滚筒洗衣机电控设计

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滚筒洗衣机电控设计方勇安庆师范学院安徽安庆080506003指导老师：王陈宁摘要：介绍一种滚筒洗衣机的电控设计。针对该种洗衣机的特性，该设计从供电部分（开关电源）、功能控制输出部分、信号采集及人机交互进行分析。电控器核心采用高性价比的瑞萨SH88F516芯片单片机，增加了整机的可靠性，降低了成本。同时考虑到产品的可靠性和可制造性，在软件编写时单片机程序设计了工厂模式和用户模式。关键词:滚筒洗衣机，单片机，SH88F516，洗衣机电控板DrumwashingmachineelectriccontroldesignCollege:Schoolofmathematicsandcomputerscience,anhuinormaluniversityName:BanDeBingAbstract:Thispaperintroducesaplatenwashingmachineelectriccontroldesign.Accordingtothecharacteristicsofthiskindofwashingmachine,thepartfromthepowersupply,switchingpowersupplydesign,functioncontroloutputpart,signalcollectionandhuman-computerinteractionareanalyzed.Reactorcorewithcost-effectiverenesasSH88F516chipmicrocontroller,increasethereliabilityofthemachine,reducethecost.Atthesametime,consideringthereliabilityandmanufacturabilityoftheproduct,microcontrollerprogrammingthefactorywhenwritingsoftwaremodeandusermode.Keywords:Drumwashingmachine,MCU,SH88F516,washingmachineelectroniccontrolboard1 目录1.引言...............................................................................................................................................32.洗衣机电控板的简介...................................................................................................................33.硬件设计.......................................................................................................................................33.1电源部分...........................................................................................................................33.1.1电路原理图...............................................................................................................43.1.2开关电源的组成.......................................................................................................43.2功能控制部分.....................................................................................................................43.2.1电路原理图...............................................................................................................53.2.2SH88F516单片机.....................................................................................................53.2.3功率输出部分...........................................................................................................63.3信号采集及人机交互部分................................................................................................63.3.1电路原理图...............................................................................................................63.3.2各单元模块...............................................................................................................74.软件设计.......................................................................................................................................74.1软件流程图.........................................................................................................................84.2工厂检测模式.....................................................................................................................84.2.1程序测试...................................................................................................................84.2.2部件测试...................................................................................................................94.3用户模式.........................................................................................................................104.3.1按键部分程序.........................................................................................................104.3.2按键部分程序.........................................................................................................124.4故障代码.........................................................................................................................125.总结...........................................................................................................................................13致谢.................................................................................................................................................14参考文献...........................................................................................................................................152 1.引言现今社会中，随着国民经济和信息技术的发展，洗衣机已成为家里最常见的电器产品。目前国内洗衣机行业，滚筒的销售量只占有22%左右，且份额在逐年扩大，欧美滚筒洗衣机所占份额为80%以上，滚筒洗衣机优点：洗净比高，节省水，对衣服磨损小，通常还有烘干功能等；缺点：费电（相对波轮洗衣机），洗衣时间长等。由于滚筒洗衣机适应衣服较多，外观时尚已成为年轻人的首选。2.洗衣机电控板的简介洗衣机电控板主要是由电源部分、功能控制输出部分、信号采集及人机交互等组成。其中电源部分是将220V或110V交流电源转化为12V和5V直流电；功能控制输出部分是当用户使用时，单片机按照客户选择的需求做出相应的功能输出，其中单片机输出控制信号通过反相器来驱动各对应功能的功率器件；人机交互是用户通过按键来调节洗涤模式，洗涤时间以及其他功能，电控板则通过LED灯和数码屏来反馈用户的选择模式。3.硬件设计3.1.电源部分本文涉及的滚筒电控板采用隔离反激式开关电源供电，并非传统使用的线性电源。开关电源是将交流电先整流成直流电，在将直流逆变成交流电，在整流输出成所需要的直流电压。这样开关电源省去下线性电源中的变压器，以及电压反馈电路。而开关电源中的逆变电路完全是数字调整，同样能达到非常高的调整精度。开关电源由很高的开关速度的变压器和开关管,特点是重量小,容量大,输出质量高。开关电源的调整管工作在饱和和截至状态，因而发热量小，效率高（85％以上）而且省掉了大体积的变压器。开关电源顾名思义有开关动作，它利用变占空比或变频的方法实现不同的电压，实现较为复杂，最大的优点是高3 BPEN2SSSS5678效率，一般在90％以上，缺点是纹波和开关噪声较大，适用于对纹波和噪声要求不高的场合；而线性电源没有开关动作，属于连续模拟控制，内部结构相对简单，芯片面积也较小，成本较低，优点是成本低，纹波噪声小，最大的缺点是效率低。它们各有缺点在应用上互补共存！3.1.1.电路原理图本文设计的滚筒洗衣机电控电源部分的原理图如图1所示。43图1电源部分原理图3.1.2.开关电源的组成开关电源主要包括输入滤波保护、整流电路、逆变器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路。它们的功能是：1、输入电网滤波器：消除来自电网，如电动机的启动、电器的开关、雷击等产生的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。2、输入整流滤波器：将电网输入电压进行整流滤波，为变换器提供直流D1STH1R02QRL12VT11电压。R5R4C4C510L10K5%0.1u20uF5VGND47R5%0.1uD5C6D01SMAJ170A3D021N53981N53983、逆变器：是开关电源的关键部分。它把直流电压变换成高频交流电压，C7VC8D6STH1R02QRLD72uF40VGNDMKP62-X2-275VAC-104KGR1JR03VR1C85R95610.1uD810KC947R5%DZ3.9VE16并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用。L01U1U2R10CAU10.5/20mH205%TNY276GNC10EK4、输出整流C1滤波器：将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的470uF16VR040.1uR1PC817560%10KCD12-E2GA2MYNSC12C13D04D03FUSE10.1u1N53981N5398直流电N压，同时还防止高频噪声对负载的干扰。5AGND5、控制电路：检测输出直流电压，并将其与基准电压比较，进行放大。调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。6、保护电路：当开关电源发生过电压、过电流短路时，保护电路使开关电源停止工作以保护负载和电源本身。3.2.功能控制部分4 P_WSWIP_RWIP_RESHUILV1ZHUXIYUXIRESHUICN5-1CN4-2CN4-3CN1-2CN3-5CN3-7CN3-1CN3-3M8-7M8-6M10-83.2.1.电路原理图M10-7M10-1M10-5M8-8功能控制部分原M10-6M10-9理图分为两个部分，单片机信号控制放大部分和功率器件输出两个部分：1、单片机信号控制放大部份原理图如图2所示。10LV2'LV1'620R67P_JRP_DORP_UMDORLOCKHOTLV2CN1-3CON1CON2CN4-4图2单片机信号控制放大部分原理图2、功率器件输出部分原理图如图3所示。N图3功率器件输出部分原理图3.2.2.SH88F516单片机控制核心部件采用日本瑞萨公司SH88F516单片机，该单片机是一种高速R31C2CS3RV3CS4RV4CS2CS6R69CS5RV510K104D15418R38KE1KE2R68KE4R42高效率8051兼容单片机，在同样的振荡频率下，较之传统的8051单片机运行10K10K+12+12+1210K+12RV2KE3R30R41CS156620速度更快，性能更优：R61R57R58R6220KC520K20K20KP_MOTO4n7R60R56R5R59TRCHKR620K20K20KR6520K20K20K1、FlashROM：64K字节；R6320K20KR642、RAM：内部256字节外部1024字节，片上EEPROM为1K字节；5主进水阀软化阀热水阀加热管门锁R溢水位洗涤水位电机转子泵压力开关L电机定子IC3ULN203A116P47P_M1215P41P_JR314P04P_UM413P05P_RWI512P06P_WSWI61P46P_M2IC1SH8F516710P27P_MOTO+1289P03342P24P0.3/AN3P2.4/-INT4P023521P23P0.2/AN2P2.3/-INT43/TCKP013620P2P0.1/AN1P2.2/-INT42/TDIVCP03719P21P0.0/AN0/VrefP2.1/-INT41/TMSP_DOR3818P20VDP2.0/-INT40/TDOP423917P40R74E4P4.2P4.0P03C13C14P1040165K1P1.0/T2GNDN1P1411520u/16V104104P1.1/T2EXP4.5/XTAL19013XT1P124214P1.2/RXD1/CM0P4.4/XTAL2P_BUZ8MP134313P37P1.3/TXD1/CM0NP3.7/CM1NP14412P36R37P1.4/-S/CM0OP3.6/CM1P125K1N29013P_M3R75P425K1N39013P_RESHUIR32P235K1N49013 3、工作电压：3.6V-5.5V；4、四种可选结构：准双向结构、推挽结构、仅输入结构和开漏结构；P075、3个16为计数器及三个外部中断源。3.2.3.功率输出部分功率输出器件主要由半导体器件或继电器一类的开关器件控制，具体明细如下:1、两个水阀控制分别控制冷热水两路进水，进水阀由双向可控硅来控制；2、水位由压力开关来控制，控制水位的高低；3、加热由继电器控制；4、门锁、排水泵由双向可控硅控制；5、串激电机控制由测速电机反馈。驱动由双向可控硅控制,电机方向由继电器控制。3.3.信号采集及人机交互部分3.3.1.电路原理图1、信号采集如图4所示。图4信号采集电路原理图2、人机交互如图5所示。6GNDR50R51LOCK20K20KVCLD2R14R15门锁R1710K5%10K5%1N407D14R1810K5%U314LINE_CROSIN41482.K5%23NC14PC81710pF洗涤水位R62R61LV1'20K20KR58R57LV2'压力开关20K20K溢水位GNDE3VDVDN_TN_MR2110610K温度传感R2TEMPSPD测速线圈3K-1% 图5人机交互电路原理图3.3.2.各单元模块信号采集主要就是采集洗衣机的水位、门开关、水温、电机转速、内部过零电路等方面的信息。人机交互主要通过按键模块、LED显示模块、数码管显示模块和蜂鸣器模块来实现人与机器的交流。信号采集部分：水位控制模块由水位开关经行控制，当水位达到某水位时，水位开关工作，进水阀停止工作；门开关模块通过机械开关控制，当门没闭合时，机械开关没有导通，火线未接入，到洗衣机无法工作；水温控制模块通过温传感器(NTC)来采集信息；电机转速模块通过测速线圈的电流大小，来监测电机的转速；通过过零电路模块采集输入电源（市电）信息，来实现减低晶闸管的损耗，延长晶闸管的寿命的目的。人机交互部分：P34R1270P35R2270信息输出部分：显示是通过矩阵方式来实现的，单片机通过9012三极管P36R3270P37R4270P40R5270P20R6270P21R7270P2R8270提供足够的驱动电流；P15P16信息输入部分：使用按键时单片机处于输入状态，通过增加一个反向P17P30P43P31H16H17H18H1H2H3H4H5H6H7H8H9H10H1H12H13H14H15VDVDVDVDVDVD1N4148二极管来消除显示与按键之间的干扰。R9R14R10R1R12R13LED5K15K15K15K15K15K1TOF-5462BP6P1P2P3P4P59012901290129012901290124.软件设计VDR1910KC16SW5SW1SW2SW3SW4103R20P110K7 4.1.软件流程图单片机软件的设计，需要考虑到产品的可靠性和可制造性。针对此问题，在软件编写时，单片机程序采用两种模式，即工厂模式和用户模式。工厂模式为洗衣机自动检测各个功能指标的模式，是否达到要求，是则进入下一测试环节，否则输出故障代码；用户模式为客户正常使用的模式。具体流程见图6所示。图6软件流程图4.2.工厂检测模式软件在设计时，为了能实现检测的高效全面，因此在软件设计时增加工厂测试模式。工厂模式分为程序测试和部件测试，程序测试主要显示按键等功能进行测试，部件测试主要是对功能进行测试。4.2.1.程序测试关机状态下，同时按下水位、脱水键，开机键，进入测试模式。1、进入测试模式后全部LED闪烁三次后，程序P01指示灯亮，数码管显8 示“t-0”其他熄灭；任何操作，进入下一步骤。2、此过程各操作互相独立：1）、旋转编码器，程序指示灯循环显示，其他指示灯不变；2）、按动功能键（额外漂洗），对应指示灯显示。其他指示灯不变；3）、按下启动/暂停键，进入下一步骤。3、有水自检顺序执行：1）、数码管显示‘t-1’，其余均不显示，关闭门锁，15秒内未检测到门锁，则显示‘E01’并报警。否则，进入下一步。2）、显示‘t-2’，两进水阀分别进水5秒钟，然后同时进水到低水位，3）、显示‘t-3’，开始加热、洗涤，显示当前水温，转停比为10：10，50rpm。温度升高20℃，温度传感器检测正常。洗涤时间至少3分钟。4）、显示‘t-4’，停止加热，洗涤，开始排水到水位开关复位。5）、显示‘t-5’，开始脱水（800rpm）2分钟。不带偏心检测。6）、测试结束，显示’End’，左右摆动。此时过程中如果有故障发生，将显示故障代码。测试结束及过程中，按启动/暂停键则回到至1，测试3中其他操作不起作用。测试结束关机退出测试程序。4.2.2.部件测试关机状态下，同时按下洗涤、水位键，开机键，进入部件检测模式。数码管显示‘C加编号’，默认显示‘C01’，其他LED不亮。旋转编码器，增加（顺时针）/减少（逆时针）编号，按下启动暂停键，进入各测试部件程序（每步检测需按启动/暂停键）：C01—检测门锁。门锁上电。C02—进水阀1、水位开关。关闭门锁，从水阀1进水直到低水位，显示‘End’。C03—进水阀2、水位开关。关闭门锁，从水阀2进水直到低水位，显示‘End’。C04—加热器、NTC。关闭门锁，从水阀1，2同时进水直到低水位，开始加热到温度上升1.5℃，显示‘End’。C05—排水泵。关闭门锁，开启排水泵。9 C06—内筒顺时针（50rpm）。关闭门锁。C07—内筒逆时针（50rpm）。关闭门锁。C08—关闭门锁，开启排水泵，直到水位开关复位，再排水15秒后，开始脱水，不带偏心检测，按下启动/暂停键停止脱水。脱水速度可通过脱水键设置。在测试过程中按下启动暂停键停止测试程序，旋转编码器，进入其他部件测试。测试过程中出现故障则显示故障代码并蜂鸣报警。测试结束后关机退出部件测试程序。4.3.用户模式4.3.1.按键部分程序1、程序编码器：编码器顺时针转动时，程序顺时针循环显示选择；逆时针转动时，程序逆时针依次循环显示选择。洗衣程序选择变化后，相关参数变为默认值。程序运行过程及等待运行过程中，旋转编码器锁定。可选洗衣程序共12个，用LED灯指示。2、功能按键:功能按键共5个，采用微动按键。功能依次为：速度、温度、额外漂洗、预约、启动/暂停。按键有效按下时，蜂鸣0.5秒；无效时蜂鸣0.2秒。1）、启动/暂停键选择程序后，按下该键启动洗衣程序；程序运行，数码管亮；程序运行过程中，按下该键，程序暂停，数码显示屏显示“PAUS”；门锁断开后,数码管显示”OPEN”。程序结束，门锁断开，报警，数码管显示“End”并左右摆动。童锁保护：在程序运行过程中，持续按下启动/暂停键4秒，启动键盘锁定，数码管显示“LOC(数码管后三位)”2秒，蜂鸣一声后反回之前显示状态；再次按下4秒后键盘锁定消除，数码管显示“UNL(数码管后三位)”2秒。当发生故障时，童锁会自动取消。程序结束后童锁会自动消除。童锁过程中除解锁方式外，其它按键无效，当有无效按键按下后，蜂鸣器响0.2秒，数码管显示“LOC（数码管后三位）”2秒，然后回到程序之前状态。10 2）、预约功能键预约键用来设定预约洗衣开始时间，可在0-24h内选择，如选择预约时间不为0，则数码显示预约时间加h。如预约时间为5小时，则显示‘05h’。默认状态为预约时间是0。选择预约功能后，预约指示灯亮，按“启动/暂停”键预约时间开始执行，如预约时间为05h,则显示：“5:00”以分钟为单位显示且递减。预约时间结束后，程序自动开始。预约指示灯灭。数码管显示当前程序“剩余时间”。预约时间调整：“预约”时间可以在倒计时结束前任意更改。按下“预约”键调整至新的预约时间，开始运作。无需重选程序。如果程序重选，则所选的“预约”时间也同时被终止。显示屏将显示新程序的“剩余时间”。如果需要，必须重新选择“预约”时间。在“预约”时间运作期间可以随时放入或取出衣物，完成后请立即关上机门！3）、温度键用来设定洗衣程序加热温度，加热温度用led灯指示。可选温度有‘--℃（不加热）、30℃、40℃、50℃、60℃……’。可循环选择。不得设置高于程序默认最高加热温度。4）、脱水键选择脱水转速，可选：‘----（免排水）、400、500、600、700、800、900、1000、1200’。所选脱水转速如高于脱水曲线转速，则按照脱水曲线执行，如低于脱水曲线设定转速，则按设定值执行。设定值不能超过程序默认最高脱水转速。如果选择了“－－－”（免排水）功能，衣物在最后一次漂洗后将留在水中。在取出衣物以前，必须先进行单脱水或单排水程序。或者按下速度功能键，选择脱水转速进行脱水。可以在任何时候按下速度功能键降低脱水转速。在漂洗程序开始时也可以选择免排水功能。5）、额外漂洗选择该功能，增加一次漂洗程序，指示灯亮；再次按下，功能取消，指示灯熄灭。11 4.3.2.按键部分程序1、程序初始选择状态初上电显示棉麻标准程序，能够选择所需程序。显示屏循环显示程序剩余时间,洗涤温度，脱水转速。剩余时间，例如“1:18”代表1小时18分钟。洗涤温度，例如“40℃”代表40度。脱水转速“800”代表最高脱水转速800转/分。2、程序开始按下启动暂停键，启动程序。数码管显示剩余时间，小时和分钟之间的冒号“：”闪烁，洗衣持续时间以分钟开始倒计时。3、程序暂停在程序运行过程中，按下启动暂停键，数码显示屏显示“PAUS”，洗衣程序被暂时中断。水温超过50℃/水位超过保护水位/洗衣机未停止运转，机门不可打开。否则，发出断开门锁指令，等待机门打开（约2分钟时间），显示屏显示“OPEN”，打开机门。再次按下启动/暂停键，开始/暂停指示灯亮，程序从中断处继续运行。4、程序停止程序运行结束后，显示屏显示“End”并左右摆动。如果选择了“----”免排水功能，程序结束后显示屏也显示“----”4.4.故障代码1、蜂鸣器报警：动作鸣叫时间及频率开机1s启动/暂停0.5s功能按键0.2s无效操作20ms故障报警按20ms鸣叫，20ms停止的频率，鸣叫15秒停45秒，提醒5次。程序结束按0.5s鸣叫，0.5s停止的频率鸣叫5次。12 E01报警：门报警E02报警：水位报警E03报警：排水故障E04报警：溢水报警E05报警：电机报警E06报警：测速电机报警E07报警：NTC报警E08报警：加热管报警E09报警：电机可控硅短路报警5.总结通过这段时间课程设计，我认识到洗衣机电控板的硬件和软件（C语言）设计是比较难的，在设计过程中，使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学理论知识与实践相结合起来，提高自己的实际动手能力和独立思考能力。这也是一项团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神，团结协作是我们完成整个工作的重要保证，如果只是我一个人孤军奋战的话，肯定不能在规定时间内完成这次课程设计，感谢老师、同事、网络的力量使我顺利完成了这项设计，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，让我受益匪浅。13 致谢本论文从选题、设计、理论分析、撰写到最后的完成是在朱皖宁导师的悉心指导下进行的。在此谨向朱老师表示由衷的感谢!同时，我要感谢在论文工作中给予我无私帮助的各位同事朋友，指导我完成了系统的设计，给予了许多宝贵的意见。正是由于他们的传道、授业、解惑，让我学到了专业知识，并从他们身上学到了如何求知治学、如何为人处事。我也要感谢安徽师范大学，是她提供了让我这个已经踏出学校大门的毕业生有提升自己的机会，让我的生活更加丰富多彩，为我的人生留下难忘的一笔。最后，要感谢我的家人和朋友们，我的任何进步和成绩都见证着他们的宝贵意见和幕后的支持和鼓励。14 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