gòu)圖 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 31 引腳圖 圖 32 總線結(jié)構(gòu)圖 AT89C51的引腳功能： 1． 電源引腳 VSS 和 VCC (1) VSS(20 腳 )： 接地。 (2) VCC(40 腳 )：正常操作及對 EPROM 編程和驗(yàn)證時接 +5V電源。 2． 外接晶體引腳 XTALl 和 XTAL2 (1) XTALl(19 腳 )：接外部晶體的 一端。 (2) XTAL2(18 腳 )： 接外部晶體的另一端。 注：兩腳之間必須接一個 ~12HZ 的晶振，常用的晶振有 ， 6MHZ， 和 12MHZ。 3． 控制或與其他電源復(fù)用引腳 RESET、 ALE、 PSEN 、 EA (1) RESET(9 腳 )：復(fù)位輸入腳。此引腳內(nèi)部已有一個 50~30K 的電阻器接地，所以只需接一個電容至 +VCC，即可在電源 ON 時產(chǎn)生開機(jī)復(fù)位的功能。但是，常會在 RESET引腳用一 個 ~10K 的電阻接地，以縮短開機(jī)復(fù)位的時間。如需要，也可在電容兩端并聯(lián)一個常開按鈕，以便按此按鈕時可強(qiáng)迫系統(tǒng)復(fù)位。 (2) ALE(30 腳 )： 地址鎖存器輸出端。在系統(tǒng)擴(kuò)展時，用于控制把 P0 口輸出的低 8位地址送入鎖存器鎖存起來，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。 ALE 是以晶振 1/6 的固定頻率輸出的正脈沖，因此可以作為外部時鐘或外部定時脈沖用。 (3) PSEN (29 腳 )：外部程序存儲器使能輸出端。當(dāng) CPU 想讀取外部 ROM 的內(nèi)容時，此腳會自動產(chǎn)生負(fù)脈沖。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 (4) EA (31 腳 )： 輸入腳。當(dāng) EA 引腳接地時，內(nèi)部程序數(shù)據(jù)失效， CPU 被迫只讀取外部的程序存儲器。當(dāng) EA 接 VCC 時，對 ROM 的讀操作從內(nèi)部程序存儲器開始，并可延續(xù)到外部 ROM。 4． 輸入 /輸出引腳 P0 口、 P1 口、 P2 口和 P3 口 (1) P0 口 (～ 共 8 條引腳，即 39~32 腳 )：雙向 8 位 I/O 口。沒有內(nèi)部上拉電阻器，輸出電平時，需用戶在引腳接上外部上拉電阻器。在訪問外部存儲器時，可分時用做低 8 位 地址線和 8 位數(shù)據(jù)線。 P0 口做輸出口用時，每只引腳均可驅(qū)動 8 個 LSTTL負(fù)載。若某引腳想做輸入腳用，則必須先將 1 寫入該引腳。 (2) P1 口 (~ 共 8 條引腳，即 l~8 腳 )：雙向 8 位 I/O 口。具有內(nèi)部上拉電阻器，可驅(qū)動 4 個 LSTTL 負(fù)載。若某引腳想做輸入腳用，則須先將 1 寫入該引腳。 (3) P2 口 (~ 共 8 條引腳，即 21~28 腳 )：雙向 8 位 I/O 口。具有內(nèi)部上拉電阻器，可以驅(qū)動 4 個 LSTTL 負(fù)載。在訪問外部存儲器時，它送出高 8 位地址。 (4) P3 口 (~ 共 8 條引腳，即 10~17 腳 )：雙向 8 位 I/O 口。具有內(nèi)部上拉電阻器，可驅(qū)動 4 個 LSTTL 負(fù)載。若某引腳想做輸入腳用，則須先將 1 寫入該腳。 P3 口引腳具有特殊功能。 AT89C51 外圍輔助電路的設(shè)計(jì) 1． 復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位就和計(jì)算機(jī)的重啟是一樣的概念。任何單片機(jī)工作之前都要有個復(fù)位的過程，復(fù)位對于單片機(jī)來說，程序還沒有開始執(zhí)行，是在做準(zhǔn)備工作，一般的復(fù)位只需要 5ms 的時間。 復(fù)位操作有上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位兩種方式。上電復(fù)位是外部的復(fù)位電路在系統(tǒng)通上電源后直接使單片機(jī)工作，單片機(jī)的起停通過電源控制。手動復(fù) 位是在復(fù)位電路中設(shè)計(jì)按鍵開關(guān)觸發(fā)復(fù)位電平，控制單片機(jī)復(fù)位。一般都用上電復(fù)位電路。 上電自動復(fù)位原理：通電時，電容兩端相當(dāng)于短路，于是 RESET 引腳上為高電平，然后電源通過電阻對電容充電， RESET 端電壓慢慢下降，降到一定程度即為低電平，單片機(jī)開始正常工作，如圖 33 所示 ： 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 33 復(fù)位電路圖 2． 振蕩電路 振蕩電路對于單片機(jī)來說是非常重要的， 沒有晶振就沒有時鐘周期，沒有時鐘周期，就無法執(zhí)行程序代碼，單片機(jī)就無法工作。單片機(jī)工作時是一條一條地從 ROM 中取指令，然后一步一步地執(zhí)行。 單片機(jī)內(nèi) 部有一個用于構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體 (或陶瓷諧振器 )一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路圖 34 所示。圖中外接石英晶體 (或陶瓷諧振器 )以及電容 1C 或 2C 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。電容的大小沒有嚴(yán)格的要求，但也會影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和穩(wěn)定性。外接石英晶體時， 1C 和 2C 一般取 30pF177。10pF，外接陶瓷諧振器時， 1C 和 2C 一般取 40pF177。10pF。本系統(tǒng)采用 12MHz 的晶振，電容取 30pF。 圖 34振蕩 電路圖 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 3． 單片機(jī) 最小系統(tǒng) 圖如圖 35 所示 ： 圖 35最小系統(tǒng) 圖 各部分電路設(shè)計(jì) 洗衣機(jī)控制器控制面板的設(shè)計(jì) 衣機(jī)控制面板主要包括：啟動 /停止、標(biāo)準(zhǔn)、輕柔、快速、水位選擇按鈕 以 及狀態(tài)顯示燈 ，如圖 36 所示： 圖 36 洗衣機(jī)面板圖 標(biāo)準(zhǔn) 輕柔 快速 啟動 /停止 低 中 高 電源 洗滌 漂洗 脫水 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 完成一次洗衣過程所需的動作有 ： 1． 進(jìn)水動作 ： 進(jìn)行洗滌時，盛水桶內(nèi)的水量必須達(dá)到水位設(shè)定要求。洗衣機(jī)的進(jìn)水和水位判斷，是由水位開關(guān)和進(jìn)水閥的開合來進(jìn)行控制的，當(dāng)桶內(nèi)沒有水或水量達(dá)不到設(shè)定水位時，單片機(jī)程序?qū)⒖刂七M(jìn)水閥 打開 ，開始注水，當(dāng)桶內(nèi)的水位達(dá)到設(shè)定水位時，水位開關(guān)受壓閉合，程序就可進(jìn)入下一步處理。 2． 排水動作 ： 進(jìn)入脫水動作前應(yīng)先排水。為了避免空排水造成時間浪費(fèi)以及排水不完而帶水脫水造 成對電機(jī)的損害。洗衣機(jī)能夠根據(jù)實(shí)際水量對排水時間進(jìn)動態(tài)控制。 3． 洗滌動作 ： 洗滌動作指的是電機(jī)周期性的“正轉(zhuǎn) 停止 反轉(zhuǎn) 停止”。不同的洗衣過程，控制電機(jī)執(zhí)行“正轉(zhuǎn) 停止 反轉(zhuǎn) 停止”的時間是不同的 。 4． 脫水動作 ： 排水結(jié)束后進(jìn)入脫水動作，脫水是通過電機(jī)的正轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的，同時要求排水閥一直打開，也正是由于排水閥的打開，才使得脫水時的電機(jī)正轉(zhuǎn)速度不同于洗滌時的電機(jī)正轉(zhuǎn)速度。進(jìn)行脫水時若遇到洗衣機(jī)蓋打開，則暫停脫水，并發(fā)出報警，直至用戶合上桶蓋后，才繼續(xù)進(jìn)行脫水。脫水結(jié)束后，發(fā)出報警，并自動關(guān)閉排水閥。 5． 脫水 不平衡修正 ： 進(jìn)行脫水處理，電機(jī)要正轉(zhuǎn)，電機(jī)要進(jìn)行高速單向正轉(zhuǎn)，若此時衣物偏向于一邊，脫水桶會因離心的作用，在很短的時間內(nèi)碰撞安全開關(guān)裝置，使安全開關(guān)產(chǎn)生瞬時的關(guān)閉和斷開，此時要進(jìn)行脫水不平衡修正。進(jìn)行脫水不平衡修正，洗衣機(jī)將停止脫水，并自動插入“進(jìn)水 洗滌 1 分鐘 排水”動作。通過這一插入動作，衣服將調(diào)整到洗衣桶中心位置。在同一脫水過程中，如果連續(xù)修正 3 次仍達(dá)不到脫水平衡，則進(jìn)行報警，等用戶打開洗衣機(jī)將衣物放置均勻再蓋上桶蓋，方可繼續(xù)進(jìn)行脫水。 6． 其它動作 ： 洗衣機(jī)控制器在此控制面板上還配有啟動 /停止、標(biāo)準(zhǔn)、 輕柔、快速、水位選擇按鈕。 晶閘管驅(qū)動控制電路設(shè)計(jì) 1． 驅(qū)動芯片 ULN2803 ULN2803 驅(qū)動 芯片 為 高電壓大電流八達(dá)林頓晶體管陣列， 該陣列系列的八達(dá)林頓晶體管是低邏輯電平數(shù)字電路 (如 TTL、 CMOS 或 PMOS/NMOS)和大電流高電壓要求的燈、繼電器、打印機(jī)和其它類似負(fù)載間的接口的理想器件 [16]。廣泛用于計(jì)算機(jī)，工業(yè)和消費(fèi)類產(chǎn)品中。所有器件有集電極開路輸出和用于瞬變抑制的續(xù)流箝位二極管。ULN2803 的設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn) TTL 系列兼容。 其工作參數(shù)如表 31 所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 37所示 ： 標(biāo)準(zhǔn) 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 表 31 ULN2803工作電壓及工作環(huán)境 額定值 符號 值 單位 輸出電壓 V0 50 V 輸入電壓 V1 30 V 集電極電流 連續(xù) LC 500 mA 基極電流 連續(xù) LB 25 mA 工作環(huán)境溫度范圍 LA 0至 +7 。 C 保存溫度范圍 Tstg 55至 +150 。 C 結(jié)溫 TJ 125 。 C 圖 37 ULN2803內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 2． 晶閘管驅(qū)動控制電路 設(shè)計(jì) 控制洗衣機(jī)的進(jìn)水閥、排水閥和電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)。完成洗衣機(jī)的進(jìn)水、排水以及驅(qū)動電機(jī)洗衣功能。單片機(jī) I/O口直接與驅(qū)動芯片 ULN2803連接，將信號放大后驅(qū)動晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷 ， 具體電路如圖 38所示 ： 圖 38 晶閘管驅(qū)動電路 圖 洗衣機(jī)完成衣物檢測或手動設(shè)置洗衣程序后，進(jìn)水閥打開，當(dāng)水位檢測電路檢測水青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 位達(dá)到預(yù)定高度時，進(jìn)水閥關(guān)閉停止進(jìn)水。在整個進(jìn)水過程中，若進(jìn)水閥打開時間超過15分鐘水位檢測電路仍未檢測到水位達(dá)到預(yù)定高度，洗衣機(jī)將會報警并暫停水，等待故障排除。如果無故障，當(dāng)進(jìn)水滿后關(guān)閉進(jìn)水閥，啟動電機(jī)開始洗滌。洗滌程序結(jié)束排水閥將會打開，進(jìn)入脫水程序。 3． ULN2803與單片機(jī)接口電路 圖 39 ULN2803與單片機(jī)接口 圖 水位 監(jiān) 測電路 設(shè)計(jì) 1．水位開關(guān) 水位開關(guān)和聯(lián)動開關(guān)是全自動洗衣機(jī)中比較重要而結(jié)構(gòu)又相對簡單的兩個器件。它們一般都在直流低壓下工作，是電子程控器的兩個輸入端，只有判定它們處于正確的閉合狀態(tài)，程序才可以正常地向下運(yùn)行，完成正常的操作。 (1) 工作原理： 全自動洗衣機(jī)水位開關(guān)的主要作用是控制洗衣機(jī)的水位高低。正常情況下，微電腦全自動洗衣機(jī)的水位開關(guān)只有 2 個插片。在沒有受到水壓時，兩插片的觸點(diǎn)是斷開的。在選定洗滌程序、選擇水位后，洗衣機(jī)開始工作，先進(jìn)水，當(dāng)水位到一定高度后 ，盛水桶氣室中的氣壓達(dá)到一定值，通過導(dǎo)氣管把氣壓傳到水位開關(guān)橡膠密封圈上，克服水位開關(guān)彈簧、扭簧的力而推動橡膠密封圈動作，使兩插片觸點(diǎn)接通，這樣就給微電腦一個信號，說明已到所選水位。同樣選定脫水程序，在洗衣機(jī)排水后，水位退到一定高度時，由于彈簧力作用，水位開關(guān)橡膠密封圈復(fù)原，而使兩觸點(diǎn)斷開，給微電腦一個動 作信號，過一段排水時間后，微電腦就