基于AT89C52的洗碗機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：基于洗碗機(jī)的功能要求，設(shè)計(jì)了以AT89C52為控制核心的洗碗機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括水溫檢測(cè)、水位檢測(cè)、液晶顯示及強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)等電路，可有效地實(shí)現(xiàn)洗碗機(jī)自動(dòng)控制，具有洗滌溫度與時(shí)間設(shè)置、自動(dòng)進(jìn)水與排水、加溫、清洗、消毒、故障報(bào)警等功能。給出系統(tǒng)硬件電路圖及軟件流程圖。測(cè)試表明，系統(tǒng)工作良好，可用于自動(dòng)洗碗機(jī)中，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：洗碗機(jī)；控制系統(tǒng)；水溫檢測(cè)；水位檢測(cè)

    隨著生活節(jié)奏的加快，人們將時(shí)間更多的用于工作，更加疲于家務(wù)勞動(dòng)，特別是面對(duì)每次餐后堆積的碗具，感到清洗起來(lái)既臟又浪費(fèi)時(shí)間。洗碗機(jī)作為一種家庭自動(dòng)化設(shè)備，避免了人工洗碗的煩惱，節(jié)約了時(shí)間，將人們從繁雜的家務(wù)勞動(dòng)中逐步解放出來(lái)。本文設(shè)計(jì)了一種洗碗機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，在單片機(jī)控制下，可控制電磁閥、加熱電阻絲、清洗電動(dòng)機(jī)、紫外線(xiàn)消毒器等強(qiáng)電電路，實(shí)現(xiàn)洗滌溫度與洗滌時(shí)間設(shè)置，自動(dòng)進(jìn)水與排水，自動(dòng)添加洗滌劑，故障信息顯示及報(bào)警等功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
    洗碗機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C52為控制核心，包含水溫檢測(cè)電路、水位檢測(cè)電路、門(mén)控電路、鍵盤(pán)電路、蜂鳴器、液晶顯示電路及強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)電路等部件。其中，水溫檢測(cè)電路結(jié)合溫度設(shè)置，采集水溫信息，控制電阻絲加熱；水位檢測(cè)電路進(jìn)行最高水位和最低水位判斷，控制進(jìn)水電磁閥和排水電磁閥開(kāi)關(guān)；門(mén)控電路判斷洗碗機(jī)門(mén)是否關(guān)閉；鍵盤(pán)電路設(shè)置洗滌水溫及洗滌時(shí)間。為了實(shí)時(shí)顯示洗碗機(jī)工作狀態(tài)及可能出現(xiàn)的故障信息，系統(tǒng)中添加液晶顯示電路和蜂鳴器，方便用戶(hù)知道洗碗機(jī)工作模式和工作狀態(tài)，便于故障排查。強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)電路作為單片機(jī)與外部器件的接口電路，驅(qū)動(dòng)電磁閥、電阻絲、電動(dòng)機(jī)及紫外線(xiàn)消毒器工作。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)主體硬件電路設(shè)計(jì)包括水溫檢測(cè)電路、水位檢測(cè)電路、液晶顯示電路及強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)電路。
2．1 水溫檢測(cè)電路
    DS18B20是達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的1-Wire器件，即單總線(xiàn)器件，其將地址線(xiàn)、數(shù)據(jù)線(xiàn)和控制線(xiàn)合為1根信號(hào)線(xiàn)，具有成本低、節(jié)省I／O口、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，與傳統(tǒng)的PT100、AD590等模擬溫度傳感器相比，DS18B20直接將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)供單片機(jī)處理，省去了專(zhuān)用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。為了防水耐腐，本系統(tǒng)采用DS18B20防水型封裝，即DS18B20溫度傳感器外圍加入不銹鋼管進(jìn)行灌膠密封。  DS18B20與AT89C52連接電路如圖2所示。

    本系統(tǒng)只使用單片DS18B20，且不存在遠(yuǎn)程溫度測(cè)量的考慮，所以為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，DS18B20采用外部供電的方式，其VCC端直接接電源，I／O數(shù)據(jù)端與單片機(jī)P2．7相連，R1為上拉電阻。DS18B20通過(guò)片上溫度測(cè)量的技術(shù)來(lái)測(cè)量溫度，其分辨率可編程設(shè)置為9～12位，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫。本系統(tǒng)采用出廠默認(rèn)配置為12位分辨率，可分辨溫度為0．0625℃，最多可在750 ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字。
    AT89C52與DS18B20通信．必須符合1-Wire總線(xiàn)的協(xié)議要求，否則無(wú)法讀取測(cè)量結(jié)果，因此需要完成下述3個(gè)步驟：初始化DS18B20、ROM操作命令和DS18B20存儲(chǔ)器操作命令。當(dāng)DS18B20上電后，對(duì)其進(jìn)行初始化，向AT89C52發(fā)送響應(yīng)的應(yīng)答脈沖，表明工作準(zhǔn)備就緒。AT89C52通過(guò)拉低總線(xiàn)電平，產(chǎn)生復(fù)位脈沖，然后釋放總線(xiàn)，進(jìn)入接收模式。當(dāng)總線(xiàn)釋放后，上拉電阻將總線(xiàn)電平拉高。DS18B20檢測(cè)到上升沿后，延時(shí)后拉低總線(xiàn)，產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)。ROM操作命令分讀ROM、匹配ROM、跳過(guò)ROM、搜索ROM、報(bào)警搜索等。因本系統(tǒng)只使用單片DS18B20，所以只需寫(xiě)入‘CCH’代碼，直接進(jìn)入運(yùn)行內(nèi)存操作命令。DS18B20存儲(chǔ)器操作命令，發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令‘44H’，將讀出的溫度存儲(chǔ)在8位寄存器TH和TL中，完成溫度轉(zhuǎn)換。
2．2 水位檢測(cè)電路
    為實(shí)現(xiàn)洗碗機(jī)自動(dòng)進(jìn)水、自動(dòng)排水的功能，本系統(tǒng)采用兩個(gè)光電水位傳感器進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)。光電水位傳感器外部罩有菱鏡，內(nèi)置高強(qiáng)度紅外發(fā)射二極管和高靈敏度光敏晶體管，無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，不存在最低水位限制。同時(shí)，與現(xiàn)有的浮子式水位開(kāi)關(guān)相比，光電水位傳感器還具有體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝，水位控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，其與AT89C52連接電路如圖3所示。

    圖3中TX1，TX2同為光電水位傳感器，一上一下安裝，分別用來(lái)判別最高水位和最低水位。TX1和TX2為四端口器件，1和3端口內(nèi)部接有高靈敏度光敏晶體管，2和4端口內(nèi)部接有高強(qiáng)度紅外發(fā)射二極管。TX1和TX2端口1外接電源，端口2通過(guò)上拉電阻外接電源，端口3輸出經(jīng)過(guò)電阻分壓各自加到NPN晶體管Q1、Q2柵極，端口4外接地。Q1、Q2漏極分別接到AT89C52的P2．0口和P2．1口。二極管D1、D2為進(jìn)水、排水指示燈。電路工作原理為：當(dāng)洗碗機(jī)進(jìn)水水位未達(dá)到最高水位時(shí)，TX1未接觸水，其紅外發(fā)射二極管發(fā)出的光線(xiàn)通過(guò)菱鏡面反射到達(dá)光敏晶體管，光敏晶體管導(dǎo)通，端口3輸出電平為高，Q1導(dǎo)通，P2．0口為低電平，開(kāi)啟進(jìn)水電磁閥，自動(dòng)進(jìn)水，進(jìn)水指示燈D1亮；當(dāng)洗碗機(jī)進(jìn)水水位達(dá)到最高水位時(shí)，TX1沒(méi)入水中，其紅外發(fā)射二極管發(fā)出的光線(xiàn)通過(guò)水折射，未能到達(dá)光敏晶體管，導(dǎo)致P2．0口變?yōu)楦唠娖剑瑥亩P(guān)閉進(jìn)水電磁閥，停止進(jìn)水。同理，洗碗機(jī)自動(dòng)排水時(shí)，TX2內(nèi)部光敏晶體管導(dǎo)通，P2．1為低電平，開(kāi)啟排水電磁閥，自動(dòng)排水；當(dāng)排水排盡時(shí)，TX2內(nèi)部光敏晶體管截止，P2．1變?yōu)楦唠娖?，關(guān)閉排水電磁閥。
2．3 液晶顯示電路
    本系統(tǒng)采用QC12864B漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，實(shí)時(shí)顯示洗碗機(jī)工作狀態(tài)，水溫，洗滌時(shí)間及故障信息。QC12864B液晶顯示屏為128x 64點(diǎn)陣，可顯示4行，每行8個(gè)漢字。因其內(nèi)置ST7920芯片，自帶字庫(kù)，所以無(wú)需提取字模。QC12864B液晶顯示模塊與AT89C52連接電路圖如圖4所示。QC12864B的GND、VCC端分別接地、電源；V0端通過(guò)可變電阻接地，調(diào)節(jié)液晶顯示對(duì)比度：D0至D7端與AT89C52的P0口相連，作為指令與顯示數(shù)據(jù)的總線(xiàn)通道；RS、R／W、E端與AT89C52與P2．5、P2．6、P2．7相連，構(gòu)成液晶顯示控制信號(hào)的通道。因本系統(tǒng)只使用液晶并行數(shù)據(jù)傳輸功能，所以將QC12864B的PSB端接電源。當(dāng)洗碗機(jī)工作時(shí)，AT89C52的P2．4口輸出為低電平，將背光電源正極LA+拉高，點(diǎn)亮液晶；當(dāng)洗碗機(jī)停止工作時(shí)，P2．4口輸出為高電平，將LA+托低，關(guān)閉液晶，從而達(dá)到節(jié)約能耗的目的。

2．4 強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)電路
    AT89C52輸出采用繼電器驅(qū)動(dòng)進(jìn)水電磁閥、排水電磁閥、加料電磁閥、加熱電阻絲、清洗電動(dòng)機(jī)與紫外消毒器等220 V器件。本系統(tǒng)為了減輕外部強(qiáng)電電路對(duì)AT89C52輸出的影響，增加了光耦隔離電路。因外部各器件強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)電路相同，文中僅給出進(jìn)水電磁閥強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)電路，如圖5所示。圖5中U2為光耦，實(shí)物采用TPL52-1線(xiàn)性光耦．K1為12 V繼電器。當(dāng)AT89C52的P1．0口輸出為低電平時(shí)，U1的3腳輸出高電平，NPN晶體管04導(dǎo)通，繼電器銜鐵吸合，驅(qū)動(dòng)外部器件工作；當(dāng)AT89C52的P1．0口輸出為高電平時(shí)，U1的3腳輸出高電平，Q4截止，繼電器銜鐵分離，關(guān)斷外部器件。為了消耗繼電器線(xiàn)圈斷電瞬間產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)，在繼電器線(xiàn)圈兩端反向并聯(lián)二極管D3，同時(shí)04還具有提升驅(qū)動(dòng)電流的作用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)按洗碗機(jī)工作過(guò)程可分為6個(gè)階段：進(jìn)水過(guò)程、加溫過(guò)程、注入洗滌劑過(guò)程、電動(dòng)機(jī)清洗過(guò)程、排水過(guò)程和紫外線(xiàn)消毒過(guò)程。同時(shí)為確保洗碗機(jī)正常工作，對(duì)容易出故障的過(guò)程，系統(tǒng)還設(shè)置了故障報(bào)警功能。系統(tǒng)軟件按照洗碗機(jī)的工作流程進(jìn)行編寫(xiě)，整體流程圖如圖6所示。
    首先接通電源，洗碗機(jī)開(kāi)機(jī)自檢，若狀態(tài)正常，將碗放入清洗室，門(mén)控電路關(guān)閉；通過(guò)鍵盤(pán)電路設(shè)置洗滌水溫及洗滌時(shí)間，若超過(guò)1分鐘鍵盤(pán)電路未動(dòng)作，自動(dòng)關(guān)閉電源；設(shè)置完畢，按啟動(dòng)鍵，洗碗機(jī)打開(kāi)進(jìn)水電磁閥進(jìn)水，通過(guò)水位檢測(cè)模塊判斷是否水進(jìn)滿(mǎn)，若水進(jìn)滿(mǎn)，關(guān)閉進(jìn)水電磁閥，打開(kāi)加料電磁閥，加入洗滌劑；根據(jù)溫度設(shè)置，判斷是否進(jìn)行加熱操作，同時(shí)清洗電動(dòng)機(jī)工作；洗滌時(shí)間結(jié)束，關(guān)閉清洗電動(dòng)機(jī)，打開(kāi)排水電磁閥，排水，通過(guò)水位檢測(cè)電路判斷是否水排盡，若水排盡，打開(kāi)紫外線(xiàn)消毒器消毒；消毒完成，蜂鳴器嗚叫，表明洗滌完成，1分鐘后自動(dòng)關(guān)閉電源。洗滌中的每個(gè)過(guò)程、洗滌溫度和洗滌剩余時(shí)間都可實(shí)時(shí)通過(guò)液晶顯示電路顯示出來(lái)。同時(shí)工作故障也可通過(guò)液晶顯示，并通過(guò)蜂嗚器報(bào)警。

4 結(jié)論
    該控制系統(tǒng)目前已經(jīng)調(diào)試成功，可通過(guò)強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)電路控制外部電磁閥、加熱電阻絲、電動(dòng)機(jī)及紫外線(xiàn)清洗器，實(shí)現(xiàn)洗碗機(jī)所要求的功能，且能夠通過(guò)液晶實(shí)時(shí)顯示工作狀態(tài)及故障信息，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、人機(jī)界面友好等優(yōu)點(diǎn)。今后，擬引入濁度傳感器，對(duì)判斷洗滌是否真正干凈做繼續(xù)深入的研究。