基于單片機(jī)全自動(dòng)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)new

1、塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)全自動(dòng)洗衣機(jī) 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 王軍 學(xué) 號(hào) 8021210104 所屬學(xué)院 機(jī)械電氣化工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化 班 級(jí) 14-1 指導(dǎo)教師 張洪洲 日 期 2014.6 塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院制摘 要基于單片機(jī)的全自動(dòng)洗衣機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng), 所有的電路都是在單片機(jī)的控制下工作的，本設(shè)計(jì)中采用了AT89C51作為控制核心，以MCS-51為核心結(jié)合接口芯片及外圍電路以實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)的智能控制。其中通過(guò)整流和逆變等電路來(lái)控制單相異步電機(jī)的電路設(shè)計(jì)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。通過(guò)它可以將交流電整流成較穩(wěn)定的直流

2、電壓。逆變電路采用橋式可逆PWM變換器，由幾個(gè)IGBT組成橋式逆變電路，通過(guò)有規(guī)律的控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出頻率和電壓可控的交流電。采用這種交-直-交電壓型結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的控制。 關(guān)鍵詞 全自動(dòng)洗衣機(jī)；AT89C51；整流；逆變；IGBT；目 錄1 概述11.1 課題背景11.2 目的和意義11.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想22 方案設(shè)計(jì)22.1洗衣程序設(shè)計(jì)22.1.1洗滌過(guò)程22.1.2漂洗過(guò)程32.1.3甩干過(guò)程32.1.4進(jìn)水、排水過(guò)程32.2按鍵設(shè)計(jì)32.3 LED指示燈的設(shè)計(jì)32.4單片機(jī)各I/O口的分配設(shè)計(jì)32.4.1 P0口32.4.2 P2口32.4.3 P3口42.5電機(jī)控制電

3、路設(shè)計(jì)52.6電源模塊52.7本章小結(jié)53 可行性分析53.1經(jīng)濟(jì)可行性53.2技術(shù)可行性53.3本章小結(jié)54 硬件設(shè)計(jì)64.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖64.2單片機(jī)控制單元64.2.1 AT89C51概述64.2.2水位傳感器74.2.3 TLP521 2GB光電隔離開(kāi)關(guān)84.2.4蜂鳴器報(bào)警電路設(shè)計(jì)94.3 電動(dòng)機(jī)控制單元94.3.1 橋式整流電路94.3.2 PWM變換器電路104.3.3 單片機(jī)與電機(jī)控制電路的連接114.3.4 不控整流電路和PWM變換器電路的連接124.3.5 單相異步電動(dòng)機(jī)的連接124.4 電源模塊134.5本章小結(jié)135 軟件設(shè)計(jì)145.1 總體程序設(shè)計(jì)145.2 PWM信

4、號(hào)控制模塊155.3本章小結(jié)166 調(diào)試166.1 硬件調(diào)試166.1.1硬件調(diào)試環(huán)境166.1.2偉福E6000系列仿真器軟件特點(diǎn)176.1.3硬件調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題176.2軟件調(diào)試176.2.1 軟件調(diào)試環(huán)境176.2.2軟件調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題196.3 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)196.4 本章小結(jié)19結(jié) 論20致 謝21參考文獻(xiàn)22附錄123附錄2251 概述1.1 課題背景從古到今，洗衣服都是一項(xiàng)難于逃避的家務(wù)勞動(dòng)，而在洗衣機(jī)出現(xiàn)以前，對(duì)于許多人而言，它并不像田園詩(shī)描繪的那樣充滿(mǎn)樂(lè)趣，手搓、棒擊、沖刷、甩打這些不斷重復(fù)的簡(jiǎn)單的體力勞動(dòng)，留給人的感受常常是：辛苦勞累。1858年，漢密爾頓史密斯制成了世界上

5、第一臺(tái)洗衣機(jī)。1874年,“手洗時(shí)代”受到了前所未有的挑戰(zhàn)，美國(guó)人比爾布萊克斯發(fā)明了世界上第一臺(tái)人工攪動(dòng)洗衣機(jī)。1911年美國(guó)人又研制了世界上第一臺(tái)電動(dòng)洗衣機(jī)。1920年美國(guó)的瑪依塔格公司又把洗衣機(jī)的木制桶改為鋁制桶體，第二年又把鋁制桶體改為外層鑄鋁、內(nèi)層為銅板的雙層結(jié)構(gòu)。1936年，他們又將搪瓷用于洗衣機(jī)桶體。與此同時(shí)，世界各地也相繼出現(xiàn)了洗衣機(jī)。歐洲國(guó)家研究成功了噴流式洗衣機(jī)和滾筒式洗衣機(jī)。1932年后，美國(guó)一家公司研制成功了第一臺(tái)前裝式滾筒全自動(dòng)洗衣機(jī)，洗滌、漂洗和脫水都在同一個(gè)滾筒內(nèi)自動(dòng)完成，使洗衣機(jī)的發(fā)展躍上了一個(gè)新臺(tái)階。這種滾筒洗衣機(jī)，目前在歐洲、美洲等地得到了廣泛的應(yīng)用。第二次世

6、界大戰(zhàn)結(jié)束后，洗衣機(jī)得到了迅速的發(fā)展，研制出具有獨(dú)特風(fēng)格的波輪式洗衣機(jī)。這種洗衣機(jī)由于其波輪安裝在洗衣桶底，又稱(chēng)渦卷式洗衣機(jī)。近幾十年，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，全自動(dòng)洗衣機(jī)制造技術(shù)又得到迅速發(fā)展，其年總產(chǎn)量及社會(huì)普及率均以達(dá)到相當(dāng)高得水平。全自動(dòng)洗衣機(jī)的發(fā)展首先表現(xiàn)在洗滌方式發(fā)生巨大變化。原先大多側(cè)重于水流的改變、動(dòng)力的加大?，F(xiàn)在，超音波、電解水、臭氧和蒸汽洗滌的運(yùn)用，使洗衣機(jī)的去污能力從單純依靠洗衣粉、洗滌劑的化學(xué)作用和強(qiáng)弱變化的水流機(jī)械作用，向更高層次的健康、環(huán)保洗滌方式轉(zhuǎn)變，特別是電解水、超音波技術(shù)在洗衣機(jī)行業(yè)的運(yùn)用幾乎改變了洗衣機(jī)的歷史洗衣不用或少用洗衣粉、洗滌劑，減少化學(xué)品對(duì)皮膚的損害和對(duì)環(huán)

7、境的污染。電解水、臭氧、蒸汽的殺菌除味及消毒功能倍受青睞，引發(fā)了洗衣機(jī)消費(fèi)健康潮。另一變化就是高度自動(dòng)化、智能化、人性化。從半自動(dòng)、全自動(dòng)到現(xiàn)在流行的人工智能、模糊控制，只需按一下按鈕一切搞定！同時(shí)，用戶(hù)可以按照自己的洗衣習(xí)慣，自主選擇時(shí)間和方式，自編和記憶程序讓用戶(hù)真正做到隨心所欲。人性化還表現(xiàn)在使用的方便和舒適，如子母分洗洗衣機(jī)可以做到不同衣物分開(kāi)洗；斜桶和頂開(kāi)滾筒可以做到取放衣物方便不需深彎腰；蒸汽烘干功能使得晾曬更加方便，DD直驅(qū)電機(jī)在節(jié)能降噪方面效果更加突出，等等。1.2 目的和意義目前中國(guó)洗衣機(jī)市場(chǎng)正進(jìn)入更新?lián)Q代期，市場(chǎng)潛力巨大，人們對(duì)于洗衣機(jī)的要求也越來(lái)越高，目前的洗衣機(jī)主要有強(qiáng)

8、弱洗滌功能、進(jìn)排水系統(tǒng)故障自動(dòng)診斷功能、暫停等幾大功能，在許多方面還不能達(dá)到人們的需求。這就要求設(shè)計(jì)者們有更高的專(zhuān)業(yè)和技術(shù)水平，能夠提出更多好的建議和新的課題，將人們的需要變成現(xiàn)實(shí)，設(shè)計(jì)出更節(jié)能、功能更全面、更人性化的全自動(dòng)洗衣機(jī)。目前的洗衣機(jī)都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)全方面的兼容，大多洗衣的廠家都注重各自品牌的洗衣機(jī)的特長(zhǎng)，突出一兩個(gè)與別的洗衣機(jī)不同的個(gè)性化的功能，因此，設(shè)計(jì)出基于單片機(jī)的全自動(dòng)洗衣機(jī)控制電路系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性?；趩纹瑱C(jī)的自動(dòng)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)具有精度高、功能強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)。無(wú)論在提高產(chǎn)品質(zhì)量還是產(chǎn)品數(shù)量，節(jié)約能源還是改善勞動(dòng)條件等方面都顯示出無(wú)比的優(yōu)越性。對(duì)基于單片機(jī)的全自動(dòng)洗衣機(jī)控制

9、系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，是我們掌握全自動(dòng)洗衣機(jī)這種重要家電的工作原理和控制系統(tǒng)，進(jìn)一步了解單片機(jī)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用方法，將單片機(jī)控制技術(shù)用到了實(shí)際生活中，最重要的是將所學(xué)的東西運(yùn)用化。全自動(dòng)洗衣機(jī)的發(fā)展首先表現(xiàn)在洗滌方式發(fā)生巨大變化。原先大多側(cè)重于水流的改變、動(dòng)力的加大?，F(xiàn)在，超音波、電解水、臭氧和蒸汽洗滌的運(yùn)用，使洗衣機(jī)的去污能力從單純依靠洗衣粉、洗滌劑的化學(xué)作用和強(qiáng)弱變化的水流機(jī)械作用，向更高層次的健康、環(huán)保洗滌方式轉(zhuǎn)變，特別是電解水、超音波技術(shù)在洗衣機(jī)行業(yè)的運(yùn)用幾乎改變了洗衣機(jī)的歷史洗衣不用或少用洗衣粉、洗滌劑，減少化學(xué)品對(duì)皮膚的損害和對(duì)環(huán)境的污染。電解水、臭氧、蒸汽的殺菌除味及消毒功能倍受

10、青睞，引發(fā)了洗衣機(jī)消費(fèi)健康潮。另一變化就是高度自動(dòng)化、智能化、人性化。從半自動(dòng)、全自動(dòng)到現(xiàn)在流行的人工智能、模糊控制，只需按一下按鈕一切搞定！同時(shí)，用戶(hù)可以按照自己的洗衣習(xí)慣，自主選擇時(shí)間和方式，自編和記憶程序讓用戶(hù)真正做到隨心所欲。隨著更多國(guó)內(nèi)外品牌研究新的技術(shù)，開(kāi)發(fā)新的產(chǎn)品，洗衣機(jī)行業(yè)爆發(fā)以“節(jié)能環(huán)?！钡募夹g(shù)更新。消費(fèi)者通過(guò)選擇智能模式，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)省水、省電。今后，洗衣機(jī)將以高可靠性，完善的功能，節(jié)水節(jié)電，降噪省時(shí)及規(guī)格品種多樣化為發(fā)展方向。1.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制電路和電機(jī)控制電路二大模塊構(gòu)成。單片機(jī)控制電路負(fù)責(zé)控制洗衣機(jī)的工作過(guò)程，主要由AT89C51單片機(jī)、按鍵、水

11、位傳感器、蜂鳴器、LED指示燈、進(jìn)水電磁閥、排水電磁閥以及光電隔離開(kāi)關(guān)組成；電機(jī)控制電路實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能，主要由電動(dòng)機(jī)、整流電路和逆變電路組成。本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于單片機(jī)的控制系統(tǒng)以及電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。1. 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)。根據(jù)不同的洗衣方案，設(shè)計(jì)相應(yīng)的功能按鍵，并設(shè)有相應(yīng)的指示燈與之對(duì)應(yīng)。當(dāng)按鍵按下，單片機(jī)輸出相應(yīng)信號(hào)通過(guò)光電隔離開(kāi)關(guān)給電機(jī)控制系統(tǒng)。進(jìn)水閥、排水閥是由水位傳感器檢測(cè)水位后，通過(guò)單片機(jī)控制。水位傳感器輸出是數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)接受到這些傳感器的信號(hào)以后，經(jīng)過(guò)一系列處理來(lái)控制相應(yīng)閥門(mén)的關(guān)閉。2.電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)。電機(jī)控制電路主要由橋式不控整流電

12、路和橋式可逆脈沖寬度調(diào)制（簡(jiǎn)稱(chēng)PMW）變換器電路組成。通過(guò)變壓變頻來(lái)控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。由單相異步電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)需要的正弦波可以通過(guò)計(jì)算得到單片機(jī)要輸出的方波，這樣只要單片機(jī)輸出這種方波，通過(guò)PMW變換器即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。2 方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)控制電路、電機(jī)控制電路以及電源模塊三大模塊構(gòu)成。單片機(jī)控制電路負(fù)責(zé)控制洗衣機(jī)的工作過(guò)程，主要由AT89C51單片機(jī)、按鍵、水位傳感器、蜂鳴器、LED指示燈、進(jìn)水電磁閥、排水電磁閥以及光電隔離開(kāi)關(guān)組成；電機(jī)控制電路實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能，主要由電動(dòng)機(jī)、整流電路和逆變電路組成。電源模塊與整流電路相似。2.1洗衣程序設(shè)計(jì)洗衣機(jī)共有4種洗衣方案，分別為弱洗、標(biāo)準(zhǔn)洗

13、、強(qiáng)洗和甩干。每種洗滌方案，都包括進(jìn)水、洗滌、排水、甩干、進(jìn)水、漂洗、甩干、排水、報(bào)警幾個(gè)過(guò)程。強(qiáng)、弱洗滌過(guò)程的不同在于電機(jī)正、反的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間以及整個(gè)的洗滌時(shí)間。例如，若選擇強(qiáng)洗方案，則在洗滌的過(guò)程當(dāng)中，依次進(jìn)行強(qiáng)洗、標(biāo)準(zhǔn)洗和弱洗。依此類(lèi)推，若是標(biāo)準(zhǔn)洗，則先標(biāo)準(zhǔn)洗，然后再弱洗。2.1.1洗滌過(guò)程當(dāng)進(jìn)水完畢，則先開(kāi)始洗滌過(guò)程，主要由弱洗、標(biāo)準(zhǔn)洗、強(qiáng)洗三種。每種洗滌的不同在于電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間。例如，強(qiáng)洗每一次電機(jī)正轉(zhuǎn)的時(shí)間和反轉(zhuǎn)的時(shí)間都比標(biāo)準(zhǔn)洗與弱洗的時(shí)間多一些。如果選擇的是強(qiáng)洗過(guò)程，則依次進(jìn)行強(qiáng)洗、標(biāo)準(zhǔn)洗、弱洗的洗滌。若選擇標(biāo)準(zhǔn)洗，則進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)洗和弱洗的洗滌。選擇弱洗，則直接進(jìn)行弱洗過(guò)程。2.

14、1.2漂洗過(guò)程所謂漂洗，則是將洗滌劑放出后，進(jìn)行的洗衣過(guò)程，與正常的洗滌類(lèi)似，只不過(guò)洗滌時(shí)間短一些。2.1.3甩干過(guò)程當(dāng)洗滌過(guò)程或者漂洗過(guò)程后的排水結(jié)束，都要進(jìn)行甩干過(guò)程。甩干過(guò)程中，電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)一段時(shí)間。2.1.4進(jìn)水、排水過(guò)程當(dāng)洗衣機(jī)需要進(jìn)水或者排水時(shí)，洗衣機(jī)自動(dòng)打開(kāi)進(jìn)水或排水電磁閥，由兩個(gè)水位傳感器檢測(cè)水位，并通過(guò)單片機(jī)控制相應(yīng)電磁閥的關(guān)斷。2.2按鍵設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中，洗衣機(jī)面板上共有4個(gè)按鍵，分別為弱洗方案、標(biāo)準(zhǔn)洗方案、強(qiáng)洗方案和甩干。每個(gè)按鍵都對(duì)應(yīng)一個(gè)LED指示燈。當(dāng)洗衣機(jī)啟動(dòng)，按下某個(gè)按鍵，對(duì)應(yīng)指示燈亮，洗衣機(jī)開(kāi)始相應(yīng)的工作。2.3 LED指示燈的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中，共用5個(gè)LED指示燈。L

15、1為弱洗指示燈，L2為標(biāo)準(zhǔn)洗指示燈。L3為強(qiáng)洗指示燈，L4為漂洗指示燈，L5為甩干指示燈。2.4單片機(jī)各I/O口的分配設(shè)計(jì)2.4.1 P0口P0口作為信號(hào)輸入端口。P0.0到P0.3分別為弱洗按鍵K1，標(biāo)準(zhǔn)洗按鍵K2，強(qiáng)洗按鍵K3，甩干按鍵K4與之相連，P0.4與P0.5分別作為進(jìn)水水位傳感器和排水水位傳感器的輸入端子。如圖2-1所示 圖2-1 P0口示意圖2.4.2 P2口P2口作為信號(hào)輸出端子。P2.0到P2.4依次是LED指示燈L1、L2、L3、L4、L5與之相連。P2.5與P2.6分別作為進(jìn)水電磁閥與排水電磁閥的輸出端子。P2.7作為蜂鳴器的輸出端子。示意圖如圖2-2 圖2-2 P2口

16、示意圖2.4.3 P3口P3口作為單片機(jī)與電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的連接端子。P3.0與PWM逆變器中的T1開(kāi)關(guān)管相連。P3.1與PWM逆變器中的T4相連。P3.2與PWM逆變器中T2相連。P3.3與PWM變換電路中的T3相連。P3.4與控制電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的繼電器相連。示意圖如圖2-3所示 圖2-3 P3口示意圖2.5電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中，所用電動(dòng)機(jī)為單相異步電機(jī)。采用由二極管組成的不控整流器和由全控開(kāi)關(guān)器件（IGBT）組成的脈寬調(diào)制（PWM）逆變器控制。以交-直-交變壓變頻的方式來(lái)控制單相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)單片機(jī)輸出方波，通過(guò)PWM變換電路近似輸出單項(xiàng)異步電機(jī)所需的正弦波，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。示意圖

17、如圖2-4所示C二極管不控整流器 PWM 逆變器AC220VACDCM 圖2-4 電機(jī)控制電路示意圖 2.6電源模塊 本設(shè)計(jì)采用變壓整流，得到控制系統(tǒng)所需要的穩(wěn)壓5V直流電壓。電路設(shè)計(jì)與整流電路原理相同。具體見(jiàn)硬件電路設(shè)計(jì)。2.7本章小結(jié)本章主要闡述洗衣機(jī)洗衣程序的設(shè)計(jì)、單片機(jī)控制系統(tǒng)與電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。洗衣程序的設(shè)計(jì)主要講述了4種洗衣方案的流程以及差別；單片機(jī)控制系統(tǒng)主要介紹了各按鍵，LED指示燈的功能，以及單片機(jī)I/O的分配情況。電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)主要介紹了電路的組成以及控制思想。通過(guò)本章，使整個(gè)設(shè)計(jì)的思路變的清晰，有章可循3 可行性分析3.1經(jīng)濟(jì)可行性本設(shè)計(jì)主要有單片機(jī)控制電路、電機(jī)

18、控制電路以及電源電路組成。在單片機(jī)控制電路中，本設(shè)計(jì)主要有AT89C51芯片，電阻，按鍵，LED指示燈和TLP-521 2GB光電隔離開(kāi)關(guān)構(gòu)成，這些元件的價(jià)格都非常便宜，而且簡(jiǎn)單實(shí)用。 在電機(jī)控制電路中，分為兩部分，橋式整流電路和PWM變換器電路。橋式整流電路主要由4個(gè)二極管作為整流元件，整個(gè)電路的市場(chǎng)價(jià)10塊錢(qián)左右。在PWM變換器電路中，主要由4個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管和幾個(gè)二極管以及一個(gè)單項(xiàng)異步電機(jī)構(gòu)成。整個(gè)電路都是一些常用元件，市場(chǎng)價(jià)不超過(guò)200塊，經(jīng)濟(jì)適用。 電源電路采用傳統(tǒng)的變壓整流方式，與電機(jī)控制電路中的整流部分類(lèi)似。3.2技術(shù)可行性 在單片機(jī)控制電路中，主要以AT89C51為核心，用不同

19、的I/O端口的輸入或輸出，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。 在電機(jī)的控制電路中，原理與簡(jiǎn)單變頻器的控制原理類(lèi)似，電路簡(jiǎn)單實(shí)用，完全可以自行搭建電路。 整個(gè)電路的軟件設(shè)計(jì)更是重中之重，要實(shí)現(xiàn)功能，必須要有執(zhí)行程序。在單片機(jī)的控制電路中，主要是控制不同功能I/O端口的輸入或輸出，定時(shí)器控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間。最重要的就是讓單片機(jī)輸出PWM控制器所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這些都是可以通過(guò)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 總之，這些功能都可以通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制實(shí)現(xiàn)，技術(shù)上完全可行。3.3本章小結(jié)通過(guò)本章，基本上確定了該設(shè)計(jì)在經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上的可行性。整個(gè)設(shè)計(jì)完全可以自行設(shè)計(jì)完成，而且價(jià)格也可以接受。通過(guò)本章，明確了所需要的元件，以及整個(gè)設(shè)計(jì)的可行性。

20、4 硬件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖，如圖3-1M水位傳感器89C51 電源模塊 按 鍵進(jìn)、排水閥門(mén) LED指示燈 蜂鳴器逆變整流220IGBT 圖4-1系統(tǒng)原理總體結(jié)構(gòu)框圖4.2單片機(jī)控制單元4.2.1 AT89C51概述AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)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

21、容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。AT89C51引腳圖如圖3-2所示。圖4-2 AT89C51引腳圖管腳說(shuō)明：VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門(mén)電流。當(dāng)P0口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FLASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提

22、供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外

23、部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD（串行輸入口)；P3.1 TXD（串行輸出口）；P3.2 /INT0（外部中斷0）；P3.3 /INT1（外部中斷1）；P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入）；P3.5 T1（記時(shí)器1外

24、部輸入）；P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）；P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）；P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE

25、只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘

26、工作電路的輸入。 XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。 振蕩器特性: XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。4.2.2水位傳感器 諧振式水位傳感器,采用了新型的傳感原理 ,把水位的高低 ,通過(guò)水位傳感器直接變成水位與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。水位傳感器原理圖如圖3-3所示圖4-3水位傳感器原理圖圖中洗衣桶的水位H轉(zhuǎn)換成導(dǎo)管口中的氣壓，通過(guò)引入嘴進(jìn)入傳感器氣室，氣室上面是封

27、閉的，與水位H成正比的氣壓，被傳到隔膜上，導(dǎo)板嵌裝在隔膜上，當(dāng)水位H上升時(shí)，氣壓增大，導(dǎo)板向上移動(dòng)，當(dāng)水位H下降時(shí)，氣壓降低，在彈簧的做喲把那個(gè)下，導(dǎo)板向下移動(dòng)，導(dǎo)板中心有導(dǎo)向軸，受外殼的支撐點(diǎn)限位，使導(dǎo)板上下平行移動(dòng)，不至偏移。導(dǎo)板上有固定支架，裝有磁性元件，在導(dǎo)管內(nèi)氣壓作用下導(dǎo)板上下平行移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)磁性元件使其與線(xiàn)圈之間的相對(duì)位置發(fā)生變化，因此線(xiàn)圈的電感量發(fā)生變化。該電感與電容組成三點(diǎn)式振蕩電路，震蕩的固有頻率，將隨水位的變化而變化，故稱(chēng)為諧振式水位傳感器。在電路設(shè)計(jì)中，只需將水位傳感器與單片機(jī)通過(guò)連接電路連接即可。4.2.3 TLP521 2GB光電隔離開(kāi)關(guān) TLP521 2GB光電隔離

28、開(kāi)關(guān)內(nèi)部電路如圖3-4所示 圖4-4 TLP 521 2GB內(nèi)部電路圖在本設(shè)計(jì)中，TLP521的作用主要是將信號(hào)放大，同時(shí)也可以起到隔離干擾的作用。如圖3-4所示，1腳接到單片機(jī)P3相應(yīng)的端口，2腳與單片機(jī)共地。4腳接到24V穩(wěn)壓電源，3腳接到電機(jī)控制電路中。其輸入和輸出電路與電源沒(méi)有直接的電路耦合關(guān)系。這樣就將單片機(jī)輸出信號(hào)放大，進(jìn)而給電機(jī)控制電路足夠大的控制信號(hào)。4.2.4蜂鳴器報(bào)警電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中，當(dāng)某個(gè)洗衣方案完全結(jié)束，會(huì)有蜂鳴器5S鐘的報(bào)警時(shí)間。蜂鳴器電路設(shè)計(jì)如圖3-5所示。 圖4-5 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路 由單片機(jī)直接輸出的信號(hào)不足以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的工作。因此，在單片機(jī)與蜂鳴器之間加一個(gè)PN

29、P三極管作為驅(qū)動(dòng)。三極管的基極通過(guò)一個(gè)4.7K歐的電阻與單片機(jī)相應(yīng)的I/O相連，電源和蜂鳴器與發(fā)射極極相連，集電極接地。這樣就完成了蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)電路。 4.3 電動(dòng)機(jī)控制單元本單元主要由橋式不控整流電路和橋式可逆脈沖寬度調(diào)制（簡(jiǎn)稱(chēng)PWM） 變換器電路組成。通過(guò)橋式不控整流電路可將220V交流電整流成較穩(wěn)定的直流電壓，再通過(guò)有規(guī)律的控制PWM變換器電路中開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，將整流后的直流電逆變成頻率和電壓可控的交流電，進(jìn)而控制單項(xiàng)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。4.3.1 橋式整流電路電路如圖4-6所示 橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。半波整流電路是一種最簡(jiǎn)單的整流電路。它由電源變壓器B 、整流二極管D

30、和負(fù)載電阻Rfz 組成。變壓器把市電電壓（多為220伏）變換為所需要的交變電壓E2，D 再把交流電變換為脈動(dòng)直流電。這種電路，只要兩只二極管口連接成“橋”式結(jié)構(gòu)，便具有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)，而同時(shí)在一定程度上克服了它的缺點(diǎn)。 圖4-6 橋式整流電路 橋式整流電路的工作原理如下：E2為正半周時(shí)，對(duì)D1、D3和方向電壓，Dl，D3導(dǎo)通；對(duì)D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構(gòu)成e2、Dl、Rfz 、D3通電回路，在Rfz ，上形成上正下負(fù)的半波整洗電壓，E2為負(fù)半周時(shí)，對(duì)D2、D4加正向電壓，D2、D4導(dǎo)通；對(duì)D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構(gòu)成E2、D2、Rfz 、D4通電回路

31、，同樣在Rfz 上形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。如此重復(fù)下去，結(jié)果在Rfz ，上便得到全波整流電壓。其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。從圖3-6中還不難看出，橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級(jí)電壓的最大值，比全波整洗電路小一半。這樣就可將交流電整流成直流電。4.3.2 PWM變換器電路 電路如圖4-7所示IGBT 圖4-7 PWM變換器 四個(gè)IGBT的基極驅(qū)動(dòng)電壓分為兩組。VTl和VT4同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動(dòng)電壓Ubl=Ub4；VT2和VT3同時(shí)動(dòng)作，其驅(qū)動(dòng)電壓Ub2=Ub3=-Ub1，這種電路可工作在四種模態(tài)。 雙極式H型PWM變換器的四種工作模態(tài) ，如圖4-8所示當(dāng)0tt

32、1時(shí) ，PWM變換器工作在模態(tài)： 電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)； 當(dāng)t1tT時(shí)， PWM變換器工作在模態(tài)： 電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)； 在t2T期間， PWM變換器工作在模態(tài)： 電動(dòng)機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)； 在T t3期間， PWM變換器工作在模態(tài)： 電動(dòng)機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)。 圖4-8 PWM變換器四種工作狀態(tài)對(duì)于雙極性可逆PWM變換器，無(wú)論負(fù)載是輕還是重，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，加在電樞上的電壓極性在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，都在+US和-US之間變換一次，故稱(chēng)為雙極性。單極性輸出與雙極性輸出類(lèi)似，在電樞同側(cè)的一對(duì)IGBT中，T1、T2的基極上加相位相反的方波控制電壓，使其工作在交替的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。另一側(cè)兩個(gè)IGBT中，T4的基極

33、一直加飽和控制電壓，T3的基極一直加截止電壓。這時(shí)輸出的電壓是正的方波電壓。當(dāng)改變輸出電壓的極性時(shí)，將相位相反的控制電壓加在T3和T4的基極上，使其啟開(kāi)關(guān)控制作用，同時(shí)使T2一直飽和，T1一直截止。這是輸出的電壓是負(fù)的方波電壓。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)輸出電壓只有一個(gè)極性，或只有正，或只有負(fù)，成為單極性輸出。通過(guò)單片機(jī)輸出的所需要的方波，來(lái)控制4個(gè)IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，使PWM變換器輸出單項(xiàng)異步電機(jī)不同轉(zhuǎn)速所需的正弦波，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)單相異步電機(jī)的控制。PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單,靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式,也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒(méi)有了學(xué)科之間的界

34、限,結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無(wú)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)將會(huì)成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。IGBT內(nèi)部原理圖，如圖4-9所示。 圖4-9 IGBT原理圖IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓

35、為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。 IGBT的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向門(mén)極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關(guān)斷。4.3.3 單片機(jī)與電機(jī)控制電路的連接 由于單片機(jī)直接輸出信號(hào)不足以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制電路中4個(gè)IGBT，所以需要將信號(hào)進(jìn)行放大處理。本設(shè)計(jì)中，采用TLP521 2GB光電隔離開(kāi)關(guān)作為信號(hào)放大元件。TLP521 2GB光電隔離開(kāi)關(guān)通過(guò)電-光-電的方式，對(duì)信號(hào)進(jìn)行了放大處理。這樣的優(yōu)點(diǎn)是TLP521 2GB的電路原理簡(jiǎn)單，使用方便，同時(shí)通過(guò)電-光-電的信號(hào)處理，有效抑

36、制了信號(hào)干擾。見(jiàn)圖4-10所示。 圖4-10 TLP521 2GB 連接示意圖 本圖只畫(huà)出了一路的連接示意圖，其他三路的連接與此相同。TLP521 2GB的輸出端分別接在PWM變換器中的4個(gè)IGBT上。4.3.4 不控整流電路和PWM變換器電路的連接連接電路如圖4-11所示 圖4-11兩電路的連接 中間的C為濾波電容，其作用是大電容濾波。這就是兩電路的連接示意圖，首先將220V交流通過(guò)整流器變成直流，再通過(guò)逆變器變換成可控頻率和電壓的交流。進(jìn)而對(duì)單相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行控制。4.3.5 單相異步電動(dòng)機(jī)的連接在交流電機(jī)中，當(dāng)定子繞組通過(guò)交流電流時(shí)，建立了電樞磁動(dòng)勢(shì)，它對(duì)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換和運(yùn)行性能都有很

37、大影響。所以單相交流繞組通入單相交流產(chǎn)生脈振磁動(dòng)勢(shì)，該磁動(dòng)勢(shì)可分解為兩個(gè)幅值相等、轉(zhuǎn)速相反的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)和，從而在氣隙中建立正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和。這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，并分別在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流。該電流與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生正、反電磁轉(zhuǎn)矩。正向電磁轉(zhuǎn)矩企圖使轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)；反向電磁轉(zhuǎn)矩企圖使轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。這兩個(gè)轉(zhuǎn)矩疊加起來(lái)就是推動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的合成轉(zhuǎn)矩。單相異步電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)不為零時(shí)，氣隙中合成的不是脈振磁場(chǎng)，而是橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)電機(jī)接近于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，氣隙合成磁場(chǎng)接近于圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，點(diǎn)擊性能要好一些。由于單相異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，氣隙中存在著反向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使得電機(jī)最大的電磁轉(zhuǎn)矩減小，過(guò)載能力降低，轉(zhuǎn)子

38、銅耗和鐵耗增加，因而單相異步電機(jī)的效率和功率因數(shù)均比三相異步電機(jī)低。適用于小型家電使用，價(jià)格較低。洗衣機(jī)大多數(shù)使用的都是電容啟動(dòng)式單相異步電機(jī)。內(nèi)部原理圖如4-12所示。 圖4-12 電機(jī)內(nèi)部原理圖PWM逆變器只能控制單相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而不能控制換向。本設(shè)計(jì)中，PWM逆變器接到圖中的L1和N端。ZK代表繼電器，當(dāng)繼電器斷開(kāi)時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)繼電器吸合時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。單片機(jī)的P3.4與繼電器相連，控制繼電器的吸合與斷開(kāi)，進(jìn)而控制電機(jī)的換向。4.4 電源模塊電路如圖4-13所示 圖4-13 電源模塊本模塊與整流電路類(lèi)似，不同的是有一個(gè)7805穩(wěn)壓模塊。通過(guò)本電路，可將交流220V整流成控制電路所需要

39、的穩(wěn)壓5V電源。4.5本章小結(jié)本章主要介紹了硬件電路的設(shè)計(jì)，主要包括單片機(jī)控制單元、單相異步電機(jī)控制單元以及電源單元。單片機(jī)控制單元主要包括AT89C51單片機(jī)的詳細(xì)介紹，蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)電路介紹以及單片機(jī)通過(guò)光電隔離開(kāi)關(guān)與電動(dòng)機(jī)控制電路相接的電路介紹。電機(jī)控制電路主要詳細(xì)的介紹了由二極管組成的不控整流電路和由全控型功率開(kāi)關(guān)器件組成的脈寬調(diào)制（PWM）變換器電路，以及兩電路的連接。電源單元原理與整流電路相似。通過(guò)本章的介紹，清晰了硬件電路的整體設(shè)計(jì)。5 軟件設(shè)計(jì)5.1 總體程序設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的全自動(dòng)洗衣機(jī)，用戶(hù)只須按下一個(gè)洗衣方案按鍵，就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)洗衣過(guò)程。洗衣機(jī)共有4種洗衣方案，分別

40、為弱洗、標(biāo)準(zhǔn)洗、強(qiáng)洗和甩干。每種洗滌方案，都包括進(jìn)水、洗滌、排水、甩干、進(jìn)水、漂洗、甩干、排水、報(bào)警幾個(gè)過(guò)程。強(qiáng)、弱洗滌過(guò)程的不同在于電機(jī)正、反的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間以及整個(gè)的洗滌時(shí)間。例如，若選擇強(qiáng)洗方案，則在洗滌的過(guò)程當(dāng)中，依次進(jìn)行強(qiáng)洗、標(biāo)準(zhǔn)洗和弱洗。依此類(lèi)推，若是標(biāo)準(zhǔn)洗，則先標(biāo)準(zhǔn)洗，然后再弱洗。下面為強(qiáng)洗的流程圖，其他方案只是它的一部分。本設(shè)計(jì)的程序總體流程圖如下所示 開(kāi)始結(jié)束快速洗報(bào)警？脫水程序漂洗程序洗滌程序啟動(dòng)？快洗？脫水脫水？初始化鍵盤(pán)掃描NNNYYY時(shí)間到了？ N Y5.2 PWM信號(hào)控制模塊PWM信號(hào)控制模塊PWM信號(hào)控制模塊，主要是根據(jù)電機(jī)不同轉(zhuǎn)速所需要的正弦波，通過(guò)計(jì)算得到PWM變換

41、器所需要的方波，具體算法如下。本設(shè)計(jì)采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)。如圖所示，當(dāng)正弦量較小時(shí)，脈沖的占空比也較??；反之，當(dāng)正弦量為振幅值時(shí)，脈沖的占空比也較大。占空比的定義是： d=tp/tctp為一段連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)脈沖占用的時(shí)間，tc為總時(shí)間。在一段連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)脈沖占用的時(shí)間與總時(shí)間的比值就是占空比。 目前所采用的一種基于等效原理的易實(shí)現(xiàn)的方法:就是使逆變器的輸出波形為一系列與正弦波等效的等幅不等寬的矩形脈沖波形。等效的原則:每一等分區(qū)間內(nèi)正弦波的面積與矩形波的面積相等,等效面積法SPWM波產(chǎn)生的基本原理如下： 在采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)

42、上，其效果基本相同。這一結(jié)論是SPWM控制的重要理論基礎(chǔ)。如圖5-1所示，將正弦波的一個(gè)周期N等分，看成由N個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等（都為2/N），幅值按正弦規(guī)律變化。如果將上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列來(lái)代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積相等，就有圖5-1所示的脈沖序列。這種幅值相等而脈寬按正弦規(guī)律變化且與正 弦波等效的波形，即為SPWM波形。 圖5-1 SPWM控制基本原理波形示意圖如果把正弦波每個(gè)周期分的份數(shù)足夠多，每個(gè)周期方波的脈沖足夠多，PWM逆變器輸出的波形就近似于一個(gè)正弦波。即可實(shí)現(xiàn)對(duì)單相異步電

43、機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)控制。由于洗衣機(jī)要求控制的精度不用很高，本設(shè)計(jì)中，為了方便計(jì)算，只將正弦波的每個(gè)周期分了幾個(gè)等分，依然可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)控制。這樣，PWM控制程序中，需要兩個(gè)定時(shí)器，定時(shí)器1為方波開(kāi)始輸出高電平的固定周期，定時(shí)器2為每段高電平的持續(xù)時(shí)間。兩個(gè)定時(shí)器在或的邏輯關(guān)系下共同工作，洗衣機(jī)所需要的轉(zhuǎn)速固定，每個(gè)正弦波分的份數(shù)又比較少，所以可以直接將每段高電平的時(shí)間制成數(shù)組，定時(shí)器2工作時(shí)依次調(diào)用即可。這樣就可讓單片機(jī)輸出想要的方波。5.3本章小結(jié)本章主要介紹了整個(gè)設(shè)計(jì)的程序流程圖以及PWM控制的具體算法。程序流程圖是設(shè)計(jì)編程的總體思想，方便系統(tǒng)的了解程序的框架結(jié)構(gòu)。而通過(guò)PWM控制系統(tǒng)

44、的具體介紹，可了解PWM控制波形的生成的算法和過(guò)程。通過(guò)本章的闡述，可對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)的軟件部分一個(gè)具體的了解。6 調(diào)試6.1 硬件調(diào)試6.1.1硬件調(diào)試環(huán)境偉福仿真器簡(jiǎn)介 偉福仿真器是通用仿真器，配置不同的仿真頭，可以仿真多種單片機(jī)，功能強(qiáng)大，性能可靠，為將來(lái)發(fā)展留有空間 仿真CPU外置 直接位于用戶(hù)板上方，降低噪聲，提高穩(wěn)定性和仿真頻率 邏輯分析儀 40通道、32K/通道、20M采樣頻率。與時(shí)間觸發(fā)器配合，可以捕捉到電路上出現(xiàn)的非常復(fù)雜的情況，能幫助設(shè)計(jì)人員迅速準(zhǔn)確查找到設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤 波形發(fā)生器 8通道、32K/通道、20M采樣頻率，可以向用戶(hù)板上注入多大8路的可編程的復(fù)雜波形，為設(shè)計(jì)人員提供各

45、種數(shù)字信號(hào)源。例如常用的串口、IIC、SPI波形 跟蹤器 32K深度，最高跟蹤速度高達(dá)50ns。配合事件觸發(fā)器，可以進(jìn)行條件跟蹤，以捕捉制定條件下程序執(zhí)行的軌跡，了解程序動(dòng)態(tài)執(zhí)行的過(guò)程。儀機(jī)器碼、反匯編、源程序顯示 代碼覆蓋 在運(yùn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的程序時(shí)，可以實(shí)時(shí)的了解程序的執(zhí)行情況，可以動(dòng)態(tài)的觀察制定條件下，有一段代碼是否被執(zhí)行了 程序時(shí)效分析 統(tǒng)計(jì)每個(gè)函數(shù)、每條指令的運(yùn)行時(shí)間及占整個(gè)程序運(yùn)行時(shí)間的百分比，為設(shè)計(jì)師提高程序效率、檢查程序錯(cuò)誤提供幫助 數(shù)據(jù)時(shí)效分析 統(tǒng)計(jì)每個(gè)變量、每個(gè)存儲(chǔ)單元的訪(fǎng)問(wèn)次數(shù)及占整個(gè)程序訪(fǎng)問(wèn)次數(shù)的百分比，為提高程序效率、檢查程序錯(cuò)誤提供幫助 影子存儲(chǔ)器 在用戶(hù)程序運(yùn)行時(shí)，可

46、以觀察外部存儲(chǔ)器或外部變量的變化情況，設(shè)計(jì)師無(wú)需停下程序，也能直觀、實(shí)時(shí)的監(jiān)視外部數(shù)據(jù)的變化 硬件測(cè)試儀 可以靜態(tài)的設(shè)置數(shù)據(jù)總線(xiàn)、地址總線(xiàn)以及ALE、PSEN、BHE、RD、WR等總線(xiàn)控制信號(hào)，從指令執(zhí)行的底層控制、分析電路工作狀態(tài)，可以準(zhǔn)確方便的檢測(cè)到電路中的隱蔽錯(cuò)誤,WINDOWS界面更直觀，操作更方便 事件觸發(fā)器 可以設(shè)置地址條件、數(shù)據(jù)條件、控制信號(hào)條件、外部信號(hào)條件以及他們的任意組合，事件觸發(fā)器可以控制仿真器的運(yùn)行，同時(shí)也可以控制邏輯分析儀的起停 邏輯筆 可以測(cè)量到電路上的電平狀態(tài)、脈沖頻率，可以測(cè)量5V以下的直流電壓值，是一種方便實(shí)用的分析工具6.1.2偉福E6000系列仿真器軟件特

47、點(diǎn) Wave/Keil uVision2 雙平臺(tái),中/英文可選； 真正的集成調(diào)試環(huán)境,集成了編緝器、編譯器、調(diào)試器； 眾多強(qiáng)大軟硬件調(diào)試手段,包括邏輯分析儀、跟蹤器、邏輯筆、波形發(fā)生器、影子存儲(chǔ)器、記時(shí)器、程序時(shí)效分析、 數(shù)據(jù)時(shí)效分析、硬件測(cè)試儀、事件觸發(fā)器； 所有類(lèi)型的單片機(jī)集成在一個(gè)調(diào)試環(huán)境下,支持匯編、C、PL/M源程序混合調(diào)試； 支持軟件模擬； 支持項(xiàng)目管理； 支持點(diǎn)屏功能,直接點(diǎn)擊屏幕就可以觀察變量的值,方便快捷； 功能強(qiáng)大的觀察窗口,支持所有的數(shù)據(jù)類(lèi)型。樹(shù)狀結(jié)構(gòu)顯示，一目了然； 在線(xiàn)直接修改、編譯、調(diào)試源程序，錯(cuò)誤指令定位。6.1.3硬件調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題硬件電路板分模塊焊接，每一個(gè)

48、模塊焊接好了以后，先初步檢查是否焊錯(cuò)，有沒(méi)有漏焊、虛焊，元件有沒(méi)有接錯(cuò)、接反。然后寫(xiě)入簡(jiǎn)單的程序用偉福仿真器仿真，看效果。這樣依次焊接、檢測(cè)每一個(gè)模塊。最后整個(gè)電路板完成以后，將編好的完整程序用偉福仿真器連接電路板進(jìn)行整體仿真，調(diào)試檢測(cè)完整的電路板，看是否能全部實(shí)現(xiàn)功能。在本次電路板設(shè)計(jì)中，出現(xiàn)最重要的問(wèn)題是板子焊完后，5個(gè)LED指示燈的亮度很低。我的初步診斷是單片機(jī)與LED之間的470歐的電阻有些大，經(jīng)導(dǎo)師指導(dǎo)后得知，單片機(jī)輸出的電流較小，直接驅(qū)動(dòng)LED有些吃力，而且長(zhǎng)時(shí)間使用還容易將單片機(jī)芯片燒壞。采取的措施是在每路的單片機(jī)與保護(hù)電阻之間，再加一個(gè)9013三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。最后將改好后的板子

49、再進(jìn)行仿真，LED指示燈的亮度明顯提高。在焊接電路板時(shí)，使用的是學(xué)校公用的電烙鐵，其前尖部分已經(jīng)明顯變鈍，在細(xì)小的地方，很難將焊錫接觸到芯片的各引腳。給焊接帶了很大的不便。常常有地方虛焊或連焊，導(dǎo)電路不好使。但是經(jīng)過(guò)一一排查，最后都改正過(guò)來(lái)了。在焊接的過(guò)程中，自己也常常馬虎，將引腳焊錯(cuò)位置的情況時(shí)有發(fā)生，經(jīng)過(guò)這次實(shí)踐，我覺(jué)得自己的動(dòng)手能力提高了許多。6.2軟件調(diào)試6.2.1 軟件調(diào)試環(huán)境Keil C51簡(jiǎn)介Keil C51是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。Keil C

50、51開(kāi)發(fā)系統(tǒng)基本知識(shí)Keil C51開(kāi)發(fā)系統(tǒng)基本知識(shí):1.系統(tǒng)概述 Keil C51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。下面詳細(xì)介紹Keil C51開(kāi)發(fā)系統(tǒng)各部分功能和使用。2.Keil C51單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu),C51工具包的整體結(jié)構(gòu)。其中uVision與Ishell分別是C51 for Windows和for Dos的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)，可以完成編輯、編譯、連接

51、、調(diào)試、仿真等整個(gè)開(kāi)發(fā)流程。開(kāi)發(fā)人員可用IDE本身或其它編輯器編輯C或匯編源文件。然后分別由C51及C51編譯器編譯生成目標(biāo)文件(.OBJ)。目標(biāo)文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫(kù)文件，也可以與庫(kù)文件一起經(jīng)L51連接定位生成絕對(duì)目標(biāo)文件(.ABS)。使用獨(dú)立的Keil仿真器時(shí)，注意事項(xiàng)：1.仿真器標(biāo)配11.0592MHz的晶振，但用戶(hù)可以在仿真器上的晶振插孔中換插其他頻率的晶振。2.仿真器上的復(fù)位按鈕只復(fù)位仿真芯片，不復(fù)位目標(biāo)系統(tǒng)。3.仿真芯片的31腳（/EA）已接至高電平，所以仿真時(shí)只能使用片內(nèi)ROM，不能使用片外ROM；但仿真器外引插針中的31腳并不與仿真芯片的31腳相連，故該仿真器仍可插入到擴(kuò)

52、展有外部ROM（其CPU的/EA引腳接至低電平）的目標(biāo)系統(tǒng)中使用。Proteus軟件簡(jiǎn)介Proteus軟件是英國(guó)Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國(guó)總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國(guó)內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛(ài)好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。

53、是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。Proteus軟件具有其它EDA工具軟件（例：multisim）的功能。這些功能是：1.原理布圖。2.PCB自動(dòng)或人工布線(xiàn)。 3.SPICE電路仿真（革命性的特點(diǎn) ）。包括：（1）互動(dòng)的電路仿真，用戶(hù)甚至可以實(shí)時(shí)采用諸如RAM，ROM，鍵盤(pán)，馬達(dá)，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。（2）仿真處理器及其外圍電路?？梢苑抡?1系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機(jī)。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了完備的電子設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)境。 電路功能仿真：在PROTEUS繪制好原理圖后，調(diào)入已編譯好的目標(biāo)代碼文件