基于AT89C52的洗碗机自动控制系统设计

    随着生活节奏的加快，人们将时间更多的用于工作，更加疲于家务劳动，特别是面对每次餐后堆积的碗具，感到清洗起来既脏又浪费时间。洗碗机作为一种家庭自动化设备，避免了人工洗碗的烦恼，节约了时间，将人们从繁杂的家务劳动中逐步解放出来。本文设计了一种洗碗机自动控制系统，在单片机控制下，可控制电磁阀、加热电阻丝、清洗电动机、紫外线消毒器等强电电路，实现洗涤温度与洗涤时间设置，自动进水与排水，自动添加洗涤剂，故障信息显示及报警等功能。

1 系统总体设计方案
    洗碗机自动控制系统的总体设计框图如图1所示。系统以单片机AT89C52为控制核心，包含水温检测电路、水位检测电路、门控电路、键盘电路、蜂鸣器、液晶显示电路及强电驱动电路等部件。其中，水温检测电路结合温度设置，采集水温信息，控制电阻丝加热；水位检测电路进行最高水位和最低水位判断，控制进水电磁阀和排水电磁阀开关；门控电路判断洗碗机门是否关闭；键盘电路设置洗涤水温及洗涤时间。为了实时显示洗碗机工作状态及可能出现的故障信息，系统中添加液晶显示电路和蜂鸣器，方便用户知道洗碗机工作模式和工作状态，便于故障排查。强电驱动电路作为单片机与外部器件的接口电路，驱动电磁阀、电阻丝、电动机及紫外线消毒器工作。

2 系统硬件电路设计
    系统主体硬件电路设计包括水温检测电路、水位检测电路、液晶显示电路及强电驱动电路。
2．1 水温检测电路
    DS18B20是达拉斯半导体公司生产的1-Wire器件，即单总线器件，其将地址线、数据线和控制线合为1根信号线，具有成本低、节省I／O口、抗干扰能力强等优点。同时，与传统的PT100、AD590等模拟温度传感器相比，DS18B20直接将被测温度转化成串行数字信号供单片机处理，省去了专用的模数转换芯片。为了防水耐腐，本系统采用DS18B20防水型封装，即DS18B20温度传感器外围加入不锈钢管进行灌胶密封。  DS18B20与AT89C52连接电路如图2所示。

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    本系统只使用单片DS18B20，且不存在远程温度测量的考虑，所以为了简便起见，DS18B20采用外部供电的方式，其VCC端直接接电源，I／O数据端与单片机P2．7相连，R1为上拉电阻。DS18B20通过片上温度测量的技术来测量温度，其分辨率可编程设置为9～12位，实现高精度测温。本系统采用出厂默认配置为12位分辨率，可分辨温度为0．0625℃，最多可在750 ms内把温度转换为数字。
    AT89C52与DS18B20通信．必须符合1-Wire总线的协议要求，否则无法读取测量结果，因此需要完成下述3个步骤：初始化DS18B20、ROM操作命令和DS18B20存储器操作命令。当DS18B20上电后，对其进行初始化，向AT89C52发送响应的应答脉冲，表明工作准备就绪。AT89C52通过拉低总线电平，产生复位脉冲，然后释放总线，进入接收模式。当总线释放后，上拉电阻将总线电平拉高。DS18B20检测到上升沿后，延时后拉低总线，产生应答信号。ROM操作命令分读ROM、匹配ROM、跳过ROM、搜索ROM、报警搜索等。因本系统只使用单片DS18B20，所以只需写入‘CCH’代码，直接进入运行内存操作命令。DS18B20存储器操作命令，发送温度转换命令‘44H’，将读出的温度存储在8位寄存器TH和TL中，完成温度转换。
2．2 水位检测电路
    为实现洗碗机自动进水、自动排水的功能，本系统采用两个光电水位传感器进行水位监测。光电水位传感器外部罩有菱镜，内置高强度红外发射二极管和高灵敏度光敏晶体管，无机械运动部件，不存在最低水位限制。同时，与现有的浮子式水位开关相比，光电水位传感器还具有体积小，结构紧凑，便于安装，水位控制精度高等优点，其与AT89C52连接电路如图3所示。

    图3中TX1，TX2同为光电水位传感器，一上一下安装，分别用来判别最高水位和最低水位。TX1和TX2为四端口器件，1和3端口内部接有高灵敏度光敏晶体管，2和4端口内部接有高强度红外发射二极管。TX1和TX2端口1外接电源，端口2通过上拉电阻外接电源，端口3输出经过电阻分压各自加到NPN晶体管Q1、Q2栅极，端口4外接地。Q1、Q2漏极分别接到AT89C52的P2．0口和P2．1口。二极管D1、D2为进水、排水指示灯。电路工作原理为：当洗碗机进水水位未达到最高水位时，TX1未接触水，其红外发射二极管发出的光线通过菱镜面反射到达光敏晶体管，光敏晶体管导通，端口3输出电平为高，Q1导通，P2．0口为低电平，开启进水电磁阀，自动进水，进水指示灯D1亮；当洗碗机进水水位达到最高水位时，TX1没入水中，其红外发射二极管发出的光线通过水折射，未能到达光敏晶体管，导致P2．0口变为高电平，从而关闭进水电磁阀，停止进水。同理，洗碗机自动排水时，TX2内部光敏晶体管导通，P2．1为低电平，开启排水电磁阀，自动排水；当排水排尽时，TX2内部光敏晶体管截止，P2．1变为高电平，关闭排水电磁阀。
2．3 液晶显示电路
    本系统采用QC12864B汉字图形点阵液晶显示模块，实时显示洗碗机工作状态，水温，洗涤时间及故障信息。QC12864B液晶显示屏为128x 64点阵，可显示4行，每行8个汉字。因其内置ST7920芯片，自带字库，所以无需提取字模。QC12864B液晶显示模块与AT89C52连接电路图如图4所示。QC12864B的GND、VCC端分别接地、电源；V0端通过可变电阻接地，调节液晶显示对比度：D0至D7端与AT89C52的P0口相连，作为指令与显示数据的总线通道；RS、R／W、E端与AT89C52与P2．5、P2．6、P2．7相连，构成液晶显示控制信号的通道。因本系统只使用液晶并行数据传输功能，所以将QC12864B的PSB端接电源。当洗碗机工作时，AT89C52的P2．4口输出为低电平，将背光电源正极LA+拉高，点亮液晶；当洗碗机停止工作时，P2．4口输出为高电平，将LA+托低，关闭液晶，从而达到节约能耗的目的。

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2．4 强电驱动电路
    AT89C52输出采用继电器驱动进水电磁阀、排水电磁阀、加料电磁阀、加热电阻丝、清洗电动机与紫外消毒器等220 V器件。本系统为了减轻外部强电电路对AT89C52输出的影响，增加了光耦隔离电路。因外部各器件强电驱动电路相同，文中仅给出进水电磁阀强电驱动电路，如图5所示。图5中U2为光耦，实物采用TPL52-1线性光耦．K1为12 V继电器。当AT89C52的P1．0口输出为低电平时，U1的3脚输出高电平，NPN晶体管04导通，继电器衔铁吸合，驱动外部器件工作；当AT89C52的P1．0口输出为高电平时，U1的3脚输出高电平，Q4截止，继电器衔铁分离，关断外部器件。为了消耗继电器线圈断电瞬间产生的反向电动势，在继电器线圈两端反向并联二极管D3，同时04还具有提升驱动电流的作用。

3 系统软件设计
    本系统按洗碗机工作过程可分为6个阶段：进水过程、加温过程、注入洗涤剂过程、电动机清洗过程、排水过程和紫外线消毒过程。同时为确保洗碗机正常工作，对容易出故障的过程，系统还设置了故障报警功能。系统软件按照洗碗机的工作流程进行编写，整体流程图如图6所示。
    首先接通电源，洗碗机开机自检，若状态正常，将碗放入清洗室，门控电路关闭；通过键盘电路设置洗涤水温及洗涤时间，若超过1分钟键盘电路未动作，自动关闭电源；设置完毕，按启动键，洗碗机打开进水电磁阀进水，通过水位检测模块判断是否水进满，若水进满，关闭进水电磁阀，打开加料电磁阀，加入洗涤剂；根据温度设置，判断是否进行加热操作，同时清洗电动机工作；洗涤时间结束，关闭清洗电动机，打开排水电磁阀，排水，通过水位检测电路判断是否水排尽，若水排尽，打开紫外线消毒器消毒；消毒完成，蜂鸣器呜叫，表明洗涤完成，1分钟后自动关闭电源。洗涤中的每个过程、洗涤温度和洗涤剩余时间都可实时通过液晶显示电路显示出来。同时工作故障也可通过液晶显示，并通过蜂呜器报警。

4 结论
    该控制系统目前已经调试成功，可通过强电驱动电路控制外部电磁阀、加热电阻丝、电动机及紫外线清洗器，实现洗碗机所要求的功能，且能够通过液晶实时显示工作状态及故障信息，具有结构简单、人机界面友好等优点。今后，拟引入浊度传感器，对判断洗涤是否真正干净做继续深入的研究。