1、 1 第一章 绪论 1.1 全自动洗衣机的基本构造及工作原理 1.1.1 全自动波轮洗衣机结构图 如图 1-1 所示，为 全自动波轮洗衣机结构图 图 1-1 全自动波轮洗衣机结构图 1-平衡圈； 2-脱水桶； 3-盛水桶； 4-箱体； 5-波轮； 6-电动机； 7-离合器； 8-棘轮；9-离合器皮带轮； 10-棘爪； 11-排水机构； 12-传动架； 13-牵引电磁铁； 14-吊杆； 15-盖开关； 16-程序控制器 2 1.1.2 全自动洗衣机工作原理 全自动洗衣机是通过 电磁 阀 和继电器一起 配合来控制进水、排水以及电机的通断 ， 从而实现自动控制 。电磁进 水阀起着通、断水源的作用。当
2、电磁 进水阀的 线圈断电时，移动铁芯在重力 以及 弹簧力的作用下，紧紧 地 顶 着 橡胶膜片，并将膜片的中心小孔堵塞， 此时 阀门关闭， 切断水源 。当电磁 进水阀 线圈 得 电后，移动铁芯在磁力作用下上移，离开膜片，并使膜片的中心小孔打开，于是膜片上方的水通过中心小孔流入洗衣桶内 ，实现进水 。由于中心小孔的流通能力大于膜片两侧小孔的流通能力，膜片上方压强迅速减小，膜片将在压力差的作用下上移，闭门开启，水流导通。 进水时采用重力感应传感器 对水位进行实时监测。洗衣机进水过程 ，重力感应传感器对盛水桶中的水位进行实时监 测。当水位到达预设水位时，自动停止进水，开始洗涤 /漂洗。 全自动 洗衣机
3、的洗涤过程主要是在机械产生的排渗、冲刷等机械作用和洗涤剂的润湿、分散作用下，将污垢拉入水中来实现洗净的目的。 首先充满于波轮叶片间的洗涤液，在离心力作用下被高速 地 甩向桶壁， 同时 沿桶壁上升。在波轮 的 中心处，因甩出液体 从 而形成低压区， 使得洗涤液流回 到 波轮附近。这样，在波轮附近形成了以波轮轴线为中心的涡流。衣 服 在涡流的作用下，作螺旋式 的 回转 运动 ，吸入中心后又被甩向桶壁，与桶壁发生摩擦。又 因为 波轮 的 中心是低压区，衣物 比较 易被吸在波轮附近，不断地与波 轮发生摩擦， 就 如同人工揉搓衣 服 ， 从而迫使 污垢 脱离衣 服 。其次，当 在放进洗涤液 之后，由于惯
4、性作用 衣服的 运动 开始变得 缓慢，在水流与衣 服 之间存在着速度差，使得两者发生相对运动，水流与衣 服 便 开始 相对摩擦，这种水流冲刷力同样有助于污垢 脱离 衣物。再 者 由于洗衣涌 不规则的 形状 ，当旋转着的水流碰到桶壁后，其速度 及 方向都 会发生 改变， 从而 形成湍流。在湍流的作用下，衣物做无规则地运动并 且不断 翻滚，其纤维不断 地 被弯曲、绞纽 和 拉长，衣物 开始 相互相摩擦，增大了洗涤的有效面积，提高衣物 洗净的均匀性。 1.2 全自动洗衣机的优缺点 全自动洗衣机 是 集洗涤、漂洗和甩干于一体，并且能自动完成洗衣全过程的洗衣机 。全自动洗衣机 可提供 多种洗涤 方式供用
5、户选择，用户 可以自己根据自己需要洗涤的衣服的多少自由选择。全自动洗衣机还能自动处理脱水不平衡 （具有各种故障以及高低 电压自动保护功能），工作结束或电源故障会自动断电，无需 用户 看管，确保 用电 安全。 目前，有的全自动洗衣机上还采用了模糊技术，即洗衣机能对传感器提供的信息进行逻辑推理，自动判断衣服 的 质地、重量和脏污 的 程度，从而可以自动选择最佳的3 洗涤、漂洗和甩干时间，进水量的多少和洗涤剂的使用量，使用方便，节能减排， 真正地 实现了洗涤衣物 的自动化。 全自动洗衣机也有一些不可避免的缺点，比如耗水、衣物易缠绕、耗电量偏大、清洁性不佳 、故障率偏高、洗涤剂使用量偏大和适用范围有限
6、等。 1.3 我国全自动洗衣机的发展现状 2013 年 10 月起，洗衣机能效新标准正式实施，我国洗衣机产品将发生结构性的变化。与现行标准相比，新标准对洗衣机耗电量和用水量的限定值的要求提高了几个台阶，洗衣机的耗电量大幅下降。尤其是滚筒洗衣机现行 1 级能效仅相当于新标准的5 级。洗衣机市场的准入门槛提高，考验洗衣机企业技术研发、产品结构调整、成本控制、市场布局等各方面的综 合能力，洗衣机行业格局将发生改变。 前瞻产业研究院发布的中国洗衣机行业产销需求与投资预测分析报告显示，2013 年 1-9 月，我国共生产洗衣机 4208.95 万台，同比增长 2.66%；内销洗衣机 2752.35万台，
7、同比增长 7.78%；出口洗衣机 1337.96 万台，同比下降 15.05%。 随着一线城市竞争日趋白热化和城镇化进程加快，三四级市场已经成为了洗衣机企业的竞争战场。现阶段我国三四级市场消费者对价格的承受能力上限逐渐与城市市场趋同，消费需求逐渐由价格焦点转向品牌质量焦点。这种背景下，能效新标准的实施使这种 形势更为严峻，谁能在技术研发、产品结构调整、成本控制、市场布局等各方面的综合能力获得竞争优势，谁将在三四级市场获得市场占有率 . 逐渐从价格战中脱离出来的三四级市场将迎来新的竞争模式，在三四级市场的竞争格局将有可能使得整个洗衣机行业格局发生改变。三四级市场会是未来洗衣机企业重点竞争的区域，
8、但一二级市场更新换代带来的存量市场也不可忽视，一二级市场与三四线市场共同产生新的行业格局。 1.4 设计思路及选题意义 此次设计中的洗衣机设有不同水位， 用户 可以根据自己的需求选择不同水位。设置水位后，洗衣机会根据 用户 设置的水 位自动控制进水量的多少，最佳的洗涤、漂洗和甩干的时间，从而真正做到了节能减排。此次设计的洗衣机定位为中低档洗衣机，主要用于学校、小型宾馆等场所。 主要用于洗涤中低档、不易手洗的大件衣物。 随着计算机技术的飞速发展， 单片机作为嵌入式微控制器， 因其具有体积小、价格低、可靠性高和使用灵活方便的特点， 在工业测控系统、智能仪器和家用电器中得到了广泛的应用， 将此次课题
9、选为基于 C51 单片机的全自动洗衣机设计，主要是为了更加贴近我们的实际生活，为了将在书本上学到的知识应用到实际设计成产中 。 并4 在设计过程中对已学习到的知识进一步 巩固， 使 自己对单片机的应用有更 深入的认识。 5 第二章 全自动洗衣机元器件选择 2.1 51 系列单片机选择 全自动洗衣机的控制系统主要由 51 系列单片机组成。 单片机控制模块采用 87C51作为主控制芯片。 87C51 作为普通的单片机广泛应用于各种产品中，其接口方便简单，应用广泛并且功能强大。 89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除 只读存储器（ FPEROM Flash Programmable and
10、 Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8 位 微处理器 ，俗称 单片机 。 单片机 的可擦除 只读存储器 可以反复擦除 100 次。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。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁 存储器 组合在单个芯片中，ATMEL 的 89C51 是一种高效微控制器， 89C2051 是它的一种精简版本。 89C51 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。 单片机的主要特征是将 CPU、 RAM、 ROM、定时器 /计时器和多功能可编程 I/O 接
11、口等计算机所需要的基本功能部件集成在一块大规模集成电路中。 2.1.1 51 系列单片机内部总体结构 从结构上来说，单片机的主要特征是将 CPU、 RAM、 ROM、定时器 /计数器和多功能可编程 I/O 接口等计算机所需的基本功能部件集成在一块大规模集成电路中。这些部件通过高速片内总线连接在一起，在软件和控制逻辑的作用下构成了一个有机的整体。 51 系列单片机 的内部基本结构及基本特性如下： 1） 一个 CPU,一个片内振荡器及时钟电路。 2） 4KB 程序存储器， 128B 数据存储器。 3） 21 个特殊功能寄存器。 4） 32 条可编程的 I/O 线（ 4 个 8 位并行 I/O 口）
12、。 5） 可寻址 64KB 外部数据存储器和 64KB 外部程序存储器的控制电路。 6） 两个 16 位定时器 /计数器。 7） 5 个中断源，两个优先级嵌套中断系统。 8） 一个可编程全双工串行接口。 9） 一个具有位寻址功能、适于逻辑运算的位处理机。 2.1.2 51 系列单片机引脚的定义与功能 图 2-1 所示为 51 系列单片机按总线功能分类排列的引脚图 ，下面将详细介绍各引脚定义及功能。 6 1） 主电源引脚 Vcc(40 脚 )：单片机供电电源引脚，一般接 +5V 电源正端。 Vss(20 脚 )：单片机供电电源引脚，一般接 +5V 电源 地 端 。 2）外接晶体振荡器引脚 XTA
13、L1（ 19 脚）：外接晶体振荡器的一端。它是片内振荡电路中反相放大器的输入端。当不使用片内时钟电路而外接时钟信号时，对于 HMOS 单片 机，该引脚接地；对于 CHMOS 单片机，该引脚作为外接时钟信号的输入端。 XTAL2（ 18 脚）：外接晶体振荡器的另一端。它是片内振荡电路中反相放大器的输出端。当不使用片内时钟电路而外接时钟信号时，对于 HMOS 单片机，该引脚作为外接时钟信号的输入端；对于 CHMOS 单片机，该引脚悬空不接。 图 2-1 51 系列单片机按总线功能分类排列的引脚图 3）控制线 RST/VPD（ 9 脚） 复位 /备用电源线。 RST 的含义为复位（ RESET），
14、VPD 的含义为备用电源，该引脚为单片机的上电复位或掉电保护输入端。复位分为上电 复位和系统运行中复位。在上电时， 考虑到振荡器有一定的起振时间，因此该引脚上的高电7 平必须持续 10ms 以上才能保证有效复位，最简单的复位电路形式是在此引脚和 Vss引脚之间连接一个约 8.2 千欧的下拉电阻，与 Vcc 引脚之间连接一个约 10uF 的电容，以保证可靠复位。单片机系统正常运行时该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，可是单片机恢复到初始状态，实现单片机的复位操作 在 Vcc 掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保持内部 RAM 数据不会丢失。当Vcc 的电压值下降到低于规定的水平时，接到 VPD
15、 引脚的备用电源就向内部 RAM 供电。 ALE/PROG（ 30 脚） 地址锁存允许 /编程线。 51 系列单片机为减少外部引脚的数量，采用了地址 /数据总线复用技术。 ALE 信号为振荡器频率的 1/6，在访问片外存储器的时候， ALE 输出的脉冲下降沿用于锁存 P0 口输出的低 8 位地址线，与 P2 口结合形成 16 位地址总线；在不访问外部存储器时，该引脚仍以不变的频率周期性的输出脉冲信号，可以用作对外输出的时钟或定时的目的。 PSEN（ 29 脚） 片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。从外部程序存储器读取指令或常数期间，该信号在每个机器周期两次有效，通过数据总线 P0 口读
16、回指令或常数。在访问片外数据存储器的时候，该信号将不出现。 EA/Vpp（ 31 脚） 片外程序存储器选用端，低电平有效。该引脚为高电平时，访问内部程序存储器，当 PC（程序计数器）值 超过片内程序存储器空间时，则自动转向外部程序存储器的程序。该引脚为低电平时，只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。 4）输入 /输出口 P0 口（ 39 32 脚） 输入 /输出线 P0.0 P0.7 统称为 P0 口。在不进行片外存储器扩展或 I/O 扩展时，可作为准双向输入 /输出口使用，由于内部无上拉电阻，一般需要外接上拉电阻；在进 行片外存储器扩展或 I/O 扩展时， P0 口作为分时复用的低
17、 8 位地址总线和双向数据总线。 P1 口（ 1 8 脚）输入 /输出线 P1.0 P1.7 统称为 P1 口。 P1 口可作为准双向 I/O口使用。 P2 口（ 21 28 脚）输入 /输出线 P2.0 P2.7 统称为 P2 口。在进行片外存储器扩展或 I/O 扩展时， P0 口作为高 8 位地址总线；在不进行片外存储器扩展或 I/O 扩展时，可作为准双向输入 /输出口使用。 P3 口（ 10 17 脚）输入 /输出线 P3.0 P3.7 统称为 P3 口。 P3 口除作为 准双向 I/O口使用外，每条端口线还可以用于第二功能。 P3 口的每一条端口线均可定义为第一功能或第二功能。 P3
18、口的第二功能如表 2-1 所示。 8 表 2-1 P3 口的第二功能表 引 脚 第二功能 说 明 P3.0 RXD 串行口输入端 P3.1 TXD 串行口输出端 P3.2 INT0 外部中断 0 请求输入 P3.3 INT1 外部中断 1 请求输入 P3.4 T0 定时器 /计数器 0 计数脉冲输入 P3.5 T1 定时器 /计数器 1 计数脉冲输出 P3.6 WR 外部数据存储器写选通信号输出 P3.7 RD 外部数据存储器读选通信号输出 2.1.3 存储器的配置 微型计算机的存储器地址空间有两种结构形式：普林斯顿结构和哈佛结构。普林斯顿结构是将数据存储器和程序存储器空间合二为一，一个地址对
19、应唯一的一个存储单元， CPU 访问 ROM 和 RAM 使用相同的指令；哈佛结构是将 ROM 和 RAM 分别安排在两个不同的地址空间， ROM 和 RAM 可以有相同的地址， CPU 访问 ROM 和RAM 使用不相同的指令。 单片机面向的控制对象一般需要有较大的程序存储器用来固化调试好的程序，需要较小的数据存储器来存储程序执行过程中的数据，所以 51系列单片机采用的结构是哈佛结构。 51 系列单片机存 储器从物理地址空间上可分为片内、片外程序存储器和片内、片外数据存储器 4 部分。 由于片内、片外程序存储器统一编址，因此，从用户使用角度，其寻址（逻辑地址）空间可划分为：片内外统一的 64
20、KB 程序存储器、 128B 内部数据存储器和 64KB 外部数据存储器 3 个独立的地址空间。在访问这 3 个不同的逻辑空间时采用的是不同形式的指令。 MCS-51 单片机存储器的空间分配如表 2-2 所示。 表 2-2 MCS-51 单片机存储器的空间分配 存储类型（ Cx51 定义） 地 址 范 围 说 明 DATA D： 00H D： 7FH 片内 RAM 直接寻址区 BDATA D： 20H D： 2FH 片内 RAM 位寻址区 IDATA I： 00H I： FFH 片内 RAM 间接寻址区 XDATA X： 0000H X： FFFFH 64KB 片内 RAM 数据区 CODE
21、C： 0000H C： FFFFH 64KB 片内外 ROM 代码区 2.2 直流电机选择 直流电 动 机是指能将直流电能转换成机械能的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机 。 直流电 动 机的结构 由 定子和转子 两大部分组成。直流电 动 机9 运行时静止不动的部分称为 定子 ，定子的主要作用是产生 磁场 ，由机座、主 磁极 、换向极、端盖、轴承和 电刷 装置等组成。运行时转动的部分称为 转子 ，其主要作用是产生 电磁转 矩 和感应电动势，是直流电 动 机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为 电枢 ，由转轴、电枢铁心、 电枢绕组 、 换向器 和风扇等组 成。 1）设计中使用的电动
22、机基本参数 本设计中使用的电动机基本参数如表 2-3 所示 表 2-3 设计中使用的电动机基本参数 品牌 绿格 产品类型 无刷直流电动机 型号 LGBL57 极数 4 极 额定功率 500W 额定电压 24V 额定转速 5000(rpm) 2.3 A/D 转换器的选择 ADC0808 是 8 路 8 位、逐次逼近式、单片 CMOS A/D 转换器件，它在产品设计是融汇了若干种模 /数转换技术的长处。 8 路 8 位 A/D 转换器 ADC0808 常用于生产过程中微电脑自动化控制和机床微电脑自动化控制中 。 ADC0808 8 路 8 位 A/D 转换器的内部包括 8 位的模 /数转换器、 8
23、 通道多路转换器和微处理器兼容的控制逻辑电路。其内部设计有 8 通道多路转换器，它能起到电路的装换连接作用。 8 通道多路转换器能够直接连通 8 个单端模拟信号中的任何一个。 ADC0808 8 路 8 位 A/D转换器芯片内具有带有锁存功能的 8 路模拟多路开关（即8 通道多路转换器），该开关可以对 8 路 05V 的输入模拟电压分时进行转换。片内具有多路开关的地址译码和锁存电路，以及比较器、 256R 电阻 T 型网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器 SAR、控制电路和时序电路 等。 ADC0808 8 路 8 位 A/D 转换器的输出具有 TTL 三态锁存缓冲器，可以直接连接到单片机数据总
24、线上。 ADC0808 8 路 8 位 A/D 转换器的综合功能是： 1） 分辨率为 8 位； 2） 最大不可调误差小于 1/2LSB； 3） 单一 +5V 供电，模拟输入范围 05V； 4） 具有锁存控制的 8 路模拟开关； 5） 可以锁存三态输出，输出与 TTL 电平兼容； 6） 功耗为 15mW； 7） 不必进行零点和满刻度调整； 10 8） 转换速度取决于芯片的时钟频率。时钟频率的范围是 101280kHz。 当CLK=500kHz 是，转换速度位 128 微秒。 ADC0808 8 路 8 位 A/D 转换器的芯片引脚排列图，如图 2-2 图 2-2 ADC0808 8 路 8 位
25、A/D 转换器的芯片引脚排列图 IN0IN7： 8 路输入通道的模拟量输入端口。 OUT1OUT8： 8 位数字量输出端口。 START， ALE： START 位启动控制输入端口， ALE 位地址锁存控制信号端口。这两个信号端口可以连接在一起，当通过软件输入一个正脉冲的时候，便立即启动ADC0808 8 路 8 位 A/D 转换器进行 A/D 转换。 EOC， OE： EOC 为转换结束信号脉冲输出端口， OE 位输出允许控制端口，这两个信号端口可以连接在一起，用来 表示 A/D 转换的结束。当 OE 端的电平发生由低变高跳变时，该跳变就会打开三态输入锁存器，将转换结果的数字量输出到数据总线上。 VREF(+)， VREF(-)： VREF(+)和 VREF(-)为参考电压输入端。一般情况下， VREF(+)与 Vcc 连接在一起， VREF(-)与 GND 连接在一起。 CLK：时钟输入端。 ADDA， ADDB， ADDC：这是 8 路模拟开关的三位地址选通输入端。 在 ADC0808 8 路 8 位 A/D 转换器中， ADDA， ADDB， ADDC8 路模拟开关的三位地址选通输入端与输入通道的对应关系，如表 2-4 所示
