單片機(jī)控制洗衣機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例1.1控制系統(tǒng)電路組成控制系統(tǒng)的電路如圖3-1所示，由電機(jī)驅(qū)動電路、倒計(jì)時電路、按鍵電路、顯示電路、報(bào)警電路、電源電路、最小系統(tǒng)電路組成。電動機(jī)具有兩個控制接口用于控制電動機(jī)的正向和反向旋轉(zhuǎn)，并且顯示屏具有兩個高位和低位的顯示器，如果輸出為“0”則蜂鳴器鳴響。該系統(tǒng)使用一個12M的晶體振蕩器，并且計(jì)時器每100毫秒產(chǎn)生一次中斷?；趩纹瑱C(jī)的全自動洗衣機(jī)設(shè)計(jì)通過單片機(jī)寫入的控制程序來自動完成進(jìn)水洗滌、漂洗、排水脫水和結(jié)束報(bào)警的所有過程。整個洗衣流程大致為：選擇洗衣模式后洗衣機(jī)開始運(yùn)行并進(jìn)行進(jìn)水；當(dāng)水位傳感器檢測到有水，控制系統(tǒng)啟動電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)開始洗衣，通過電機(jī)的正反停轉(zhuǎn)來帶動水流進(jìn)行洗滌步驟；洗滌過程結(jié)束時洗衣機(jī)排水，然后再次注水進(jìn)入漂洗狀態(tài)，漂洗過程與洗滌相似但所用時間比洗滌短；大概3次漂洗后，漂洗步驟結(jié)束開始排水；當(dāng)洗衣機(jī)中的水被排完，電機(jī)開始單方向高速運(yùn)轉(zhuǎn)對衣物進(jìn)行脫水；脫水工作結(jié)束代表著洗衣工作完成，此時蜂鳴器報(bào)警。圖3-1控制系統(tǒng)電路組成圖1.2AT89C51單片機(jī)1.2.1CPUCPU是AT89C51微控制器的核心組件，一個由運(yùn)算器、控制器和寄存器陣列組成的8位二進(jìn)制中央處理器。（1）運(yùn)算器運(yùn)算器的組成部分包含算術(shù)邏輯單元、累加器等，因此具有算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算的功能，負(fù)責(zé)處理單片機(jī)中的各種信息。（2）控制器控制器是在單片機(jī)內(nèi)部的一個復(fù)雜的時序電路，作用是分析指令并執(zhí)行。它的組件包括PC程序計(jì)數(shù)器、IR命令寄存器、ID命令解碼器和定時邏輯電路等。PC存放指令的16位地址，CPU按照地址去ROM讀取程序指令并送到IR寄存器進(jìn)行分析，指令操作碼經(jīng)過ID譯碼器完成譯碼后產(chǎn)生指令操作的控制信號。（3）寄存器陣列寄存器陣列是單片機(jī)的臨時存儲單元或固定使用單元，包括通用寄存器組和特殊寄存器組。通用寄存器組可以存儲轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和地址，從而大大提高了CPU的可靠性和操作性；特殊寄存器組用來存儲地址以及指令的操作狀態(tài)。1.2.2存儲器在上一章的介紹中可知AT89C51單片機(jī)擁有4?KB閃速存儲器和RAM，且MCS-51單片機(jī)內(nèi)核采用程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器空間分開的結(jié)構(gòu)，若存儲空間不滿足使用需求可都擴(kuò)展為64KB。它們各自有獨(dú)立的尋址機(jī)制和尋址模式：程序存儲器存儲已編程的程序和表常數(shù)，這些不能被讀取或?qū)懭?；?shù)據(jù)存儲器可以臨時存儲數(shù)據(jù)，并且可以讀取和寫入。1.2.3I/O端口單片機(jī)通過I/O端口來實(shí)現(xiàn)對外部電路的控制和信息交換，不同的端口有各自的結(jié)構(gòu)和作用，因此分為并行和串行兩種。（1）并行I/O端口AT89C51微控制器具有四個并行的準(zhǔn)雙向8位I/O端口（P0，P1，P2，P3），任何時候都可以并行輸入或輸出8位二進(jìn)制信息，將其用作輸出端口時就應(yīng)寫入“1”。1）P0端口端口P0是雙向三態(tài)I/O端口，由一個輸出鎖存器、兩個三態(tài)緩沖器、一個輸出驅(qū)動電路和一個輸出控制電路組成，如果將其用作輸出端則需要一個外部電阻器。有八條（P0.0～P0.7）端口線，P0.0和P0.7分別為低位和高位，結(jié)構(gòu)組成如圖3-2所示：圖3-2P0端口結(jié)構(gòu)2）P1端口端口P1是準(zhǔn)雙向I/O端口，具有與端口P0第一功能相同的功能并且僅用作常規(guī)I/O端口?？梢灾苯幼鳛檩敵隹谑褂?，作輸入口時要先將“1”寫到鎖存器中。有八條端口線（P1.0～P1.7），結(jié)構(gòu)組成如圖3-3所示：圖3-3P1端口結(jié)構(gòu)3）P2端口P2口是8位準(zhǔn)雙向I/O端口，具有兩種功能：如果系統(tǒng)不需要外部存儲器擴(kuò)展，則系統(tǒng)具有與端口P0上的第一個功能相同的功能，并用作常規(guī)I/O端口；如果系統(tǒng)需要外部存儲擴(kuò)展，則將其用作地址總線端口，但只能確定該地址無法發(fā)送需要讀取或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)。有八條端口線（P2.0～P2.7），結(jié)構(gòu)組成如圖3-4所示：圖3-4P2端口結(jié)構(gòu)4）P3端口P3口是多用途的準(zhǔn)雙向I/O端口，具有兩個功能：其功能和原理與用作普通I/O端口的P1端口相同；所有端口線都具有不同的功能，用作控制端口和特殊功能端口。有八條端口線（P1.0～P1.7），結(jié)構(gòu)組成如圖3-5所示：圖3-5P3端口結(jié)構(gòu)（2）串行I/O端口AT89C51微控制器具有可編程的串行I/O端口，類似于P3端口的第二個功能，引腳P1.1和P1.0用作發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)的線。1.2.4定時器AT89C51微控制器包含兩個可編程的16位定時器（T0，T1），這兩個定時器均由高8位寄存器和低8位寄存器組成。1.2.5中斷系統(tǒng)CPU可以停止當(dāng)前程序以服務(wù)中斷源，并在中斷服務(wù)程序結(jié)束后繼續(xù)執(zhí)行原始程序。中斷系統(tǒng)由一個中斷源、一個IE中斷使能控制器、一個IP中斷優(yōu)先級控制器和一個TCON計(jì)時器控制器組成。1.2.6內(nèi)部總線總線可以傳送信息，單片機(jī)通過內(nèi)部的總線把CPU、存儲器、I/O接口等部分連接在一起，有效減少了信息傳輸線的所需數(shù)量并提高了傳輸效率和安全性?？偩€有三種類型：數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，由于AT89C51具有單一總線結(jié)構(gòu)的特征，因此數(shù)據(jù)總線和地址總線都可以一起使用。1.2.7引腳及其功能AT89C51單片機(jī)有40條引腳，如圖3-6所示兩種常用的封裝形式：圖3-6雙列直插式封裝和方形封裝（1）電源線作為電源線的引腳有+5V電源線（Vcc）和接地線（Vss）。（2）外接晶振引腳1）XTAL1：將外部的晶振的一端連接到微調(diào)電容器，是片內(nèi)反相振蕩器放大器的輸入端也是內(nèi)部時鐘的輸入端。2）XTAL2：將外部的晶振的另一端和微調(diào)電容器連接，是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。（3）控制線1）RST：復(fù)位輸入端口。2）ALE/：地址鎖存允許/編程接口。3）：對外部程序中存儲器進(jìn)行讀選的通線。4）/VPP：片外ROM使能訪問電源端、編程電源端。（4）I/O口的讀寫已在1.2.3中介紹過。1.3單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)是單片機(jī)中可以使用的最少的組件進(jìn)行操作的系統(tǒng)，對于51系列單片機(jī)，這通常是最小的系統(tǒng)，它包含了：單片機(jī)、晶振電路和復(fù)位電路。下面是最小系統(tǒng)仿真圖：圖3-7最小系統(tǒng)仿真1.1.1復(fù)位電路系統(tǒng)的功能被復(fù)位用到了復(fù)位電路。單片機(jī)的復(fù)位電路就像計(jì)算機(jī)的重啟部分，如果計(jì)算機(jī)在使用過程中崩潰，請從頭開始按重新啟動按鈕以在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行程序。這個方法同樣適用于單片機(jī)，當(dāng)單片機(jī)在運(yùn)行并且由于環(huán)境干擾而停止程序時，按下復(fù)位按鈕會自動從所有功能的開頭開始執(zhí)行程序。有兩種復(fù)位的方法：手動復(fù)位和自動復(fù)位。此設(shè)計(jì)使用自動復(fù)位（請參見圖3-8），工作原理是：電容器在接通時會被充電，并且RST連接器上的電容器與Vcc相同，當(dāng)電容器充電時，+5V的電壓施加到RST引腳，高電平將使微控制器復(fù)位。圖3-8自動復(fù)位電路1.1.2晶振電路晶體振蕩器的縮寫叫做晶振，并且在電氣上對應(yīng)于具有兩個連接的網(wǎng)絡(luò)，與電容器和電阻器先并聯(lián)連接然后再和一個電容器串聯(lián)連接的組合體效果相同。在電氣工程中，該網(wǎng)絡(luò)具有兩個基于頻率的諧振點(diǎn)，低頻的是串聯(lián)諧振，而高頻的是并聯(lián)諧振。由于晶體本身的特性，這兩個頻率之間的間隔非常窄，只要晶體振蕩器與兩個頻率上的合適電容器并聯(lián)連接，晶體振蕩器就會和這個非常窄的頻率范圍內(nèi)的電感等效。最后，形成并聯(lián)諧振電路，該并聯(lián)諧振電路被添加到負(fù)反饋電路以形成正弦振蕩器電路。由于對應(yīng)于電感的頻率范圍非常窄，因此即使其他組件的參數(shù)發(fā)生什么變化，振蕩器的頻率也不會明顯變化。晶體振蕩器具有重要的參數(shù)，即負(fù)載電容值。選擇一個與負(fù)載電容值匹配的并聯(lián)電容器，以獲得晶體振蕩器的標(biāo)稱諧振頻率。通常，在單片機(jī)中使用的晶體振蕩器頻率為11.0592MHz。振蕩器電路是把反相放大器的兩端連接到晶體振蕩器，兩個電容器再連接在晶體振蕩器的兩端，每一個電容都有一端接地。串聯(lián)連接的兩個電容器的電容值的大小必須等于負(fù)載電容。通常，IC引腳具有相同的輸入電容，這不能忽略。1.4電源電路圖3-9是本設(shè)計(jì)的電源電路原理圖，電源輸出5V電壓。圖3-9電源電路1.5指示報(bào)警電路發(fā)光二極管、蜂鳴器和驅(qū)動蜂鳴器的三極管組成了本設(shè)計(jì)的指示報(bào)警電路，如圖3-10-1和3-10-2發(fā)光二極管分別指示洗衣機(jī)進(jìn)水、洗滌、漂洗、結(jié)束、標(biāo)準(zhǔn)、快速、輕柔、調(diào)試，不同工作狀態(tài)時相應(yīng)的指示燈發(fā)光向用戶展示洗衣機(jī)現(xiàn)在的工作狀態(tài)。用蜂鳴器模擬結(jié)束報(bào)警電路與單片機(jī)口相連，洗衣結(jié)束時控制三極管驅(qū)動蜂鳴器報(bào)警表示洗衣工作完成。圖3-10-1報(bào)警電路圖3-10-2指示電路1.6顯示電路數(shù)碼管是由發(fā)光二極管組成的半導(dǎo)體發(fā)光元件，本設(shè)計(jì)中用來計(jì)時顯示剩余工作時間。如圖3-11所示：圖3-11顯示電路1.7電機(jī)驅(qū)動電路圖3-12是電機(jī)驅(qū)動電路的原理圖，電機(jī)驅(qū)動采用L298芯片。主要驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動以滿足洗滌、漂洗以及脫水時對電機(jī)的要求，洗滌和漂洗時正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)高效去污清潔的目的，脫水時單方向快速轉(zhuǎn)動來排除所洗衣物中的水分。圖3-12電機(jī)驅(qū)動電路L298是意法半導(dǎo)體公司所生產(chǎn)的驅(qū)動芯片，是一種可同時驅(qū)動兩個二相和一個四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動器，可以驅(qū)動46V2A以下的步進(jìn)電機(jī)且可以直接用調(diào)節(jié)電源的方式改變輸出電壓。如圖3-13-1芯片里包含4信道邏輯驅(qū)動電路和兩個H-Bridge的高低電流雙全橋式驅(qū)動器。如圖3-13-2所示：引腳PIN1和PIN15連接到電流框架測量電阻器，以控制負(fù)載