自动洗衣机的设计与研究.docx
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自动洗衣机的设计与研究
摘要
从课程设计要求来看，要求实现电机的正转、反转、暂停，这些需要一个555多谐振荡器和多个的计数器来实现，从而完成洗衣机的漂洗。
同时计数器之间的相互影响，清零、置数，通过对驱动电机的控制来实现脱水。
同时为实现自动洗衣机的单独漂洗和单独脱水，采用个各种的门电机和开关。
这样，可以人工手动控制计数器来实现对时间的设置，实现工作与停止之间的转换，从而对洗衣机的工作状态的控制。
本次课程设计用个proteus对其电路进行了仿真。
同时主要要求对洗衣机自动控制原理的设计、仿真、各一些初步的调试。
关键词：
洗衣机自动控制计数器触发器多谐振荡器
Abstract
Curriculumdesignpointofview,requiredtoachievethemotorforwardandbackward,pause,theyneedamorethan555overthecounterharmonicoscillatorandtoachieve,thuscompletingthewashingmachine'srinse.Atthesametimetheinteractionbetweenthecounter,clear,setthenumberofmotorcontrolbythedrivetoachievedehydration.Automaticwashingmachinewhileaseparaterinsinganddehydrationalone,usingavarietyofdoormotorandswitch.Thiscanbeachievedbymanualcontrolonthetimecountersettoachievetheconversionbetweenworkandstoptoworkonthewashingmachinestatecontrol.Thecurriculumdesignofitscircuitwithaproteussimulation.Automaticwashingmachinewhilethemainrequirementsoftheprincipleofdesign,simulation,thenumberofinitialdebugging.
Keywords：
washingmachine,automaticcontrol,counter,Trigger,Multi-vibrator
1.前言
随着社会发展和人民生活观念的不断变化，洗衣机已经成为了每个家庭不可缺少的生活帮手了。
科学技术的不断进步，一代又一代的洗衣机已经遭淘汰，现在洗衣机的自动化、智能化、人性化、多彩化已经是现在洗衣机发展的主潮流了。
所以设计更加符合当代人们生活生产要求的洗衣机是当代设计者设计的责任。
我们的课程设计，虽然只是从原理上简单的介绍一下自己的设计，用的器件也是淘汰的器件，但是正像洗衣机的发展一样，洗衣机经过了很多次的淘汰，但是唯一没有淘汰的是洗衣机的设计思想。
我们做课程设计就要做出自己的思想，做出自己的想法。
1.1设计目的
1．掌握一些数电电路的功能及参数，如多谐振荡器，计数器，触发器，各种门。
2．培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。
3.学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。
1.2设计任务与要求
1.全自动控制过程：
洗衣机电机的工作顺序：
启动——>正转——>反转——>正转——暂行——正转——反转——正转-——停止
2.半自动控制过程：
按相应的开关，能干独自进行漂洗，脱水：
相互之间不影响，同时相应的指示灯亮。
3.能够预设时间来完成漂洗，脱水等任务。
1.3设计意义
1.提高对洗衣机内部结构的了解。
2.把所学的知识很好的应用的实际的生活中去，所谓学以至用。
3.加深对元器件的认识，提高独立思考的能力。
4.能够掌握一定的电路绘图工具，学习会画电路图，调试，及PCB的制作，认识一些软件，如proteus,protel等。
通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我主要提出了两种技术方案。
2.总方案设计
由产生的脉冲信号，通过对计数器的控制来完成电机的正转，反转，计时等功能操作。
通过对各种门的控制来完成，单独的漂洗，脱水控制。
2.1方案比较
在设计的过程中，我们综合考虑了以下两种实现方案：
2.1.1方案一
方案一原理框图如图2.1所示。
图2.1方案一的原理框图
2.1.2方案二
方案二原理框图如图2.2所示。
图2.2方案二的原理框图
2.2方案论证
方案一：
定时器实际上包含两级定时的概念，一是总洗涤过程的定时，二是在洗涤过程中又包含了电机的正转，反转各停止三种定时，并且这三种定时反复循环进行至到所有定时结束为止。
当总时间0~20min以内设定一个书之后T为高电平1,然后用倒计时方法每分钟减1,直至T变为），在些期间，若Z1=Z2,实现正转，又如将定时初值预置到计数器中，使计数器运行在减计数器状态，当减到全零时，则定时时间到，如图所示电路原理框图就是采用这种方法实现的，由秒脉冲发生器，产生的时钟的信号经60分频后，得到分脉冲到来计数器减为1,直至减到定时时间为止。
运行中间，剩余时间以译码后在数管上进行显示。
方案二：
时钟脉冲产生一个由高低电平组成的信号，触发第一个计数器浸泡一段时间时间相应的指示灯亮，再触发第二个计数器，完成漂洗任务，同时第三个计数器触发，漂洗一段时间后，第三计数器完成脱水任务，同时反馈每二个计数器使它停止工作。
如此反复进行一次，第二次结束时，由JK触发器的输出来反馈给时钟脉冲产生电路使其停止工作。
从而整个电路停止。
过程之中由相应的开关可以单独控制漂洗和脱水。
2.3方案选择
选择第二种方案，因为这个方案控制原理简单，容易设计，并且符合本次课程设记得要求，因为本次课程设计不能用程序，只能应用自己学习过的数字电路和模拟电路知识来解决。
所以第一种方案肯定是不适合我们的设计要求的。
所以综合各方面因素选择第二种方案。
3、洗衣机的控制功能
洗衣机要完成洗衣工作，除了对一般洗衣过程的人工工作及效能进行模拟之外，还要根据洗衣机的机械电子性质进行有关控制和检测。
对于一台全自动洗衣机而言，首先要求能完成洗衣功能；同时还要根据用户的不同要求设置几种不同的洗衣程序；还要考虑水流的情况决定洗涤的弱强情况；另外，还要对洗衣过程出现的故障进行诊断；保证高速运转是脱水的安全性等。
所以对全自动洗衣机，一般要求具有如下基本功能。
（1）弱强洗涤功能。
要求强洗时正反转驱动时间各为4S，间歇时间为1S；弱洗时正反转驱动时间各为3S，间歇时间为2S。
（2）4种洗衣工作程序，即标准程序经济程序单独程序和排水程序。
标准程序是进水—洗涤—漂洗—洗涤—；脱水，如此循环3次，每循环一次洗涤或漂洗环节时间比上一循环同一环节时间减少2min,具体是第一循环为洗涤，时间为6min,第二第三次循环为漂洗，时间分别为4min和2min.排水时间采用动态时间法确定，脱水时间为2min.经济程序与标准程序一样，只是循环次数为二次。
单独程序是进水—洗涤（6min）—结束（留水不排不脱）。
排水程序是排水—脱水—结束，时间确定与上述程序相应环节相同。
（3）进排水系统故障自动诊断功能。
洗衣机在进水或排水过程中，若在一定的时间范围内进水或排水未能达到预定的水位，就说明进排水系统有故障，此故障由控制系统测知并通过警告程序发出警告信号，提醒操作者进行人工排除。
（4）脱水期间安全保护和防振动功能。
洗衣机脱水期间，若打开机盖时，洗衣机就会自动停止脱水操作。
脱水期间，如果出现衣物缠绕引起脱水桶重心偏移而不平衡，洗衣机也会自动停止脱水，以免振动过大，待人工处理后恢复工作。
（5）间歇驱动方式。
脱水期间采取间歇驱动方式，以便节能。
本系统要求驱动5s，间歇2s，间歇期间靠惯性力使脱水桶保持高速旋转。
（6）暂停功能。
不管洗衣机工作在什么状态，当按下暂停键时，洗衣机需暂停工作，待启动键按下后洗衣机又能按原来所选择的工作方式继续工作。
（7）声光显示功能。
洗衣机各种工作方式的选择和各种工作状态均有声光提示和显示。
（8）控制逻辑电路
全自动洗衣机的控制逻辑电路，它由单片机AT89C2051为核心加上有关集成电路及元器件组成。
全自动洗衣机的工作部件有3个，这就是电机、进水阀和排水阀。
电机是洗衣机的动力源，它的转动带动洗衣桶和波轮的转动，从而时现对衣物的洗涤。
进水阀用于控制洗衣机的进水量。
排水阀用于控制排水。
电机在脱水时还高速旋转带动衣物脱水。
电机的状态有3种，即正转.反转及停止状态。
电机一般工作在这三种状态的不断转换之中，从而实现洗涤。
但在脱水时，只工作在正转高速状态。
进水阀和派排水阀则只有开、关这两种状态。
AT89C2051的P1端口中的P1.0～P1.3共四条I/O线通过4块SP111O新型固态继电器分别直接驱动洗衣机的这些工作部件。
SP1110是一种固态继电器，内有发光二极管及光触发双向可控硅，10～50mA输入电流即可使双向可控硅完全导通，输出端通态电流为3A（平均值），浪通电流15A（不重复）。
之所以选用这个器件，是因为它一方面可使电路进一部简化，另一方面还可使强.弱两类电完全隔离，保证主板的安全。
74SO5为六反相器，用其作为中间反相器，其中的4个反相器可分别驱动4个SP1110继电器，剩余两个反乡区，剩余两反乡器用于驱动LED5和LED6。
74LS139为双2-4线译码器，选用它可解决CPUI/O线数量的不足。
从控制要求可知，洗衣机有4种不同的显示来加以区别。
74LSW139双2-4线译码器仅占用CPU的P3.0和P3.1两口线即可提供4种不同显示的驱动，其逻辑关系是：
P3.0，P3.1为“11”时LED1亮，指示标准程序；为“10”时LED2亮，指示经济程序；为“01”时LED3亮，指示单独程序；为“00”时LED4亮，指示排水程序。
洗衣机的暂停功能和安全保护及防震动功能采用中断处理方式。
这两个中断分别对应于CPU的外部中断“0”和外部中断“1”。
中断信号通过TC4013BP双D触发器的两个Q/分别加到CPUP3.2和P3.3口线由触发器锁存直到CPU响应中断为止。
开盖（安全保护）或不平衡（防振动）中断信号通过由BG1，BG2组成的反相器送至TC4013BP的11脚CP端，经触发器的第12脚（Q/）加到P3.3。
本系统对开盖和不平衡中断采取相同的处理方法，因此，共用外部中断“1”。
为了充分利用（CPU的I/O口线，P3.4和P3.5采用分时复用技术，没线具有两个功能。
在洗衣机未进入工作状态或洗衣机处于暂停状态期间，P3.4为输入线，用于监测启动键的状态，当启动键按下时，洗衣机即进入工作状态或从暂停状态恢复到原来的工作状态；在洗衣机暂停中断响应期间，P3.4为输出线，用于撤消暂停中断请求。
在洗衣机进水或排水期间，P3.5被用作输入线，用于监测水位开关状态，为CPU提供洗衣机的水位信息；在洗衣机高速脱水期间，当发生开盖和不平衡中断时，.P3.5为输出线，用于撤消中断请求信号。
CPU的P3.7线用于驱动蜂鸣器发出各种告警信号。
45脚外接6Hz的晶振。
1脚通过10uF电容接到+5v电源，可实现上电自动复位。
K7为强制复位贱。
洗衣机的强.弱洗可通过K1贱进行循环选择。
K1还具有第二功能，几5当洗衣机发生故障转入报警程序后，按下K1贱可使洗衣机退出报警状态回到处始待命状态。
洗衣机工作程序可通过K2键循环选择。
洗衣机的工作状态可通过LED7～LED9进行显示。
脱水期间系统在响应开盖或不平衡终止后，CPU采取软件查询的方式方式通过P1.6线对盖开关进行监测以确定洗衣机是否继续进行脱水操作。
（9）工作控制程序
AT89C2051控制的全自动洗衣机这个控制程序也较为简单，所以，占用的存储器容量不大。
从程序的基本流程，系统上电复位后，首先进行初始话，默认标准洗衣工作程序和强洗方式，然后扫描K1，K2和启动键K4，这时洗衣机处于待命状态。
通过K1，K2可分别修改强/弱洗方式和洗衣工作程序。
扫描过程中当发现启动键K4按下时，洗衣机即从待命状态进入工作状态。
洗衣机进入工作程序后，系统首先根据RAM中57H单元的特征字判断洗衣机的洗衣工作程序，若特征字为（01H为单独程序，02H为经济程序。
进水操作P1.0置位驱动进水阀开启。
进水期间系统不断检测水位开关K5的状态，当检测到K5闭合时，说明进水以达到预定水位。
若在规定的4min极限内为检测到K5闭合，说明进水系统发生故障，此时洗衣机退出工作状态，程序跳转到FW为标号地址的故障处理程序段进行报警，其处理方法是：
将P1.0~P1.3位全部置“0”，中止洗衣机的各中操作，然后洗衣机以响1s`停2s的规律不断地发出报警信号，直到人工干预即按下K1键后为止（按下K1后，程序跳转回主程起始地址，洗衣机又回到待命的初始状态0。
在正常情况下，进水期间检测到K5闭合时，说明进水以达预定水位，这时洗衣机进入下一程序即洗涤工作。
因为电机在洗涤或漂洗工作时有正`反转和间歇三种状态，所以用P1.2，P1.3两线才能实现对惦记这三种状态的控制。
其逻辑关系是：
P1.3，P1.2为“00”时电机间歇，为“01”时正转，为“10”时反转。
洗涤时间为6min.洗涤结束后，系统通过一条判断指令，判断是否排水。
由控制要求可知，若不排水则为单独程序，这时程序直接跳到结束，否则进入排水进程。
排水时间采用动态时间法确定，其原理是；根据常用的空气压力水位开关的特性（即在进水中当水位达到预定水位时水位开关就接通；在排水中当桶内水位下降11cm后，水位开关才断开），在排水过程中若从开始到开关断开所需时间为D，则整个排水所用时间为2D+50S（经验值）。
若在规定的1min极限时间内，系统检测不到水位开关K5断开，说明排水系统有故障，程序跳转至故障处理程序段发出警告信号，其处理程序段发出告警信号，其处理方法与进水系统故障相同。
排水结束后，洗衣机接着执行脱水操作，P1.1维持置位状态，保持排水发开启，P1.2按5s置位`2s清0的规律连续驱动电机缟素旋转2民，然后脱水结束。
脱水结束后系统通过一条判断指令判断整个洗衣工作是否结束。
其原理:
是洗衣机在每次洗涤或漂洗工作环节结束之后，洗衣工作程序标志57H单元减1一次，在脱水脱水工作结束，洗衣机报警三声后。
即返回初始待命状态。
若洗衣工作尚未结束，洗衣机再次执行进水操作，进入下一循环。
以上是洗衣机工作的大概流程，工作过程中所许的各种计时，均由定时器“0”定时中断服务程序提供。
定时器“0”设置为定时方式1，每100ms产生一次中断，因此，TL0，TH0装入的常数分别为0B0H，3CH。
定时器“0”中断服务子程序入口地址防甾BH单元中，洗衣机进入工作状态后定时器几5被启动/每中断一次，70H单元累加1一次，累加到0AH时，为1s,因此71H单元累加1一次，该单元累加至3CH时，为1min,这时72H单元累加1一次。
系统根据这几个内存单元中的数据就可以确定洗衣机工作各个进程的时间。
在暂停中断以及开盖或不平衡中断响应期间，定时中断被禁止，计时各单元内容不变。
洗衣机的暂停中断在洗衣机进入工作状态后，中断请求即被设置为允许，中断请求有效；而开盖或不平衡中断只有在洗衣机进入高速脱水的工作进程时，中断请求才被设置为允许，请求信号有效。
这两个中断服务程序比较简单。
所以全自动洗衣机的工作原理基本是一样的。
然而，不同的厂家不同型号的这类洗衣机其电器控制系统电路的组成和原理则有所区别。
4、自动洗衣机的工艺过程分析
洗衣机的洗涤过程主要是在机械产生的排渗、冲刷等机械作用和洗涤剂的润湿、分散作用下，将污垢拉入水中来实现洗净的目的。
首先充满于波轮叶片间的洗涤液，在离心力的作用下被高速甩向桶壁，并沿桶壁上升。
在波轮中心处，因甩出液体而形成低压区，又使得洗涤液流回波轮附近。
这样，在波轮附近形成了以波轮轴线为中心的涡流。
衣物在涡流的作用下，作螺旋式回转，吸入中心后又被甩向桶壁，与桶壁发生摩擦。
又由于波轮中心是低压区，衣物易被吸在波轮附近，不断地与波轮发生摩擦，如同人工揉搓衣物，污垢被迫脱离衣物。
其次，当衣物被放进洗涤液之后，由于惯性作用运动缓慢，在水流与衣物之间存在着速度差，使得两者发生相对运动，水流与衣物便发生相对摩擦，这种水流冲刷力同样有助于污垢离开衣物。
再次由于洗衣涌形状的不规则，当旋转着的水流碰到桶壁后，其速度和方向都发生了改变，形成湍流。
在湍流的作用下，衣物做无规则地运动并翻滚，其纤维不断被弯曲、绞纽扣拉长，衣物相互相摩擦，增大了洗涤的有效面积，提高衣物的洗净的均匀性。
全自动洗衣机是通过水位开关与电磁进水阀配合来控制进水、排水以及电机的通断：
从而实现自动控制的。
电磁进水阀起着通、断水源的作用。
当电磁线圈断电时，移动铁芯在重力和弹簧力的作用下，紧紧顶在橡胶膜片上，并将膜片的中心小孔堵塞，这样阀门关闭，水流不通。
当电磁线圈通电后，移动铁芯在磁力作用下上移，离开膜片，并使膜片的中心小孔打开，于是膜片上方的水通过中心小孔流入洗衣桶内。
由于中心小孔的流通能力大于膜片两侧小孔的流通能力，膜片上方压强迅速减小，膜片将在压力差的作用下上移，闭门开启，水流导通。
水位开关实际上是一个压力开关。
气室的入口与洗衣桶中的贮气室相联接。
当水注入洗衣桶后，贮气室口很快被封闭，随水位上升，贮气室的水位也上升，被封闭的空气压强亦增大，水位开关中的波纹膜片受压而胀起，推动顶杆运动而使触点改变，从而实现自动通断。
智能型模糊控制的全自动洗衣机还可以自动判断水温、水位、衣质衣量、衣物的脏污情况，决定投放适量的洗涤剂和最佳的洗涤程序。
当洗衣桶内衣物的多少和质地不同，而注入水使其达到相同的水位时，其总重量是不同的。
利用这一点，通过对洗衣电动机低速转动后的惯性测量，可以判断衣质和衣量。
方法是：
在洗衣桶内注入一定量水后使电机低速运转，平稳后快速断电，洗衣桶在惯性作用下带动电机继续转动。
此时，电机绕组产生反电动势，对其半波整流并放大整形后获得一矩形脉冲系列。
通过分析脉冲个数和脉冲宽度。
就能得到衣质衣量情况。
衣物的脏污程度是通过水的透明度来判断的。
在洗衣桶的排水口处加一红外光电传感器，使红外光通过水而进入另一侧的接收管。
若水的透明度低，接收管获得的光能小，说明衣物较脏。
脱水时采用压电传感器。
当脱水桶高度旋转时，从脱水桶喷射出来的水作用于压电传感器上，根据这个压力变化，自动停止脱水运转。
5.单元模块设计
本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。
5.1各单元模块功能介绍及电路设计
该电路利用NE555产生一个时钟脉冲，为后面的计数器提供时钟脉冲。
当w为低电平时该电路停止工作，当w为高电平时该电路正常工作。
清洗控制电路：
图5.1清洗电路
5.1.1泡洗电路图
当时钟脉冲产生，并且161的各个使能端为高电平时，161开始计数，洗衣机进入漂洗过程，在这个过程将自动完成洗衣机进水过程，当计数器计数到12时，将触发下一个计数器工作，使洗衣机进入下一个状态。
漂洗时间=时钟周期X计数器计数次数。
如果要改变漂洗时间只要改变计数器初始置入的数据即可。
5.1.2控制电路
下图为洗涤模式控制电机电路，当清泡完成后，第一个161就触发一个信号使该电路中的计数器开始计数，当此计数器第一次计数时Q0为高电平，控制继电器开关，是电机正转，到第二次计数时Q2为高电平，Q1为低电平。
此时正转继电器关闭，所以电机将停止转动直到下一次计数时，Q1、Q2都都为高电平，经意与门后仍然为高电平从而驱动反转继电器工作，使电机按反方向旋转。
再到下一次计数时，将对计数器清零，此时电机也将停止旋转，接下来就是重复这个过程直到洗涤模式结束以后。
电机每经过一个旋转周期就要像下一个计数器的时钟端送一次时钟脉冲，使其计数直到计数一定次数后，洗衣机就将进入到下一个状态去。
洗涤模式时序控制电路：
图5.2洗涤模式时序控制电路
下图为洗涤模式时161的时序图
图5.316洗涤模式时161的时序图
5.4电机驱动电路
该电路采用三个继电器，分别控制正转、反转以及脱水电路。
继电器的驱动电路采用三极管驱动，利用三极管的开关特性驱动继电器。
由于门电路没有驱动能力，所以在三极管的基极加了一个上拉电阻，提高么模拟电路的带负载能力。
5.1.3脱水控制电路
图5.5脱水控制电路图
该电路和前面的161电路设计原理基本差不多，都是利用161的计数功能，通过计数控制后面电路工作，唯一不相同的就是，在最后的一个161后卖多加了一个控制功能。
当脱水完成以后就会触发前面洗涤模式打开，但是这一次打开洗涤模式是以漂洗的状态进行，同时还会给后面的触发器一个脉冲，使其输出发生变化，这个将在接下来详细介绍。
5.1.4JK触发器控制电路
图5.6JK触发器控制电路图
本电路采用用了三个反向JK触发器，其中上面那个触发器是手动模式下才可以用的，当手动触发以后JK触发器就可以直接触发漂洗过程跳过洗涤过程。
下面两个JK触发器采用嵌套的方法，当上电时其输出都为低电平，当第一次脱水结束以后，就会触发一次使其输出第一个为高，第二个为低。
当第二次脱水完成以后，将再一次触发，输出为第一个为低，第二个为高。
然而第二个输出外接反相器，当第二个为高时反向以后就为低，即W为低。
而W外接的是NE555的四端，当为低时，就是NE555的不输出。
从而是洗衣机停止工作。
当要在一次使洗衣机工作时，只要按两次复位键，也就是两次触发JK使起恢复原来的运行状态。
5.2电路参数的计算及元器件的选择
5.2.1触发器及其参数
JK触发器归纳为以下的几点：
1.主从JK触发器具有置位、复位、保持（记忆）和计数功能；
2.主从JK触发器属于脉冲触发方式，触发翻转只在时钟脉冲的负跳变沿发生；
3.不存在约束条件，但存在一次变化现象。
4.产生一次变化的原因是因为在CP=1期间，主触发器一直在接收数据，但主触发器在某些条件下（Q=0，CP=1期间J端出现正跳沿干扰或Q=1，CP=1期间K端出现正跳沿干扰），不能完全随输入信号的变化而发生相应的变化，以至影响从触发器状态与输入信号的不对应。
5.2.2由555定时器构成的多谐振荡器
由555定时器构成的多谐振荡器如图所示，由于555定时器灵敏度高，输出驱动电流大，功能灵活，而且还还采用差分式电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度的影响较小，所以由由555定时器构成的多谐振荡器频率稳定，不易受干扰。
图5.7由555构成的多谐振荡电路
上图所示电路的占空比固定可调，由于电路中二极管D1,D2的单向导电特性，使电容器的充放电分开，调节电位器，就可调节多谐振荡器的占空比。
图中Vcc通过R2和D2向电容C2充电，充电时间为
电容由C3通过D1，R1及三极管放电，放电时间为
振荡频率为
因此可以改变C2的值的大小来控制充放电的时间，从而来控制电路。
故选定参数：
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