基于单片机技术的智能洗衣机控制系统设计

秦晓梅，巢 明，崔承毅，赵权科，高庆华，王开宇

基于单片机技术的智能洗衣机控制系统设计

秦晓梅，巢 明，崔承毅，赵权科，高庆华，王开宇

（大连理工大学 电工电子国家级实验教学示范中心 电工电子国家级虚拟仿真实验教学中心，辽宁 大连 116023）

探讨了一种基于实际工程设计的教学案例，让学生通过对日常家用电器智能洗衣机的剖析和设计，掌握电子产品制造工艺及技术流程。使学生自行设计控制板和显示板，并结合软件开发，实现智能洗衣机的各项控制功能。该案例具有开放式、启发式特点，对于提高学生的动手能力和创新能力具有很好的促进作用，在实践教学中取得了很好的效果。

单片机；系统设计；智能洗衣机；创新能力

工程改变世界，科技创造未来。教育部高等教育司发布的《关于开展新工科研究与实践的通知》中明确指出，高等工程教育在我国高等教育中占有重要的地位[1]，这是对工科院校教师提出的新要求、新挑战。如何从工程应用角度进行教学案例设计，提高学生对实践环节的兴趣，从而提高实验教学质量，是亟待解决的课题。

“单片机原理及应用实验”是我校电子信息工程专业（含英语强化班）、自动化专业、电气工程及其自动化专业、计算机科学与技术专业、集成电路专业、生物医学等电类专业的必修课。随着单片机技术的飞速发展及其在工业生产和生活中的广泛应用，单片机类的课程愈加受到学生的重视[2-3]。传统的单片机实验教学是基于实验箱完成的，但由于实验箱硬件资源有限、单一，致使学生无法得到充分的实验体验，不利于培养学生的硬件系统设计能力和软件开发能力。

1 智能洗衣机控制系统设计项目

为了更好地培养学生兴趣，提高学生的工程应用能力，基于实际工程设计教学案例[4-5]，选取学生熟悉的家用电器作为被控对象，去掉其自身的控制器件及显示器件，让学生基于单片机自行设计控制板和显示板，并自行开发相应软件。本文选择真实的全自动洗衣机为被控对象，因为其控制系统涵盖了单片机课程的所有知识点。

学生通过查阅参考文献知晓其工作原理后，拆解、剖析内部结构，分析控制原理，了解正转、反转、洗涤、甩干等操作的运行机制及控制原理[6-7]。运用单片机的中断系统、定时器技术等实现对洗衣机各种模式的精确控制；引入工控中以弱控强的概念，采用光电隔离技术实现单片机对220 V交流负载的安全控制，以确保单片机系统的运行安全。实验的最终目标是让学生用自己设计的控制板和显示板替换洗衣机原有的相关部件，并结合学生自行设计的软件，实现智能洗衣机的控制功能。

实验的具体实施，是将实验内容层次化、开放化，以便充分调动学生的主动性和能动性，切实提高学生的动手能力和工程实践能力[8-9]。

2 系统的总体架构

基于单片机的智能洗衣机控制系统的硬件框图如图1所示。系统以51单片机为控制核心，主要功能模块包括：红外信号的解码接收；控制洗衣机运行状态的手动按键；显示系统运行状态的LCD显示模块；光电耦合器及继电器模块；强电控制模块等。

为了更好地调动学生的积极性，激发具有不同能力水平和不同兴趣点的学生的潜力，提高实验教学效果，将实验内容层次化、实验题目开放化、实验时间延展化。学生可根据自己的兴趣、能力等选择不同层次的设计内容，或增加相应的扩展功能。

图1 系统硬件框图

3 单片机系统模块

单片机模块由单片机最小系统、人机对话、蜂鸣器报警等3部分电路组成。

3.1 基本外围电路

单片机的基本外围电路就是使单片机能正常工作所必需的电路，包括电源电路（如图2所示）、晶振电路、复位电路及单片机的基本电路（如图3所示）等。

3.2 人机对话电路

人机对话电路包括输入（键盘电路、红外解码接收等）和输出（数码管显示电路、12864显示电路等）两部分。对于一个单片机控制系统而言，良好的人 机对话电路是必需的，而输入输出环节是人机对话的纽带。

图2 电源电路

图3 单片机基本电路

根据不同的输入命令，执行机构进行上水、洗涤、放水、甩干等不同的操作，同时在显示环节显示执行机构的动作序列。为了更好地训练学生的设计能力和动手能力，针对不同情况的学生提供了不同的设计思路，学生可自行选择不同的输入输出电路，如输入部分可选择矩阵键盘、红外遥控等，输出部分可选择数码管显示、12864LCD显示等。人机对话电路如图4所示。

3.3 蜂鸣器报警电路

当洗衣机完成某个动作时，蜂鸣器报警提示进行后续操作。系统采用无源蜂鸣器，学生可通过编程实现不同频率的报警。蜂鸣器报警电路如图5所示。

4 光电耦合器与继电器模块

光电耦合器以光为媒介传输电信号，它将单片机端口输出的控制信号转换为光信号，再将光信号转换为电信号。TLP521系列光电隔离器件的隔离电压高达1000 V，使单片机系统与洗衣机电机驱动的强电系统在电路上进行彻底隔离，确保单片机系统的安全性、可靠性及操作人员的用电安全。

图4 人机对话电路

图5 蜂鸣器报警电路

继电器在工业控制中起到以弱控强、安全保护的作用，本质上是用一个小电流的回路去控制另一个大电流回路的连通与断开，在控制过程中，两个回路一般是隔离的。它的基本原理是，利用电磁效应来控制机械触点达到通断目的。首先给带有铁芯的线圈通电，使线圈里的电流产生磁场，衔铁受磁场吸附而动作，使触点接通或断掉。简而言之，整个过程是“小电流-磁-机械-大电流”的过程。光电耦合器与继电器驱动电路如图6所示。

此电路由3部分组成：由8550构成的光耦驱动单片机的IO端口电平，并传送给TLP521充电耦合器；TLP521光电耦合器将输入的电信号转换为光信号，并由TLP521内部的8050光敏三极管将光信号转换为电信号，其中的输入输出没有电联系；再由8050三极管将光耦的输出信号进行放大，以驱动继电器，实现对洗衣机的滚筒电机及电磁阀的控制。D为泄流二极管，确保在继电器切换期间释放继电器线圈上的反向电动势，确保三极管8050的安全。为保证泄流的效果，D应采用肖特基二极管。继电器的输出直接与洗衣机的电机或电磁阀连接。

图6 光电耦合器与继电器驱动电路

系统中共有4路完全相同的光电耦合器及继电器模块电路，分别用作洗衣机的正转、反转、上水（电磁阀）、下水（牵引电机）以及甩干的驱动控制。图6仅表示4路（A-D）光电耦合电路中的一路。

5 洗衣机强电控制电路

洗衣机强电电路主要包括驱动波轮旋转的交流电机、控制洗衣机上水的电磁阀、控制洗衣机放水的牵引电机以及控制甩干操作的机械联动装置等。洗衣机电机及电磁阀电路如图7所示。

图7 洗衣机电机及电磁阀电路

其控制过程如下：当继电器将COM端与A端闭合连接时，220 V交流电压从A端与电机M连接构成电流回路，控制电机正转；当继电器将COM端与B端闭合连接时，220 V交流电压从B端与电机M连接构成电流回路，控制电机反转。当继电器将COM端与C端闭合连接时，220 V交流电压与进水电磁阀连接，控制洗衣机上水；当继电器将COM端与D端闭合连接时，220 V交流电压与放水牵引电机连接，实现洗衣机放水；当继电器将COM端与B端、D端同时闭合连接时，实现洗衣桶高速旋转甩干。

只要将上述各种操作按照需要进行有机组合，并加以对应的延时处理，就可实现洗衣机的有序工作。

6 实验教学实施及效果

6.1 实验教学实施

在实验过程中，根据学时情况灵活安排分组，通常2~3人一组。以一种日常的家用电器为实验对象，使学生掌握电子产品制造工艺及技术流程，学会进行产品分析、硬件设计、Altium Designer原理图设计、PCB布局布线、热转印、腐蚀PCB板、元件焊接、硬件调试、模块化编程的软件设计、软件调试、系统统调的方法等，提高工程设计能力和实践动手能力，培养团队意识[10-11]。

学生通过自行设计实现对某家用电器各种工作模式的控制，使课程学习脱离了枯燥的实验台，走入了丰富的实际生活，大大提高了实验课程的生动性和灵活性，很好地调动了学生的积极性，培养了学生创新实践的兴趣，提升了学生的工程实践素养[12-13]。

以智能洗衣机控制系统设计项目来说，学生能够清晰地认识到所学课程与实际应用技术的紧密关系[14-15]，使学生具备了一个电子工程师所需的硬件系统设计能力及软件开发能力。采用红外遥控技术对洗衣机实现非接触式控制，具有很强的实用性和趣味性，有利于培养学生的学习、创新能力。

6.2 实验教学效果

在实验教学实践中，变传统枯燥的操作实验台实验为形象生动、颇具趣味性的操控实物实验，克服了前者的局限性，有效地培养了学生的学习兴趣和学习积极性，激发了求知欲望，增强了创新意识，提高了动手能力，加强了团队精神，取得了良好的教学效果。

7 结语

从实际工程角度设计实验案例，寓兴趣培养于实验教学实践中，对于提高学生的学习兴趣、激发主观能动性、开拓视野、扩展思维有着极其重要的作用。

该综合设计性实验案例以单片机为核心，实现了智能洗衣机控制系统的各项功能。实验过程中，使学生用Altium Designer软件设计原理图文件，生成PCB文件，然后进行热转印、腐蚀，生成PCB板，进行控制电路的硬件设计。焊接调试成功后，配合软件的模块化编程，最终实现智能化洗衣机控制系统的设计。学生也可根据不同的兴趣和能力情况对设计进行功能拓展，层次化地实现更多的控制效果。该案例具有开放式、启发式特点，对于提高学生的动手能力和创新能力具有很好的促进作用，在实践教学过程中取得了良好的效果。

[1] 教育部.教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知: 教高司函[2017]6号[Z]. 2017.

[2] 唐露新，范航郡，吴黎明，等.单片机技术课程启发进阶式实验教学探索[J].实验室研究与探索，2015, 34(9): 203–207.

[3] 秦晓梅，陈育斌，杨建华.单片机综合设计实验课程的建设与开发[J].实验技术与管理，2004, 21(2): 114–118, 131.

[4] 胡青，余嘉，苏玉刚.面向工程实践能力培养的嵌入式实验教学改革[J].实验技术与管理，2017, 34(9): 160–163.

[5] 魏芬，邓海琴.项目教学法在单片机实践教学中的探索与实践[J].实验室科学，2016, 19(1): 119–121.

[6] 韩雪涛，韩广兴，吴瑛.新型洗衣机维修技能速练速通[M].北京: 机械工业出版社，2012.

[7] 孙立群.洗衣机维修技能完全掌握[M].北京: 化学工业出版社，2013.

[8] 吕晖，马晓红，赵华凤.高校实验教学对学生执行力和创新力的培养作用: 光电类实验课程教学过程探索[J].实验技术与管理，2013, 30(11): 194–196.

[9] 耿红霞，蒋小林.综合性实验教学改革探索与实践[J].实验室研究与探索，2015, 34(5): 147–149.

[10] 唐力，张文娟.实验创新教育与创新人才培养探索[J].实验技术与管理，2017, 34(5): 11–13.

[11] 宋华军，邵帅，刘润华，等.改革实训教学模式，提高学生综合设计能力[J].实验室研究与探索，2017, 36(9): 206–210.

[12] 崔承毅，赵冠男，王开宇，等.红外电机控制系统在综合设计实验中的应用[J].实验室科学，2018, 21(2): 1–3, 7.

[13] 王开宇，张文轩，巢明，等.一种基于物联网的高校实验室平台解决方案[J].实验室科学，2018, 21(4): 38–40, 44.

[14] 高庆华，王洁，崔承毅，等.适于单片机实验教学的智能小车模块化系统设计[J].实验室科学，2018, 21(1): 10–12, 17.

[15] 陈柯，李媛媛，方璇，等.单片机驱动电机的设计与实现[J].实验室研究与探索，2016, 35(3): 119–122.

Design of intelligent washing machine control system based on SCM technology

QIN Xiaomei, CHAO Ming, CUI Chengyi, ZHAO Quanke, GAO Qinghua, WANG Kaiyu

(National Virtual Simulation Experimental Teaching Center for Electrical and Electronic Education, National Experimental Teaching Demonstration Center for Electrical and Electronic Education, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China)

This paper probes into a teaching case based on practical engineering design, which enables students to master the manufacturing process and technological process of electronic products through the analysis and design of intelligent washing machines. The control board and display board are designed by the students themselves, and the control functions of the intelligent washing machine are realized by combining the software development. This case has the characteristics of opening and heuristic, which has a very good promoting effect on improving students’ practical and innovative abilities and has achieved good results in practical teaching.

SCM; system design; intelligent washing machine; innovative ability

G643.423

A

1002-4956(2019)10-0193-04

2019-02-15

大连理工大学教育教学改革基金项目（JC2018010，JC2018009）

秦晓梅（1969—），女，辽宁大连，硕士，工程师，主要从事嵌入式系统应用、单片机原理实验、计算机原理实验的教学与研究工作。E-mail: qinxm@dlut.edu.cn

王开宇（1973—），男，辽宁大连，硕士，教授，主要研究方向为网络感知交互研究和远程交互仪器研究。E-mail: wkaiyu@dlut.edu.cn