基于51单片机的全自动洗衣机控制系统设计

基于51单片机的全自动洗衣机控制系统设计

1 引言

全自动洗衣机作为家用电器，已经走入了千家万户的生活中，成为了我们生活的必需品。目前中国的洗衣机市场需求特别大而且潜力巨大，人们对洗衣机的要求也越来越高。目前洗衣机的功能很多，但是并不能完全满足人们的需求，这就要求设计者们在进行设计以及改进是更加贴近生活，符合民意，将人们的需求变为设计的根本，创造出更节能、更安全、更干净舒适的全自动洗衣机。

目前的洗衣机市场竞争压力大，各个厂商在设计和制造时往往只能单一提现洗衣机的几个功能，体现出自己的个性化而并不能全面兼备。这就给我们带来了生活上的不便，我们需要更加智能而且全面的洗衣机。所以，本论文就全自动洗衣机的选择与性能设计进行讨论与设计。此次设计需要解决的问题有：如何选择本次设计的全自动洗衣机类型；分析此类全自动洗衣机的优缺点，提出课题设计方案方向；就全自动洗衣机的安全性与清洁性进行设想与设计；单片机与传感器的选择、安置以及各自实现的功能；电路及控制系统的设计。

1.1课题的提出及意义

本次所选择的题目为基于单片机的全自动洗衣机的控制系统的设计。在我们日常生活中，全自动洗衣机主要可以分为波轮式洗衣机和滚筒式洗衣机。在选择洗衣机的类型之前，要对两种洗衣机的应用范围、工作方式、内部结构进行了解调查。通过走访邻里和网上调查，了解相对小样本下两种洗衣机的使用情况以及在使用过程中出现的一系列问题，根据使用数量的多少和出现问题的程度，选择使用量和出现问题较多的洗衣机。选题人自行调查两种洗衣机的工作方式、工作流程、工作原理以及软硬件的构成，自行观察两种洗衣机的实际运行过程以及运行结束后水、衣服的清洁程度。通过对比两种洗衣机的运行过程以及运行模式，

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选择洗衣较为干净，运行更接近于手洗模式的洗衣机，选定为我们此次研究对象。通过选题人的对比和观察，此次研究对象选择为滚筒式全自动洗衣机。

本课题针对于当下全自动洗衣机的研究现状以及能够实现的功能，结合自身的生活需求和常见问题，能够做出基本满足本课题选择的滚筒式全自动洗衣机的控制系统设计。

1.2国内外研究现状

在以前的生活中，人们只能通过不断重复的手动操作来洗衣服，整个过程十分劳累而且时间很长。后来，人们发明了洗衣机来大题手工洗衣，洗衣机也经历了越来越智能的蜕变。随着洗衣机越来越智能化，也越来越解放人们的双手和生活，可以说，洗衣机的一代代进步，改变了人们的生活方式。进入21世纪以来，各大厂商研制出了各类智能全自动洗衣机，可以根据不同的洗衣情况，以及不同的水温、水位，从而选择出最佳的洗涤程序。此外，现代的全自动洗衣机还被研发出了更加接近人类手洗程度的功能，或者是更加贴近人们生活的智能洗涤程序，而这些功能都可以通过一个小小的按键来实现操作。另外还有专门针对婴儿、妇女等特殊群体的洗衣机，以及定位不同档次的洗衣机。随着现在智能家居的概念普及开来，很多厂商在研发产品的时候都着力于更加智能化，力求通过自己的产品为人们带来“智慧”的洗衣体验。现代的全自动洗衣机大致可以分为以下几种：

按自动化程度分为：（1）普通型洗衣机：各功能的转换都需要手动操作；（2）半自动型洗衣机：在使用过程中，任意两个功能能够实现自动转换；（3）全自动型洗衣机：各功能间的转换全部自动完成。

按结构原理分类来分为：（1）波轮式洗衣机：通过波轮旋转，洗涤液在波轮带动衣物旋转翻动的同时清洗衣物；（2）滚筒式洗衣机：具有套筒装置，滚筒绕

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轴心旋转并带动衣物翻滚，模拟手洗时的重复摔打过程，洗涤液在摔打过程中进入衣物从而进行清洗；（3）搅拌式洗衣机：采用立式洗衣桶，在桶的中央置有一

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根装有搅拌桨的垂直立轴。轴在旋转时就爱那个洗涤液搅拌进入衣物，实现清洗功能；（4）喷流式洗衣机：在立桶的侧壁装有波轮。电动机起动带动侧壁波轮旋转，利用具有清理冲击力的水流将衣物在洗涤液中甩打、抛掷、揉搓、冲刷，实现清洗功能。

1.3本课题的研究内容和预定目标

1.主要内容：设计一个用单片机控制的洗衣机控制器。以单片机为核心，扩展必要的外围电路，设计一个洗衣机的控制器。

2.主要功能:

（1）标准洗涤：洗涤十二分钟；漂洗六分钟，三次，脱水三分钟。（在此次设计中为了便于观察结果，时间有所调整）

（2）有启动／暂停按钮控制：按菜单键，再按菜单选择键，选择所需要的功能，工作时，按停止键停止。

（3）具备进水与脱水功能。

（4）具备指示功能：进水时进水指示灯亮；洗涤时洗涤指示灯亮；排水时排水指示灯亮；漂洗时漂洗指示灯亮；脱水时脱水指示灯亮。

2 课题总体方案的设计

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2.1 洗衣机类型的选择

本课题选取了两种市面上主流的全自动洗衣机作为选择对象进行对比选择，分别是波轮式洗衣机和滚筒式洗衣机。在课题开始前，我们将这两种洗衣机的性能和问题进行了详细的对比。

2.1.1 波轮式洗衣机

波轮洗衣机在立桶的底部安装有一个圆形的波轮，上面有突出的立棱。在洗衣机启动后，电机带动波轮的旋转，通过电机的正反转，桶内形成同向旋转的漩涡，衣物在桶内的水中进行摩擦，在洗涤剂的作用下实现去污清洗。

波轮式洗衣机的特点： 1、波轮转动带动的水流对衣物的损伤较小；2、利用单片机进行控制，简单易操作；3、内桶材质为不锈钢； 4、洗衣使用同心洗功能；

5、如果型号为变频波轮式洗衣机，就可以对针对不同衣质的衣物选择不同的电机转速，从而选择出最佳的洗涤条件，既能保证洗净衣物，又能最大程度的降低对衣物的磨损。

优点：单片机控制省时省力，洗衣速度较快；

缺点：相比较其他类型的洗衣机耗电、耗水，衣服容易出现缠绕，打结的情况。

2.1.2 滚筒式洗衣机

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滚筒洗衣机和波轮洗衣机一样具有不锈钢内桶结构，普遍也通过单片机进行控制，具有质地较好的外壳和内置平衡装置一同来平衡滚筒旋转时产生的巨大离心力，重复的洗衣运动加上洗涤液和水进行共同作用使衣物洗涤干净。

滚筒式洗衣机具有如下性能： 1、水温的平衡可以更好地软化衣物纤维，减小洗涤过程中衣物的损伤和变形程度，并且还可以使洗后的衣物柔软而蓬松；2、洗涤过程中加热的水温可充分溶解洗涤液，加快洗涤液中弱酸性物质与污物的化学反应速度，提高洗衣粉中酶的活性；3、温度高有利于污物在水中的扩散；4、高温能有效的杀死一些细菌。

优点：单片机的控制可以使得所有程序自行运转、衣物无缠绕，是最大程度地减小损耗衣物的洗衣方式。

缺点：洗衣时间普遍较长。滚筒洗衣机在运行洗衣程序时机盖无法打开，添加衣物不方便。

2.1.3 选取标准

1、从洗衣时间来看：波轮时间更短；

2、从省水省电来看：波轮耗水滚筒耗电；

3、从衣物的磨损度来看，滚筒洗衣机模拟手搓，洗净度均匀、磨损率低，衣服不易缠绕；

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4、从洗净度方面来看，用常温水洗的话，波轮洗的更干净；而滚筒的则需要加热洗才能洗干净（但有的衣服一加热就变形）。滚筒的洗净比都是1.03。

综合以上的对比，滚筒洗衣机更能模拟人的手洗过程，更符合人们的生活需求，性能方面更加全面只能。本次课题选取滚筒全自动洗衣机进行性能设计。

2.2 洗衣机的设计方案

1. 按键功能。洗衣机面板上有4个按钮K1、K2、K3、K4。K1为菜单键，在按K4键时，需先按下K1键，防止误操作。K2为开始键，用于启动洗衣机。K3用于停止。K4为菜单选择键，用于选择用户所需的功能。

2. 洗衣功能。通电后，若不选择洗衣周期，则洗衣机从洗涤过程开始。进入洗涤过程，首先进水，进水指示灯亮，开始向洗衣机供水，当到达要求时间时，停止进水；电机M接通，带动波轮旋转，形成洗衣水流。电机M是一个正反转电机，可以形成往返水流，有利于洗涤衣物。

3. 漂洗功能。漂洗过程与洗涤过程操作相同，只是时间短一些。

4. 脱水功能。洗涤或漂洗过程结束后，电机M停止转动，开始排水。排水完毕，电机开始正转，带动内桶高速旋转，甩干衣物。

5. 报警与指示功能。在运行相应的程序时相应的指示灯会亮起，并在结束运行程序时采用蜂鸣器报警。

2.3 设计方案的总体结构

本系统实现了对洗衣机整个洗衣过程的控制，包括按键的输入、进水、洗涤、漂洗、排水和脱水等阶段。利用电源电路供给电源，单片机控制系统控制洗衣机的运转过程，主要由AT89C51单片机、2位共阳数码管、按键、蜂鸣器、LED指示灯组成。如图1为设计总方框图：

3 洗衣机硬件部分设计

3.1单片机选取

在本次课题的设计中，主要的涉及的内容是单片机，我们需要用单片机和控制电路一起运行来控制我们所设计的洗衣机。当洗衣机发生损坏或出现故障的时候，如果不是外部机械系统的问题，就要从我们所设计的单片机控制系统和与其一起运行的控制电路入手检查。洗衣机内的单片机根据按键系统接受到的操作面板的动作指令，给其他元器件发出执行命令，使得电动机、进水阀、排水阀等通电运行；同时，单片机微控器还要监测洗衣机的各部件的工作状态，判定工作正常与否，一旦有异常，就立刻送出停止的命令。这些功能都是由电单片机微控器配合各种电路控制来实现。

本次课题选择的是AT89C51单片机。AT89C51是一种低耗能、高性能8位微控制器字节的系统内可编程快闪记忆体，具有8位微控制器字节的系统内可编程快闪记忆体，该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。AT89C51单片机具有如下功能：8位CPU

和闪烁存储器组合在单个芯片中，是一种高效微控制器，32 位的I/O 端口线。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。引脚图如图2所示：

3.2 电源电路设计

生活用电为220V，变压器T经过变压后形成12V交流电，再通过4只二极管全桥整流，电容C4、C6滤波后得到直流电压，经过三端稳压管稳压得到稳定的+5V电压给各器件供电。电源电路如图3所示：

3.3 电机控制电路设计

电机控制电路如图4所示，其中包括步进电机驱动芯片L298。

L298是双全桥步进电机专用驱动芯片，内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动两个二相和一个四相步进电机，内含两个H-Bridge的高电压、低电流双全桥式驱动器，接受标准TTL逻辑

准位信号可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压，此芯片可直接由单片机的IO端口来提供模拟时序信号

3.4 蜂鸣器报警电路设计

在洗衣机运行结束后，蜂鸣器会发出警报提示用户洗衣程序的结束。蜂鸣器与单片机的P0.7口相连，当P0.7口为低电平时蜂鸣器报警，用三极管驱动蜂鸣器。蜂鸣器报警电路如图5所示：

3.5显示电路设计

显示模块由数码管构成。在本次设计中，我们采用两位共阳数码管来显示洗衣机在运行相应程序的时候倒计时的时间。两位数码管分别与单片机的P2口以及P1.2、P1.3口连接，其中，P1.2和P1.3口控制数码管的位码，

P2口控制数码管的段码。显示电路仿真图以及相应段码连接电路图如图6所示：

3.6按键控制电路设计

本次设计分别用K1、K2、K3、K4四个按键分别控制洗衣机的菜单，启动，停止，和功能选择，分别为：K1菜单键、K2开始键、K3停止键、K4菜单选择键，分别于单片机的P3.4、P3.5、P3.6、P3.7相连。如图7所示：3.7指示电路设计

指示电路由6个发光二极管组成，分别指示洗衣机的进水、洗涤、漂洗、脱水、排水、结束，分别接单片机的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5口，当对应口为低电平时，相应指示灯亮，指示洗衣机现在的工作状态。指示电路如图8所示：

3.8 进排水电路设计

洗衣机的进排水过程由单独的进排水继电器进行控制。继电器控制着进排水电磁阀，进排水电路如图9所示：

3.9 复位、时钟电路设计

在本次设计中采用了复位电路中的自动复位电路。其工作原理是：上电瞬间，电容充电，RST端的电容与VCC相同，随着电容的充电，+5V的电压加到RST端，高电平使单片机复位。

时钟电路由晶振和和单片机内部电路组成，将晶振跨接到XTAL1和XTAL2之间。一般单片机采用的晶振频率为11.0592MHZ。单片机的复位时钟电路如图如图10所示：

4 洗衣机系统软件设计

4.1主程序设计

洗衣机的功能主要就是完成衣物的洗涤、漂洗和脱水过程。用户通过洗衣机外壳上面的按键来选择这三种功能。键盘扫描到用户按下启动键，洗衣机开始运行，再按下功能选择键，就可以实现不同功能之间的切换；若用户并没有选择洗衣机运行的功能，则默认依次运行各个程序。如图11为主程序流程图：

4.2标准洗衣程序

标准的洗衣程序是默认的洗衣过程，当用户按下启动键以后，若无其他选择，则进行默认的洗衣程序。如图12为标准洗衣程序流程图：

图12 标准洗衣程序流程图

4.3 洗涤程序流程图

洗衣机在进水结束后就进入洗涤程序。在洗衣机的运行过程中，洗涤程序是主要的一环，是我们使用洗衣机的基本功能。洗涤程序开始后，电动机执行“正转-停止-反转”的循环程序，直至洗涤程序结束进入下一个程序。如图13为洗涤程序流程图：

洗衣开

电 机 运 转

进水

洗涤结束？

漂洗开始

漂洗三次结束？

脱水开始

电机运转

电机正转

脱水结

蜂鸣器报

洗衣结Y

N N Y

N Y

洗衣开始

图13 洗涤程序流程图

4.4 漂洗程序流程图

漂洗是一个与洗涤过程有相同操作的洗衣方式，洗衣时间较短，次数为三次。如图14为漂洗程序流程图:

开始

漂洗指示灯亮

第一次漂洗 第二次漂洗

第三次漂洗 洗涤完漂洗指示灯

灭

漂洗结束

进入脱

水

N Y

图14 漂洗程序流程图

4.5 脱水程序流程图

在洗衣机排水结束以后,就将进入脱水过程。脱水主要分间隙脱水和长脱水两种。首先进行的是间隙脱水。此在间隙脱水过程中电机按照“正转一停”的周期进行循环动作。长脱水过程则在间隙脱水过程结束之后运行，用户可以选择脱水的时间，在运行过程中电机将一直保持高速正转。脱水结束后，蜂鸣器会报警提醒用户脱水结束。如图15为脱水程序流程：

开始脱水

开电机脱水

N

脱水结

束

Y

关电机

开蜂鸣器

洗衣结束

图15 脱水程序流程图

5 系统的安装与调试

5.1安装步骤

1.检查元件的好坏

根据绘制好的电路图，按照上面所需元件买回并且检查好元件的好坏，分别检测元件是否能够正常使用。检测完以后按照原理图一一核对检查是否一致，方可进行焊接。

2.放置、焊接各元件

按照绘制好的电路图放置各个元件，在放置过程中，先选择操作程度较低的元件进行焊接，然后操作要求较高的元件，特别注意那些成本高切操作过程中容易损坏的元件要最后焊接。

5.2软件的调试

软件调试与设计本身选择的调试软件和前期的程序设计过程有关。如果采用的是模块化程序的开发技术，那么在调试好各个模块以后，才能再进行系统程序的总调试。调试子程序时，要符合入口条件和出口状态，即一定要求符合现场环境。调试的手段一般情况下分为单步运行方式以及断点运行方式，通过在调试过程中检查用户系统CPU的现场、RAM的内容和I/O口的状态，显示程序执行结果，检测出不符合设计需求的程序。通过检测，可以发现程序中存在的的死循环错误、机器码错误及转换地址错误，同时也可以发现用户系统中的硬件故障、软件算法及硬件设计错误。在调试过程中根据调试结果一步步调整用户系统的软件和硬件。

在调试好各个程序模块以后，就可以进入相关的功能模块联合起来从而进行整体综合调试的步骤。存储这个阶段若发生错误，可以考虑各子程序存储运行时是否存破坏现场，缓冲区数据是否发生变化，标志位的建立和清除是否影响其它标志位的变化，堆栈区的深度是否不够，输入设备的状态是否正常等。

此次设计选择的是Proteus软件进行仿真调试。

Proteus软件是由英国Lab Center Electronics公司开发并推广的EDA 工具软件。该仿真软件不但能够对EDA工具软件进行仿真，而且还能够对单

片机及其外围元器件进行仿真演示。深受广大单片机爱好者的喜爱。从最根本的原理图布图，到接下来的程序调试，再到到单片机与外围电路仿真。

Proteus软件具有其它EDA工具软件例如multisim的功能。这些功能分别是：原理布图；PCB自动或人工布线；SPICE电路仿真。革命性的特点：互动的电路仿真，例如：键盘，马达，LED。

仿真处理器及其外围电路。可以对51系列、AVR型等市场上常用主流单片机进行仿真测试。还可以配合使用其他显示器件及输出设备，能大致看到运行后输入和输出的显示效果。

我们采用Proteus软件进行电路的调试。在进入软件后，根据我们的需要在软件界面挑选出各个器件。

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5.3硬件的调试

在进行硬件调试前需要先进行静态调试。在调试过程中，需要在通电前根据原理图用万用表等检测工具检测电路是否可以正常运行，并核对元器件的型号、规格和安装是否正确。检测完毕后，需要借助仿真器进行联机调试，分别测试扩展的RAM、I/O口、I/O设备、程序存储器以及晶振和复位电路是否存在错误，并根据检测结果进行改正。

第一步：核对好相应元器件的型号、规格，在确定符合要求后，在没有通电的情况下用万用表检查线路的正确性。特别注意电源的正负极以及电源之间是否有短路并检查地址总线、数据总线、控制总线是否存在相互间的短路或其它信号线的短路。由于本系统的开发是基于曾经用过的单片机，所以此步骤不会发生故障。

第二步：通电后检查单片机I/O的电位，测量各点电位是否正常。尤其是应注意单片机输出口的各点电位。若有高压将有可能损坏外部仿真电路，同样如果电压过低就没有能力驱动负载。

第三步：将单片机信号输出接口与外部仿真电路接口连接起来，为软件调试做好准备。

在硬件的调试过程中常见的硬件故障有：

元器件失效：元器件失效的原因包括两个方面，一方面是期间本身在使用过程中因操作不当造成了损坏，另一方面是在购买其间的时候没有仔细检查，购买之处已经损坏。我们在调试过程中发现小电机在安装过程中出现了损坏。

可靠性差：引起系统不可靠的因素很多，如金属化孔、接插件接触不良会造成系统时好时坏，经不起振动；内部和外部的干扰、电源纹波系统过人、器件负载过大或热稳定性差等造成逻辑电平不稳定；另外，走线和布局的不合理等也会引起系统可靠性差。我们在调试的过程中发现单片机输出稳定的电压，但是硬件电路的显示器件的亮度不一、时亮时不亮。经查证主要是由于元器件的引脚过长和弯曲造成的电路不够稳定、I/O输出口的高低电平没有明确

电源故障：电源故障包括电压值不符合设计要求，电源引出线和插座不对应，电源功率不足，负载能力差等。电压过高容易烧坏发光二极管，电压过低无法驱动负载。因此我们焊接了直流电源电路，使其输出稳定的电压。

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