【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng)控制排水電磁閥和電機斷電，排水閥復位，同時蜂鳴器奏響，通知用戶整個洗衣程序結(jié)束。 單片機主控系統(tǒng) 電機控制電路 蜂鳴器報警電路 電源電路 進水、排水電路 復位電路 時鐘電路 顯示電路 武漢大學珞珈學院 電氣工程與自動化 11 第 3 章 硬件設(shè)計 控制系統(tǒng)的電路組成 該電路主要組成部件是由 AT89S51 單片機、指示燈、電動機、蜂鳴器、電控水龍頭、 LED 顯示燈、及 4 只按鍵組成。其組成如圖 所示。電動機有兩個控制端，一端控制電動機正轉(zhuǎn)且該端與 相連，另一端控制電動機的反轉(zhuǎn)且該端與 相連。電控水龍頭共兩個，一個為進水水龍頭且受 的控制，另一個為排水水龍頭而受 的控制，當電控水龍頭的控制端為“ 0”時水龍頭打開，當電控水龍頭的控制端為“ 1” 時水龍頭關(guān)閉。顯示器共有兩只 P0 控制高位顯示器 ， P2 控制低位顯示器。蜂鳴器有由 控制，當 輸出為“ 1”時蜂鳴器發(fā)聲。本系統(tǒng)采用 12M 的晶體振蕩器定時器 0 和定時器 1 的 設(shè)置為每隔 100us 產(chǎn)生一次中斷。 圖 控制系統(tǒng)的電路組成圖 電源電路 單片機系統(tǒng) 電源部分的電氣原理圖如圖 所示。市電 220V 經(jīng)過變壓器 T 變壓為12V 交流電，再通過 4 只二極管全橋整流，經(jīng)過電容 C C10 濾波得到光滑的直流電壓后，經(jīng)過三端穩(wěn)壓管（ 7805）穩(wěn)壓得到穩(wěn)定的 +5V 電壓給各器件供電。 單片機主控系統(tǒng) 電機控制電路 蜂鳴器報警電路 電源電路 進水、排水電路 復位電路 時鐘電路 顯示電路 武漢大學珞珈學院 電氣工程與自動化 12 圖 電源電路 單片機控制電路 AT89S51 單片機主控系統(tǒng) （ 1） 單片機的概述 單片機又稱微控制器或嵌入式控制器?，F(xiàn)在的智能家電沒有一個不是采用微控制器來實現(xiàn)的，所以家用電器是單片機應用最多的領(lǐng)域之一。它是家用電器實現(xiàn)智能化的心臟和大腦。 單片機主要應用在計算 機外設(shè)、實時控制、儀器儀表、通信和家用電器等各個地方是計算機技術(shù)和電子技術(shù)的綜合性應用，在不同的應用場合其技術(shù)要求各不相同，因此設(shè)計方案和研發(fā)的步驟也完全不一樣。 單片機應用系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件是指 MCU、存貯器 ， I/O 接口和外設(shè)等物理器件的組合。軟件是指系統(tǒng)監(jiān)控程序的總稱。在開發(fā)過程中它們的設(shè)計是不能完全分開的，應該互相配合、不斷調(diào)整才能組成高性能的應用系統(tǒng)。單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)包括系統(tǒng)總體設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試等，而且它們有時交叉進行。 單片機是現(xiàn)代電子設(shè)計中使用最廣泛的電子元件。它價 廉，但是功能強大、體積小、性能穩(wěn)定。目前在各類產(chǎn)品中都能看到單片機的身影如門鈴、電梯、玩具以及各種數(shù)據(jù)采用系統(tǒng)中等。 （ 2） AT89S51 芯片的特點 AT89S51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗高性能 CMOS8 位單片機內(nèi)含 4k bytes的可系統(tǒng)編程的 flash，只讀程序存貯器采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存貯技術(shù)產(chǎn)生兼容標準 8051 指令系統(tǒng)及引腳，它集 flash 程序存貯器既可在線編程（ ISP） 也可以用傳統(tǒng)方法進行編程及通用 8 位微處理器于芯片中， ATMEL 公司的功能強大低價位AT89S51 單片機可位 你提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各個控制領(lǐng)域。主要的性能參數(shù)： 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 4k 字節(jié)在系統(tǒng)編程 （ ISP） flash 閃速存貯器 武漢大學珞珈學院 電氣工程與自動化 13 1000 次擦寫周期 全靜態(tài)工作模式 0Hz33MHz 128*8 字節(jié)內(nèi)部 RAM 32 個可編程 I/O 線 2 個 16 位定時 /計數(shù)器 6 個中斷源 低功耗空閑和掉電模式 中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng) 掉電標示和快速編程特性 靈活的在于系統(tǒng)編程（ ISP 字節(jié)或葉寫模式），此外 AT89S51 設(shè)計和配置了振蕩頻率為 的振蕩電路 并可通過軟件設(shè)置省電模式?？?閑模式下 CPU 暫停工作而 RAM 定時計數(shù)器、串行口、外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM 的數(shù)據(jù)，停止芯片其他功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有PDIP、 TQFP 和 PLCC 三種封裝形式以適應不同產(chǎn)品的需要。硬件復位電路主要是實現(xiàn)復位功能，當單片機運行出現(xiàn)死循環(huán)時復位電路就可以起保護功能而實現(xiàn)復位作用。 AT89S51 單片機作為控制部件，該型號單片機共有 40 個引腳采用雙列直插式的，下面是各個引腳的功能： 圖 AT89S51的引腳圖 (1) 輸入 /輸出口線 ～ P0 口的 8 位雙向口線 。 ～ P1 口的 8 位雙向口線； 內(nèi)部具有上拉電阻。 ～ P2 口的 8 位雙向口線； 內(nèi)部具有上拉電阻。 ～ P3 口的 8 位雙向口線 ；內(nèi)部具有上拉電阻。還具有第二功能見表 31。 武漢大學珞珈學院 電氣工程與自動化 14 表 31 P3口的第二功能 口線 第二功能 信號名稱 RXD 串行數(shù)據(jù)接收 TXD 串行數(shù)據(jù)發(fā)送 INT0 外部中斷 0 的申請 INT1 外部中斷 1 的申請 T0 定時器 /計數(shù)器 0 計數(shù)輸入 T1 定時器 /計數(shù)器 1 計數(shù)輸入 WR 外部 RAM 寫選通 RD 外部 RAM 讀選通 2） 控制信號線 RST復位輸入信號高電平有效 ,用以完成單片機的復位初始化操作。 EA/Vpp外部程序存貯器訪問允許信號 /編程電壓輸入端，當 EA 信號為低電平時，對 ROM 的讀操作限定在外部程序存儲器；當 EA 信號為高電平時，對 ROM 的讀操作是從內(nèi)部程序存儲器開始的，并可延至外部程序存儲器。 PSEN低電平有效，可實現(xiàn)對外部 ROM 單元的讀操作。 ALE/PROG低字節(jié)地址鎖存信號 /編程脈沖輸入端 3） 電源和外部晶振引腳 Vcc電源電壓輸入引腳 GND電源地 XAL XTAL2外部晶振引腳 4） 存儲器的分配 AT89S51 的內(nèi)部共有 256 個數(shù)據(jù)存儲單元，通常把這 256 個單元按其功能劃分為兩部分：低 128 單元和高 128 單元，其中低 128 個單元供用戶暫存中間數(shù)據(jù)，可讀可寫，掉電后數(shù)據(jù)會丟失；高 128 個單元被專用寄存器占用。 其中內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的分配情況如圖 所示 : 武漢大學珞珈學院 電氣工程與自動化 15 圖 數(shù)據(jù)存儲器的分配情況圖 單片機的復位電路 復位電路的作用是復位。在單片機接上 電源以后，或電源出現(xiàn)過低電壓時，將單片機存儲器復位，使其各項參數(shù)處于初始位置，即處于開機時的標準程序狀態(tài)，以消除由于某種原因的程序紊亂。 單片機的復位電路有上電復位和手動復位兩種形式， RST 端的高電平直接由上電瞬間產(chǎn)生高電平則為上電復位；若通過按鈕產(chǎn)生高電平復位信號則稱為手動復位。圖 為兼有上電復位和手動復位的電路。 上電復位是利用電容充電來實現(xiàn)復位，其工作原理是：上電瞬間 RST 端的電位與VCC 相同，隨著電容 C6 充電電流的減小， +5V 的電壓立即加到了 RST 端，該高電平使得單片機復位。 手動復位是利用開關(guān) K 來實現(xiàn)復位，此時電源 Vcc 經(jīng)兩電阻分壓，在 RST 端產(chǎn)生一個高電平，使得單片機復位。當 RST 由高變低后復位結(jié)束， CPU 從初始狀態(tài)開始工作。 單片機的復位都是靠外部電路實現(xiàn)的，在本次設(shè)計中采用手動復位，如圖 ： 武漢大學珞珈學院 電氣工程與自動化 16 圖 單片機復位電路 單片機的時鐘電路 時鐘電路由晶振元件與單片機內(nèi)部電路組成，產(chǎn)生的振蕩頻率為單片機提供時鐘信號，供單片機信號定時和計時。 在 AT89S51 單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，其輸入端引腳為 XTAL1，其輸出端為 XTAL2。只要在兩引腳之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容 C C5，就可以構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。本設(shè)計采用圖 所示電路。 一般地，電容 C1 和 C2 取 33pf 左右；晶體振蕩器，簡稱晶振，頻率范圍是~12MHz。晶振頻率越高，系統(tǒng)的時鐘頻率也就越高，單片機的運行速度也就越快。在通常情況下，使用振蕩頻率為 6MHz 或 12MHz 的晶振。如果系統(tǒng)中使用了單片機的串行口通信，則一般使用頻率為 的晶振。而在本次設(shè)計中采用的是頻率為 的晶振。 圖 時鐘電路 武漢大學珞珈學院 電氣工程與自動化 17 顯示電路 顯示模塊由發(fā)光二極管和 LED 顯示器組成。 （ Light Emiting Diode） 是發(fā)光二極管英文名稱的縮寫。本次設(shè)計中我們采用發(fā)光二極管主要是用來指示洗衣機的工作狀態(tài)。 5 個發(fā)光二極管分別跟單片機的 P1口的 5 個 I/O 口連接，如圖 所示。當發(fā)光二極管的負極所對應的 P1 口為低電平時，發(fā)光二極管導通。 圖 發(fā)光二極管電路 顯示器是由發(fā)光二極管構(gòu)成的，所以在顯示器前面冠以“ LED”。本次設(shè)計只是顯示時間，所以采用 LED 顯示器 就可以達到目的了。如圖 所示 : 圖 LED顯示器電路 （ 1） LED 顯示器的結(jié)構(gòu) 常用的 LED 為 8 段或 7 段。每一個段對應一個發(fā)光二極管。這種顯示器有共陽極和共陰極 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。 當某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮，相應的段被顯示。同樣，共陽極 LED 顯示器的發(fā)光二極管的陽極連接在一起，通常此公共陽極接正電壓，當某個發(fā)光二極管接低電平時，發(fā)光二極管被點亮，相應的段被顯示。 為了使 LED 顯示器顯示不同的符號或數(shù)字，就要把不同段的發(fā)光二極管點亮，這武漢大學珞珈學院 電氣工程與自動化 18 樣就要為 LED 顯示器提供代碼，因為這些代碼可使 LED 相應的段 發(fā)光，從而顯示不同字型，因此該代碼稱之為段碼（或稱為字型碼）。 （ 2） LED 顯示器工作原理 LED 顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示 2 種方式。 LED 顯示器工作于靜態(tài)顯示方式時，各位的共陰極（共陽極）連接在一起并接地（或 +5V）；每位的段碼線（ adp）分別與一個 8 位的鎖存器輸出相連。之所以稱之為靜態(tài)顯示，是因為各個 LED 的顯示字符一經(jīng)確定，相應鎖存器鎖存的段碼輸出將維持不變，直到送入另一個的段碼為止。正因為如此，靜態(tài)顯示器的亮度都較高，但靜態(tài)現(xiàn)實的缺點是占用口線太多，如果顯示器的位數(shù)太多，則需要加鎖存器，因此一般 情況下采用動態(tài)顯示。 在多位 LED 顯示時，為簡化硬件電路，通常將所有位的段碼線相應段并聯(lián)在一起，由 1 個 8 位 I/O 口控制，形成段碼線的多路復用，而各位的共陰極或共陽極分別由相應的 I/O 線控制，形成各位的分時選通。 本次設(shè)計中我們采用的是 2 位共陽極數(shù)碼管，其中段碼線占用 1 個 8 位 I/O 口，即為 P0 口，而位選占用 2 個 I/O 口，在 P2 口。由于各位的段碼線并聯(lián) ， 8 位 I/O 口輸出的段碼對各個顯示位來說都是相同的。因此，在同一時刻，如果各位位選都處于選通狀態(tài)的話， 2 位 LED 將顯示相同的字符。若要各位 LED 能夠顯示出與本位相 應的顯示字符，就必須采用動態(tài)顯示，即在某一時刻，只讓一位的位選線處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選處于關(guān)閉狀態(tài)，同時，段碼線上輸出相應位要顯示的字符段碼。這樣，在同一時刻， 2 位 LED 中只有選通的那位顯示字符，而其他 1 位則是熄滅的。同樣，在下一時刻，只讓下一位的位選處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)，在段碼線上輸出將要顯示字符的段碼，則同一時刻，只有選通位顯示出相應的字符，而其他各位都是熄滅的。如此循環(huán)下去，就可以使各位顯示出將要顯示的字符。雖然這些字符是在不同時刻出現(xiàn)的，而在同一時刻，只有一位顯示，其 他各位熄滅，但由于 LED 顯示器的余輝和人眼的視覺暫留作用，只要每位顯示間隔足夠短，則可以造成多位同時亮的假象，達到同時顯示的效果。 蜂鳴器報警電路 本設(shè)計采用無源蜂鳴器，單片機必須輸出固定頻率的方波信號，其工作電壓范圍寬， 412V，需要外圍元件少，電壓增益可調(diào)范圍為 20200。通過 CPU 的 輸出高電平來控制蜂鳴器報警。如圖 所示： 武漢大學珞珈學院 電氣工程與自動化 19 圖 蜂鳴器報警電路 電動機的控制電路 繼電器是在自動控制電路中起控制與隔離作用的執(zhí)行部件，它實際上是一種可以用低電 壓、小電流來控制高電壓、大電流的自動開關(guān)。 電動機 M 控制部分的電氣原理圖如圖 所示。電動機有兩個控制端，一端控制電機正傳該端與 相連，另一端控制電機反轉(zhuǎn)該端與 P 相連。系統(tǒng)供電時交流 220V 電壓經(jīng)過繼電器加在電動機的兩個控制端。當洗衣機接到“正轉(zhuǎn)”指令時