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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。
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,为变换器提供直流电压。
3、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,并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用。
4、输出整流滤波器:
将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压,同时还防止高频噪声对负载的干扰。
5、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
3.2.1.电路原理图
功能控制部分原理图分为两个部分,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。
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。
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单片机运行速度更快,性能更优:
1、FlashROM:
64K字节;
2、RAM:
内部256字节外部1024字节,片上EEPROM为1K字节;
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;
5、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。
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:
信息输出部分:
显示是通过矩阵方式来实现的,单片机通过9012三极管提供足够的驱动电流;
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1N4148二极管来消除显示与按键之间的干扰。
4.软件设计
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。
C06—内筒顺时针(50rpm)。
关闭门锁。
C07—内筒逆时针(50rpm)。
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。
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。
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。
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。
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。
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