1、本科毕业设计（论文）（20 届）基于 FPGA 实现全自动洗衣机控制器所在学院专业班级 通信工程学生姓名指导教师完成日期目录摘要 .IIIABSTRACT.IV第一章 绪论 .11.1 全自动洗衣机的背景知识 .11.1.1 全自动洗衣机的发展史 .11.1.2 全自动洗衣机的发展趋势 .21.2 课题研究的目的与意义 .31.3 洗衣机内部结构 .31.3.1 全自动洗衣机的结构描述 .41.3.2 全自动洗衣机的工作流程 .4第二章 FPGA 介绍 .62.1 FPGA.62.1.1 FPGA 的工作原理 .62.1.2 FPGA 基本特点 .62.1.3 FPGA 芯片的国内外研究现状及
2、发展动态 .72.2 FPGA 芯片内各个模块介绍 .7第三章 硬件设计 .113.1 全自动洗衣机设计内容 .113.2 部分元器件的介绍 .123.2.1 重量传感器 .123.2.2 浑浊度传感器 .133.2.3 水位传感器 .143.2.4 直流电机 .153.3 部分模块电路设计 .153.3.1 电源电路设计 .153.3.2 信号检测电路设计 .163.3.3 洗涤控制电路设计 .17第四章 软件设计 .194.1 软件设计的思路 .194.2 洗衣机洗涤控制电路状态图描述 .204.2.1 主控制器状态图描述 .204.2.2 洗涤定时器状态图描述 .214.2.3 水流控制
3、器状态图描述 .22总结 .24参考文献 .25致谢 .26基于 FPGA 实现全自动洗衣机控制器摘要本文利用现场可编程门阵列 fpga 实现洗衣机的全自动控制，说明了 fpga 控制的原理方法，特点及控制洗衣机的特色。文章在介绍洗衣机的结构的同时对全自动洗衣机的控制系统进行分析，在此基础上提出了基于 fpga 的全自动控制洗衣机的方案，并对方案进行了论证。根据洗衣机的工作原理对程序及流程进行了设计。该设计的要求应满足全自动完成进水、停水、洗涤、脱水和报警等全过程，是自动化程度非常高的一种洗衣机，而且还有多种洗涤方式，可在洗衣前选择其中一种方式，程序进行到洗涤时可自动转入到该洗涤方式。本设计具
4、有智能化程度高，安全可靠等特点，对按钮、电磁阀、开关等其他一些输入、输出进行控制，实现了洗衣机洗衣过程的自动化，由于每遍的洗涤、排水、排水的时间由 fpga 内的计数器进行控制，所以只要改变计数器的参数就可以改变时间。关键字：现场可编程门阵列 fpga；智能化；全自动洗衣机Realizes the completely automatic washercontroller based on FPGA AbstractThis text can make use of programmable portal array fpga of site to carry out the full-aut
5、omatic control of washing machine and explained the priniple method of fpga control, the special feature of characteristics and control washing machine, article at introduce a washing machine of structure of at the same time vs the control system progress analysis of the full-automatic washing machi
6、ne, proposed according to the scheme of fpga full-automatic control washing machine on this foundation, and the other party case carried on argument.Carried on a design to the procedure and the flow process according to the operate priniple of washing machine.The request of the design should satisfy
7、 full-automatic completion index numbers of quantum, imports or exports water, stop water, wash away dirt, dehydration and report to the police etc. whole processeses, is to automate a kind of washing machine with very high degree, and still have various rinse methods, can select an one among the me
8、thod before doing laundry, the procedure carries on wash away dirt automatic roll in arrive the wash away dirt mode.Have intelligence to turn a degree higher -, characteristicses like safe firm,etc, vs other some inputs, such as button and electromagnetism valve, switch.etc., output progress control
9、, carried out the automation that the washing machine does laundry process, because of each rinse, drain, drain of time is carried on a control by the counter in the fpga, so as long as transform counter of parameter nine can transform time, and the full-automatic washing machine has broad market fo
10、reground.Keywords: Site programmable array fpga in the portal,Intelligent,Automatic washing machine第一章 绪论1.1 全自动洗衣机的背景知识1.1.1 全自动洗衣机的发展史从古到今，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动，而在洗衣机出现以前，对于许多人而言，它并不像田园诗描绘的那样充满乐趣，手搓、棒击、冲刷、甩打这些不断重复的简单的体力劳动，留给人的感受常常是：辛苦劳累。1874 年， “手洗时代” 受到了前所未有的挑战 有人发明了木制手摇洗衣机。发明者是美国人比尔布莱克斯。布莱克斯的洗衣机构造极为简
11、单，是在木筒里装上 6 块叶片，用手柄和齿轮传动，使衣服在筒内翻转，从而达到“净衣” 的目的。这套装置的问世，让那些为提高生活效率而冥思苦想的人士大受启发，洗衣机的改进过程开始大大加快。1880 年，美国又出现了蒸气洗衣机，蒸气动力开始取代人力。之后，水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。到 1911 年，美国试制成功世界上第一台电动洗衣机。电动洗衣机的问世，标志着人类家务劳动自动化的开端。电动洗衣机几经完善，在 1922 年迎来一种崭新的洗衣方式“搅拌式” 。搅拌式洗衣机由美国玛依塔格公司研制成功。这种洗衣机是在筒中心装上一个立轴，在立轴下端装有搅拌翼，电动机带动立轴，进行周期性的正反摆动，使
12、衣物和水流不断翻滚，相互摩擦，以此涤荡污垢。搅拌式洗衣机结构科学合理，受到人们的普遍欢迎。不过 10 年之后，美国本德克斯航空公司宣布，他们研制成功第一台前装式滚筒洗衣机，洗涤、漂洗、脱水在同一个滚筒内完成。这意味着电动洗衣机的型式跃上一个新台阶，朝自动化又前进了一大步！直至今日，滚筒式洗衣机在欧美国家仍得到广泛应用。第二次世界大战以后，洗衣机等到迅速的发展，研制出具有独特风格的波轮式洗衣机。这种洗衣机由于其波轮安装在桶底，又称涡卷式洗衣机。近几十年来，在工业发达国家，全自动洗衣机制造技术又得到迅速发展，其年总产量及普及率都达到相当的高的水平。手洗时代木制手摇洗衣机蒸汽洗衣机电动洗衣机搅拌式洗
13、衣机全自动洗衣机图 1.1 全自动洗衣机发展史流程图1.1.2 全自动洗衣机的发展趋势随着全自动洗衣机的不断普及，消费者对环保节能的要求越来越高，其中主要的一项指标就是耗水量，人们迫切需要有一种能节水的洗衣机来替代现在的洗衣机，这在全球水资源缺乏的今天尤为重要。随着用水紧张、水价看涨，人们对耗水、耗电的洗衣机的钟情指数正在逐步下降，波轮式洗衣机曾有的霸主地位开始动摇。调查中就有 38.52%的人选择了滚筒式洗衣机，远远超过了选择波轮式洗衣机的比例。节水环保型滚筒式洗衣机正在走向千家万户，渐与国际市场趋于一致。所以，节能节水洗衣机以成为当今全自动洗衣机的发展方向。最近国内外大的洗衣机公司分别推出
14、了小型智能洗衣机，有的重量仅 5 公斤，容量 1 公斤，耗水量 20 公斤，一次可洗 5 件衬衫和内衣裤，或其他衣物。其主要优点有：机器体积小，可携带，在露营地也可使用；清洗衣物数量少，比大型洗衣机省水、省电、经济；可以分类清洗衣物，即可防止带色衣物互相染色，又比较符合卫生要求。家用洗衣机小型化、智能化及高效环保将成为一种新的发展潮流。1.2 课题研究的目的与意义目前中国洗衣机市场正进入更新换代期，市场潜力巨大，人们对洗衣机的要求越来越高，目前的洗衣机主要有强弱洗涤功能、进排水功能、暂停等几大功能，在许多方面还达不到人们的需求。这就要求设计者们有更高的专业技术水平，能够提出更多更好的建议和新的
15、课题，将人们的需要变成现实，设计出更节能、功能更全面、更人性化的全自动洗衣机。本课题主要着重于全自动洗衣机的控制，要求洗衣机能够实现进水、排水、衣物重量、肮脏程度、洗涤方式、脱水、报警等功能的自动化，所采用的控制方法操作简单、稳定可靠、维护与维修方便。控制方法确定后投入生产要缩短控制系统设计的时间、调试周期，且要降低成本。本课题我将采用 FPGA（现场可编程门阵列）来设计全自动洗衣机的控制器。它具有以下优势 1，即：（1（ 具有简单先进的编程方式开发（2（ 在线编程（3（ 可靠性高（4（ 资源利用率高，系统更加灵活（5（ 价格低廉（6（ 速度快1.3 洗衣机内部结构F P G A进水排水模块电
16、动机模块时间显示模块蜂鸣器模块图 1.2 FPGA 控制总图1.3.1 全自动洗衣机的结构描述滚筒式全自动洗衣机可分为 6 个部分，即：洗涤脱水部分、支持部份、传动部分、操作部分、电气控制部分及排水进水部分 2。（1）洗涤脱水部分：洗涤部分主要由内桶（滚筒） 、外桶（省水筒） 、内筒叉形架、外筒叉形架、转轴和轴承组成。低速绕组（KM1）称为洗涤绕组，而高速绕组（KM2 ）为脱水绕组。（2）支持部分：支持部分的作用是支持外筒和减轻振动。（3）传动部分：传动部分将电机的转动传递到主轴，从而带动内筒的转动，滚筒式全自动洗衣机的转动部分与双宿单相电动机、大小带轮、转动 V 带等组成。（4）操作部分：操
17、作面板上的各种开关，例如启动、停止、洗涤方式选择按钮。（5）电气控制部分：就是这次设计要完成的。（6）进水和排水部分：进水排水管与电磁阀和排水电磁阀来盛水桶相连，有进水来控制进水和排水。1.3.2 全自动洗衣机的工作流程进水预湿强洗1 5分钟标准洗2 0分钟柔洗3 0分钟漂洗 2 0 分钟排水脱水 5 分钟停止图 1.3 洗衣过程 洗衣服全过程描述：（1）进水动作：进行洗涤时，盛水桶内的水量必须达到水位设定的要求。洗衣机的进水和水位判断，是由水位开关和进水阀的开合来进行控制的，当桶内没有水或水位达不到设定水位时，FPGA 芯片内可编程输入 输出单元（ IOB）的输入输出信号的驱动不匹配，进水阀
18、闭合，开始注水，当桶内的水位达到设定水位时，水位开关受。压闭合，程序就可进入下一步处理。（2）排水动作：进入脱水动作前应先排水。为了避免排空水照成时间浪费以及排水不完而带水脱水照成对电机的损害。洗衣机能够根据实际水量对排水实际动态控制。（3）洗涤动作：洗涤动作指的是电机周期性的“正转-停止-发转-停止” 。不同的洗衣过程，控制电机执行“ 正转 -停止- 发转-停止”的时间是不同的。（4）脱水动作：排水结束后进入脱水动作，脱水是通过电机的正转来实现的，同时需要排水阀一直打开，也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，则暂停脱水，并发
19、出警报，直至用户合上桶盖后，才继续进行脱水，脱水结束后，发出警报，并自动关闭排水阀。（5）脱水不平衡修正：进行脱水处理，电机要正转，电机要进行高速单向正转，若此时衣物偏向一边，脱水桶会因离心的作用，在很短的时间内碰撞安全开关装置，使安全开关产生瞬时的关闭和断开，此时要进行脱水不平衡修正。进行脱水不平衡修正，洗衣机将停止脱水，并自动插入“进水-洗涤 50 秒-排水” 动作。通过这一插入动作，衣服将调整到洗衣桶中心位置。在同一脱水过程中，如果连续修正 3 次仍达不到脱水平衡，则进行报警，等用户打开洗衣机将衣物放置均匀在盖上桶盖，方可继续进行脱水。（6）其他动作：洗衣机控制器在此控制面板上还配有启动停止、电源、标准、轻柔、快速、水位选择按钮。
