基于单片机的洗衣机控制系统设计.docx

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基于单片机的洗衣机控制系统设计

题目:

基于单片机的洗衣机控制系统设计（硬件）

英文题目：

DesignoftheWashingMachineBasedonSingle-chipMicrocomputer（Hardware）

声明

本人以信誉郑重声明：

所呈交的学位毕业设计（论文），是本人在指导教师指导下由本人独立撰写完成的，没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术规范和其他侵权行为。

文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，不包含他人成果及为获得东华理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

对本设计（论文）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。

本毕业设计（论文）成果归东华理工大学所有。

特此声明。

毕业设计（论文）者（签字）：

王威威

签字日期：

2016年5月30日

本人声明：

该学位论文是本人指导学生完成的研究成果，已经审阅过论文的全部内容，并能够保证题目、关键词、摘要部分中英文内容的一致性和准确性。

学位论文指导教师签名：

涂绪坚

2016年6月3日

摘要

在中国洗衣机自1980年代初进去家庭,慢慢的从单缸洗衣机发展到双缸洗衣机再到全自动洗衣机。

全自动洗衣机也从最初的普通式全自动洗衣机到有微机控制自动洗衣机,然后到采用模糊控制技术的模糊控制全自动洗衣机。

全自动洗衣机是一种洗涤、漂洗、脱水三种功能之间可以相互切换的洗衣机,无需人工干预的情况下完成。

随着科学技术的高速发展，人们的生活质量有了质的飞跃，智能化的生活越来越普遍。

全自动洗衣机在我们的生活越来越重要，它能更好地解放人们的双手。

缓解人们在家务劳动中的压力。

本设计采用AT89C51单片机作为洗衣机的控制系统的核心芯片，它以体积小、功能全、价格低、开发方便等优势得到了电子工作者的认可。

洗衣机在单片机的控制下具有对洗衣机的智能控制，当设置完毕后，通过自动检测水位，对衣物进行洗涤，洗涤结束进行自动报警提示，系统能根据不同的洗衣方式对电机速度进行控制并显示。

关键词：

洗衣机；STC89C51单片机；智能控制

ABSTRACT

WashingmachineinChinasincetheearly1980sinthefamily,slowlydevelopedfromsinglecylinderwashingmachinetotwocylinderwashingmachineandfullyautomaticwashingmachine.Fullyautomaticwashingmachineisalsofromtheinitialordinarytypefull-automaticwashingmachinetothemicrocomputercontrolautomaticwashingmachine,andthentothefuzzycontroltechnologyoffuzzycontrolisfullyautomaticwashingmachine.Fullyautomaticwashingmachineisakindofwash,rinse,dehydrationcanswitchbetweenthreefunctionsofwashingmachines,withouthumanintervention.Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,people'squalityoflifehasaqualitativeleap,intelligentlifeisbecomingmorecommon.Fullyautomaticwashingmachineismoreandmoreimportantinourlife,itcanbetterliberatepeople'shands.Alleviatethepressureofthepeopleinthehouseholdchores.ThisdesignUSESSTC89C51asthecoreofthewashingmachinecontrolsystemchips,itwithsmallvolume,completefunctions,lowprice,developmentadvantagesoftheconvenientwontheacceptanceofelectronicworkers.Washingmachineunderthecontrolofthesinglechipmicrocomputerwiththeintelligentcontrolofthewashingmachine,whensettoend,throughthewaterlevelautomaticdetection,towashclothes,washoverautomaticallyalarmprompt,thesystemcanaccordingtothedifferentwayoflaundrytocontrolthemotorspeedanddisplay.

Keywords:

Washingmachine;STC89C51single-chip;Microcomputerintelligentcontrol

绪论

课题的开发背景

随着科技的发展，人们生活水平也有了明显的提高，洗衣机成了现在社会每个家庭的必需品，人们在使用洗衣机的过程中对洗衣机功能的要求也越来越多，随着人们需求的提高，对洗衣机功能的要求也越来越全面。

智能化越来越普遍。

现在的洗衣机只要把衣服放进洗衣机里只需简单的几步，就能让洗衣机自动进水、自动洗涤、自动排水、自动脱水，把衣服洗好。

在整个的洗衣过程不仅节约了我们的时间。

还解放了我们的双手。

使我们有更多的时间去做其他想做的事。

提高了我们的工作效率之余更能愉悦我们内心。

对于当今社会来说，每当有一项技术突破都能带动洗衣机的该革。

单片机作为洗衣机的主控制器。

以它向外延伸必要的控制电路，形成一个洗衣机的控制电路。

来控制洗衣机各种功能的实现与配合。

达到我们想实现的目的。

更好的将我们在课本中学到的知识运用到实际生活中，让我们的动手能力得到提高。

不一味的只知道理论不去做实物，通过实践我们的生活才能有质的飞跃。

全自动洗衣机的发展历史

从古至今，从中国到外国，洗衣服都是一种不得不做的家务劳动，然而洗衣机的出现对于很多人来说都是一种解放。

它以简单、易操着、方便实用的方式征服了我们，让我们接受了它，从而在社会生活中得以广泛的运用。

经过漫长的手工洗衣的时代，人们终于向机械洗衣迈出了崭新的一步。

1858年，最原始洗衣机‘诞生’了，它是在匹茨堡的一个美国人制成的。

该洗衣机的主要有一个圆柱形的圆桶组成，桶内主要有一个浆状的轴承。

与它相连的曲柄的转动从而带动轴承的转动，达到洗衣的效果。

它是有美国人汉密尔顿·史密斯发明的。

然而又过了几年，洗衣机经过后人的改良发展到新型的洗衣机，它是有一个用手柄转动的八角形洗衣缸组成的洗衣机，为了更好的洗衣效果往里面加入热的洗涤剂。

等把衣服洗干净以后在用轧液装置把衣服里面的水分轧干。

1874年,木制手摇式洗衣机的出现手工洗衣服受到了空前绝后的挑战，它是有一位美国人比尔·布莱克斯发明的。

木制手摇式洗衣机构主要是在木筒里装上几块叶片，由于手柄和齿轮转动让衣服在筒内不断翻转，让衣服与衣服、衣服与筒壁不断的摩擦，从而达到洗衣的目的。

这代洗衣机的问世，让为了改进洗衣方式的人得到的很大的启发。

从而洗衣机进入了快速的改进的进程中。

 1880年,由于蒸汽机的出现和发展,世界上第一台蒸汽洗衣机‘诞生’,通过蒸汽动力的机械工作方式开始取代体力劳动。

再经过一个世纪的发展和完善，现代蒸汽洗衣机有了明显改善,几乎同样的原理。

现代蒸汽洗衣机使用了智能水循环系统,从而达到节约水的效果，现代蒸汽洗衣机让高浓度的洗涤液和高温蒸汽一起喷在衣服的同时,经过蒸汽洗衣机的洗涤,从而达到洗衣的效果，它的主要功能有蒸汽洗衣和蒸汽干燥。

从而人们进入了实现了世界上全新的洗涤方式—“蒸汽洗”。

 1910年,世界上第一台电动洗衣机在美国人费舍尔研制下终于成功问世了。

电动洗衣机出现象征着人类向自动化洗衣又迈进了重要的一步。

1932年,美国本德航空公司成功实现了洗涤、漂洗、脱水能在同一个桶内完成，这标志着第一台滚动式洗衣机的‘诞生’。

这意味着电动洗衣机从模型迈向了一个新的高度,这也是自动化洗衣机的一个巨大的创新!

1937年,出现了第一台“前置”式自动洗衣机，它标志着第一代自动洗衣机的问世，它有一个圆柱形的气缸组成，它可以容纳4kg的衣服。

衣服都在装满水的汽缸里不断的上下翻滚着,这样就可以达到洗衣的效果。

由于科技的不断创新和发展,从而全自动洗衣机也加快了研制的步伐。

首先由英国和推出了喷流式洗衣机,它是依赖于运行的波轮产生强大的漩涡,缸内的洗衣服和洗涤剂一起不断地回来摩擦洗衣服，来达到净衣的效果。

国内外现状与发展趋势

洗衣机的分类

普通洗衣机不可以使洗涤、漂洗、脱水连续完成，都要手动切换。

半自动洗衣机可以在洗涤、漂洗、脱水任意两个功能之间能实现相互切换，从而达到半自动的效果。

全自动洗衣机可以在洗涤、漂洗、脱水等三个功能之间实现相互切换，从而达到全自动的效果。

自动洗衣机在国内外的发展水平与现状

当今社会根据结构组成的不同可以把全自动洗衣机分为三大类分别为搅拌式全自动洗衣机滚筒式全自动洗衣机、和波轮式全自动洗衣机。

滚筒式、波轮式、搅拌式全自动洗衣机分别在全球洗衣机市场的比重为51%、34%和15%。

由于我国市场上的性质，滚筒式和波轮式的全自动洗衣机都普遍存在，目前我国市场上还没有搅拌式全自动洗衣机的出现，以下是对波轮式和滚筒式全自动洗衣机做出简单的总结。

波轮式全自动洗衣机

由电动机正反转带动波轮转动，波轮的转动带动水的转动，从而达到洗衣的效果，这就是波轮式全自动洗衣机的工作原理。

它可以用单桶、套桶、双桶洗涤衣服。

它以相对来说比较简单的结构，维修起来比较方便，洗净率相对较高，洗衣率速率比较高，来让人们接受它。

它的主要缺点是用水比较多，对衣服磨损比较严重。

它的优点是不会让衣服缠绕在一起，洗衣服比较均匀损害衣服的可能性小；洗衣桶一般有不锈钢、铝合金、塑料等几类。

它的工作原理是：

装在洗衣桶下面的波轮带动洗衣桶正反转，从而让衣服上、下、左、右不断的翻转，让衣服与衣服、桶、桶壁之间，在水中进行温柔的摩擦，在洗涤剂的辅助下实现去污。

优点：

洗涤速度比滚筒式的要强很多。

技术方面，滚筒式洗衣机运用越来越多的创新技术，从而大大的提高了它的性能。

它对衣物的清洁力高，两个桶的更能减少对水、电、洗涤剂的消耗，它比较适合一般衣服的洗涤，价格比较低，方便实用，省时省力。

缺点：

相比较来说对衣服的损伤比较大，容易让衣服缠绕在一起，使用时相比较费事。

滚筒式全自动洗衣机

由机械化的控制器、不锈钢的内桶和经过磷化、电泳、喷漆三重保护的外壳，组成了滚动式全自动洗衣机。

为了防止在高速的工作环境下做离心运动用两块笨重的水泥板来平衡，再加上洗涤剂的作用来达到净服的。

它主要材料由钢铁组成，所以寿命一般在20年左右。

优点：

滚筒式全自动洗衣机一般是由微型电脑控制，使衣服洗涤均匀、不会缠绕在一起，所以磨损率要比波轮式的小一点，所以一些贵重的衣服也可以在其中洗涤，性能真正做到全面洗涤。

由于它的用水量小，所以可以在水中形成高浓度洗涤剂，充分发挥洗涤剂的作用，使衣服的洗净率更加高。

从而在节水的同时达到理想的净衣效果。

滚筒式全自动洗衣机除了能洗衣、脱水外，还可以加热水温、消毒除菌、烘干等功能。

缺点：

相对来说比较耗费电量，洗涤过程要的时间长；相对其他洗衣机来说洗衣时间比较长，比普通洗衣机的洗衣时间还要长好几倍；噪音很大；洗衣机自身重量很大，移动不方便。

研究本课题的目的与意义

中国目前洗衣机更新换代进入了一个非常快的时期,从而使市场潜力巨大,由于现代科技的不断进步与创新。

洗衣机的更新换代也越来越快，这样使人们对洗衣机功能全面性的要求也越来越高。

目前市场上所出现的洗衣机主要功能包括有强洗、一键脱水、一键洗衣、弱洗、漂洗功能等功能,虽然市场上洗衣机的功能有这么丰富，但是在很多方面还不能满足人们所想要的功能。

这就要求设计师有较高的专业技术水平,提出一个好的建议和新解决问题的方法,把人们所需要变成实际中有的,这就需要设计师能够运用专业知识设计出一个更节能、在功能上更全面、更智能化的全自动洗衣机。

目前市场上所出现的洗衣机并不能满足所有洗衣机功能方面的兼容性,目前许多洗衣机工厂为了保持自己洗衣机品牌所具有的竞争能力,许多洗衣机功能创新方面不能实现知识产权的交流，所以许多洗衣机厂商只能突出自己品牌所具有一个或两个洗衣机和其它洗衣机厂商不同的个性化特征。

洗衣机的功能是由单片机这个芯片所控制的，单片机主控制芯片的特点是体积小、灵活、方便实用等特点。

因此,设计出主要电路是由基于单片机控制的全自动洗衣机控制系统具有很好的实用性、与可靠性。

毕业设计之所以选择使用单片机来完成“基于单片机的洗衣机控制系统设计”,这是因为自己所学专业。

我们所学的专业主要的知识就是单片机，这使我们与单片机接触最多。

全自动洗衣机是日常生活的一个固定的模式,开始洗涤后按照一个固定的程序,在许多情况下,可能会导致不必要的浪费水和电。

但如果你能设计出根据更合理的要求去洗要洗的衣服,从而可以减少很多不必要的浪费水、电、洗涤液与空间。

这个设计用设计好的水位传感器来检测水位,确定所需要的水量来减少不必要的浪费,达到最好的洗衣效果,最经济的洗衣解决方案。

第二章系统总体设计方案

主要设计内容与功能

1主要设计内容：

洗衣机的控制电路是用STC89C51单片机进行设计的。

STC89C51单片机为主要的控制单元，扩展我们所需要的外部电路，来实现我们所设计的功能，组成一个能实现我们所想要实现的洗衣机的控制器。

2主要功能：

（1）洗涤功能：

标准洗涤时间为30分钟。

洗涤25分钟，漂洗2分钟，脱水3分钟。

如有需要可循环。

（2）启动/暂停按钮控制：

按下启动按钮为标准洗涤；在运行状态再按则为暂停，再次按下恢复原来的工作状态。

洗涤、漂洗正转10秒，停止5秒，反转10秒，停止5秒。

脱水时电机向一个方向高速运转。

（3）在洗涤时对应的洗涤指示灯亮；漂洗时对应的漂洗指示灯亮；脱水时对应的脱水指示灯亮；洗涤结束时发出报警，三个灯一起闪烁。

（4）水位检测功能。

（5）单独脱水功能。

3按键功能

全智能洗衣机上有3个按键分别为K1、K2、K3。

K3为复位键。

K2是启动/暂停和确认键。

K1为洗涤时间选择键和单独脱水键。

4洗衣过程

在接通电源后，按启动电源键。

可以选择自己想用的洗衣时间15、20、30分钟或单独脱水。

然后按启动键洗涤工作开始。

开始洗涤过程，首先进水阀打开。

开始向洗衣机进水，当达到所设定的水位时，进水阀关闭，停止进水；电机M电源接通，开始进入洗涤过程。

所设计的电路，能够使电机M能够正反转。

产生不同方向的水流，这样更容易把衣服洗干净。

方案论证与选择

方案一

假设我们采取模数电设计的话，这个设计的主要控制电路由由计数器、继电开关、秒脉冲发生器、译码器、控制门、功放电路和执行电机部分组成主体电路。

来实现我们所需要的功能。

涤时间计数器和数码管共同组成了洗衣机的显示电路，显示电路主要是为了显示洗衣机洗涤时的功能和显示所剩余时间的功能。

框图如下：

图2-1方案一

方案二

图2-2方案二

假设我们采用了STC89C51单片机设计了一个智能洗衣机的主控制器，这个控制器主要有时钟电路、电源电路、显示电路、复位电路、按键电路和执行电机部分等组成。

电机电路部分是由于两个继电器的吸和状态，让电机产生正转和反转。

从而带动水流，达到洗衣的效果。

把STC89C51单片机与两位一体数码管连来一起，然后我们再利用所学到的C语言编程来控制它，最后实现智能洗衣机自动化显示功能。

从而达到我们所设计的效果。

方案论证与选择

目前我国洗衣机市场发展状态为高速发展创新期，从而使更新换代比较迅速，所以我国市场现在与未来需求量都非常巨大，在科技飞速发展的年代。

人们不在满足与单一的洗衣机模式，对于智能洗衣机所应该有的功能的要求也越来越多。

对于实用性考虑也越来越高。

从上面我们所介绍的两种方案，通过具体的分析比较，不难看出方案一虽然选用了计数器、译码器、秒脉冲发生器、功放电路等电路，但这类洗衣机的功能比较单一，对于实用性来讲比较低，电路比较复杂，体积相对来说较大，单线性误差存在的可能性大，实现不方便，不能满足人们对智能洗衣机的要求。

方案二相对于方案一来说电路简单，功能能满足人们的需要，体积较小，容易存放，使用起来比较灵活；洗衣机主要有洗涤功能、进排水系统、水位检测、暂停等几大功能。

因此，设计出基于单片机的全自动洗衣机控制电路系统具有很强的经济、实用性。

所以本次设计采用方案二。

系统总体方案设计

洗涤常规模式为：

系统原理图

用STC89C51单片机作为本系统的主要控制单元，它主要控制的对象包括：

电机正反转、进水阀、出水阀，洗涤时间，洗涤方式等。

这些变量根据不同的工作状态与时间来进行相互切换来实现，水位的变化以及工作状态的变化来控制进水阀和出水阀的打开与关闭，为别用LED灯和数码管来显示出不同工作状态以及运行所剩余的时间。

洗涤时间和脱水时间用LED灯显示；洗衣机的运行状态和运行时间主要是由按键完成的，，程序的运行状态提示以及洗衣完成报警主要有蜂鸣器报警来完成。

下面是洗衣机控制电路系统框图：

图2-4洗衣机控制电路系统框图

各框图的作用包括：

①STC89C51单片机电路:

程序控制的主要芯片是所有的单片机电路，这一块STC89C51单片机芯片上包含的计算机上的所有功能电路，它主要有中央处理器CPU、输入/输出接口电路及计时、分频、扫描、程序存储器ROM、数据存储器RAM、分频、扫描、定时、时间设定等电路组成，洗衣机操作程序已存在于程序存储器中、输入的指令和监测到的信号来调出对应的内部相应程序，在经过其他电路路处理后，单片机输出对应的控制信号，这样洗衣机就完成了相应的工作状态。

②直流电源电路:

主要为单片机的其他电路进行供电的功能，它的主要功能是将用户所得到的的220V交流电经过变压、整流、滤波、稳压后，得到稳定的低压直流电。

再送给洗衣机使用，最后让可控硅触发电路送给单片机和显示电路等所需要的电路使用。

③复位电路:

这个电路的作用是使程序复位。

单片机存储器进行复位的原因是因为在电源给单片机通电后和电源出现电压过低不足产生的，就会使整个电路处于初始状态也就是刚开机的工作状态。

来进行消除由于操作失误造成的后果。

④时钟电路:

单片机的时钟电路是有晶振元件和单片机内部电路组成的，让单片机有定时和计时功能的是振荡频率，它还为单片机提供时钟信号。

⑤按键输入电路:

所需按键开关按照一定的规律排列，有按键被按下时，按键所对应的工作状态随对应的信号将输送到单片机。

按键被按下的同时单片机做出相应的回应，立即调出单片机对应内部软件的工作程序来进行对应工作，这样就会使洗衣机就会进入相应的工作状态，完成人们的指令。

使用户下达按键的请求得以实现。

⑥显示电路:

LED灯和数码管组成了显示电路，用户主要通过LED的亮和灭和数码管的显示来观察洗衣机的工作状态。

用户在对洗衣机使用的过程中，他们可以通过洗衣机的洗衣状态以及指示灯的状态来看出洗衣机是否接收了用户所下达的指令。

判断洗衣机工作状态是否属于正常状态可以通过洗衣机的工作状态和指示灯的状态来观察出洗衣机是否纯在安全隐患。

⑦负载驱动电路:

该电路多由双向可控硅及触发电路组成。

无触点开关控制电机的工作状态等负载电路的开关和正常运行状态。

单片机主要根据用户在按键上所输入的指令或接受到的信号，可控硅控制使触发电路来进行的导通，使电机等负载电路在有点的情况下进行运转，来完成用户所输入的相对应的工作状态。

⑧报警电路:

所设计的报警电路在洗衣过程中主要是对在程序的运行状态的提示以及洗衣完成状态的自动报警。

它主要根据程序的安排与软件的设定来工作的，在用户洗衣过程完成以后，来提示用户洗衣机以完成工作。

本章小结

本章主要内容是智能洗衣机控制系统的总体方案设计，各个功能模块的数据处理包括工作原理和总体设计要求，过程中需要注意的问题以及要达到的性能指标和技术指标。

基于控制系统的整体分析提供了基础，为下一步的系统硬件和软件的设计。

第三章系统控制芯片分析

单片机的型号选择是基于控制系统的功能、目标、可靠性、性价比、速度和精度等来决定的。

根据本课题所要实现的功能，所需要的单片机的型号主要从下面几点来考虑：

它必须具有较强的抗干扰能力。

而且要有较高的性价比。

然而ATMEL公司推出的89系列单片机中性比价比较高的就是STC89C51单片机，它是ATMEL公司中比较典型的一款产品。

所以我们就用它做为我们所设计系统的核心芯片，硬件结构非常简单，功能比较强大、性价比较非常高、价格极低是STC89C51的主要特点，它的这些特点符合我们所设计系统的需要，能实现我们所想要的功能，所以我选取了它作为改系统的核心芯片。

STC89C51单片机介绍

最近美国STC公司向世界公布了，他们推出了一种具有新型51内核的STC系列单片机。

这种新型的51内核具有Flash程序存储器、SRAM、UART、SPI、A\D、PWM等模块。

这个具有新型内核的51单片机与以前普通的51单片机的基本功能完全兼容，它就是STC89C51单片机。

主要功能、性能参数

1.内置最新推出的标准51内核；

2.它增强型的机器周期为6时钟，标准型为12时钟;

3.工作频率范围为：

0~40MHZ；

对应Flash空间为：

4KB;

5.内部存储器：

512B（RAM）;

6.定时器\计数器：

3个16位的定时器\计数器；

7.通用异步通信口（UART）：

1个；

8.中断源有8个；

9.有系统可编程和应用可编程，无需专用编程器和仿真器；

10.通用I\O口：

32或36个；

11.它的工作电压是到5V之间；

12.外形封装：

40脚PDIP、44脚PLCC和PQFP等他们的引脚如下。

图3-1引脚图

单片机最小系统

51单片机最小系统一般指的是单片机与晶振电路和复位电路组成的系统，单片机最小系统有时也称为最小应用系统，用最少的元件组成的单片机可以工作的系统称为单片机的最小系统。

下面给出一个51单片机的最小系统电路图。

图3-2最小系统电路图

时钟电路

1.内部时钟电路

内部时钟电路是有89C51本身用于构成内部振荡器的高增益反相放大器和外部电路组成，引脚XTAL1是该放大器的输入端，引脚XTAL2分别是该放大器的输出端。

放大器与外部谐振器构成自激振荡器，外部谐振器可以是石英晶体、陶瓷谐振器。

外接的两个电容与谐振器构成了并联振荡电路。

为了保证系统工作的稳定性对两个电容也有很高的要求。

石英晶体和陶瓷谐振器对两个电容的要求分别为30pF士10