《电子技术应用》

基于STC89C52的智能全自动洗衣机控制系统设计

2017年微型机与应用第7期 作者:张哲,李智,管四海
2017/5/5 15:12:00

  张哲,李智,管四海

  (西安电子科技大学 机电工程学院,陕西 西安 710071)

  摘要:为了降低全自动洗衣机的运行功耗、提高运行的稳定性、降低制造成本以及更方便的操作,设计了一种基于STC89C52单片机的全自动洗衣机控制系统。该控制系统由蓝牙部分、红外热释部分、LCD1602液晶部分和直流电机等组成。其中,采用蓝牙无线通信技术以实现在长距离移动终端上控制洗衣机运行的参数;通过红外热释电传感器控制,以便于取衣操作。最后,给出了该控制系统的硬件结构和软件流程,且通过Proteus仿真测试验证了该控制系统是简便有效的。

  关键词: STC89C52;蓝牙无线通讯;红外热释电;智能家居

  中图分类号:TP13文献标识码:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.07.030

  引用格式:张哲,李智,管四海.基于STC89C52的智能全自动洗衣机控制系统设计[J].微型机与应用,2017,36(7):102-105.

0引言

  *基金项目:国家自然科学基金(61673310)由于全自动洗衣机具有对洗涤物品的破坏性弱、一次可洗涤大量衣物、节省劳动力等优点,使它受到广泛的使用并走进了千家万户[1]。但随着智能家居概念的提出、传播和在生活中的初步使用,使得人们对全自动洗衣机在价格低廉的基础上又提出了性能可靠、洗衣功耗低、操作简单、工作效率高以及便于维修等要求。然而目前的全自动洗衣机仅具有洗涤、甩干和暂停等几大简单洗涤功能,不足以满足人们对于智能化控制的需求。此外,传统洗衣机的运行状态显示常采用数码管,这就导致运行状态不清晰,错误代码不明确,缺乏人性化,进而对洗衣机的操作和维护带来极大的不便。

  为了有效解决以上问题,本文利用HC05蓝牙模块、矩阵式键盘、LCD1602液晶显示屏和红外热释电传感器,基于STC89C52设计了一种智能控制系统。其中,利用HC-05蓝牙模块以及矩阵式键盘分别实现无线移动终端控制洗衣操作以及近距离人机操作;利用LCD1602液晶显示屏以清晰的英文标识显示当前的工作状态并配有高亮度的背光,结合红外热释传感器为洗衣机的操作提供极大的便利。

1控制系统的总体设计

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  此控制系统由STC89C52、蓝牙串口电路、电机驱动电路、矩阵键盘电路、LCD1602液晶显示模块、红外热释电模块和报警电路组成,系统框图如图1。

  图1系统框图在图1中,STC89C52作为微控制器,用于实现控制算法;蓝牙传输模块用于实现无线远距离设定洗衣机的洗衣模式、洗衣时间等;LCD1602用于显示当前工作状态(比如洗涤、脱水和洗涤模式)以及工作时间;由于STC89C52驱动能力有限,只能输出10 mA左右的电流,所以利用电机驱动电路为电机进行电流放大从而驱动电机运行;红外热释模块主要驱动照明设备为工作人员在黑暗条件下操作洗衣机提供方便;报警电路主要用于电机损坏和意外断电等突发情况以及洗涤结束后的提醒。

2主要硬件设计

  2.1STC89C52单片机系统

  STC89C52系统主要由微控制器(MCU)、时钟电路和复位电路组成。STC89C52完全兼容8051单片机的特点,其主要参数为:时钟频率最高可达80 MHz;内置有5个中断源,分为两个优先级,每个中断源的优先级是可以编程的,4个8位输入/输出口(P0,P1,P2,P3);有一个全双工的串行口,其有4种工作方式,可通过设置SMOD寄存器进行配置;有3个16位的定时器/计数器[2]。由于STC89C52单片机除P0口外内部均嵌有上拉电阻,因此对于P0口在其外部必须接上拉电阻以保证电平的可靠性。其次,其复位电路采用上电给电容充电进而自动复位的方式。此外其串口(P3.1, P3.2)连接蓝牙模块的串口(TXD, RXD),P2口接洗衣机的功能键盘,P0口作为液晶的数据总线,P1.7口作为其报警电路的蜂鸣器控制端。

  2.2蓝牙串口电路

  蓝牙通信的原理类似于单片机和计算机之间的串口通信,二者之间的通信需要借助串口,其通信示意图如图2[3]。

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  图2中GND表示单片机和HC-05系统的参考地,TXD是串行发送引脚,RXD是串行接收引脚。HC05和单片机之间通信,为保证电源基准相同,故将单片机的GND与HC-05的GND连接起来。其次为构建通信通道,将单片机的接收引脚与HC05的发送引脚连接起来,作为单片机的接收通道;将图2蓝牙接线示意图单片机的发送引脚和HC-05的接收引脚连接起来,作为单片机的发送通道。HC05蓝牙串口电路原理图如图3。

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  2.3红外热释模块

  红外热释传感器的原理[4]是通过其内部传感器感知人体发射的红外光谱从而产生高电平信号,当人离开传感器的感应区则自动关闭高电平,输出低电平。此外,红外热释传感器微功耗,静态电流只有65 mA。其VCC接电源正极,GND接电源负极,OUT1接1 kΩ的限流电阻后接LED小灯。

  2.4电机驱动电路

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  STC89C52输出的高电压为5 V,低电压为0 V,电流为10~20 mA。然而直流电机的启动电流为200~400 mA,不足以驱动电机运行,故选取L298电机驱动模块以放大电流。直流电机PWM控制系统的主要功能包括:通过控制两个输入引脚的电平信号控制直流电机的正转、反转和急停,且可通过调整电压大小调整电机的转速,能方便地实现电机的智能控制[5],其控制功能见表1。

  L298中的 ENA、ENB为使能端口,ENA用来控制左边的电机,ENB用来控制右边的电机;IN1、IN2、IN3、IN4为控制引脚,用来设置三极管的开关状态。通过H桥来控制电机的运行,当使能端为高电平时控制有效;使能端为低电平时,输入端对电机的控制失效[6]。输入端的一个引脚接PWM信号,另一个输入端接低电平时电机正转;当该引脚输入低电平另一个引脚输入PWM信号时,电机朝另一个方向运行。当两个输入端的电平信号相同时, 电机快速停止。引脚以及功能如表2所示。

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3软件设计

  3.1软件整体结构设计

  系统程序分为主程序、定时器中断程序、延时程序、LCD1602液晶显示程序和电机驱动程序等几部分。定时中断0用来控制洗衣进程的时间和电机正反转,通过外部中断0进行相应功能的倒计时,在此期间,如果停止键按下,则终止进程,返回初始界面。延时程序用于LCD1602液晶显示屏的写操作的等待。电机驱动程序用来控制相应控制引脚的高低电平。控制系统流程图如图4。

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  3.2蓝牙串口程序

  在UART通信过程中,采用LSB方式即先发送数据的低位再发送数据的高位,再使TXD为低电平并持续一段时间,直到将8位二进制数字全部发送完毕,与此同时对TI和RI置1。其次,为了手机(上位机)与洗衣机能够正常通信必须设置两者为相同的波特率,因此就需要使用单片机的定时器1,利用公式:波图5蓝牙串口流程图

  特率=(2SMOD/32)×(T1的溢出率)[2],设置本系统波特率为9 600 b/s;在使用串口时,当接收到或者发送完数据后,会对标志位进行置1,但是串口中断不会像定时器中断自动地对标志位进行清0,需要软件对标志位进行清0。蓝牙串口接收数据的具体流程如图5所示。

  3.3矩阵键盘子程序

  矩阵键盘由16个按键组成,由于单片机的引脚有限,故将其设置成4行4列,进行行扫描或列扫描以减少对 IO口的使用。此外,为避免按键按下时出现抖动,因此需要去抖处理。按键扫描如图6所示,按键去抖流程图如图7所示。  

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  3.4LCD1602液晶显示

  LCD1602液晶[5]内部带有80 B的显示RAM,用来发送数据,它的结构如图8。

Image 007.jpg

  第一行地址是0X00~0X27,第二行是0X40~0X67H,其中第一行0X00H~0X0F是与液晶上第一行16个字符显示位置相对应的,第二行0X40H~0X4F是与第二行16个字符显示位置相对应的。而每行多出来的一部分是为了显示移动字幕[7]。

  基本操作时序:

  读状态:

  输入:RS=L,R/W=H,E=H;

  输出:D0~D7 状态字;

  读数据:

  输入:RS=H,R/W=H,E=H;

  输出:无;

  写指令:

  输入:RS=L,R/W=L,E=H,D0~D7=指令码;

  输出:D0~D7数据;

  写数据:

  输入:RS=H,R/W=L,E=H,D0~D7=数据;

  输出:无。

  操作1602液晶显示的流程如下:

  (1)通过RS信号确定是向LCD写数据还是写命令;

  (2)读写模式设置(R/W)为写模式,即将R/W设置为低电平;

  (3)将数据或者命令送达数据总线上;

  (4)给使能信号端EN一个高电平信号,将数据送入LCD的RAM,完成写操作。

4实验结果与分析

  为了进一步验证本文设计的控制系统简便有效,利用Keil编写程序并进行Proteus仿真,仿真结果显示洗衣机运行正常、液晶显示信息正确。根据原理图以及仿真图制作硬件模拟实物,通过Ecilpse编写蓝牙串口Android版软件,在非开阔的环境下对不同距离的通信情况进行测试,通过手机蓝牙串口软件控制全自动洗衣机的运行,观察能够操作洗衣机的极限距离。

  调试结果表明,HC-05蓝牙模块的有效通信距离为0~25 m,在此范围内手机与洗衣机通信正常。实验结果如表3所示。该系统能够实现远距离控制洗衣机的运行状态,功耗低,控制时间准确,操作简便,人性化,全自动洗衣机工作状态清晰可见,适合不同年龄层次的用户使用。Proteus仿真结果如图9所示。图9进水模式Proteus仿真结果在Proteus仿真中通过设置串口或者矩阵式键盘来设置洗衣机的工作参数,相比传统洗衣机的独立式按键更加简便、快捷,只需要针对所需要设置的功能设置按键即可。

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Image 008.jpg  

  图9是全自动洗衣机进水状态下的仿真结果。对应的LED显示当前正在进行的状态, 通过带有背光的LCD液晶显示屏显示工作状态以及剩余时间,相比传统的数码管显示更加准确清晰。通过仿真可看出电机的转动状况。红外热释在黑暗的条件下感知到人经过时就会点亮以辅助人的取衣操作。通过Proteus软件仿真以及实际的硬件测试验证得出,本控制系统相比传统全自动洗衣机控制系统,不仅能实现远程控制运行、人体感应取衣操作、操作简单快捷、更加人性化、智能化,而且使用STC89C52作为控制芯片大大降低了运行功耗和加工成本。另外,经过硬件测试,在电机异常的状态下洗衣机能够发出相应的警报并且将存在的问题通过LCD液晶显示出来,极大地降低了维护的难度。

参考文献

  [1] 刘晓彤. 基于Proteus的全自动洗衣机控制系统设计[J]. 微计算机信息, 2012: 28(9):146-148.

  [2] 温宗周. 孟建华. 单片机原理与接口技术[M].北京:中国电力出版社, 2009.

  [3] 赵勇. 嵌入式系统蓝牙模块设计[D]. 北京:北京交通大学,2007.

  [4] 徐青山, 李正云. 红外热释电人体感应饮水机智能控制开关:中国,CN201830232[P].2010-10-29.

  [5] 刘树中, 孙书膺, 王春平.单片机和液晶显示驱动器串行接口的实现[J]. 微计算机信息, 2007,23(2):49-53.

  [6] 彭鸿才.电机原理及拖动[M]. 北京:机械工业出版社, 2007.

  [7] NXP. NXP Semiconductors “TJA10 42 Rev. 7-8”[S]. 2012.


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