基于單片機(jī)技術(shù)的智能洗衣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

秦曉梅，巢 明，崔承毅，趙權(quán)科，高慶華，王開宇

基于單片機(jī)技術(shù)的智能洗衣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 電工電子國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，遼寧 大連 116023）

探討了一種基于實(shí)際工程設(shè)計(jì)的教學(xué)案例，讓學(xué)生通過(guò)對(duì)日常家用電器智能洗衣機(jī)的剖析和設(shè)計(jì)，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(jì)控制板和顯示板，并結(jié)合軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)智能洗衣機(jī)的各項(xiàng)控制功能。該案例具有開放式、啟發(fā)式特點(diǎn)，對(duì)于提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力具有很好的促進(jìn)作用，在實(shí)踐教學(xué)中取得了很好的效果。

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

工程改變世界，科技創(chuàng)造未來(lái)。教育部高等教育司發(fā)布的《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》中明確指出，高等工程教育在我國(guó)高等教育中占有重要的地位[1]，這是對(duì)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(jìn)行教學(xué)案例設(shè)計(jì)，提高學(xué)生對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的興趣，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，是亟待解決的課題。

“單片機(jī)原理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)”是我校電子信息工程專業(yè)（含英語(yǔ)強(qiáng)化班）、自動(dòng)化專業(yè)、電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)、計(jì)算機(jī)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(jī)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(jī)類的課程愈加受到學(xué)生的重視[2-3]。傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是基于實(shí)驗(yàn)箱完成的，但由于實(shí)驗(yàn)箱硬件資源有限、單一，致使學(xué)生無(wú)法得到充分的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和軟件開發(fā)能力。

1 智能洗衣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)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(shí)際工程設(shè)計(jì)教學(xué)案例[4-5]，選取學(xué)生熟悉的家用電器作為被控對(duì)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(jī)自行設(shè)計(jì)控制板和顯示板，并自行開發(fā)相應(yīng)軟件。本文選擇真實(shí)的全自動(dòng)洗衣機(jī)為被控對(duì)象，因?yàn)槠淇刂葡到y(tǒng)涵蓋了單片機(jī)課程的所有知識(shí)點(diǎn)。

學(xué)生通過(guò)查閱參考文獻(xiàn)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(yùn)行機(jī)制及控制原理[6-7]。運(yùn)用單片機(jī)的中斷系統(tǒng)、定時(shí)器技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對(duì)洗衣機(jī)各種模式的精確控制；引入工控中以弱控強(qiáng)的概念，采用光電隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)220 V交流負(fù)載的安全控制，以確保單片機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行安全。實(shí)驗(yàn)的最終目標(biāo)是讓學(xué)生用自己設(shè)計(jì)的控制板和顯示板替換洗衣機(jī)原有的相關(guān)部件，并結(jié)合學(xué)生自行設(shè)計(jì)的軟件，實(shí)現(xiàn)智能洗衣機(jī)的控制功能。

實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)施，是將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容層次化、開放化，以便充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和能動(dòng)性，切實(shí)提高學(xué)生的動(dòng)手能力和工程實(shí)踐能力[8-9]。

2 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

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

為了更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，激發(fā)具有不同能力水平和不同興趣點(diǎn)的學(xué)生的潛力，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容層次化、實(shí)驗(yàn)題目開放化、實(shí)驗(yàn)時(shí)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(jì)內(nèi)容，或增加相應(yīng)的擴(kuò)展功能。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

3 單片機(jī)系統(tǒng)模塊

單片機(jī)模塊由單片機(jī)最小系統(tǒng)、人機(jī)對(duì)話、蜂鳴器報(bào)警等3部分電路組成。

3.1 基本外圍電路

單片機(jī)的基本外圍電路就是使單片機(jī)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(jī)的基本電路（如圖3所示）等。

3.2 人機(jī)對(duì)話電路

人機(jī)對(duì)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(duì)于一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)而言，良好的人 機(jī)對(duì)話電路是必需的，而輸入輸出環(huán)節(jié)是人機(jī)對(duì)話的紐帶。

圖2 電源電路

圖3 單片機(jī)基本電路

根據(jù)不同的輸入命令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行上水、洗滌、放水、甩干等不同的操作，同時(shí)在顯示環(huán)節(jié)顯示執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作序列。為了更好地訓(xùn)練學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和動(dòng)手能力，針對(duì)不同情況的學(xué)生提供了不同的設(shè)計(jì)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(jī)對(duì)話電路如圖4所示。

3.3 蜂鳴器報(bào)警電路

當(dāng)洗衣機(jī)完成某個(gè)動(dòng)作時(shí)，蜂鳴器報(bào)警提示進(jìn)行后續(xù)操作。系統(tǒng)采用無(wú)源蜂鳴器，學(xué)生可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)不同頻率的報(bào)警。蜂鳴器報(bào)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(hào)，它將單片機(jī)端口輸出的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，再將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。TLP521系列光電隔離器件的隔離電壓高達(dá)1000 V，使單片機(jī)系統(tǒng)與洗衣機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的強(qiáng)電系統(tǒng)在電路上進(jìn)行徹底隔離，確保單片機(jī)系統(tǒng)的安全性、可靠性及操作人員的用電安全。

圖4 人機(jī)對(duì)話電路

圖5 蜂鳴器報(bào)警電路

繼電器在工業(yè)控制中起到以弱控強(qiáng)、安全保護(hù)的作用，本質(zhì)上是用一個(gè)小電流的回路去控制另一個(gè)大電流回路的連通與斷開，在控制過(guò)程中，兩個(gè)回路一般是隔離的。它的基本原理是，利用電磁效應(yīng)來(lái)控制機(jī)械觸點(diǎn)達(dá)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(chǎng)，銜鐵受磁場(chǎng)吸附而動(dòng)作，使觸點(diǎn)接通或斷掉。簡(jiǎn)而言之，整個(gè)過(guò)程是“小電流-磁-機(jī)械-大電流”的過(guò)程。光電耦合器與繼電器驅(qū)動(dòng)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(dòng)單片機(jī)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(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并由TLP521內(nèi)部的8050光敏三極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其中的輸入輸出沒(méi)有電聯(lián)系；再由8050三極管將光耦的輸出信號(hào)進(jìn)行放大，以驅(qū)動(dòng)繼電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)洗衣機(jī)的滾筒電機(jī)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(dòng)勢(shì)，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(jī)的電機(jī)或電磁閥連接。

圖6 光電耦合器與繼電器驅(qū)動(dòng)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(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、上水（電磁閥）、下水（牽引電機(jī)）以及甩干的驅(qū)動(dòng)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(jī)強(qiáng)電控制電路

洗衣機(jī)強(qiáng)電電路主要包括驅(qū)動(dòng)波輪旋轉(zhuǎn)的交流電機(jī)、控制洗衣機(jī)上水的電磁閥、控制洗衣機(jī)放水的牽引電機(jī)以及控制甩干操作的機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置等。洗衣機(jī)電機(jī)及電磁閥電路如圖7所示。

圖7 洗衣機(jī)電機(jī)及電磁閥電路

其控制過(guò)程如下：當(dāng)繼電器將COM端與A端閉合連接時(shí)，220 V交流電壓從A端與電機(jī)M連接構(gòu)成電流回路，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)繼電器將COM端與B端閉合連接時(shí)，220 V交流電壓從B端與電機(jī)M連接構(gòu)成電流回路，控制電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)繼電器將COM端與C端閉合連接時(shí)，220 V交流電壓與進(jìn)水電磁閥連接，控制洗衣機(jī)上水；當(dāng)繼電器將COM端與D端閉合連接時(shí)，220 V交流電壓與放水牽引電機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)放水；當(dāng)繼電器將COM端與B端、D端同時(shí)閉合連接時(shí)，實(shí)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(jìn)行有機(jī)組合，并加以對(duì)應(yīng)的延時(shí)處理，就可實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)的有序工作。

6 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施及效果

6.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)學(xué)時(shí)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(shí)驗(yàn)對(duì)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(huì)進(jìn)行產(chǎn)品分析、硬件設(shè)計(jì)、Altium Designer原理圖設(shè)計(jì)、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(jì)、軟件調(diào)試、系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)的方法等，提高工程設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐動(dòng)手能力，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)意識(shí)[10-11]。

學(xué)生通過(guò)自行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)驗(yàn)臺(tái)，走入了豐富的實(shí)際生活，大大提高了實(shí)驗(yàn)課程的生動(dòng)性和靈活性，很好地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐的興趣，提升了學(xué)生的工程實(shí)踐素養(yǎng)[12-13]。

以智能洗衣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，學(xué)生能夠清晰地認(rèn)識(shí)到所學(xué)課程與實(shí)際應(yīng)用技術(shù)的緊密關(guān)系[14-15]，使學(xué)生具備了一個(gè)電子工程師所需的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力及軟件開發(fā)能力。采用紅外遙控技術(shù)對(duì)洗衣機(jī)實(shí)現(xiàn)非接觸式控制，具有很強(qiáng)的實(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中，變傳統(tǒng)枯燥的操作實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)為形象生動(dòng)、頗具趣味性的操控實(shí)物實(shí)驗(yàn)，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(qiáng)了創(chuàng)新意識(shí)，提高了動(dòng)手能力，加強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)精神，取得了良好的教學(xué)效果。

7 結(jié)語(yǔ)

從實(shí)際工程角度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)案例，寓興趣培養(yǎng)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中，對(duì)于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)主觀能動(dòng)性、開拓視野、擴(kuò)展思維有著極其重要的作用。

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

[1] 教育部.教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知: 教高司函[2017]6號(hào)[Z]. 2017.

[2] 唐露新，范航郡，吳黎明，等.單片機(jī)技術(shù)課程啟發(fā)進(jìn)階式實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015, 34(9): 203–207.

[3] 秦曉梅，陳育斌，楊建華.單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè)與開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2004, 21(2): 114–118, 131.

[4] 胡青，余嘉，蘇玉剛.面向工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2017, 34(9): 160–163.

[5] 魏芬，鄧海琴.項(xiàng)目教學(xué)法在單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)中的探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2016, 19(1): 119–121.

[6] 韓雪濤，韓廣興，吳瑛.新型洗衣機(jī)維修技能速練速通[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[7] 孫立群.洗衣機(jī)維修技能完全掌握[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[8] 呂暉，馬曉紅，趙華鳳.高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生執(zhí)行力和創(chuàng)新力的培養(yǎng)作用: 光電類實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)過(guò)程探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013, 30(11): 194–196.

[9] 耿紅霞，蔣小林.綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015, 34(5): 147–149.

[10] 唐力，張文娟.實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教育與創(chuàng)新人才培養(yǎng)探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2017, 34(5): 11–13.

[11] 宋華軍，邵帥，劉潤(rùn)華，等.改革實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式，提高學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017, 36(9): 206–210.

[12] 崔承毅，趙冠男，王開宇，等.紅外電機(jī)控制系統(tǒng)在綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2018, 21(2): 1–3, 7.

[13] 王開宇，張文軒，巢明，等.一種基于物聯(lián)網(wǎng)的高校實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)解決方案[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2018, 21(4): 38–40, 44.

[14] 高慶華，王潔，崔承毅，等.適于單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的智能小車模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2018, 21(1): 10–12, 17.

[15] 陳柯，李媛媛，方璇，等.單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016, 35(3): 119–122.

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(xiàng)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(jī)原理實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)原理實(shí)驗(yàn)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?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)感知交互研究和遠(yuǎn)程交互儀器研究。E-mail: wkaiyu@dlut.edu.cn