基于單片機技術(shù)的智能洗衣機控制系統(tǒng)設(shè)計

秦曉梅，巢 明，崔承毅，趙權(quán)科，高慶華，王開宇

基于單片機技術(shù)的智能洗衣機控制系統(tǒng)設(shè)計

秦曉梅，巢 明，崔承毅，趙權(quán)科，高慶華，王開宇

（大連理工大學(xué) 電工電子國家級實驗教學(xué)示范中心 電工電子國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，遼寧 大連 116023）

探討了一種基于實際工程設(shè)計的教學(xué)案例，讓學(xué)生通過對日常家用電器智能洗衣機的剖析和設(shè)計，掌握電子產(chǎn)品制造工藝及技術(shù)流程。使學(xué)生自行設(shè)計控制板和顯示板，并結(jié)合軟件開發(fā)，實現(xiàn)智能洗衣機的各項控制功能。該案例具有開放式、啟發(fā)式特點，對于提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力具有很好的促進作用，在實踐教學(xué)中取得了很好的效果。

單片機；系統(tǒng)設(shè)計；智能洗衣機；創(chuàng)新能力

工程改變世界，科技創(chuàng)造未來。教育部高等教育司發(fā)布的《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》中明確指出，高等工程教育在我國高等教育中占有重要的地位[1]，這是對工科院校教師提出的新要求、新挑戰(zhàn)。如何從工程應(yīng)用角度進行教學(xué)案例設(shè)計，提高學(xué)生對實踐環(huán)節(jié)的興趣，從而提高實驗教學(xué)質(zhì)量，是亟待解決的課題。

“單片機原理及應(yīng)用實驗”是我校電子信息工程專業(yè)（含英語強化班）、自動化專業(yè)、電氣工程及其自動化專業(yè)、計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、集成電路專業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等電類專業(yè)的必修課。隨著單片機技術(shù)的飛速發(fā)展及其在工業(yè)生產(chǎn)和生活中的廣泛應(yīng)用，單片機類的課程愈加受到學(xué)生的重視[2-3]。傳統(tǒng)的單片機實驗教學(xué)是基于實驗箱完成的，但由于實驗箱硬件資源有限、單一，致使學(xué)生無法得到充分的實驗體驗，不利于培養(yǎng)學(xué)生的硬件系統(tǒng)設(shè)計能力和軟件開發(fā)能力。

1 智能洗衣機控制系統(tǒng)設(shè)計項目

為了更好地培養(yǎng)學(xué)生興趣，提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力，基于實際工程設(shè)計教學(xué)案例[4-5]，選取學(xué)生熟悉的家用電器作為被控對象，去掉其自身的控制器件及顯示器件，讓學(xué)生基于單片機自行設(shè)計控制板和顯示板，并自行開發(fā)相應(yīng)軟件。本文選擇真實的全自動洗衣機為被控對象，因為其控制系統(tǒng)涵蓋了單片機課程的所有知識點。

學(xué)生通過查閱參考文獻知曉其工作原理后，拆解、剖析內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析控制原理，了解正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、洗滌、甩干等操作的運行機制及控制原理[6-7]。運用單片機的中斷系統(tǒng)、定時器技術(shù)等實現(xiàn)對洗衣機各種模式的精確控制；引入工控中以弱控強的概念，采用光電隔離技術(shù)實現(xiàn)單片機對220 V交流負載的安全控制，以確保單片機系統(tǒng)的運行安全。實驗的最終目標(biāo)是讓學(xué)生用自己設(shè)計的控制板和顯示板替換洗衣機原有的相關(guān)部件，并結(jié)合學(xué)生自行設(shè)計的軟件，實現(xiàn)智能洗衣機的控制功能。

實驗的具體實施，是將實驗內(nèi)容層次化、開放化，以便充分調(diào)動學(xué)生的主動性和能動性，切實提高學(xué)生的動手能力和工程實踐能力[8-9]。

2 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

基于單片機的智能洗衣機控制系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。系統(tǒng)以51單片機為控制核心，主要功能模塊包括：紅外信號的解碼接收；控制洗衣機運行狀態(tài)的手動按鍵；顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)的LCD顯示模塊；光電耦合器及繼電器模塊；強電控制模塊等。

為了更好地調(diào)動學(xué)生的積極性，激發(fā)具有不同能力水平和不同興趣點的學(xué)生的潛力，提高實驗教學(xué)效果，將實驗內(nèi)容層次化、實驗題目開放化、實驗時間延展化。學(xué)生可根據(jù)自己的興趣、能力等選擇不同層次的設(shè)計內(nèi)容，或增加相應(yīng)的擴展功能。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

3 單片機系統(tǒng)模塊

單片機模塊由單片機最小系統(tǒng)、人機對話、蜂鳴器報警等3部分電路組成。

3.1 基本外圍電路

單片機的基本外圍電路就是使單片機能正常工作所必需的電路，包括電源電路（如圖2所示）、晶振電路、復(fù)位電路及單片機的基本電路（如圖3所示）等。

3.2 人機對話電路

人機對話電路包括輸入（鍵盤電路、紅外解碼接收等）和輸出（數(shù)碼管顯示電路、12864顯示電路等）兩部分。對于一個單片機控制系統(tǒng)而言，良好的人 機對話電路是必需的，而輸入輸出環(huán)節(jié)是人機對話的紐帶。

圖2 電源電路

圖3 單片機基本電路

根據(jù)不同的輸入命令，執(zhí)行機構(gòu)進行上水、洗滌、放水、甩干等不同的操作，同時在顯示環(huán)節(jié)顯示執(zhí)行機構(gòu)的動作序列。為了更好地訓(xùn)練學(xué)生的設(shè)計能力和動手能力，針對不同情況的學(xué)生提供了不同的設(shè)計思路，學(xué)生可自行選擇不同的輸入輸出電路，如輸入部分可選擇矩陣鍵盤、紅外遙控等，輸出部分可選擇數(shù)碼管顯示、12864LCD顯示等。人機對話電路如圖4所示。

3.3 蜂鳴器報警電路

當(dāng)洗衣機完成某個動作時，蜂鳴器報警提示進行后續(xù)操作。系統(tǒng)采用無源蜂鳴器，學(xué)生可通過編程實現(xiàn)不同頻率的報警。蜂鳴器報警電路如圖5所示。

4 光電耦合器與繼電器模塊

光電耦合器以光為媒介傳輸電信號，它將單片機端口輸出的控制信號轉(zhuǎn)換為光信號，再將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。TLP521系列光電隔離器件的隔離電壓高達1000 V，使單片機系統(tǒng)與洗衣機電機驅(qū)動的強電系統(tǒng)在電路上進行徹底隔離，確保單片機系統(tǒng)的安全性、可靠性及操作人員的用電安全。

圖4 人機對話電路

圖5 蜂鳴器報警電路

繼電器在工業(yè)控制中起到以弱控強、安全保護的作用，本質(zhì)上是用一個小電流的回路去控制另一個大電流回路的連通與斷開，在控制過程中，兩個回路一般是隔離的。它的基本原理是，利用電磁效應(yīng)來控制機械觸點達到通斷目的。首先給帶有鐵芯的線圈通電，使線圈里的電流產(chǎn)生磁場，銜鐵受磁場吸附而動作，使觸點接通或斷掉。簡而言之，整個過程是“小電流-磁-機械-大電流”的過程。光電耦合器與繼電器驅(qū)動電路如圖6所示。

此電路由3部分組成：由8550構(gòu)成的光耦驅(qū)動單片機的IO端口電平，并傳送給TLP521充電耦合器；TLP521光電耦合器將輸入的電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并由TLP521內(nèi)部的8050光敏三極管將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，其中的輸入輸出沒有電聯(lián)系；再由8050三極管將光耦的輸出信號進行放大，以驅(qū)動繼電器，實現(xiàn)對洗衣機的滾筒電機及電磁閥的控制。D為泄流二極管，確保在繼電器切換期間釋放繼電器線圈上的反向電動勢，確保三極管8050的安全。為保證泄流的效果，D應(yīng)采用肖特基二極管。繼電器的輸出直接與洗衣機的電機或電磁閥連接。

圖6 光電耦合器與繼電器驅(qū)動電路

系統(tǒng)中共有4路完全相同的光電耦合器及繼電器模塊電路，分別用作洗衣機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、上水（電磁閥）、下水（牽引電機）以及甩干的驅(qū)動控制。圖6僅表示4路（A-D）光電耦合電路中的一路。

5 洗衣機強電控制電路

洗衣機強電電路主要包括驅(qū)動波輪旋轉(zhuǎn)的交流電機、控制洗衣機上水的電磁閥、控制洗衣機放水的牽引電機以及控制甩干操作的機械聯(lián)動裝置等。洗衣機電機及電磁閥電路如圖7所示。

圖7 洗衣機電機及電磁閥電路

其控制過程如下：當(dāng)繼電器將COM端與A端閉合連接時，220 V交流電壓從A端與電機M連接構(gòu)成電流回路，控制電機正轉(zhuǎn)；當(dāng)繼電器將COM端與B端閉合連接時，220 V交流電壓從B端與電機M連接構(gòu)成電流回路，控制電機反轉(zhuǎn)。當(dāng)繼電器將COM端與C端閉合連接時，220 V交流電壓與進水電磁閥連接，控制洗衣機上水；當(dāng)繼電器將COM端與D端閉合連接時，220 V交流電壓與放水牽引電機連接，實現(xiàn)洗衣機放水；當(dāng)繼電器將COM端與B端、D端同時閉合連接時，實現(xiàn)洗衣桶高速旋轉(zhuǎn)甩干。

只要將上述各種操作按照需要進行有機組合，并加以對應(yīng)的延時處理，就可實現(xiàn)洗衣機的有序工作。

6 實驗教學(xué)實施及效果

6.1 實驗教學(xué)實施

在實驗過程中，根據(jù)學(xué)時情況靈活安排分組，通常2~3人一組。以一種日常的家用電器為實驗對象，使學(xué)生掌握電子產(chǎn)品制造工藝及技術(shù)流程，學(xué)會進行產(chǎn)品分析、硬件設(shè)計、Altium Designer原理圖設(shè)計、PCB布局布線、熱轉(zhuǎn)印、腐蝕PCB板、元件焊接、硬件調(diào)試、模塊化編程的軟件設(shè)計、軟件調(diào)試、系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)的方法等，提高工程設(shè)計能力和實踐動手能力，培養(yǎng)團隊意識[10-11]。

學(xué)生通過自行設(shè)計實現(xiàn)對某家用電器各種工作模式的控制，使課程學(xué)習(xí)脫離了枯燥的實驗臺，走入了豐富的實際生活，大大提高了實驗課程的生動性和靈活性，很好地調(diào)動了學(xué)生的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新實踐的興趣，提升了學(xué)生的工程實踐素養(yǎng)[12-13]。

以智能洗衣機控制系統(tǒng)設(shè)計項目來說，學(xué)生能夠清晰地認識到所學(xué)課程與實際應(yīng)用技術(shù)的緊密關(guān)系[14-15]，使學(xué)生具備了一個電子工程師所需的硬件系統(tǒng)設(shè)計能力及軟件開發(fā)能力。采用紅外遙控技術(shù)對洗衣機實現(xiàn)非接觸式控制，具有很強的實用性和趣味性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)、創(chuàng)新能力。

6.2 實驗教學(xué)效果

在實驗教學(xué)實踐中，變傳統(tǒng)枯燥的操作實驗臺實驗為形象生動、頗具趣味性的操控實物實驗，克服了前者的局限性，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)了求知欲望，增強了創(chuàng)新意識，提高了動手能力，加強了團隊精神，取得了良好的教學(xué)效果。

7 結(jié)語

從實際工程角度設(shè)計實驗案例，寓興趣培養(yǎng)于實驗教學(xué)實踐中，對于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)主觀能動性、開拓視野、擴展思維有著極其重要的作用。

該綜合設(shè)計性實驗案例以單片機為核心，實現(xiàn)了智能洗衣機控制系統(tǒng)的各項功能。實驗過程中，使學(xué)生用Altium Designer軟件設(shè)計原理圖文件，生成PCB文件，然后進行熱轉(zhuǎn)印、腐蝕，生成PCB板，進行控制電路的硬件設(shè)計。焊接調(diào)試成功后，配合軟件的模塊化編程，最終實現(xiàn)智能化洗衣機控制系統(tǒng)的設(shè)計。學(xué)生也可根據(jù)不同的興趣和能力情況對設(shè)計進行功能拓展，層次化地實現(xiàn)更多的控制效果。該案例具有開放式、啟發(fā)式特點，對于提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力具有很好的促進作用，在實踐教學(xué)過程中取得了良好的效果。

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Design of intelligent washing machine control system based on SCM technology

QIN Xiaomei, CHAO Ming, CUI Chengyi, ZHAO Quanke, GAO Qinghua, WANG Kaiyu

(National Virtual Simulation Experimental Teaching Center for Electrical and Electronic Education, National Experimental Teaching Demonstration Center for Electrical and Electronic Education, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China)

This paper probes into a teaching case based on practical engineering design, which enables students to master the manufacturing process and technological process of electronic products through the analysis and design of intelligent washing machines. The control board and display board are designed by the students themselves, and the control functions of the intelligent washing machine are realized by combining the software development. This case has the characteristics of opening and heuristic, which has a very good promoting effect on improving students’ practical and innovative abilities and has achieved good results in practical teaching.

SCM; system design; intelligent washing machine; innovative ability

G643.423

A

1002-4956(2019)10-0193-04

2019-02-15

大連理工大學(xué)教育教學(xué)改革基金項目（JC2018010，JC2018009）

秦曉梅（1969—），女，遼寧大連，碩士，工程師，主要從事嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用、單片機原理實驗、計算機原理實驗的教學(xué)與研究工作。E-mail: qinxm@dlut.edu.cn

王開宇（1973—），男，遼寧大連，碩士，教授，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)感知交互研究和遠程交互儀器研究。E-mail: wkaiyu@dlut.edu.cn