洗碗机的自动控制电路.docx

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洗碗机的自动控制电路

摘要：

目前我国家电产品普及程度已经相当高，然而家用洗碗机却一直是一块存在巨大市场潜力而又未被开发的领域。

这主要是由于传统的洗碗机不能适应中餐餐具的洗涤要求，并且能耗大，安全性不够。

针对这种问题，开发出一款节能环保安全型家用全自动自动洗碗机。

基于全自动洗碗机的功能要求，这款洗碗机在洗涤工艺、自动控制和安全保障三个方面作出了全新设计。

1.自动控制方面，选择使用AT89C51单片机为控制核心，以各个部件的作用时间为逻辑顺序，实现了洗涤过程的智能化控制；2.洗涤功能方面，可提供三种不同的清洗方式，即普通清洗、标准洗和烘干，使清洗效果达到最佳；3.安全保障方面，采用了漏电检测电路和看门狗复位电路，充分保障洗涤过程的安全性要求。

该系统具有结构简单，可靠性高，成本低的特点。

关键词：

洗碗机，自动控制，AT89C51单片机，

Abstract：

Atpresentourcountryhomeapplianceproductpopularityhasquitehigh,howeverdomesticdishwasherhasbeenahugemarketpotentialandundevelopedareas.ThisismainlybecausethetraditionaldishwashercannotadapttotheChinesefoodtablewarewashingrequirements,andlargeenergyconsumption,insufficientsecurity.Aimingatthisproblem,developakindofenergysavingandenvironmentalprotectionsafetytypehome-useautomaticdishwasher.Basedonthefullautomaticdishwasherfunctionalrequirements,thedishwasherinthewashingprocess,theautomaticcontrolandsafetyprotectionofthreeaspectsofthenewdesign.1aspectsofautomaticcontrol,thechoicetouseAT89C51SCMasthecontrolcore,witheachparttimeasalogicalsequence,realizedthewashingprocessoftheintelligentcontrol;2washingfunction,canprovidethreedifferentcleaningmethods,namelythegeneralcleaning,washinganddryingtostandards,toachievethebestcleaningeffect;3security,theleakagedetectioncircuitandawatchdogresetcircuit,adequateprotectionofthewashingprocessofthesafetyrequirements.Thesystemhastheadvantagesofsimplestructure,highreliability,lowcostfeatures

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Keywords：

Dishwasher,automaticcontrol,singlechipAT89C51

1绪论

1.1全自动洗碗机的发展

随着人们生活品质的提高和工作节奏的加快，选购家用电器为自己减轻家务，享受更多的休闲时间，已经是不争的时尚。

过去，人们对家用电器的需求，只是停留在“希望能帮助减轻家务劳动”这种思想水平上，或者满足某种简单的功能水平上。

但是，现在人们已不是单纯处于“有家用电器”这种状态上，而是期望“有智能家用电器”这种追求之中。

这和现代生活进程是息息相关的。

对于家庭主妇而言，洗碗是一件既脏又累的劳动，随着厨房现代化步伐的加快和深入，尤其在中国，人们喜欢饭后马上洗碗，这无疑给家庭带来了更大的负担。

洗碗过程是先用洗洁剂去油污，再用清水冲洗，然后擦干放入消毒柜中消毒。

这个过程简单枯燥，而且对手也有很大的伤害，因此人们迫切希望能有一种替代人洗碗的机器。

顺应人们的这一要求，从1850年起，美国科学家开始着手研制洗碗机，经15年的反复研究和试制，采用曲柄带动叶片或推杆的原理，终于制造出第一台洗碗机。

1912年，出现了电机驱动的洗碗机，并于20年代在美国开始小批量的生产。

然而，由于电动洗碗机自身的局限，它并未真正实现人的解放，至多只是实现了人的部分解放。

于是，人们又设想一种能自动进行的洗碗机，终于在1940年研制出了第一台自动洗碗机，1960年开始走向欧洲市场，到八十年代以后，洗碗机在欧洲和北美等国己基本普及，普及率约在60%-70%之间。

在中国，全自动洗碗机尚属超前消费产品，在大多数人认识中还是一个新鲜事物，远没有洗衣机、电风扇和电冰箱那样和人们的生活己紧密结合在一起。

但其发展前景非常乐观。

从本世纪九十年代开始，国外品牌洗碗机开始在中国市场上出现，1997年低，无锡小天鹅集团公司和意大利梅洛尼公司，合资成立了小天鹅梅洛尼洗碗机有限公司，引进了意大利全套国际先进水平的生产和测试设备，最早开始正式生产家用全自动柜式、台式洗碗机，并投放市场，并且取得了不错的销售成绩。

随后，国内各大电器厂商都相继推出自己的产品，全自动洗碗机在中国家电行业开始占据一定的市场。

相信在不久的将来，随着中国经济发展和人们对生活质量的追求日益提高及洗涤技术逐渐完善，全自动洗碗机就会在中国得到普及。

1.2全自动洗碗机概述

洗碗机是一种代替人工洗涤碗、碟、杯、盘、勺、筷等餐具的家用电器。

它集洗涤、消毒、烘干和储存于一体。

具有造型美观新颖、使用方便、省时省力、清洁卫生和不需要特殊安装等优点，越来越受到广大消费者的青睐，成为现代家庭的好帮手。

1.2.1全自动洗碗机的分类

现在的洗碗机种类繁多，款式多样。

按餐具的装取方式的不同分为顶开门式（上掀盖式）和前开门式（推拉式）；按洗涤方式的不同分为叶轮式、喷臂式、超声波式及水流式；按控制方式的不同分为机械控制式和电脑控制式；按洗碗机的外形的不同分为柜式和台式；按自动化程度的高低的不同分为普通型（P）、半自动型（B）和全自动型（Q）三大类型。

1.2.2全自动洗碗机的基本结构

本设计的全自动洗碗机是前开门式结构的，它的外部结构如图1.1所示，内部还有加热管、进水电磁阀、洗涤装置、排水电机、过滤网、碗架、导轨、漂洗剂供料装置、风扇等。

（1）选择按钮这里的选择按钮有3个，分别是清洗方式选择按钮、时间选择按钮、启动/停止按钮。

清洗方式选择按钮按下一、二、三次分别对应于普通清洗、标准洗、烘干三种方式。

时间选择是用于烘干方式下的烘干时间，按下它一、二、三次分别对应于15分钟、30分钟、45分钟三种时间。

启动/停止按钮是控制洗碗机的工作/停机的。

（2）进水电磁阀台式洗碗机一般采用电磁阀进行进水。

进水电磁阀不通电时，堵头受弹簧力作用而堵住进水口，不进水；电磁阀通电时，电磁力克服弹簧力作用并通过拉杆将堵头提起，打开进水口，开始进水。

（3）洗涤装置洗涤装置主要由旋转喷臂、清洗水泵等构成。

清洗水泵安装在机座的底部，由清洗电机与叶轮泵构成。

清洗电机直轴驱动叶轮泵，把水进行加压,通过喷臂的喷水孔从三维方向喷出具有一定压力的热水流，从而对餐具进行冲洗，结构如图1.2所示。

由于喷水孔喷水时，受水的反作用力的作用，产生了一个转矩，使喷臂连同轴套一起绕空心轴转动，从而达到改变方向，从不同的角度清洗的目的。

清洗和标准洗的区别在于，标准洗是包括清洗过程，在清洗后再加热洗的过程。

全自动洗碗机即是通过单片机进行控制的，由旋转喷臂将水从不同的角度喷射到餐具上，依靠水的压力、温度和洗涤消毒剂的作用，实现对餐具的清洗、消毒，最后烘干。

1.2.3全自动洗碗机的工作原理

其工作原理是通过单片机控制电路的切换而实现自动洗碗功能的。

首先是上电先检测洗碗机内是否有残余的水，如果有就必须排出。

确保洗碗机内为低水位后，再根据用户的方式选择进行不同的操作。

普通清洗：

首先打开进水电磁阀，自动进水，到达高水位时停止进水，洗涤泵电机对水加压，清洗电机驱动洗涤泵使水在一定压力下从上下喷臂的喷水孔喷出，由于喷臂受到喷水的反作用力而不断地沿轴心均匀地反方向转动，喷臂不断将带有洗涤剂或漂洗剂的水以一定的压力山上向下从三维方向均匀密集地喷射到餐具表面，进行强力冲洗，然后将污水排出，这样的过程重复三次。

标准洗：

首先将普通清洗过程进行一遍，然后再次进水，到达高水位时启动加热电路对水进行加热，当温度到达60℃－65℃时清洗电机用热水冲洗餐具，同时热水对食物残渣进行浸泡膨化，洗涤剂对污垢与残油污乳化分解并杀菌消毒。

然后，污水经排水泵排出，最后利用高温余热完成餐具的烘干。

烘干：

首先启动加热电路，再启动风扇，当温度到达70℃时停断开加热电路，利用热气流对餐具表面残留的水进行烘干。

1.2.4系统的设计框架和设计原则

本设计将分为两个方面进行阐述，一方面讲述洗碗机控制系统硬件的设计，一方面讲述实现其软件的设计。

全文将整个系统分为几个功能子模块分别阐述，做到条例清晰，易懂。

在设计上面，做到使洗碗机具有结构简单，工作可靠，选择器件的原则是在不影响功能的前提下尽量节省成本和能源。

该控制系统设计将会提供用Protel绘制的整个控制系统原理图、各功能模块的电路图、工作流程图以及程序清单，还有所用到的一些功能器件都将会作简单介绍。

2全自动洗碗机控制系统硬件设计

2.1控制系统硬件结构

为了实现对清洗方式和时间的选择设定以及洗涤过程的全自动控制，全自动洗碗机控制系统应具有温度检测、过零检测、漏电检测、水位检测、键盘输入、状态显示、报警及输出驱动等功能。

其硬件结构如图2.1所示。

图2.1全自动洗碗机控制系统硬件结构图

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（ROM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。

功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域

输出驱动电路包括电机驱动电路、进水电磁阀驱动电路以及继电器驱动电路。

电机驱动电路用于驱动清洗电机、排水电机、风扇电机，进水电磁阀驱动电路用于驱动进水电磁阀，加热管由于功率较大，采用继电器驱动。

报警电路是由一个蜂鸣器组成，其目的是在洗涤过程结束时发出声音提示用户，以及在故障时发出报警信号。

为了保证控制系统的稳定工作和使用安全，系统中还设计有电流过零、漏电检测、看门狗复位电路。

电流过零检测电路是为了向微控制器提供交流电源过零点信息，从而使控制系统对加热管的接入或断开在电源过零点时附近操作，从而避免了继电器在交流电源的波峰或波谷时动作对继电器的触头造成的损伤；漏电检测电路是检测洗碗机的外壳是否带电，从而保护人身的安全；看门狗复位电路是为了在电源电压出现故障时使单片机复位从而保证洗碗机正常工作。

键盘显示电路中键盘是选择清洗方式和烘干时间以及启动/停止选择，显示电路以发光二极管显示当前状态。

温度检测电路是为了随时检测洗碗机内温度，以保证某些操作在特定温度区间内进行；水位检测电路可以检测洗碗机内当前水位状态，它可以检测出高低两个水位，以便控制洗碗机的洗涤和排水操作。

2.2AT89C51单片机简介

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（ROM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。

功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

AT89C51单片机的主要性能参数：

.与MCS-51产品指令系统完全兼容；

.4K字节可重檫写flash闪速存储器；

.1000次檫写周期；

.全静态操作:

0Hz到24MHz；

.三级加密程序存储器；

.128x8字节内部存储器；

.32个可编程I/O口线；

.两个16字节定时记数器；

.六个中断源；

.可编程串行URAT通道；

.低功耗空闲和掉电模式。

AT89C51提供以下标准功能：

4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/0口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可将至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。

它的外部引脚如图2.2所示，其中P0、P1、P2三个端口均为双向I/O口。

P3口除了作普通I/O口外,还接收一些用于FLASH闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

更重要的是它的第二用途,如表2.1所示：

表2.1P3口的第二用途

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外中断0）

P3.3

（外中断1）

P3.4

T0（定时器/计数器0）

P3.5

T1（定时器/计数器1）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选通）

其它引脚的定义为：

VCC：

电源电压。

GND：

地。

RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个周期以上的高电平将单片机复位。

ALE/

：

当访问外部存储器和程序存储器时,ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部存储器时将跳过一个ALE脉冲。

：

程序存储允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次

有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的

信号不出现。

/VPP：

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH）,

端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存

端状态。

如

端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

FLASH存储器编程时，该引脚上加+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。

XTAL1和XTAL2两脚接晶振。

AT89C51有两种可用软件编程的节电模式，它们是空闲模式和掉电工作模式。

在空闲工作模式状态，CPU保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。

此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。

空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。

终止空闲工作模式的方法有两种，其一是任何一条被允许中断的指令被激活；其二是通过硬件复位也可将空闲工作模式终止。

在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。

退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在VCC恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动和稳定工作。

2.3键盘/显示电路

键盘/显示电路设计了三个按钮和七个LED显示。

三个按钮为清洗方式选择、时间选择和启动∕停止按钮。

清洗方式选择按钮用于选择普通清洗、标准洗和烘干三种工作方式，并通过对应的LED显示状态；时间选择按钮用于选择烘干的工作时间，有15分钟、30分钟和45分钟三档工作时间可选，并通过对应的LED显示状态；键盘/显示电路如图2.3所示。

图2.3键盘/显示电路

图中，D1-D7八个发光二极管分别代表启动/停止，三个清洗方式选择指示，三个时间选择指示,故障指示，他们分别通过限流电阻和74LS04反向器驱动分别连接在AT89C51的P1.0-P1.6端口。

AT89C51右侧是键盘输入电路，三个按键分别代表启动/停止按钮，清洗方式选择按钮，时间选择按钮。

S1：

按一次是启动，指示灯D1亮，再按一次是停止，指示灯D1灭。

S2：

按一次是清洗，指示灯D2亮，按第二次是标准洗，指示灯D3亮，按第三次是烘干，指示灯D4亮。

S3：

按一次烘干时间选择为15分钟，指示灯D5亮，按第二次选择为30分钟，指示灯D6亮，按第三次选择为45分钟，指示灯D7亮。

。

单片机的工作原理是：

由定时中断控制CPU定时扫描键盘的输入，当S1第一次按下时即P2.0口电平由高变低，单片机即判断为启动信号，于是P1.0输出高电平，从而D1亮，当S1第二次按下时单片机即判断为停止信号，于是P1.0输出低电平，从而D1灭。

当检测到P2.1口电平第一次由高变低则为清洗，P1.1输出高电平，D2亮，当检测到P2.1口电平第二次由高变低则为标准洗，P1.2输出高电平，D3亮，同理，当检测到P2.1口电平第三次由高变低则选择烘干，P1.3输出高电平，D4亮；与方式选择类似，S3按下一、二、三次分别对应于15分钟、30分钟、45分钟，分别使D5、D6、D7亮。

2.4温度检测电路

全自动洗碗机的温度检测电路是由热敏电阻和三路比较器电路组成，为了满足控制的需要，温度检测分60℃、65℃和70℃。

其中热敏电阻TR为负温度系数（NTC），即随着温度上升其阻值下降。

温度检测电路如图2.4所示。

图2.4温度检测电路

由上图可以看出，三路比较器由三个运算放大器组成的。

在没有下面热敏电阻电路时，三组比较器输出均为高电平，用二进制代码记为111。

这里设定P2.5所连接的比较电路整定温度为60℃，依次向上分别为65℃、70℃。

当洗碗机内温度上升到60℃，热敏电阻阻值减小，于是R35分的电压增大并超过运放正端电压，经过比较电路，此时P2.5端口输入低电平，用二进制代码记为110；同理当温度达到65℃，P2.4端口输入低电平，记为100，温度到达70℃时P2.3端口输入低电平，记为000。

因此只要检测这三个端口电平的高低就可以测出当前温度范围。

图中R22和C13的作用是与热敏电阻阻抗匹配，消除非线性因素。

2.5水位检测电路

全自动洗碗机的水位检测电路是利用浮子带动传感器测量水位，动作开关采用干簧管，当水位到达指定点时，干簧管吸合。

根据控制的需要，控制系统设计有高、低两个检测水位，分别用于洗碗机的进水和排水的控制。

水位检测电路如图2.5所示。

图2.5水位检测电路

K1为高水位干簧管动作开关，当水位达到高水位指定点时，K1闭合，P2.6口电平由高变低，通知单片机此时已达高水位；K2为低水位干簧管动作开关，当水位达到低水位指定点时，K2闭合，P2.7口电平由高变低，通知单片机此时已达低水位。

2.6看门狗复位电路

2.6.1看门狗芯片MAX813简介

这里的看门狗复位电路采用的是MAXIM公司的MAX813芯片，外部引脚如图2.6所示，目的是提高系统的抗干扰性。

当电源和单片机发生故障时可通过它产生中断信号使单片机复位，确保单片机正常工作。

本系统采用MAX813L看门狗电路监控单片机的工作，如果单片机工作不正常，看门狗电路在规定时是内得不到刷新复位，就输出信号强制单片机复位重新启动工作，保证系统正常工作。

MAX813L主要有以下几个功能：

（1）上电、掉电以及降压情况下具有RESET输出。

（2）独立的“看门狗”电路。

“看门狗”定时时间为1.6s。

（3）1.25V门限检测器，用于低压报警，适时监视+5V以外的电源电压。

（4）具有手工复位输入端。

图2.6MAX813L

MAX813L引脚说明如下：

脚（

）：

手动复位输入端（

），当该端输入低电平保持140ms以上，MAX813L就输出复位信号。

该输入端的最小输入脉宽要求可以有效地消除开关的抖动。

与TTL/CMOS兼容。

脚（VCC）：

5V电源。

脚（GND）：

电源地。

脚（PFI）：

电源检测输入端。

可将需要检测的电源连接于此，不用时接地或电源。

脚（

）：

电源检测输出端。

被检测电源正常时，输出高电平，否则输出低电平。

脚（WDI）：

“看门狗”输入端，俗称“喂狗”信号。

程序正常运行时，必须在小于1.6s的时间间隔内向该输入端发送一个脉冲信号，以清除芯片内部的看门狗定时器。

若超过1.6s该输入端收到脉冲信号，则内部定时器溢出，8号引脚由高电平变为低电平。

脚（RESET）：

上电时自动产生200ms的复位脉冲；手动复位端输入低电平时，该端也产生复位信号输出。

脚（

）：

“看门狗”输出端“喂狗”信号在1.6s内不能及时送入时，该脚即产生1个低电平信号。

2.6.2看门狗复位电路工作原理

看门狗复位电路与单片机接口电路如图2.7所示。

此电路可以实现上电、瞬时掉电以及程序运行出现“死机”时的自动复位和随时的手动复位；并且可以实时地监视电源故障，以便及时地保存数据。

其中RESET引脚与AT89C51的RST相连，WDI引脚与AT89C51的P3.1口相连，

引脚与AT89C51的P3.2口（

）相连。

具体工作原理如下：

图2.7看门狗复位电路与单片机接口电路

当电源电压出现故障，监测点电压小于1.25V（PFI输入电压<1.25V）,

就会输出低电平，通过P3.2口（

）对单片机产生中断请求信号，单片机采取相应保护措施；看门狗定时器的输入WDI监测单片机P3.1口的脉冲变化，当单片机运行有故障，P3.1口连续1.6s无上升沿或下降沿变化时，

输出低电平，由于

通过二极管接

，导致

输入电压低于0.8V，使单片机复位后重新进入正常运行。

同时在这两端接手动复位按钮，可以通过手动产生复位信号。

当电源电压降至4.40V以下时，RESET输出高电平，即AT89C51的RST口输入高电平，单片机复位，直到VCC升到4.40V以上，RESET仍保持高电平，保证单片机的可靠复位，然后降为低电平，单片机正常工作。

2.7过零检测电路

因为系统需直接控制加热管及其它220V交流负载的接入和断开，用继电器进行控制是目前最常用的方式。

在驱动交流负载时，我们利用单片机来控制驱动电路，从而对交流负载进行控制。

由于普通的机械式继电器采用的是电磁吸合方式，因此在开关闭合瞬间，触点容易产生火花对继电器触头造成损伤，产生强电磁干扰通过输出通道反串到测控系统。

为了防止干扰，我们在