智能洗衣机控制电路设计Word文件下载.docx
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⑵对衣物的磨损率低;
洗涤容量大,洗涤范围广,滚筒式洗衣机采用滚动加微摩擦方法的洗涤方式,洗涤中较为柔和,对衣物的磨损小,尤其适合洗涤毛料织物、羽绒织物及大件衣物。
⑶节能节水节电:
滚筒式洗衣机的耗电量小,洗一次最多耗点0.3kW/h~0.4kW/h,洗涤过程中进水次数不超过7次,每次进水为20千克左右,整个洗涤过程下来不超过140千克。
⑷整机性能配置合理:
由于机体内采取了整体吊装的方式,采取两个减震器支撑其内筒底,所以其工作非常的稳定,性能也比较好,震动也非常小,无摆动而且噪音非常低。
而采用单片机控制器控制方式,使得洗衣机的抗干扰能力更加强大,洗衣机的使用寿命大大延长。
⑸使用寿命长:
滚筒式洗衣机结构合理,用料讲究,并且由控制器统一控制。
在整机性能上,具有使用方便,故障少,寿命长(可达15年)的优点。
1.2.2全自动滚筒式洗衣机的洗涤原理
滚筒式洗衣机的洗涤原理与其他类型洗衣机不同,其主要利用洗涤剂和加热手段来达到洗净衣物的目的。
衣物放入洗衣机洗涤液中。
加入洗涤剂,通过滚筒不同强度的正反转,在转动过程中可以对洗涤进行加热。
充分地利用机械作用,化学作用,热作用,对衣物进行洗涤、漂洗。
离心式脱水方式可以采用不同的转速度来合理的洗涤衣物。
⑴机械作用:
智能洗衣机的洗涤元器件的名字为外筒或盛水桶一卧式水桶,而且在其内筒壁上有许多滚珠与小孔。
而小孔的作用就是流通洗涤液。
衣物装入内筒之中,洗涤液盛放在外筒里。
在内筒的一半高度处的水位,可以方便的使被洗异物处于半浸泡状态。
电机开始工作以后,带动洗涤异物在筒内进行反转揉搓,而摔打揉搓衣物则依靠内筒的凸筋以及内筒的旋转来完成。
⑵化学作用;
现代洗涤剂(也称洗衣粉、洗衣膏)的化学成分较为复杂/洗涤剂主要起两个功能:
一方面可以起到保护衣物,减小洗涤时对衣物的磨损作用;
再一方面还起到溶解衣物的污垢,产生膨胀浸润的作用,使洗涤衣物中的污垢脱落并使其悬浮于碱性溶液中的作用。
洗涤剂一般含有费皂和洗涤活性物质,降低水中石灰质的聚磷酸盐,以及增加洗涤效果的碱,增加洗衣香味的添加香料,此外还可以加入漂白、稳定剂等。
⑶热作用:
全自动滚筒式洗衣机可以对洗涤液进行加热选择。
加热洗涤时,不但可以增加分子运动的活性,还可以使洗涤剂充分发挥作用,特别是让洗涤剂中的富氧物质(达硼酸盐)发挥作用。
但高温则会对衣物有损害,一般在40℃~60℃为宜,这样不但可以提高洗净度,还可以达到节能45%。
2系统方案的论证与选择
2.1总体方案的论证与选择
2.1.1主要技术参数
额定洗衣量:
3kg
电源:
交流220V(50Hz)
洗涤功率:
250W
脱水功率:
进水阀:
交流220V
排水阀:
直流220V
2.1.2洗衣机的主要功能
本设计全自动洗衣机的控制功能如下:
⑴洗涤功能。
洗涤时其正反转的时间定为3S,其间歇的时间定为2S。
⑵排水程序、标准程序、单独程序、经济程序是洗衣机的四种洗衣方式。
进水至洗涤/漂洗至排水至脱水是其标准程序,然后同样循环三次,具体来说的话第一循环为洗涤其时间定为3.5min,第二次循环是漂洗,定的时间分别为3min与1.5min,采用动态时间法来去顶洗衣机的排水随需时间,其脱水所需时间定为2min.洗衣机的经济程序与标准程序基本相同,除了循环次数为两次。
进水至洗涤—结束是智能洗衣机的单独程序。
智能洗衣机的排水程序是排水至脱水至结束,时间确定和上述的程序的相对应的环节是相同。
(每个程序结束后都会报警)
⑶浸泡功能。
在开启浸泡功能的情况之下,在上述的前三种洗衣机工作过程第一次进水以后,智能洗衣机会根据程序的设计进入浸泡的过程,先洗涤衣物一分钟,这是为了保证搅匀衣服和洗涤剂,完毕以后停机浸泡十分钟,然后退出浸泡程序转至洗涤程序。
⑷进、排水系统故障自动诊断功能。
在此工作状态中洗衣机如果没有在规定的期限内进排水达到标准,据此可以表明系统有问题,智能洗衣机的控制系统检测出此问题以后告知使用者并通过警告程序发出报警提示,用来提醒使用者进行人工检修。
⑸安全保护和防振动功能。
如果想打开洗衣机盖的话,在处于脱水状态,此状态就会被洗衣机自动终止。
在脱水状态下,出现衣物放置不平衡以及由异物缠绕所引起的重心不稳的情况,智能洗衣机也会根据程序设定而自动终止脱水,从而避免震动幅度过大,然后等待使用着人工解决以后再次工作。
⑹间歇驱动方式。
脱水状态下所采用的工作方式是间歇驱动方式,此目的是节省耗电。
本系统的程序设计要求驱动4秒,间歇为2妙,脱水桶间歇期的高速旋转是考惯性来实现的。
⑺暂停功能。
无论智能洗衣机出于什么工作状态,只要按下洗衣机的暂停键,洗衣机就会暂时停止所有工作,智能洗衣机待启动键按下后又能按原来所选择的状态继续进行[11]。
⑻声光显示功能。
智能洗衣机的各种状态的选择和模式选择都是有声音、灯光说明和显示的。
依据智能洗衣机控制电路的技术限制和功能要求,综合考虑要选择51系列单片机AT89C2051
2.2模块方案论证与选择
2.2.1时钟电路
AT89C2051芯片内部有一个高增益反相放大器。
用于构成振荡器。
反相放大器的输入端为XTAL0,输出端为XTAL1,两端跨接石英晶体及两个电容可构成稳定的自激振荡器。
本设计的时钟电路两个电容取30pF,可稳定频率并对振荡频率有微调作用。
本设计选用JA95A型号石英振荡器,振荡脉冲频率选用6MHz。
2.2.2复位电路
在加电瞬间电容通过充电来实现来实现上电自动复位的。
在通电一瞬间,电容通过电阻充电,RST端出现正脉冲,用以复位。
只要电源VCC的上升时间不超过一毫秒,就可以实现复位。
手动复位是通过接通复位开关,使智能洗衣机控制电路的单片机进入到复位的状态[10]。
参数的选定:
在振荡稳定以后应该确定复位高电平持续的时间大于两个机器的周期。
本设计的晶体频率为6MHz,取C=22μF,R=1KΏ。
2.2.3电源电路
电源电路是采用220V的交流电先经变压器降压,再经桥式整流电路整流,整个电路的控制器的工作电池使用三端稳压器所得到的5伏电压做为的。
本设计使用5V的电压作为整个控制器的工作电源,故选用CWM7805型稳压器,CWM7805型稳压器的输入电压为7~35V,为了保证稳压性能,电源电路接三端稳压器时,输入电压和输出电压至少要相差2V以上,但是也不能取得过大,因为太大则会增大器件本身的功耗以至于损坏器件,所以本设计在稳压器的输入电压取10V,在输入和公共端,输出和公共端之间分别接了0.1μF和0.33μF的电容,可以防止产生自激振荡。
2.2.4指示电路
系统的所有LED指示灯全部选用BT系列LED,型号为BT101,BT101型号LED的反向击穿电压≥5伏,为了保证LED不被反向击穿,使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。
限流电阻R用下式计算:
R=(E-UF)/IF
式中:
E--------------------电源电压,本设计E=5V
UF------------------为LED的正向压降,BT101型号LED的正向压降UF≤2V,此处取1.5V,
IF-------------------为LED的工作电流,本设计取3.5mA.
所以LED的限流电阻R=(E-UF)/IF
=(5-1.5)/3.5×
10-3
=100Ώ
其中译码器选用74LS139型号2-4线译码器。
2.2.5电机的正反转、进水阀和排水阀电路
电路的工作原理:
当把P1.0~P1.3分别置于1时,控制电路的输出信号经过反相器之后变为0,固态继电器的输入端获得正五伏电压,使得输出端导通,实现进水阀、排水阀的开启和电机的正反转。
当P1.0~P1.3分别置在0时,电路的输出信号经过反相器之后变为1,固态继电器的输入端的电压为0,固态继电器关闭,从而实现对洗衣机进水阀、排水阀的关闭和电机的停转。
本设计电动机选用XDS型洗衣机用单相电容电动机,型号为XDS-250,额定功率为250W,额定电流为2A,电容器容量为16μF。
因为电机是感性负载,所以选择固态继电器的额定电流取为电机额定电流的2.5倍,为此四种驱动电路全部选用GTJ2-5A220VAC型交流固态继电器。
GTJ2-3A220VAC型交流固态继电器的额定电压为220V,额定电流为5A,控制电压为3~32VDC,关断电压为1.2VDC,开启电流为5mA,控制电流<25mA。
故本设计控制电压取4VDC,控制电流取10毫安
交流固态继电器的限流电阻R=(5-4)V/10×
10-3A=100Ώ
电动机正反转驱动电路中的二极管选用1N4148型硅开关二极管,其在IF=10mA的测试条件下正向压降VF≤1.0V,由上面的计算可知,流过发光二极管的电流为3.5mA,故此处1N4148型硅开关二极管的正向压降VF取0.5V。
所以电机反转驱动电路中和发光二极管和开关二极管串连的限流的电阻:
R=(5-1.5-0.5)V/3.5×
10-3A≈857Ώ,所以限流电阻R取820Ώ
固态继电器的电流为10mA,LED指示灯的电流为3.5mA,总共需要13.5mA的驱动电流,本设计选用7406型号的反相器来提高驱动能力。
其低电平驱动能力达到40mA,足以满足要求。
在控制电路的固态继电器的输出端并联一吸收电路,从而可以有效的抑制加至继电器的瞬态电压和电压指数上升率,保护固态继电器。
吸收电路的电阻R取4.5K,电容取4700pF。
洗衣机的进水阀选用江阴市电磁阀厂生产的XJD系列电磁塑料进水电磁阀,型号为XJD—11。
其适用电压为AC220V,适用压力为0.02~0.08MPa.
本设计洗衣机的排水方式为下排水方式,排水阀选用江阴市电磁阀厂生产的XFD系列电磁塑料排水电磁阀,型号为XFD—10,其适用电压为DC220V,适用压力为0.02~0.08MPa.
2.2.6时间显示电路
考虑到本设计所选择的CPUAT89C2051的I/O不多,时间显示器采用串行口静态扩展。
选用74HC164移位寄存器。
74HC164是串入并出移位寄存器,并带有清除端。
电路原理:
串行口工作在方式0,即为同步移位寄存器输入/输出方式,串行数据通过RXD输入,TXD用于输出移位时钟,作为74HC164移位寄存器的同步信号。
在发送过程中,当执行一条将数据写入缓冲器SBUF的指令时,串行口把SBUF中的8位数据以1/12的波特率从RXD端输出。
发送完毕置中断标志TI=1。
四个共阳极显示器分别显示分、分、秒、秒。
移位寄存器选用74HC164。
可实现串行输入,并行输出。
选用BS211A-B型号共阳极显示器,其最大工作电流IM为10mA,正向压降UF≤2V,本设计共阳极显示器的每个LED发光二极管的工作电流取3.5mA,正向压降取1.5V。
固限流电阻R=(5-1.5)V/3.5×
10-3A=1000Ώ,限流电阻取1000Ώ。
因为74HC164允许通过的电流为八毫安,故不必添加驱动电路。
2.2.7蜂鸣报警电路
蜂鸣器选用P231906-C34型号压电式蜂鸣器。
其额定电压为4~8V,本设计使用5V,故不必使用限流电阻;
额定电流≤15mA.电路中P1.0接晶体管输入端。
当.P1.0输出高电平1时,晶体管导通,压电式蜂鸣器两端获得正五伏的电压所以进行鸣叫;
当P1.0输出低电平0时,晶体管中止,蜂鸣器中断发音。
三极管选用2SC1815型号开关三极管。
电路中的两电阻分别选用3.3K和5.6K。
2.3系统总体设计方案
本设计全自动洗衣机的总体方案如图2-3所示:
本设计洗衣机控制方案是依据技术参数要求,本着线路简单,可靠性高和成本低的原则选择的。
3系统硬件设计
3.1AT89C2051单片机介绍
AT89C2051功能特性和引脚功能
AT89C2051是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,功能强大,但它只有20个引脚。
其主要功能特性为[19]:
•兼容MCS51指令系统
•15个双向I/O口
•两个16位可编程定时/计数器
•时钟频率0-24MHz
•两个外部中断源
•可直接驱动LED
•低功耗睡眠功能
•可编程UARL通道
•2k可反复擦写(>
1000次)FlashROM
•6个中断源
•2.7-6.V的宽工作电压范围
•128x8bit内部RAM
•两个串行中断
•两级加密位
•内置一个模拟比较放大器
•软件设置睡眠和唤醒功能
按照功能可将硬件电路分为:
⑴单片机最小系统:
包括CPUAT89C2051,按键和显示接口电路
⑵检测电路:
包括水位检测电路和门状态检测电路
⑶驱动电路:
包括电动机正反转驱动电路,进水阀、排水阀驱动电路和蜂鸣器驱动电路
⑷人机对话驱动电路:
主要包括按键,显示器。
其中按键用于洗衣机程序设定,并控制洗衣机的运行,发布有关指令信息。
显示器为用户提供直观的洗涤时间显示。
⑸直流稳压电源电路
3.2各部分硬件介绍和说明
3.2.1控核心部分
采用AT89C2051作为控制核心。
其中P1.0用于控制洗衣机的进水阀和P1.1用于控制洗衣机的排水阀;
P1.2用于控制洗涤电机正转和P1.3用于控制洗涤电机的反转;
P1.4和P1.5用作译码器74LS139的输入线,74LS139译码器的四个输出线分别用于连接LED1、LED2、LED3、LED4四个LED灯。
P1.6用于驱动LED5。
串行口VXD和TXD用于扩展四个LED显示器。
外部中断口INT0和INT1分别用做盖开关K4和暂停/启动键K3的中断口,P3.7用于驱动蜂鸣器。
3.2.2按键和开关部分部分
⒈程序选择键K1本设计的洗衣机有四种工作程序,循环选择洗衣机的四种工作程序使用该键即可。
⒉暂停/启动键K2该开关因为采用分时复用技术而具有三个功能。
其中一个是智能洗衣机处于停用或工作的状态,用K2启动智能洗衣机进入工作状态或原来状态;
其二是洗衣机处于工作状态,按下这个开关则进入暂停的状态;
其三是在故障报警期间,按下K2开关停止报警,然后回到初始的待命状态[11]。
⒊盖开关/平衡开关K3在洗衣机脱水期间,若出现打开机盖或者转动不平衡时的情况,则应该使K3闭合,引起中断,从而实现洗衣机自动停止脱水操作,而在合上盖或者恢复不平衡以后又继续脱水。
⒋水位开关K4在水满的时刻,K4会闭合。
在进水期间,系统会不断的检测K4,若在2.5分钟内检测到K4闭合。
则会停止进水。
否则认为进水出故障,并发声提示,关闭进水阀;
在排水期间,系统会一直检测K4,若在一分钟内检测不到K4的断开,则认为是排水系统出故障,从而发声警示,然后会关闭排水阀,否则的话按正常处理[11]。
⒌开启/关闭浸泡键K5该键用于开启或者关闭洗衣机的浸泡功能。
⒍强制复位键K6按下该键可以使单片机强行复位。
3.2.3LED指示灯
LED1,LED2,LED3,LED4分别用来指示排水程序,单独程序,经济程序,标准程序四种洗衣工作程序;
LED5用于指示浸泡功能开启,闪烁时表示正在浸泡衣物;
LED6,LED7,LED8,分别用来表示洗涤,排水,进水三种状态。
3.2.4译码器
74LS139为双2-4线译码器,之所以选用它是因为AT89C2051单片机只有20个引脚,I/O线不足,选用它可解决CPUI/O线数量的不足。
本设计洗衣机有4种不同的工作程序,分别要用四种不同的显示来加以区别。
74LS139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。
3.2.5固态继电器
交流固态继电器是一种无触点通断电子开关,为四端有源器件。
其中两个端子为输入控制端,另外两端为输出受控端,交流固态继电器内有发光二极管及光触发双向可控硅,输入输出之间电气隔离是用光电隔离,。
整个器件无可动部件及触点,可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能。
选择这个器件的原因是,它既可以使控制电路更加的简洁,还可以使强、弱两类电完全被分开,从而确保主板的安全,不被损坏。
3.2.6反相器
选用反相器是防止AT89C2051型号单片机的驱动电流不足,4个反相器可分别驱动4个交流固态继电器。
3.2.7移位寄存器
本设计CPU的I/O数量不是很多,考虑到这个问题,所以本设计时间显示电路采用串行口扩展,通过移位寄存器的输出控制,可实现四位LED显示器的驱动控制。
3.2.8LED显示器
四个共阳极的LED显示器分别显示分、分、秒、秒。
用来作为显示屏幕,从而使使用者观察更加方便。
3.3各部分电路
3.3.1控制逻辑电路模块
全自动洗衣机的控制原理图如图3-1所示。
它由单片机AT89C2051为核心加上有关集成电路及元器件组成。
本设计全自动洗衣机有3个工作部件:
电机、进水阀与排水阀。
洗衣机的动力源是电机,洗衣机滚筒的转动是靠它的转动带动,从而实现对衣物的洗涤。
控制洗衣机的进水量是用进水阀来控制的。
智能洗衣机的排水使用排水阀控制的。
电机在脱水时还继续旋转带动衣物以便脱水。
电机有3种状态,即正转.反转和停止状态。
电机一般工作就在这三种状态的不断转换之中,从而实现洗涤。
但在脱水时,只工作在正转状态。
开.关这两种状态是进水阀和派排水阀仅有的两种状态。
3.3.2时钟电路
全自动洗衣机的微机控制系统的时钟电路如图3-2所示:
AT89C2051用于构成振荡器。
3.3.3复位电路
本设计微机控制系统的复位电路采用手动复位和上电复位组合,其电路图如图3-3所示。
加电瞬间电容通过充电来实现上电自动复位的。
在通电瞬间,电容通过电阻充电,RST端出现正脉冲,用以复位。
只要电源VCC的上升的时间不超过1毫秒,就可以实现复位。
手动复位是通过接通复位开关,使单片机进入复位状态。
在振荡稳定后应保证复位高电平持续时间大于2个机器周期。
3.3.4电源电路
电源电路如图3-4所示:
电源电路是采用220V的交流电先经变压器降压,再经桥式整流电路整流,最后用三端稳压器稳压得到5V的电压作为整个控制器的工作电源。
二极管的选型:
根据式Uo=1.2Ui
式中:
Ui---------------整流电路的输入电压
Uo---------------整流电路的输出电压
因为电源电路中的三端稳压器CWM7805的输入电压取10V,所以整流电路的输出电压Uo=10V。
由式Uo=1.2Ui
可得:
Ui=Uo/1.2=10/1.2=8.333V
整流二极管所承受的最高反向电压URW=2Ui=11.783V
选用2CZ52A型硅二极管,其最大整流电流为100mA,反向工作峰值URWN为25V,URWN>URM,
考虑到变压器二次侧绕组及管子上的压降,变压器的二次侧电压大约要高出10%,即8.333×
1.1=9.1663≈9V。
3.3.5指示电路
本系统的指示电路设计如图3-5
图3-5指示电路
3.3.6电机的正反转、进水阀和排水阀电路
电动机正反转、进水阀和排水阀电路如图3-6所示:
图3-6电动机正反转、进水阀和排水阀电路
当P1.0~P1.3分别置于1时,输出信号经过反相器之后变为0,固态继电器的输入端获得+5V电压,使得输出端导通,实现进水阀、排水阀的开启和电机的正反转。
当P1.0~P1.3分别置0时,输出信号经过反相器之后变为1,固态继电器的输入端的电压为0,固态继电器关闭,实现对洗衣机进水阀、排水阀的关闭和电机的停转。
故
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