王昊

（南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 電子電氣工程系，江蘇 泰州 225300）

隨著生活節(jié)奏的加快，人們將時間更多的用于工作，更加疲于家務(wù)勞動，特別是面對每次餐后堆積的碗具，感到清洗起來既臟又浪費(fèi)時間。洗碗機(jī)作為一種家庭自動化設(shè)備，避免了人工洗碗的煩惱，節(jié)約了時間，將人們從繁雜的家務(wù)勞動中逐步解放出來[1]。本文設(shè)計了一種洗碗機(jī)自動控制系統(tǒng)，在單片機(jī)控制下，可控制電磁閥、加熱電阻絲、清洗電動機(jī)、紫外線消毒器等強(qiáng)電電路，實現(xiàn)洗滌溫度與洗滌時間設(shè)置，自動進(jìn)水與排水，自動添加洗滌劑，故障信息顯示及報警等功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

洗碗機(jī)自動控制系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖1所示。系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C52為控制核心，包含水溫檢測電路、水位檢測電路、門控電路、鍵盤電路、蜂鳴器、液晶顯示電路及強(qiáng)電驅(qū)動電路等部件。其中，水溫檢測電路結(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關(guān)；門控電路判斷洗碗機(jī)門是否關(guān)閉；鍵盤電路設(shè)置洗滌水溫及洗滌時間。為了實時顯示洗碗機(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)動電路作為單片機(jī)與外部器件的接口電路，驅(qū)動電磁閥、電阻絲、電動機(jī)及紫外線消毒器工作。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Structure diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)主體硬件電路設(shè)計包括水溫檢測電路、水位檢測電路、液晶顯示電路及強(qiáng)電驅(qū)動電路。

2.1 水溫檢測電路

DS18B20是達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的1-Wire器件，即單總線器件，其將地址線、數(shù)據(jù)線和控制線合為1根信號線，具有成本低、節(jié)省I/O口、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。同時，與傳統(tǒng)的PT100、AD590等模擬溫度傳感器相比，DS18B20直接將被測溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供單片機(jī)處理，省去了專用的模數(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。

圖2 水溫檢測電路Fig.2 Water temperature detection circuit

本系統(tǒng)只使用單片DS18B20，且不存在遠(yuǎn)程溫度測量的考慮，所以為了簡便起見，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通過片上溫度測量的技術(shù)來測量溫度，其分辨率可編程設(shè)置為9～12位，實現(xiàn)高精度測溫[2]。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0.062 5°C，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總線的協(xié)議要求，否則無法讀取測量結(jié)果，因此需要完成下述3個步驟：初始化DS18B20、ROM操作命令和DS18B20存儲器操作命令[3]。當(dāng)DS18B20上電后，對其進(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通過拉低總線電平，產(chǎn)生復(fù)位脈沖，然后釋放總線，進(jìn)入接收模式。當(dāng)總線釋放后，上拉電阻將總線電平拉高。DS18B20檢測到上升沿后，延時后拉低總線，產(chǎn)生應(yīng)答信號。ROM操作命令分為讀ROM、匹配ROM、跳過ROM、搜索ROM、報警搜索等。因本系統(tǒng)只使用單片DS18B20，所以只需寫入‘CCH’代碼，直接進(jìn)入運(yùn)行內(nèi)存操作命令。DS18B20存儲器操作命令，發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令 ‘44H’，將讀出的溫度存儲在8位寄存器TH和TL中，完成溫度轉(zhuǎn)換[4]。

2.2 水位檢測電路

為實現(xiàn)洗碗機(jī)自動進(jìn)水、自動排水的功能，本系統(tǒng)采用兩個光電水位傳感器進(jìn)行水位監(jiān)測。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，無機(jī)械運(yùn)動部件，不存在最低水位限制。同時，與現(xiàn)有的浮子式水位開關(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，其與AT89C52連接電路如圖3所示。

圖3 水位檢測電路Fig.3 Water level detection circuit

圖3中TX1，TX2同為光電水位傳感器，一上一下安裝，分別用來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通過上拉電阻外接電源，端口3輸出經(jīng)過電阻分壓各自加到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，TX1未接觸水，其紅外發(fā)射二極管發(fā)出的光線通過菱鏡面反射到達(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，開啟進(jìn)水電磁閥，自動進(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，TX1沒入水中，其紅外發(fā)射二極管發(fā)出的光線通過水折射，未能到達(dá)光敏晶體管，導(dǎo)致P2.0口變?yōu)楦唠娖?，從而關(guān)閉進(jìn)水電磁閥，停止進(jìn)水。同理，洗碗機(jī)自動排水時，TX2內(nèi)部光敏晶體管導(dǎo)通，P2.1為低電平，開啟排水電磁閥，自動排水；當(dāng)排水排盡時，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漢字圖形點陣液晶顯示模塊，實時顯示洗碗機(jī)工作狀態(tài)，水溫，洗滌時間及故障信息。QC12864B液晶顯示屏為128×64點陣，可顯示4行，每行8個漢字。因其內(nèi)置ST7920芯片，自帶字庫，所以無需提取字模。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端通過可變電阻接地，調(diào)節(jié)液晶顯示對比度；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的通道[5]。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，AT89C52的P2.4口輸出為低電平，將背光電源正極LA+拉高，點亮液晶；當(dāng)洗碗機(jī)停止工作時，P2.4口輸出為高電平，將LA+拉低，關(guān)閉液晶，從而達(dá)到節(jié)約能耗的目的。

圖4 液晶顯示電路Fig.4 LCD circuit

2.4 強(qiáng)電驅(qū)動電路

AT89C52輸出采用繼電器驅(qū)動進(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)動電路相同，文中僅給出進(jìn)水電磁閥強(qiáng)電驅(qū)動電路，如圖5所示。圖5中U2為光耦，實物采用TPL52-1線性光耦，K1為12 V繼電器。當(dāng)AT89C52的P1.0口輸出為低電平時，U1的3腳輸出高電平，NPN晶體管Q4導(dǎo)通，繼電器銜鐵吸合，驅(qū)動外部器件工作；當(dāng)AT89C52的P1.0口輸出為高電平時，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。為了消耗繼電器線圈斷電瞬間產(chǎn)生的反向電動勢，在繼電器線圈兩端反向并聯(lián)二極管D3[6]，同時Q4還具有提升驅(qū)動電流的作用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)按洗碗機(jī)工作過程可分為6個階段：進(jìn)水過程、加溫過程、注入洗滌劑過程、電動機(jī)清洗過程、排水過程和紫外線消毒過程。同時為確保洗碗機(jī)正常工作，對容易出故障的過程，系統(tǒng)還設(shè)置了故障報警功能。系統(tǒng)軟件按照洗碗機(jī)的工作流程進(jìn)行編寫，整體流程圖如圖6所示。

圖5 強(qiáng)電驅(qū)動電路Fig.5 Strong electric drive circuit

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flow chart of main program

首先接通電源，洗碗機(jī)開機(jī)自檢，若狀態(tài)正常，將碗放入清洗室，門控電路關(guān)閉；通過鍵盤電路設(shè)置洗滌水溫及洗滌時間，若超過1分鐘鍵盤電路未動作，自動關(guān)閉電源；設(shè)置完畢，按啟動鍵，洗碗機(jī)打開進(jìn)水電磁閥進(jìn)水，通過水位檢測模塊判斷是否水進(jìn)滿，若水進(jìn)滿，關(guān)閉進(jìn)水電磁閥，打開加料電磁閥，加入洗滌劑；根據(jù)溫度設(shè)置，判斷是否進(jìn)行加熱操作，同時清洗電動機(jī)工作；洗滌時間結(jié)束，關(guān)閉清洗電動機(jī)，打開排水電磁閥，排水，通過水位檢測電路判斷是否水排盡，若水排盡，打開紫外線消毒器消毒；消毒完成，蜂鳴器鳴叫，表明洗滌完成，1分鐘后自動關(guān)閉電源。洗滌中的每個過程、洗滌溫度和洗滌剩余時間都可實時通過液晶顯示電路顯示出來。同時工作故障也可通過液晶顯示，并通過蜂鳴器報警。

4 結(jié) 論

該控制系統(tǒng)目前已經(jīng)調(diào)試成功，可通過強(qiáng)電驅(qū)動電路控制外部電磁閥、加熱電阻絲、電動機(jī)及紫外線清洗器，實現(xiàn)洗碗機(jī)所要求的功能，且能夠通過液晶實時顯示工作狀態(tài)及故障信息，具有結(jié)構(gòu)簡單、人機(jī)界面友好等優(yōu)點。今后，擬引入濁度傳感器，對判斷洗滌是否真正干凈做繼續(xù)深入的研究。

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