郭運峰 晏長嶺

摘要：

自動化與節(jié)能化是當(dāng)今洗衣機(jī)發(fā)展的主流趨勢。本文根據(jù)洗衣機(jī)節(jié)能指標(biāo)的要求，選擇AT89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)電路的控制核心，并采用濁度傳感器檢測洗滌水的混濁程度，實施以節(jié)水為主要目標(biāo)的節(jié)能洗衣機(jī)理念設(shè)計。

本文主要闡述了控制電路的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計以及部分硬件電路設(shè)計和主要工作程序流程。系統(tǒng)由鍵盤設(shè)定洗衣模式，并采用濁度傳感器檢測洗衣過程中的水量、洗滌水混濁程度等參數(shù)，通過單片機(jī)的處理，實現(xiàn)對于洗衣機(jī)自動識別水量，自動識別濁度，自動決定漂洗時間和漂洗次數(shù)等功能的控制。

關(guān)鍵詞： 洗衣機(jī)；單片機(jī)；濁度檢測；節(jié)能

中圖分類號：TN402 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（a）-0000-00

在能源相對匱乏和環(huán)保理念流行的現(xiàn)代，“節(jié)能”已經(jīng)成為了人們生活的主題，節(jié)能洗衣機(jī)的發(fā)展也成為了必然趨勢。不可再生資源的日益減少和人類生活能源消耗量日益增大的矛盾，使得21世紀(jì)成為了一個追求節(jié)能、環(huán)保的時代。而洗衣機(jī)作為家電中的主力軍，同樣朝著多功能、節(jié)能、低噪音的方向發(fā)展[1，2]。

傳統(tǒng)的洗衣機(jī)只按進(jìn)水→漂洗→出水→甩干，這幾個工作過程進(jìn)行組合工作。如今，絕大多數(shù)洗衣機(jī)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)都引入了微處理器。微處理器的引入使得洗衣機(jī)的功能更加強(qiáng)大。洗衣機(jī)生產(chǎn)行業(yè)通過對微處理進(jìn)行編程，實現(xiàn)洗滌、脫水模式的多樣化，滿足用戶洗滌不同衣質(zhì)、不同污臟程度的衣物。而用戶在操作過程當(dāng)中只需要按幾個按鍵即可完成選擇工作。同時，人們在原來洗衣方式的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化洗衣機(jī)的結(jié)構(gòu)，然后與電機(jī)驅(qū)動相配合，來實現(xiàn)對洗衣機(jī)內(nèi)部水流的控制，從而使洗滌更加徹底[3]。

1 系統(tǒng)電路硬件設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)電路采用51系列的AT89C52單片機(jī)作為主控芯片，由主控制器、按鍵、濁度傳感器、倒計時顯示、狀態(tài)顯示和電機(jī)水閥伺服機(jī)構(gòu)等幾大模塊組成，通過程序控制來實現(xiàn)洗衣過程的節(jié)能化與自動化。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

1.2 主控芯片AT89C52

本系統(tǒng)使用的是AT89C52單片機(jī)，時鐘晶振使用12MHz。AT89C52是一種帶8K字節(jié)的高性能微處理器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容[4]。

1.3 電源電路設(shè)計

電源電路采用雙路輸出+5V和+12V，分別作為電子電路工作電源和電磁閥驅(qū)動電源。使用交流變壓器將220V市電降壓至15V，經(jīng)過二極管整流橋整流、電容濾波和穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，能輸出穩(wěn)定的直流5V和12V電壓。電源部分的電路原理圖如圖2所示。

圖2 電源部分原理圖

1.4 濁度檢測模塊設(shè)計

TS濁度傳感器是GE公司開發(fā)的一種專門用于家電產(chǎn)品的低成本傳感器，主要用于水的污濁程度測量，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。此種濁度傳感器體積小，兼容TTL電平，使用方便[5]，故本控制電路采用TS濁度傳感器。

圖3 TS濁度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

濁度傳感器的工作原理是：當(dāng)光線穿過一定量的水時，光線的透過量取決于該水的污濁程度：水越污濁，透過的光就越少。光接收端把透過的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓大小。通過測量接收端的電壓，就可以計算出水的污濁程度。

在本系統(tǒng)中，濁度傳感器安裝在洗衣機(jī)的排水管口附近，在洗衣機(jī)開始排水時啟動數(shù)據(jù)采集進(jìn)行水質(zhì)檢測，并將檢測結(jié)果送單片機(jī)。

濁度值是由TS濁度傳感器測得濁度數(shù)據(jù)，送ADC0804進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后所得的數(shù)值。實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同容量的洗衣機(jī)進(jìn)行實驗來確定更準(zhǔn)確的濁度值與對應(yīng)的洗滌時間。表1中表明了衣物濁度與洗滌參考時間的關(guān)系。

ADC0804是用CMOS集成工藝制成的逐次比較型摸數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當(dāng)與控制器連接時，無須附加邏輯接口電路。逐次比較型AD由一個比較器和DA轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，從MSB開始，順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)多次比較而輸出數(shù)字值。其優(yōu)點是速度高、功耗低。

在本系統(tǒng)中，濁度信號轉(zhuǎn)換為0V～5V的電壓信號，濁度傳感器連接ADC0804的輸入接口進(jìn)行采樣處理，然后將電壓信號轉(zhuǎn)換為8位數(shù)值0x00～0xff送入單片機(jī)P1口。TS濁度傳感器及其數(shù)據(jù)AD采樣電路如圖4所示。

圖4 TS濁度傳感器及其數(shù)據(jù)AD采樣電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)主程序

根據(jù)硬件設(shè)計要求，控制主程序流程如圖5所示。洗衣機(jī)通電后，單片機(jī)上電進(jìn)行程序的初始化操作，默認(rèn)洗衣機(jī)工作模式為“厚物洗滌”，并顯示此工作模式下的預(yù)設(shè)時間，然后掃描鍵盤，等待用戶命令。當(dāng)按下“開始”鍵后，系統(tǒng)就開始倒計時，并進(jìn)入相應(yīng)的工作模式程序開始洗滌。

主程序設(shè)定采用死循環(huán)的工作模式，在系統(tǒng)初始化后就一直按次序反復(fù)執(zhí)行各個功能模塊的子程序，檢查各標(biāo)志位的狀態(tài)。這樣即使系統(tǒng)長時間地處在暫停或停止?fàn)顟B(tài)下，依然能夠及時響應(yīng)用戶的操作，快速恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)中，有效避免程序跑飛使控制器死機(jī)的情況。

2.2 濁度數(shù)據(jù)AD轉(zhuǎn)換及漂洗控制子程序

ADC程序主要用于處理來自TS濁度傳感器的模擬數(shù)據(jù)，將濁度信號轉(zhuǎn)換成8位的二進(jìn)制信號，送單片機(jī)處理判斷。當(dāng)本子程序被調(diào)用時，會先啟動AD轉(zhuǎn)換并讀取數(shù)據(jù)，若轉(zhuǎn)換結(jié)果允許顯示，則調(diào)用顯示AD結(jié)果的子程序，否則其數(shù)據(jù)就僅僅用于給單片機(jī)判斷濁度，這樣避免了不必要的顯示，提高程序效率。本部分是實現(xiàn)節(jié)水目標(biāo)的核心環(huán)節(jié)，其程序流程圖如圖6所示。

圖5 主程序流程圖 圖6 ADC子程序流程圖

3 系統(tǒng)調(diào)試與分析

在完成本控制電路的設(shè)計之后，通過Proteus軟件來對整個電路進(jìn)行仿真調(diào)試。

（1）系統(tǒng)上電后，會進(jìn)入默認(rèn)的“厚物洗滌”模式并等待操作。通過模式選擇按鍵可切換至“薄物洗滌”模式。這時只要按下“開始”鍵，洗衣機(jī)就會按照程序設(shè)定開始工作。

（2）在選定洗滌模式之后按下開始鍵，系統(tǒng)開始倒計時，并打開進(jìn)水閥進(jìn)水。在預(yù)定水位達(dá)到后，控制器關(guān)閉進(jìn)水閥，主電機(jī)在程序的控制下間歇正反轉(zhuǎn)，帶動波輪和洗衣桶轉(zhuǎn)動進(jìn)行洗滌。

（3）洗衣機(jī)完成漂洗后進(jìn)入歷時2分鐘的脫水模式工作。脫水狀態(tài)指示燈點亮，排水閥打開，電機(jī)在高速檔運作。若此時在時間剩余1分鐘內(nèi)水位降至最低，則洗衣機(jī)直接跳出脫水程序，完成洗滌，進(jìn)入停機(jī)等待狀態(tài)。

（4）在系統(tǒng)的正常工作中，若有異常情況出現(xiàn)，系統(tǒng)會立刻中斷當(dāng)前工作任務(wù)，進(jìn)入“報警”狀態(tài)：使電機(jī)停車等待，蜂鳴器發(fā)出告警音響。當(dāng)處理異常情況后，按下“開始”鍵洗衣機(jī)就會恢復(fù)到原來的工作狀態(tài)，繼續(xù)洗滌工作。

經(jīng)過仿真驗證，本系統(tǒng)除具備洗衣機(jī)的基本功能外，還具有智能判斷濁度，自動確定漂洗時間，根據(jù)水位情況制定洗滌任務(wù)等功能，本設(shè)計基本實現(xiàn)了節(jié)能洗衣機(jī)的預(yù)期功能。

4 結(jié)束語

本設(shè)計基于AT89C52單片機(jī)對家用洗衣機(jī)進(jìn)行智能控制，整個洗衣機(jī)控制電路充分應(yīng)用了濁度檢測技術(shù)，通過硬件設(shè)計與軟件編程，實現(xiàn)了洗衣機(jī)的節(jié)能控制，一個按鈕就能完成洗衣的全過程，且將洗衣機(jī)水耗降至最低。本控制電路的特點主要有：

（1）由TS濁度傳感器和水位傳感器檢測衣物的污濁度與洗滌用水量，既能保證洗凈衣物，又使洗滌時間大大縮短，最大限度地提高了洗滌效果，節(jié)約了能源和用水量，達(dá)到了本設(shè)計所設(shè)定的節(jié)水這一主要目的。

（2）本設(shè)計還考慮到半自動時的情況，用戶可以根據(jù)自己的需求自由選擇洗衣機(jī)的工作方式與洗滌時間。在洗衣機(jī)工作的任一過程中，用戶可根據(jù)需要隨時暫停洗衣機(jī)，機(jī)蓋檢測和過載保護(hù)能有效保證用戶安全與洗衣機(jī)穩(wěn)定工作，延長使用壽命。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 蔡瑞雄.替代效應(yīng)的滾筒洗衣機(jī)市場提升對策研究[D].電子學(xué)報，2010：6～7.

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[3] 余永權(quán).嵌入式智能家電的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].電子世界，2009：4～7.

[4] 王琰.基于MCS-51單片機(jī)的洗衣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].家電科技，2009：16～17.

[5] 扈剛.全自動洗衣機(jī)混濁度智能測試儀的設(shè)計[D].家電世界，2007：56～57.