【正文】 稱微控制器，或稱嵌入式控制器。它是家用電器實現(xiàn)智能化的心臟和大腦。而家用電器品種多，功能差異也大，所以又要求其控制器有靈活的控制功能。 單片機(jī)主要用于計算機(jī)外設(shè)、實時控制、儀器儀表、通信和家用電器等各個領(lǐng)域，是計算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的綜合性應(yīng)用， 在不同應(yīng)用場合其技術(shù)要求各不相同，因此設(shè)計方法和研制的步驟不完全一樣。硬件是指 MCU、存儲器、 I/O 接口和外設(shè)等物理器件的有機(jī)組合。在開發(fā)的過程中，它 5 們的設(shè)計不能完全分開，二者需要互相配合、不斷調(diào)整才能組成高性能的應(yīng)用系統(tǒng)。 設(shè)計任務(wù) （ 1）系統(tǒng)總體設(shè)計任務(wù) 在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計之前，首先應(yīng)根據(jù)對系統(tǒng)的功能要求及其應(yīng)用環(huán)境等確定合理的、具體 的功能和技術(shù)指標(biāo)，對應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性、通用性、先進(jìn)性、可維護(hù)性、以及成本等進(jìn)行綜合考慮，以盡量合理并符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。接下來要根據(jù)系統(tǒng)中可能遇到的傳感器、模擬電路、 I/O 接口、存儲器和顯示器等器件和設(shè)備進(jìn)行器件選擇，使之符合系統(tǒng)在精度、速度和可靠性等方面的要求。由于在系統(tǒng)設(shè)計中某些功能用硬件和軟件都能實現(xiàn)，在設(shè)計中應(yīng)綜合考慮研制周期和成本等因素具體劃分軟硬件功能。在硬件設(shè)計中，需要考慮系統(tǒng)總線的負(fù)載能力、系統(tǒng)擴(kuò)展時的片選方式、模擬電路的速度和精度等，如需擴(kuò)展存儲器則盡量用一片完成，這樣既降低了成本，又減小了線路板的面積，同時提高了系統(tǒng)的可靠性。與系統(tǒng)機(jī)上操作系統(tǒng)支持下的純軟件不同，單片機(jī)的軟件設(shè)計是在裸機(jī)的條件下進(jìn)行的 ，而且隨應(yīng)用系統(tǒng)的不同而不同。一般系統(tǒng)軟件的主程序和若干個子程序及中斷服務(wù)程序組成，詳細(xì)劃分主程序、子程序和中斷服務(wù)程序的具體任務(wù)，確定各個中斷的優(yōu)先級。在子程序和中斷服務(wù)程序中，要考慮現(xiàn)場的保護(hù)和恢復(fù)，以及它們和主程序之間的信息交換方法。具體設(shè)計時可采用自底向上或自頂向下的方法。 4） 在程序設(shè)計完成后，利用相應(yīng)的開發(fā)工具和軟件進(jìn)行程序的匯編，生成程序的機(jī)器碼。應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試步驟和方法是相同的，但具體細(xì)節(jié)與采用的開發(fā)系統(tǒng)（即仿真器）及選用的單片機(jī)型號有關(guān)。 系統(tǒng)設(shè)計要求 AT89C2051 單片機(jī)是 ATMEL 公司 8位單片機(jī)系列產(chǎn)品之一，是一種 20 引腳雙列直插式芯片。 洗衣機(jī)要完成洗衣工作，除了對一般洗衣過程的人工工作及效能進(jìn)行模擬之外，還要根據(jù)洗衣機(jī)的機(jī)械電子性質(zhì)進(jìn)行有關(guān)控制和檢測。所以對全自動洗衣機(jī)，一般要求具有如下基本功能： （ 1）弱強(qiáng)洗滌功能。 （ 2） 4 種洗衣工作程序，即標(biāo)準(zhǔn)程序 經(jīng)濟(jì)程序 單獨程序和排水程序。單獨程序是進(jìn)水 — 洗滌（ 6 min)— 結(jié)束（留水不排不脫）。 （ 3）進(jìn)排水系統(tǒng)故障自動診斷功能。 （ 4）脫水期間安全保護(hù)和防振動功能。脫水期間，如果出現(xiàn)衣物纏繞引起脫水桶重心偏移而不平衡，洗衣機(jī)也會自動停止脫水，以免振動過大，待人工處理后恢復(fù)工作。脫水期間采取間歇驅(qū)動方式，以便節(jié)能。 （ 6）暫停功能 。 （ 7）聲光顯示功能。 系統(tǒng) 解決的問題和擬采用的研究手段 本課題主要是研究 基于單片機(jī)的全自動洗衣機(jī)控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計。 針對課題采取以下研究方法及步驟： 各種元器件以及芯片的選擇 硬件電路的設(shè)計 用匯編語言 完成軟件方面的設(shè)計 結(jié)合電路對程序進(jìn)行調(diào)試 找出程序中的錯誤，改正這些錯誤 本文的工作就是介紹如何做一個 全自動洗衣機(jī) ，第 2 部分給出相關(guān)方案的研 9 究為后面程序設(shè)計打下基礎(chǔ)，第 3部分給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計，對程序的模塊分析、設(shè)計思想第 4部分給出詳細(xì)的實現(xiàn)過程和重要的技術(shù)實現(xiàn)。 10 第二章 系統(tǒng)的總體設(shè)計 洗衣機(jī)是一種在家庭中不可缺少的家用電器 ,發(fā)展非?？?,全自動式洗衣機(jī)因使用方便得到大家的青睞 ,全自動即進(jìn)水、洗滌、漂洗、摔干等一系列過程自動完成 ,控制器通常設(shè)有幾種洗滌程序 ,對不同的衣物可供用戶選擇。 硬件電路框圖如圖 1所示，在該硬件系統(tǒng)中主要由核心單元電路 、 進(jìn)水閥控制電路 、 排水閥控制電路 、 電機(jī)轉(zhuǎn)動控制電路 、 狀態(tài)顯示電路 、 特殊功能電路等單元組成。 8051 是由 INTEL 公司發(fā)展出來的 8bit MCU(微處理器 )，目前在工業(yè)界 的應(yīng)用相當(dāng)?shù)钠占盎壳耙延邢喈?dāng)多家的公司也制造與 8051 兼容的單晶 片，除的基本的構(gòu)造相同外，更增加其周邊的控制功能 ，例如 DALLAS 公司生產(chǎn)的DS87C550，已經(jīng)內(nèi)建 A/D 轉(zhuǎn)換和 PWM，如此可減少周邊組件 和布線的成本，而國內(nèi)的華邦電子公司也推出了 40MHZ W78C51/52/54/58 ATMEL 半導(dǎo)體公司的AT89C51 系列的產(chǎn)品，不需紫外線的清除，而是用電 子式抹除，比一般的 51 系列更為方便，目前在一般的學(xué)校實習(xí)，大都采用此 系列產(chǎn)品。由于 51 家族繁多，所以在設(shè)計之前，必須針對 51 家族功能有相當(dāng)?shù)恼J(rèn)識 如此才能選購符合自己所需，而且價格便宜的 MCU。 MCS51 單芯片一般分為三個版本： 12 1. 單芯片內(nèi)部不包含程序記憶體，稱為 ROMless。 3. 單芯片內(nèi)部已內(nèi)建 EPROM。 INTEL 公司出產(chǎn)的各版本 MCS51 編號如下： 組件編號 內(nèi)部程序內(nèi)存大小 定時器 中斷個數(shù) ROM 容量 RAM 容量 8031AH None 128*8RAM 2*16Bit 5 8051AH 4K*8ROM 128*8RAM 2*16Bit 5 8051AHP 4K*8ROM 128*8RAM 2*16Bit 5 8751H 4K*8EPROM 128*8RAM 2*16Bit 5 8751H8 4K*8EPROM 128*8RAM 2*16Bit 5 8751BH 4K*8EPROM 128*8RAM 2*16Bit 5 8032AH None 256*8RAM 3*16Bit 6 8052AH 8K*8ROM 256*8RAM 3*16Bit 6 8752BH 8K*8EPROM 256*8RAM 3*16Bit 6 其特性如下： 1. 是一個 8位的 MCU。 3. 4個 8 位 Port，共有 32 條雙向且可獨立被控制的 I/O Port。 5. 有 4K*8 ROM 的程序記憶體 (8052 為 8K*8)。 7. 具有全雙工傳輸信號 UART。 9. 內(nèi)部有時脈 (CLOCK)振蕩器電路 (12MHZ)。 11. 資料記憶體 (RAM)可擴(kuò)充至 64K Byte。為了方便讓讀者選購 ATMEL 14 公司出產(chǎn)的 MCS51，以下 介紹其 IC 編號所代表的意義： ATMEL 公司生產(chǎn)的各版本 MCS51 編號如下： 組件編號 程序內(nèi)存(Program Memory) 數(shù)據(jù)存儲器容量 (Data Memory Bytes) 16bit 定時器(16bit timer) AT89C1051 1K Flash 64 RAM 1 AT89C2051 2K Flash 128 RAM 2 AT89C51 4K Flash 128 RAM 2 AT89C32 8K Flash 256 RAM 3 AT89C55 20K Flash 256 RAM 3 AT89S8252 8K Flash 256 RAM 2K EEPROM 3 AT89S53 12K Flash 256 RAM 3 由于 AT89C51/52/55 是一般較為通用的 MCU，我們就把它與 8051/8052 做功能上的比較，其所增加功能如下 ： 15 1. 具有 4K/8K Bytes 可重復(fù)規(guī)劃的快閃記憶體 (Reprogrammable Flash Memory)，可寫入 /抹除 1000 次以上，程序可保存 10 年以上。 3. 操作電壓： 5V 。 5. 三個可規(guī)劃的記憶體上鎖位。 (可減少 EMI，因為方波的電磁干擾很大 ) 7. AT89C52/55 的計數(shù)器 2 共有四種操作模式 : 1） 捕獲 (capture)。 3） 鮑率產(chǎn)生器 (baud rate generator) 。 其中第 (2)種操作模式增加了可往 上或往下計數(shù)的功能 (一般為上數(shù)功能 )， 第 (4)種操作模式為新增加的功能，利用 可以規(guī)劃出 50%責(zé)任周期的 時鐘輸出。 Dallas 家族介紹： 16 Dallas 公司所出產(chǎn)的 8051 家族，一般都是用在對高速有嚴(yán)格要求之下才會考慮使用，一般統(tǒng)稱為高速微控器 (HSM)，目 前較為常用得有 DS80C310 和DS80C320，如果考慮高速動作這兩顆是一般常用的微控器，而且價格和其它高速微控器來比是較為便宜的，但唯一的缺點是其內(nèi)部沒有 ROM，一般都是外接EPROM，但不能超過 64K 位組，由于在高速動作，所以周邊的 IC存取速度就需要相當(dāng)?shù)淖⒁猓?74HC373 來說，就要換成 74F373，在 EPROM 的存取速度也要配合微控器的振蕩器頻率，一般模擬所用的 ICE 是無法做高速模擬的所以必須使用 Dallas 公司自己出產(chǎn)的 ICE；以往 Dallas 公司所標(biāo)榜的是高速微控器，但目前華邦公司也出廠了 高速微控器 (40MHZ)，其速度不輸于 Dallas 的產(chǎn)品，如果設(shè)計上對速度有嚴(yán)格的要求，倒也可以考慮一下華邦的 W78E51/52 /54/58，但假設(shè)你要整合性強(qiáng)又要高速的話 DS87C550 或許可以滿足你的要求。 2. 振蕩器頻率范圍： 0~33MHZ，一個機(jī)械周期需 4個振蕩周期，一般為 12 個振蕩周期。 4. 有 6 個外部中斷，一般只有 /INT0 和 /INT1。 DS80C320 除了具有 DS80C310 外，還增加了一些功能： 1. 有 13 個中斷源，其中包含了 6個外部中斷。 18 3. 提早警告電源失效中斷。 目前 Dallas 公司所出產(chǎn)的微控器除了以上介紹的功能外，更添加了其它的功能，而且是百分之百和 8051 兼容，這使得使用者在設(shè)計時更加的方便，現(xiàn)就以 DS87C520 為例： 1. 有 OTP(只能燒錄一次 )和 EPROM(可多次燒錄 )版本，增加使用的彈性。 3. 可用軟體規(guī)劃特殊功能暫存器 (SFR)，控制指令周期速度為247。 1024，一般內(nèi)定247。 12)。 5. 內(nèi)部的 16K Bytes 的 ROM，可用軟體規(guī)劃特殊功能暫存器 (SFR)，成為從 0到 16Kbytes 的 ROM 使用。 目前在 8 位微控 器的市場，有 Microchip 公司出產(chǎn)的 PIC16CXX，其特色為省電、低功率，而且對于周邊的電路整合性比 8051 強(qiáng)，因為其內(nèi)部有些已內(nèi)建A/D、 PWM、 I2C、 LCD 控制功能，這讓使用者有更多選擇的空間，如果讀者有興趣也可上網(wǎng) ()查看該公司的資料，而且也可向該公司索取資料；另外還有 Motrola 公司所出產(chǎn) 68HC05，該公司所出產(chǎn)的微控器在工業(yè)界更是占有一席之地，其使用者和 8051 相比是不相上下； ATMEL 公司目前也相當(dāng)積 19 極在推動 AVR 微控器，而且它還提供整套發(fā)展工具給學(xué) 校做實驗，未來的發(fā)展值得注意。 全自動洗衣機(jī)的控制邏輯電路如圖 2所示。從圖中看出，這個全自動洗衣機(jī)控制邏輯電路相當(dāng)簡單。電機(jī)是洗衣機(jī)的動力源，它的轉(zhuǎn)動帶動洗衣桶和波輪的轉(zhuǎn)動，從而時現(xiàn)對衣物的洗滌。排水閥用于控制排水。 電機(jī)的狀態(tài)有 3種，即正轉(zhuǎn) .反轉(zhuǎn)及停止?fàn)顟B(tài)。但在脫水時，只工作在正轉(zhuǎn)高速狀態(tài)。 從圖 2的控制電路中可以看出： AT89C2051 的 P1 端口中的 ~ 共四條 I/O線通過 4塊 SP111O新型固態(tài)繼電器分別直接驅(qū)動洗衣機(jī)的這些工作部件。之所以選用這個器件，是因為它一方面可使電路進(jìn)一部簡化，另一方面還可使強(qiáng) .弱兩類電完全隔離，保證主板的安全。 20 圖 2 21 74LS139 為雙 24線譯碼器，選用它可解決 CPU I/O 線數(shù)量的不足。 74LSW139 雙 24線譯碼器僅占用 CPU 的 和 兩口線即可提供 4種不同顯示的驅(qū)動， 其邏輯關(guān)系是：， 為 “11” 時 LED1 亮，指示標(biāo)準(zhǔn)程序；為 “10” 時 LED2 亮，指示經(jīng)濟(jì)程序；為 “01” 時 LED3 亮，指示單獨程序；為 “00” 時 LED4 亮，指示排水程序。這兩個中斷分別對應(yīng)于 CPU 的外部中斷 “0” 和外部中斷 “1” 。開蓋（安全保護(hù)）或不平衡（防振動）中斷 信號通過由 BG1， BG2 組成的反相器送至 TC4013BP 的 11腳 CP 端，經(jīng)觸發(fā)器的第 12腳（ Q/）加到 。 為了充分利用（ CPU 的 I/O口線， 和 采用分時復(fù)用技術(shù)，每 線具有兩個功能。在洗衣機(jī)進(jìn)水或 排水期間， 被用作輸入線，用于監(jiān)測水位開關(guān)狀態(tài)，為 CPU 提供洗衣機(jī)的水位信息；在洗衣機(jī)高速脫水期間，當(dāng)發(fā)生開蓋和不平衡中斷時， 為輸出線，用于撤消中斷請求信號。 4 ,5腳外接 6MHz 的晶振。 K7 為強(qiáng)制復(fù)位 鍵 。 K1還具有第二功能， 即 當(dāng)洗衣機(jī)發(fā)生故障轉(zhuǎn)入報警程序后，按下 K1 鍵 可使洗衣機(jī)退出報警狀態(tài)回到處始待命狀態(tài)。洗衣 機(jī)的工作狀態(tài)可通過 LED7~LED9 進(jìn)行顯示。 22