張哲，李智，管四海

　　（西安電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710071）

　　摘要：為了降低全自動(dòng)洗衣機(jī)的運(yùn)行功耗、提高運(yùn)行的穩(wěn)定性、降低制造成本以及更方便的操作，設(shè)計(jì)了一種基于STC89C52單片機(jī)的全自動(dòng)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)由藍(lán)牙部分、紅外熱釋部分、LCD1602液晶部分和直流電機(jī)等組成。其中，采用藍(lán)牙無線通信技術(shù)以實(shí)現(xiàn)在長(zhǎng)距離移動(dòng)終端上控制洗衣機(jī)運(yùn)行的參數(shù)；通過紅外熱釋電傳感器控制，以便于取衣操作。最后，給出了該控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程，且通過Proteus仿真測(cè)試驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)是簡(jiǎn)便有效的。

　　關(guān)鍵詞： STC89C52；藍(lán)牙無線通訊；紅外熱釋電；智能家居

　　中圖分類號(hào)：TP13文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.07.030

　　引用格式：張哲，李智，管四海.基于STC89C52的智能全自動(dòng)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（7）：102-105.

0引言

　　*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（61673310）由于全自動(dòng)洗衣機(jī)具有對(duì)洗滌物品的破壞性弱、一次可洗滌大量衣物、節(jié)省勞動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)，使它受到廣泛的使用并走進(jìn)了千家萬戶［1］。但隨著智能家居概念的提出、傳播和在生活中的初步使用，使得人們對(duì)全自動(dòng)洗衣機(jī)在價(jià)格低廉的基礎(chǔ)上又提出了性能可靠、洗衣功耗低、操作簡(jiǎn)單、工作效率高以及便于維修等要求。然而目前的全自動(dòng)洗衣機(jī)僅具有洗滌、甩干和暫停等幾大簡(jiǎn)單洗滌功能，不足以滿足人們對(duì)于智能化控制的需求。此外，傳統(tǒng)洗衣機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)顯示常采用數(shù)碼管，這就導(dǎo)致運(yùn)行狀態(tài)不清晰，錯(cuò)誤代碼不明確，缺乏人性化，進(jìn)而對(duì)洗衣機(jī)的操作和維護(hù)帶來極大的不便。

　　為了有效解決以上問題，本文利用HC05藍(lán)牙模塊、矩陣式鍵盤、LCD1602液晶顯示屏和紅外熱釋電傳感器，基于STC89C52設(shè)計(jì)了一種智能控制系統(tǒng)。其中，利用HC-05藍(lán)牙模塊以及矩陣式鍵盤分別實(shí)現(xiàn)無線移動(dòng)終端控制洗衣操作以及近距離人機(jī)操作；利用LCD1602液晶顯示屏以清晰的英文標(biāo)識(shí)顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)并配有高亮度的背光，結(jié)合紅外熱釋傳感器為洗衣機(jī)的操作提供極大的便利。

1控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

　　此控制系統(tǒng)由STC89C52、藍(lán)牙串口電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、矩陣鍵盤電路、LCD1602液晶顯示模塊、紅外熱釋電模塊和報(bào)警電路組成，系統(tǒng)框圖如圖1。

　　圖1系統(tǒng)框圖在圖1中，STC89C52作為微控制器，用于實(shí)現(xiàn)控制算法；藍(lán)牙傳輸模塊用于實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)距離設(shè)定洗衣機(jī)的洗衣模式、洗衣時(shí)間等；LCD1602用于顯示當(dāng)前工作狀態(tài)（比如洗滌、脫水和洗滌模式）以及工作時(shí)間；由于STC89C52驅(qū)動(dòng)能力有限，只能輸出10 mA左右的電流，所以利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路為電機(jī)進(jìn)行電流放大從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行；紅外熱釋模塊主要驅(qū)動(dòng)照明設(shè)備為工作人員在黑暗條件下操作洗衣機(jī)提供方便；報(bào)警電路主要用于電機(jī)損壞和意外斷電等突發(fā)情況以及洗滌結(jié)束后的提醒。

2主要硬件設(shè)計(jì)

　　2.1STC89C52單片機(jī)系統(tǒng)

　　STC89C52系統(tǒng)主要由微控制器（MCU）、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路組成。STC89C52完全兼容8051單片機(jī)的特點(diǎn)，其主要參數(shù)為：時(shí)鐘頻率最高可達(dá)80 MHz;內(nèi)置有5個(gè)中斷源，分為兩個(gè)優(yōu)先級(jí)，每個(gè)中斷源的優(yōu)先級(jí)是可以編程的，4個(gè)8位輸入/輸出口（P0，P1，P2，P3）；有一個(gè)全雙工的串行口，其有4種工作方式，可通過設(shè)置SMOD寄存器進(jìn)行配置；有3個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器［2］。由于STC89C52單片機(jī)除P0口外內(nèi)部均嵌有上拉電阻，因此對(duì)于P0口在其外部必須接上拉電阻以保證電平的可靠性。其次，其復(fù)位電路采用上電給電容充電進(jìn)而自動(dòng)復(fù)位的方式。此外其串口（P3.1, P3.2）連接藍(lán)牙模塊的串口(TXD, RXD)，P2口接洗衣機(jī)的功能鍵盤，P0口作為液晶的數(shù)據(jù)總線，P1.7口作為其報(bào)警電路的蜂鳴器控制端。

　　2.2藍(lán)牙串口電路

　　藍(lán)牙通信的原理類似于單片機(jī)和計(jì)算機(jī)之間的串口通信，二者之間的通信需要借助串口，其通信示意圖如圖2［3］。

　　圖2中GND表示單片機(jī)和HC-05系統(tǒng)的參考地，TXD是串行發(fā)送引腳，RXD是串行接收引腳。HC05和單片機(jī)之間通信，為保證電源基準(zhǔn)相同，故將單片機(jī)的GND與HC-05的GND連接起來。其次為構(gòu)建通信通道，將單片機(jī)的接收引腳與HC05的發(fā)送引腳連接起來，作為單片機(jī)的接收通道；將圖2藍(lán)牙接線示意圖單片機(jī)的發(fā)送引腳和HC-05的接收引腳連接起來，作為單片機(jī)的發(fā)送通道。HC05藍(lán)牙串口電路原理圖如圖3。

　　2.3紅外熱釋模塊

　　紅外熱釋傳感器的原理［4］是通過其內(nèi)部傳感器感知人體發(fā)射的紅外光譜從而產(chǎn)生高電平信號(hào)，當(dāng)人離開傳感器的感應(yīng)區(qū)則自動(dòng)關(guān)閉高電平，輸出低電平。此外，紅外熱釋傳感器微功耗，靜態(tài)電流只有65 mA。其VCC接電源正極，GND接電源負(fù)極，OUT1接1 kΩ的限流電阻后接LED小燈。

　　2.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　　STC89C52輸出的高電壓為5 V，低電壓為0 V，電流為10~20 mA。然而直流電機(jī)的啟動(dòng)電流為200~400 mA，不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，故選取L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以放大電流。直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)的主要功能包括：通過控制兩個(gè)輸入引腳的電平信號(hào)控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和急停，且可通過調(diào)整電壓大小調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，能方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制［5］，其控制功能見表1。

　　L298中的 ENA、ENB為使能端口，ENA用來控制左邊的電機(jī)，ENB用來控制右邊的電機(jī)；IN1、IN2、IN3、IN4為控制引腳，用來設(shè)置三極管的開關(guān)狀態(tài)。通過H橋來控制電機(jī)的運(yùn)行，當(dāng)使能端為高電平時(shí)控制有效；使能端為低電平時(shí)，輸入端對(duì)電機(jī)的控制失效［6］。輸入端的一個(gè)引腳接PWM信號(hào)，另一個(gè)輸入端接低電平時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)該引腳輸入低電平另一個(gè)引腳輸入PWM信號(hào)時(shí)，電機(jī)朝另一個(gè)方向運(yùn)行。當(dāng)兩個(gè)輸入端的電平信號(hào)相同時(shí), 電機(jī)快速停止。引腳以及功能如表2所示。

3軟件設(shè)計(jì)

　　3.1軟件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)程序分為主程序、定時(shí)器中斷程序、延時(shí)程序、LCD1602液晶顯示程序和電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序等幾部分。定時(shí)中斷0用來控制洗衣進(jìn)程的時(shí)間和電機(jī)正反轉(zhuǎn)，通過外部中斷0進(jìn)行相應(yīng)功能的倒計(jì)時(shí)，在此期間，如果停止鍵按下，則終止進(jìn)程，返回初始界面。延時(shí)程序用于LCD1602液晶顯示屏的寫操作的等待。電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序用來控制相應(yīng)控制引腳的高低電平。控制系統(tǒng)流程圖如圖4。

　　3.2藍(lán)牙串口程序

　　在UART通信過程中，采用LSB方式即先發(fā)送數(shù)據(jù)的低位再發(fā)送數(shù)據(jù)的高位，再使TXD為低電平并持續(xù)一段時(shí)間，直到將8位二進(jìn)制數(shù)字全部發(fā)送完畢，與此同時(shí)對(duì)TI和RI置1。其次，為了手機(jī)（上位機(jī)）與洗衣機(jī)能夠正常通信必須設(shè)置兩者為相同的波特率，因此就需要使用單片機(jī)的定時(shí)器1，利用公式：波圖5藍(lán)牙串口流程圖

　　特率=(2SMOD/32)×(T1的溢出率)［2］，設(shè)置本系統(tǒng)波特率為9 600 b/s；在使用串口時(shí)，當(dāng)接收到或者發(fā)送完數(shù)據(jù)后，會(huì)對(duì)標(biāo)志位進(jìn)行置1，但是串口中斷不會(huì)像定時(shí)器中斷自動(dòng)地對(duì)標(biāo)志位進(jìn)行清0，需要軟件對(duì)標(biāo)志位進(jìn)行清0。藍(lán)牙串口接收數(shù)據(jù)的具體流程如圖5所示。

　　3.3矩陣鍵盤子程序

　　矩陣鍵盤由16個(gè)按鍵組成，由于單片機(jī)的引腳有限，故將其設(shè)置成4行4列，進(jìn)行行掃描或列掃描以減少對(duì) IO口的使用。此外，為避免按鍵按下時(shí)出現(xiàn)抖動(dòng)，因此需要去抖處理。按鍵掃描如圖6所示，按鍵去抖流程圖如圖7所示。　　

　　3.4LCD1602液晶顯示

　　LCD1602液晶［5］內(nèi)部帶有80 B的顯示RAM，用來發(fā)送數(shù)據(jù)，它的結(jié)構(gòu)如圖8。

　　第一行地址是0X00~0X27，第二行是0X40~0X67H，其中第一行0X00H~0X0F是與液晶上第一行16個(gè)字符顯示位置相對(duì)應(yīng)的，第二行0X40H~0X4F是與第二行16個(gè)字符顯示位置相對(duì)應(yīng)的。而每行多出來的一部分是為了顯示移動(dòng)字幕［7］。

　　基本操作時(shí)序：

　　讀狀態(tài)：

　　輸入：RS=L，R/W=H，E=H;

　　輸出：D0~D7 狀態(tài)字;

　　讀數(shù)據(jù)：

　　輸入：RS=H，R/W=H，E=H;

　　輸出：無;

　　寫指令：

　　輸入：RS=L，R/W=L，E=H，D0~D7=指令碼;

　　輸出：D0~D7數(shù)據(jù);

　　寫數(shù)據(jù)：

　　輸入：RS=H，R/W=L，E=H，D0~D7=數(shù)據(jù)；

　　輸出：無。

　　操作1602液晶顯示的流程如下：

　　(1)通過RS信號(hào)確定是向LCD寫數(shù)據(jù)還是寫命令；

　　(2)讀寫模式設(shè)置（R/W）為寫模式，即將R/W設(shè)置為低電平；

　　(3)將數(shù)據(jù)或者命令送達(dá)數(shù)據(jù)總線上；

　　(4)給使能信號(hào)端EN一個(gè)高電平信號(hào)，將數(shù)據(jù)送入LCD的RAM，完成寫操作。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)簡(jiǎn)便有效，利用Keil編寫程序并進(jìn)行Proteus仿真，仿真結(jié)果顯示洗衣機(jī)運(yùn)行正常、液晶顯示信息正確。根據(jù)原理圖以及仿真圖制作硬件模擬實(shí)物，通過Ecilpse編寫藍(lán)牙串口Android版軟件，在非開闊的環(huán)境下對(duì)不同距離的通信情況進(jìn)行測(cè)試，通過手機(jī)藍(lán)牙串口軟件控制全自動(dòng)洗衣機(jī)的運(yùn)行，觀察能夠操作洗衣機(jī)的極限距離。

　　調(diào)試結(jié)果表明，HC-05藍(lán)牙模塊的有效通信距離為0~25 m，在此范圍內(nèi)手機(jī)與洗衣機(jī)通信正常。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離控制洗衣機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，功耗低，控制時(shí)間準(zhǔn)確，操作簡(jiǎn)便，人性化，全自動(dòng)洗衣機(jī)工作狀態(tài)清晰可見，適合不同年齡層次的用戶使用。Proteus仿真結(jié)果如圖9所示。圖9進(jìn)水模式Proteus仿真結(jié)果在Proteus仿真中通過設(shè)置串口或者矩陣式鍵盤來設(shè)置洗衣機(jī)的工作參數(shù)，相比傳統(tǒng)洗衣機(jī)的獨(dú)立式按鍵更加簡(jiǎn)便、快捷，只需要針對(duì)所需要設(shè)置的功能設(shè)置按鍵即可。

　　圖9是全自動(dòng)洗衣機(jī)進(jìn)水狀態(tài)下的仿真結(jié)果。對(duì)應(yīng)的LED顯示當(dāng)前正在進(jìn)行的狀態(tài)， 通過帶有背光的LCD液晶顯示屏顯示工作狀態(tài)以及剩余時(shí)間，相比傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示更加準(zhǔn)確清晰。通過仿真可看出電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀況。紅外熱釋在黑暗的條件下感知到人經(jīng)過時(shí)就會(huì)點(diǎn)亮以輔助人的取衣操作。通過Proteus軟件仿真以及實(shí)際的硬件測(cè)試驗(yàn)證得出，本控制系統(tǒng)相比傳統(tǒng)全自動(dòng)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)，不僅能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制運(yùn)行、人體感應(yīng)取衣操作、操作簡(jiǎn)單快捷、更加人性化、智能化，而且使用STC89C52作為控制芯片大大降低了運(yùn)行功耗和加工成本。另外，經(jīng)過硬件測(cè)試，在電機(jī)異常的狀態(tài)下洗衣機(jī)能夠發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)并且將存在的問題通過LCD液晶顯示出來，極大地降低了維護(hù)的難度。

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