小功率宿舍微洗衣機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)與研究

陳玉

（廣州市公用事業(yè)高級(jí)技工學(xué)校，廣東廣州，510100）

0 引言

在這21世紀(jì)智能化時(shí)代，隨著工業(yè)4.0的輪廓逐漸清晰，人們的生活已經(jīng)離不開(kāi)科技的發(fā)展，而電腦、電視、手機(jī)、空調(diào)、洗衣機(jī)等智能家居是不可或缺的。學(xué)校的宿舍場(chǎng)所從安全使用用電器角度，命令禁止在宿舍使用大功率的用電設(shè)備。一般情況下，集體宿舍住宿人員為4-8人。現(xiàn)代學(xué)生們都使用洗衣機(jī)清潔衣物，然而，目前市場(chǎng)上集體宿舍用的洗衣機(jī)是小功率超聲波洗衣機(jī)和大功率的波輪式洗衣機(jī)。小功率的洗衣機(jī)洗不干凈衣服，大功率的電流過(guò)大有安全隱患。小功率宿舍微洗衣機(jī)采用小功率單片機(jī)和L298組合完成對(duì)三臺(tái)直流電機(jī)的控制，達(dá)到小電流、安全、洗衣效果好的目標(biāo)。

1 系統(tǒng)組成與工作過(guò)程

鑒于以上原因，為避免宿舍安全用電及提供學(xué)生洗衣便利，筆者利用綜合使用所學(xué)的單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換等技術(shù)知識(shí)，設(shè)計(jì)了“小功率宿舍微洗衣機(jī)機(jī)”，功能如下：

■1.1 功能設(shè)計(jì)

（1）該洗衣機(jī)是面向宿舍學(xué)生，每次清洗一個(gè)人量的衣物。具有雙模式切換的微型洗衣機(jī)，有快速模式與普通模式：

快速模式：按下電源按鈕，將中間的模式切換按鈕切換為綠色，然后按下啟動(dòng)。（快速模式為15分鐘）

普通模式：按下電源按鈕。將中間的模式切換按鈕切換為紅色，然后按下啟動(dòng)。（普通模式為20分鐘）

（2）啟動(dòng)洗衣機(jī)后，洗衣機(jī)注水，直到水位監(jiān)測(cè)傳感器檢測(cè)到已達(dá)到水位線，關(guān)閉進(jìn)水閥門(mén)；

（3）然后，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)震動(dòng)，清潔衣物；

（4）暫停震動(dòng)電動(dòng)機(jī)，讓洗衣機(jī)排水并重新注入水并換水；

（5）重復(fù)震動(dòng)3次、暫停2次后，洗衣機(jī)的排水電動(dòng)機(jī)工作，開(kāi)始排水，直至水位檢測(cè)傳感器斷開(kāi)，關(guān)斷排水電動(dòng)機(jī)。

■1.2 工作流程

如圖1所示。

圖1 洗衣機(jī)工作流程圖

■1.3 控制電路原理

電源部分采用大容量直流可充電電池，10000mA與適配器組成.使用鋰材質(zhì)的12V電池，標(biāo)稱電壓：11.1V，放電電壓：11.1V-12.6V常規(guī)放電電流為是0-2A ，標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)放電電流是0.2C，最大持續(xù)放電電流是1C，工作溫度（充電時(shí)）是0～45℃，工作溫度（放電時(shí)）是-20～60℃。既耐用，又安全。

檢測(cè)部分具有水位監(jiān)測(cè)傳感器，溫度傳感以及電池電量監(jiān)控等。洗衣桶內(nèi)的水位傳感器，將感受到的水位信號(hào)傳送到控制器，控制器內(nèi)的計(jì)算機(jī)將實(shí)測(cè)的水位信號(hào)與設(shè)定信號(hào)進(jìn)行比較，得出偏差，然后根據(jù)偏差的性質(zhì)，向給水電動(dòng)閥發(fā)出“開(kāi)”“關(guān)”的指令，保證容器達(dá)到設(shè)定水位。進(jìn)水程序完成后，溫控部份的計(jì)算機(jī)向供給熱媒的電動(dòng)閥發(fā)出“開(kāi)”的指令，于是系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)容器內(nèi)的水進(jìn)行加熱。到設(shè)定溫度時(shí)。控制器才發(fā)出關(guān)閥的命令、切斷熱源。

控制部分主要采用小功率單片機(jī)AT89C52和電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298進(jìn)行控制。

（1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298是一款可以驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)都可以驅(qū)動(dòng)。一片驅(qū)動(dòng)芯片可同時(shí)控制兩個(gè)直流減速電機(jī)做不同動(dòng)作，在6V～46V的電壓范圍內(nèi)，提供2安培的電流，并且具有過(guò)熱自斷和反饋檢測(cè)功能。L298可對(duì)電機(jī)進(jìn)行直接控制，通過(guò)I/O輸入對(duì)其控制電平進(jìn)行設(shè)定，就可為電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，可以滿足直流電機(jī)的大電流驅(qū)動(dòng)條件。可以根據(jù)實(shí)際情況選擇其他類型的低功耗單片機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，具體的連接方式按照實(shí)際選擇的器件決定。該芯片帶著2臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)—抽水泵和主軸電動(dòng)機(jī)、1個(gè)電磁閥。主軸電動(dòng)機(jī)主要負(fù)責(zé)衣物的正反轉(zhuǎn)，防止衣服打結(jié)；而抽水泵負(fù)責(zé)洗完衣物的排水，并且與電磁閥結(jié)合工作。

（2）小功耗單片機(jī)AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM，Random Access Memory），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元。

其中，AT89C52有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫(xiě)口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。能滿足本案中對(duì)三臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)的低電流電動(dòng)機(jī)的要求。

本文中，9V震動(dòng)電動(dòng)機(jī)與單片機(jī)P1.4相連接。當(dāng)水位檢測(cè)傳感器得電后，P1.4輸出信號(hào)，從而控制震動(dòng)電動(dòng)機(jī)單方向震動(dòng)，達(dá)到清潔衣物的作用；L298芯片的5（IN1)、7（IN2)、10（IN3)、12（IN4)腳與單片機(jī)的 P1.0、P1.1、P1.2、P1.3相連接。當(dāng)震動(dòng)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)8分鐘或10分鐘清洗完畢，單片機(jī)P1.4、P1.3輸出信號(hào)，L298的10、17驅(qū)動(dòng)抽水泵往洗衣桶抽水。當(dāng)水位監(jiān)測(cè)傳感器失電，入水閥門(mén)打開(kāi)，再往桶里注水，完成換水過(guò)程，然后，旋轉(zhuǎn)震動(dòng)電機(jī)繼續(xù)工作。以上過(guò)程重復(fù)2次；

（3）定時(shí)控制 快速清洗模式和普通清洗模式是通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)器功能區(qū)分。

按鈕控制雙模式。

■1.4 系統(tǒng)模型

經(jīng)過(guò)硬件制作與軟件編程及結(jié)構(gòu)組裝，最終制作系統(tǒng)模型如圖2所示。上端①區(qū)為洗衣機(jī)的按鍵和顯示區(qū)。其中有3個(gè)帶燈按鍵，分別是開(kāi)始鍵、停止鍵和模式選擇鍵?？焖傧匆履Ｊ绞?5分鐘完成，而普通洗衣模式是20分鐘完成。顯示區(qū)主要由1602LCD液晶組成，能夠顯示洗衣模式和目前洗衣次數(shù)。②區(qū)為電源安裝區(qū)。12V鋰電池安裝于此，且鋰電池內(nèi)部集成了電池保護(hù)板，可防止電池的過(guò)充過(guò)放過(guò)載。③區(qū)是帶扇頁(yè)白色滾軸，由主軸電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)（防止衣物打結(jié)）。④區(qū)的是兩個(gè)拍子，由震動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。啟動(dòng)洗衣完成入水后，由L298驅(qū)動(dòng)的震動(dòng)電動(dòng)機(jī)一直拍打衣物。隨著主軸電動(dòng)機(jī)的推動(dòng)，衣物只要經(jīng)過(guò)震動(dòng)電動(dòng)機(jī)面前，震動(dòng)電動(dòng)機(jī)就會(huì)拍打衣物，達(dá)到清洗目的。PCB電路板嵌套于盒子當(dāng)中，驅(qū)動(dòng)外面的電機(jī)、顯示等。

圖2 宿舍微洗衣機(jī)模型圖

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，能達(dá)到各項(xiàng)預(yù)期設(shè)計(jì)功能，并且系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，滿足少量洗衣要求。

■1.5 電路設(shè)計(jì)

本文綜合考慮洗衣機(jī)的功能和使用場(chǎng)所、使用壽命和用戶的購(gòu)買能力，將洗衣機(jī)的電路設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 宿舍微洗衣機(jī)電路原理圖

2 系統(tǒng)亮點(diǎn)

（1）安全環(huán)保

12V低電壓鋰電池進(jìn)行供電，且鋰電池內(nèi)部集成了電池保護(hù)板，可防止電池的過(guò)充過(guò)放過(guò)載。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用5V、9V或12V驅(qū)動(dòng)，功率低，電流小，安全性能好。

（2）制作宿舍微洗衣機(jī)的過(guò)程中，使用的元件價(jià)格便宜及數(shù)量較少，因而，本洗衣機(jī)的價(jià)格較便宜，住宿人員較能接受。

表1 元件清單圖

（3）市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)強(qiáng)。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，本品的價(jià)格適中，洗衣效果適中，如表2所示（宿舍微洗衣為本品）。

表2

3 結(jié)語(yǔ)

由于市場(chǎng)上有的集體宿舍小功率超聲波洗衣機(jī)和大功率的波輪式洗衣機(jī)洗衣效果差或者功率過(guò)高存在安全隱患等問(wèn)題。本文參考了市面上的洗衣機(jī)后，設(shè)計(jì)了一種用小功率AT89C52和L298芯片為主控單元的小功率宿舍微洗衣機(jī)。通過(guò)模式選擇，讓洗衣機(jī)快速執(zhí)行不同時(shí)長(zhǎng)的洗衣程序。小功率主電動(dòng)機(jī)與震動(dòng)電動(dòng)機(jī)相互配合，深度清潔衣物。各項(xiàng)安全保護(hù)措施，讓用戶放心使用該洗衣機(jī)。