智能全自动洗衣机毕业设计
第一章绪论
1.1课题背景
洗衣机是一个在家庭中不可缺少的家用电器，发展非常的快，全自动式的洗衣机因为使用方便得到了大家的青睐，全自动就是进水、洗涤、漂洗、甩干等过程自动完成，控制器通常设几种不同的洗涤程序，对于不同的衣物可供用户进行选择。通过发展，洗衣服的性能将会不断提高，不断完善。
自动式洗衣机由于有对衣物磨损小、洗涤量大、节水等特点，所以越来越得到广大家庭的青睐，而且随着社会的不断进步和生活水平的不断提高，人们对于自动式洗衣机的功能多样化及操作简单化和操作简单化也提出了更高要求。为了适应这些变化，全自动式洗衣机控制器已由机械化和混合式逐步过渡到了全电子控制。
单片机又称微控制器，又称嵌入式控制器。而现在的智能家电所有的都是采用微控制器来实现的，所以家用电器是单片机应用领域最多的。它是家用电器实现智能化的心脏以及大脑。
由于家用电器体积很小，因此要求控制器的体积以便能够嵌入到其机构之中。而家用电器的品种过多，功能差异很大，所以还要要求其控制器有灵活的控制功能。单片机以其小的体积及编程灵活性从而产生多种控制功能，因此完全能够满足家用电器的需求。
单片机是一种单芯片的形态，面向控制对象是嵌入式计算机系统。它的出现以及发展使计算机的技术从通用型的数值计算领域进入到了智能化控制领域，从这之后，计算机技术在两个领域——通用计算机领域以及嵌入式计算机领域得到了重要的发展，并且正在深深改变着我们社会。
本设计的目的是以单片机作为主控制器，扩展必要外部电路，并设计一个洗衣机控制电路，来实现对洗衣机各种功能控制，也将单片机原理等计算机技术应用到实际生活中，最重要的是将课本上的东西实际化。
1.2 单片机型号的选择
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，单片机的型号选择主要从下面两点考虑：不仅要有较强的抗干扰能力。而且要有较高的性价比。ATMEL公司推出的89系列单片机中典型产品AT89C51具有较高的性价比。本课题采用ATMEL公司生产的AT89C51是系统的核心部件,AT89C5不仅硬件结构非常简单，而且功能强、价格低、性价比高，符合本课题的要求。
1.2.1 89系列单片机简述
89系列单片机是以8031作为核心构成的。因此，它和8051系列单片机是相兼容。这个系列对于以8051为基础的系统来说，是比较容易取代和构造的，因此对于熟悉8051的人来说，用ATMEL公司的89系列单片机来取代以8051为中心的系统设计是比较轻松的。
89系列单片机共有7种型号，分别是AT89LV51，AT89C51，AT89C52， AT89C2051，AT89C1051，AT89LV52，AT89S8252。在这之中AT89LV51和AT89LV52分别为AT89C51和AT89C52的低电压产品，电压可以低至2.7V。而AT89C1051及AT89C2051是抵挡型的低电压产品。它们只有20根引脚，最低电压也是2.7V。
1.2.2 AT89C51单片机介绍
AT89C51是一个高性能、低电压8位单片机并含有4K字节的可反复擦写的程序存储器以及128字节的存取数据存储器，这种器件用ATMEL公司的不容易丢失、高密度存储技术来生产，而且能与MCS-51系列的单片机相兼容。片内不仅含有8位中央处理器，而且含有闪烁存储单元，有较强功能的AT89C51单片机则被应用到控制领域之中。
功能特性:
AT89C51会提供下面的功能标准：4K字节存储器、128字节存取数据存储器，32个I/O接口，2个16位的定时/计数器，1个两级中断结构和1个串行数据通信口以及片内震荡器、时钟电路。同时，AT89C51还能够进行0HZ的静态逻辑操作功能，而且支持两种节电模式。闲散方式用来停止中央处理器的工作，并且能够允许存取数据存储器、定时/计数器、串行数据通信口以及中断系统来继续工作。掉电方式则保存存取数据存储器的内容，而震荡器会停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一个复位为止。AT89C51有三种封装方式，分别是DIP封装、PLCC封装及POFP/TOFP封装，如下图1-1所示
图1-1 89C51封装图
各引脚说明：
VCC、GND：单片机电源输入引脚
VCC为+5V引脚，VSS为接地线引脚
P0口：P0口是8位漏极开路双向I/O口，也就是地址/数据总线复用口。当作为输出口的时候，一个管脚就能够驱动8个TTL电路。当“1”被写入P0口的时候，每个管脚就能够作为高阻抗输入端口。P0口还能在访问数据存储器或程序存储器的时候来转换地址和数据总线复用，并同时激活内部的上拉电阻。P0口在闪烁编程的时候，P0口就会接收指令，而在程序校验时，则会输出指令，但需要接电阻。
P1口：P1口是带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可同时驱动4个TTL电路。通过对端口写“1”，并通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时当作输入口。由于内部有电阻，某个引脚就会被外部信号拉低并输出一个电流。当闪烁编程时和程序校验时，P1口就会收到低8位地址。
P2口：P2口是内部含有8位双向I/O口，P2的缓冲级可以驱动了4个TTL电路。并对端口写“1”，并会通过内部的电阻把端口拉高到高电平，此时，可用于输入口。因为内部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部的程序存储器以及16位地址的外部数据存储器时，P2口就会送出高8位的数据地址。在访问8位地址的外部的存储器时，在整个运行期间P2口线上的内容不变。在闪烁编程以及校验时，P2口会接收高位地址以及其它的控制信号。
P3口：P3口是内部含有电阻的8位双向I/O口，因此P3口输出缓冲能够驱动4个TTL电路。当对P3口写入如“1”时，它们就会被内部电阻拉高到高电平并同时当
作输入端的时候，当P3口被外部拉低的时候就会被用作电阻输出电流。
P3口不仅能够作为一般的I/O口，最为重要的是它的第二功能，如表1-1所示：
表1-1 P3的第二功能
P3口还能够接收一部分用于闪烁存储器编程以及程序校验时的控制信号。
RST：复位输入引脚。当震荡器工作的时候，RET引脚就会出现两个机器周期以上的高电平并将使单片机复位。
ALE：当访问外部程序存储器以及数据存储器的时候，ALE就会输出脉冲并会用于锁存地址的低8位bytes。即使当不访问片外存储器，ALE当以时钟震荡频率的1/16输出了固定的脉冲信号时，所以它可用于输出时钟以及定时用。需要我们注意是：当访问外部的数据存储器时就会跳过一个ALE脉冲的时候时以及闪烁存储器编程的时候，当然这个引脚还还将会用于输入编程脉冲。如果必要，可对特殊寄存器区中的8EH单元的D0位置禁止ALE操作。这个位置后只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被应用。此外，这个引脚会微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。
PSEN：程序储存允许输出是片外存储器的读选通信号，当AT89C51由片外存储器读指令的时候，每个机器周期就会有两次PSEN有效，也就是输出了两个脉冲。在此期间，每当访问片外的数据存储器的时候，有效的这两次PSEN 信号就不出现。
EA/VPP：外部访问允许。欲使中央处理器仅仅访问片外的存储器，而EA端必须要保持着低电平。最要注意的是：一旦加密位被编程了，这时当复位的时候内部就会锁存EA端的状态。如果EA端成为高电平的时候，CPU就会执行内部存储器之中的指令。每当闪烁存储器要编程时，该引脚就会加上一个+12V的允许电压VPP，但这也必须是该元件也使用一个12V的编程电压VPP。
XTAL1：接外晶体其中一个引脚。在单片机的内部，它就是构成片内震荡器以及反相放大器的输入端。当采用外部震荡器的时候，该引脚就会接受来自震荡的信号，也就是把这个信号接到内部的时钟发生器的输入端。
XTAL2：接外部晶体的另外一个引脚。在单片机的内部，它就是上面震荡器的反相放大器输出端。每当用外部振荡器的时候，这个引脚就应该悬浮并且不连接。
时钟震荡器：AT89C51之中用于构成内部的震荡器高增益的反相放大器，而引脚XTAL1以及XTAL2分别为该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自然震荡器。外接石英晶体及电容C1，C2接在放大器的反馈回路中构成并联震荡电路。对外接电容C1，C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响震荡频率的高低、震荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30PF±10PF，而如果使用陶瓷振荡器建议选择40PF±10PF。用户也可以采用外部时钟。当采用外部的时钟的电路如下图所示。在这种情况下，外部的时钟脉冲应该接到XTAL1的端口上，也就是内部的时钟发生器输入端，而XTAL2应该悬空。但因为外部的时钟信号是用一个2分频的触发器后然后作为内部的时钟信号，因此对于外部的时钟信号所占的空比因为没有特殊的要求，但最小的高电平的持续时间以及最大的低电平的持续时间应该符合产品的技术条件要求。
闲散节电模式：AT89C51应该有两种可用的软件编程的省电的模式，它们就是是闲散模式以及掉电的工作模式。当这两种方式是通过控制专用的寄存器PCON中的PD 以及IDL位来通过实现的。PD也就是掉电模式，每当PD=1的时候，就激活掉电的工作模式，每当单片机进入了掉电的工作状态。IDL就是闲散的等待方式，每当IDL=1的时候，就会激活闲散的工作状态，然后单片机就会进入睡眠的状态。如果需同时要进入了两种的工作模式，也就是PD以及IDL同为1时，则应该先激活了掉电模式。然后在闲散的工作的模式状态，这时中央的处理器CPU就会保持睡眠的状态，从而所有的片内的外设仍会保持着激活的状态，这种的方式将会由软件而产生。同时，片内的存取存储器以及所有的特殊的功能寄存器内容就会保持不变。闲散模式应该由任何的允许中断请求或者硬件的复位终止。终止闲散的工作模式方法会有两种，一种是任何的一条被允许的中断事件要被激活，然后IDL也被硬件完全清除，并马上终止了闲散的工作模式。程序将会首先来影响中断，一旦进入了中断的服务程序，并执行完了中断服务的程序后，将会紧随着RETI指令，下一条需要执行指令就应该是使单片机马上进入了闲散的工作模式，而那一条指令的后面一条指令。二就是用硬件复位也可以将闲散的工作模式而终止。特别需要要注意的是：而当由硬件复位来终止闲散的工作模式时，中央处理器通常应该是从激活的空闲模式从那条指令下一条就开始继续来执行程序，如果要完成内部的复位操作，而硬件复位的脉冲应该要保持着2个机器周期有效，而在这样的情况下，片内就会禁止中央处理器来访问片内的RAM，从而允许访问其他端口，为避免有可能对于端口产生意外写入：就会激活闲散的模式下那一条指令的后面那条指令不应该为一条对于端口以及外部的存储器写入指令。
掉电模式：当在掉电的模式下，振荡器就会停止工作，而进入掉电的模式指令为最后被执行指令，片内的RAM以及特殊的功能的寄存器内容将会在中指的掉电的模式前就被冻结。而退出掉电的模式唯一的方法为硬件复位，复位之后将会从最新定义的全部的特殊的功能寄存器但不会改变RAM中的内容，在VCC恢复到正常工作电平前，复位应无效切必须保持一定时间以使振荡器从新启动并稳定工作。
表1-2闲散和掉电模式外部引脚状态
程序存储器加密：AT89C51可以对于芯片的3个加密的位LB1，LB2，LB3来进行编程（P）或不编程（U）得到如下表所示：
表1-3 AT89C51的编程以及不编程的功能
当LB1被编程时，在复位期间，EA端的电平被锁存，如果单片机上电后一直没有复位，锁存起来的初始值是一个不确定数，这个不确定数会一直保存到真正复位位置。为了使单片机正常工作，被锁存的EA电平与这个引脚当前辑电平一致。机密位只能通过整片擦除的方法清除。
第二章系统设计
2.1 智能洗衣机的功能要求
1.完成一次洗衣过程需要的动作有：
(1)进水动作:在洗涤时，洗衣机盛水桶内的水量必须达到所设定的水位要求。洗衣机的进水和水位判断是通过水位开关和进水阀的通断来控制的。当盛水桶内的水未到设定水位之时，单片机的程序将会控制着进水阀的闭合，开始注水，当桶内的水位到了设定水位后，水位开关就会受压闭合，程序就进入了下一步的洗涤处理。如果在打开了进水阀之后20分钟之内不能够进水，则会发出出错报警，用户则要关闭了洗衣机的电源，在进行了相关的检查之后才能够重新开机。
(2)洗涤动作：洗涤动作开始后，电机周期性的“正转—停止—反转—停止”。不同的洗衣过程电机进行的上述周期性动作的时间是不同的。洗涤过程中，若遇到水位开关断开或用户要求重新选择水位，则要停止洗涤动作并打开进水阀直至水位满足要求再继续。在洗涤动作的左后15秒，电机还要快速的进行周期性转动，避免衣物打成一团。
(3)排水动作：进入脱水动作前应先排水。为了避免空排水会造成的时间的浪费和排水没完从而带水造成了对于电机损害。而且洗衣机能根据实际的水位以及对排水的时间进行了控制。假设排水从开始到水位压力得断开时候所需要时间为 D ，那么总排水时间应为2D+T（T如取60秒，则总排水时间就不应该大于了190秒）。因此，开始排水后，控制程序并同时启动了计时器就会在D秒之后假若收到了水位开关断开信号，则再排水D+T时间后，就应该结束了排水并进入到脱水动作。假若D大于65秒，则说明排水的系统有了故障，则洗衣机就会停止动作，同时蜂鸣报警，并提醒用户应该排除故障后继续。需要注意的是排水结束后排水开关还是打开的。
(4)脱水动作：排水结束进入后脱水动作，脱水是通过电机的正转来实现的，同时要求排水阀一直打开，也正是由于排水阀的打开，才使得脱水时的电机正转速度不同于洗涤时的电机正转速度。进行脱水时若遇到洗衣机盖打开，就应该暂停了脱水并发出报警，直到用户合上了桶盖之后，才能继续脱水。当脱水结束之后，就发出报警，并自动关闭进水阀。
(5)不平衡脱水修正动作:脱水处理时，电机就要进入高速正转，假若此时侯的衣物偏向一侧，脱水洗衣桶就会因为离心作用，在很短的时间碰撞了安全开关的装置，并使安全的开关来产生瞬时关闭及断开，如果要实行脱水的不平衡的修正。如果进行了脱水的不平衡的修正，洗衣机就会停止了脱水，并自动插入“进水—洗涤1分钟—排水”的动作，通过这一动作衣服就会调整到了洗衣桶的中心位置。并在同一的脱水
的过程中，假设连续的修正3次仍然没脱水平衡，就会进行报警，等用户打开了洗衣机并将衣物放均匀并盖上了桶盖，方可再继续来脱水。
(6)其他动作：进行洗衣时要显示剩余的时间，控制电路还配有启动/停止、电源、标准、轻柔、快速、水位选择等按钮。
2.控制功能
（1）洗涤按钮
标准：洗涤12分钟，漂洗5分钟，2次；脱水3分钟；轻柔：洗涤3分钟，漂洗3分钟，2次；脱水2分钟；快速：洗涤4分钟，漂洗1分钟，2次；脱水2分钟。
（2）洗涤时，洗衣指示灯LED1闪烁，漂洗的时候，漂洗时指示灯亮LED2亮；脱水时，脱水的指示灯LED3亮。
（3）有启动/停止按钮功能：第一次启动，标准洗涤；工作时按此按钮停止，再按则恢复工作；含电源开关。洗涤：正转3.0秒—停止1.0秒—反转3.0秒—停止1.0秒。漂洗：正转22秒—停8秒-反转22秒—停8秒。
（4）有水位检测电路
（5）进、排水系统故障自动诊断功能。洗衣机在金水或排水过程中，若在一定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。
（6）脱水期间安全保护和防振动功能
2.2设计总体框图
主控制系统运用的是AT89C51单片机，它要控制的对象包括：进水阀、排水阀、电机。这些被控对象需要根据不同洗衣的程序来改变它们不同的工作状况以及工作的时间的，当进水阀及排水阀控制如果需水位检测，并需显示出不同工作状态以及运行的时间。当发光的二极管来说明洗涤速度及脱水速度；而按键是来操控程序运行及设定洗涤速度及脱水速度，而蜂鸣器是来实行程序的运行提示以及故障报警。
下面是洗衣机控制电路系统框图：
图2-1洗衣机控制电路系统框图
（1）各框图的作用包括：
①单片机电路单片机电路是程序控制的中心它把计算机的各种功能电路都集成在一块芯片上，主要包括中央处理器CPU、程序存储器ROM、数据存储器RAM、输入/输出接口电路及计时、分频、扫描、定时、时间设定等电路，ROM内已固化了洗衣机操作程序、单片机根据输入指令和检测信号，调出内部相应的操作程序，通过电路处理后，输出各种电路控制信号，使洗衣机自动完成程序操作过程。如果单片机自身出故障、或控制电路传送给单片机的信息不正确，洗衣机就不能正常工作。
②直流电源电路这是为单片机及其外围控制电路提供晓以电压直流电源的电路，它将输入的220V交流电经过变压、整流、滤波、稳压后，变为稳定的低压直流电，送给单片机、可控硅触发电路、显示电路等。
③复位电路此电路的作用是复位。在单片机接上电源以后，或电源出现过低电压时，将单片机存储器复位，使其各项参数处于初始位置，即处于开机时的标准程序状态，以消除由于某种原因的程序紊乱。
④时钟电路由晶振元件与单片机内部电路组成，产生的振荡频率为单片机提供时钟信号，供单片机信号定时和计时。
⑤按键输入电路按键开关按一定的矩阵排列，当按键被按动时，其接通的信号
将输送到单片机。单片机对应地调出内部软件进行工作，使洗衣机进入相应的洗涤程序。
⑥显示电路显示电路由发光二极管按一定的矩阵排列而成，它是程序控制系统向用户直接观察到洗衣机的工作状态的窗口。预设工作程序时，可根据指示灯的闪亮来判断洗衣机是否接受了指令；还可以通过批示灯的显示来判断洗衣机工作是否正常。
⑦负载驱动电路该电路多由双向可控硅及触发电路组成。双各可控硅作为无触点开关控制电机等负载的通断及运行。单片机根据按键输入指令或接收到的检测信号，输出相应的控制信号，控制可控硅触发电路的导通，使电机等负载得电运转。
⑧报警电路此电路在洗衣机中起提示和报警的作用。根据程序安排和软件设置，当洗衣完成后，洗衣机将发出音乐以提示用户洗衣完成。
⑨水位开关和安全开关电路水位电路和安全开关电路由传感器监测，其通断状态由电路输送给单片机。由单片机进行指令控制.
第三章硬件设计
3.1 晶闸管驱动控制电路
晶闸管驱动控制电路的作用是控制洗衣机的进水阀、排水阀和电机的正反转，以完成洗衣机的进水、排水、以及驱动洗衣机洗衣功能。如下图所示为晶闸管驱动控制电路，如图所示，单片机I/O口与芯片ULN2803相接并把信号放大了之来后控制晶闸管导通及关断
图3-1晶闸管驱动电路图
当洗衣机的检测完成之后或手动的设置完成后，这时进水阀就会打开，如果水位的检测电路测出水位到了原定的高度之后，那么进水阀久关闭，然后停止了进水。当进水的过程中，假如进水阀开了超过了15分钟而水位检测的电路仍没有检测出水位到了原定高度，那么洗衣机就会报警而且会暂停了放水，然后等待着故障被排除。假如没有了故障，当水位到了预定的高度之后那么关闭了进水阀，然后启动了电机并开始了洗涤。那么洗涤技术之后排水阀就会打开，从而进入了脱水动作。
ULN2803芯片简介：
ULN2803为高电压的大电流的八达林顿的晶体管的阵列：该阵列系列的八达林顿的晶体管为低逻辑点评数字电路（如TTL、CMOS）及大电流的高电压的要求的灯及继电器、打印机和其它类似的负载间接口理想的器件。
3.2键盘输入及显示电路
1.键盘实质上就是一组按键开关的集合。通常，按键所用的开关为机械弹性开关，键盘输入的特点
利用机械触点的合、断来作用工作。键盘电路的特点：一是随机性，系统操作人员对键盘的操作是随机的，所操作的键也是随机的；二是抖动性，这是键盘机械特性来决定的。那么根据上面两个的特点就可以得到了以下接口的设计原则。
（1）键盘电平及系统总线相电平兼容。
（2）单片机想要能有效地抑制了键盘抖动。单片机对抖动的抑制大多数是通过软件来实现的。
（3）单片机系统想要能够实现了对键盘地有效的控制。而单片机的系统的键盘接的口目的就是为了来控制键盘的，然而键盘地电路则不能够影响总线。
2.LED显示原理
LED显示器是由发光二极管组成，用来显示特定字段的显示器。发光二极管
根据制造材料的不同，可发出红.黄.蓝.紫等各种单色光，LED显示器可以有多种形式，常见的有7段字形和“米”字形两种。LED的每条线段可以是一个*或几个）发光二极管。LED 7段数码管根据其内部LED的连接方法不同，有共阴极和共阳极两种接法，如图3-2所示。在共阴极接法中，当某一段发光二极管输入为高电平时，该发光二极管亮，反之则熄灭。而在共阳极接法中，刚好与共阴极接法相反。
图3-2 共阴极与共阳极图
只要使不同段的发光二极管发光，即可改变所显示的数字和字母。每一个数字都对应有一个特定的字型码，如下表所示：
表3-3 二极管数字对应字型码
半导体数码管不仅具有工作电压低、体积小、寿命长、可靠性高等优点，而且响应时间短（一般不会超过0.1us）,亮度也比较高，但它的缺点是工作电流比较大，每一段的工作电流在10mA左右，数码管引脚图如下图所示：
图3-3数码管引脚图
在微型计算机控制系统中，常用的显示方法有动态显示和静态显示两种。动态显示就是单片机定时的对显示模块件进行扫描。显示模块件分时工作，每次只能有一个器件工作，但由于人视觉的暂留现象，所以仍感觉所有的器件都在显示。动态显示的优点是使用的器件少、耗电量低、价格低。但它占用机时长，只要单片机不执行程序，就立刻停止显示，这是此种显示方法的缺点，静态显示就是从单片机的一次的输出显示之后。从而就能够保持着这个显示的结果，一直到了下次送新显示码停，。而且这种显示用机时间少，而且显示可靠，所以在工业控制工程中得到了广泛应用。静态显示方法的缺点是使用元件多，且线路比较复杂，因而成本比较高。但是，随着大规模集成电路的发展，目前已经研制出具有多种功能的显示模块件，用起来比较方便。比较两种显示方法的优缺点决定采用静态显示方案。键盘输入及显示电路如下所示
图3-4键盘输入电路
图3-5显示电路
3.3水位检测电路
3.3.1 LM1042液位检测器
LM1042使用热阻探针技术来测量非可燃性液体的液面高度，它能提供一正比于液位高度的输出，可进行单次或重复测量，所有控制热阻探针、检测热阻探针的短路和开路所需的监控电路都集成在LM1042芯片内部。此外该芯片还可采用其它传感器信号或线性输入作为输入信号。该器件采用16脚DIP封装。芯片的主要特点如下：
1、集成有热阻探针的控制电路；
2、可以选择热阻或线性信号作为输入；
3、可单次测量或重复测量；