自动洗碗机的控制系统设计

关键词：洗碗机；控制器；键盘／显示

１　引言

随着数字信息家用电器应用的普及，洗碗机已经广泛进入人民大众的家庭之中，从而使得人们能够从繁杂的家务劳动中逐步解放出来。作为一种家庭自动化设备，洗碗机一般需要实现诸如自动控制进水、自动加洗涤剂、冷洗、自动加温洗、清洗、排水、杀菌消毒，以及定时和故障报警等功能。从被控制量角度出发，一个洗碗机通常需要满足图１所示的一些具体要求，其中涉及的开关量信号有两种，一种是传感器的高、低电平信号检测，如机门开关、水位高低、温度调节保护器和行程开关等；另一种开关信号经由固态继电器控制强弱电压信号的断开和加载，如进水电磁阀门的开合、恒温加热器的开合、瞬间加热器的开合、清洁剂控制盒和消毒剂控制盒的工作等。图１中所涉及的模拟量信号主要用于实现以下几方面的功能：

（１）用温度传感器实现水温／消毒水温度检测；

（２）通过人机接口的显示输出、键盘输入和声音输出等实现水温显示、洗涤过程显示以及故障类型显示等；

（３）根据用户需要通过设置键选择洗涤模式，并通过功能键启动相关功能；

（４）机器使用情况统计、清洁剂和消毒剂剂量的使用情况计数等；

（５）故障报警以及、洗涤完成报告等。

２ 洗碗机控制系统的硬件设计

针对上述功能及可靠性、成本和方便使用维护等因素，笔者设计了图２所示的洗碗机控制系统。

单片机最小系统采用与ＭＣＳ－５１兼容的ＡＴ-ＭＥＬ公司低功耗高性能ＣＭＯＳ芯片ＡＴ８９ＬＳ８２５２设计，其中片内８ｋ字节在线可编程闪存用以存放系统程序，可通过ＳＰＩ接口来下载程序；而２ｋ字节的ＥＥＰＲＯＭ则用以存放关键参数，如开机维护密码、产品的序列号、开机次数、洗涤设置参数等；２５６字节的ＲＡＭ用来存放临时变量。

鉴于本洗碗机有较多的开关量信号，故此，设计中使用并行芯片８２５５来扩展Ｉ／Ｏ接口，以配合Ｐ１和Ｐ３口部分管脚的使用，其输出和输入的比例为２１／１４，其中蜂鸣器由Ｐ１．３控制。从可靠性角度出发，输入和输出部分都采用光电隔离措施。考虑到部分驱动信号所要求的驱动电流较大，因此，本设计选用功率驱动器件ＵＬＮ２８０３来驱动。

温度采集有两种方案：一是使用热敏电阻配合芯片ＭＡＸ１５０进行ＡＤ转换，然后通过存放在程序存储器里的表格来求得当前温度；二是使用三端温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０进行采集，直接得到温度数据。相比之下，后一种方案较为经济简捷。

键盘和ＬＥＤ显示选用ＨＤ７２７９Ａ?３?来进行控制，其电路图如图３所示。ＨＤ７２７９Ａ无需外围元件即可直接驱动８位共阴式ＬＥＤ数码管；引脚ＤＩＧ０～３对应０～３位数字输出驱动；引脚ＳＡ～ＳＧ和ＤＰ则对应于段ａ～ｇ及小数点的驱动输出；各位可独立控制译码／不译码及消隐和闪烁等属性。

该芯片共有三种类型的指令：第一种是６条不带数据的８位纯指令，如复位、测试、左／右（循环）移位等；第二种是７条１６位带数据指令，包括下载数据按方式０／１译码、下载不译码、闪烁、消隐、段点亮、关闭等；第三种是读取键盘数据指令。它们均采用串行方式与ＡＴ８９ＬＳ８２５２进行通讯，串行数据从ＤＡＴＡ引脚送入芯片并由ＣＬＫ端同步。当片选信号ＣＳ变为低电平后，ＤＡＴＡ引脚上的数据将在ＣＬＫ引脚的上升沿时被写入ＨＤ７２７９Ａ的缓冲寄存器。

此外，ＨＤ７２７９Ａ片内含有去抖动电路，可控制６４键键盘矩阵。图３中，元件ＪＫＥＹ为４４键盘接口，当有键按下时，ＫＥＹ引脚输出低电平，发光二极管ＬＥＤ１发亮，该状态一直保持到按键松开。此时如果接收到“读键盘”指令１５Ｈ，在指令前半段，ＤＡＴＡ引脚将处于高阻状态以接受来自微处理器的指令。而在指令后半段，ＤＡＴＡ引脚则从输入状态转为输出状态，用以输出所按下的键代码值。

３　洗碗机控制系统的软件设计

本系统功能模块按洗碗过程可分为六个阶段：进水过程、加温过程、注入清洁剂过程、控制电机旋转清洗过程、注入消毒水消毒过程和排水过程。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或停机功能。系统软件可按照洗碗机的工作流程进行编写。主要的软件模块有开机自检、状态初始化、显示当前默认状态，进入键盘扫描状态并等待操作键按下，以及根据操作键转入相应流程等，其主程序流程见图４所示。

图3

用户使用前，应首先检查洗碗机状态是否正常，若状态正常，按下弱电源开关，根据洗涤要求设置洗涤模式（或使用默认方式），将碗放入清洗室，然后关上机门，按下开始键。之后，控制器检测水位高低和水温，以决定是否进水与恒温加热，至此准备工作完成，启动电机进行清洗。接下来再把清洁剂注入清洗室，同时检测水位高低，若水位较低，则立即进水，以保证清洗效果。清洗完成后，等碗上的水空一段时间后，洗碗机再注入高温消毒水进行消毒。洗涤完成后，蜂鸣器鸣叫，表明洗涤完成，同时控制器回到用户初始设置模式。洗涤中每一过程和按键均对应有一发光二极管的亮灭，用以显示过程和按键的正常与否。洗涤完成后，用户打开机门，取出碗盘，然后断电即可结束整个洗碗过程。

在该系统软件子程序中，需要对键盘／显示管理模块进行说明，包括初始化子程序、发送子程序、接收子程序、中断子程序、显示子程序等。其中用户通过键盘设置模块可以设定洗涤模式、每一过程的时间长短以及洗涤剂量大小，也可随时按相应的功能键暂停或中止洗涤过程。技术维护人员可以通过键盘／显示管理模块输入正确密码来查询机器的使用状况，如机器序列号、机器的使用次数等，也可对关键参数根据实际情况进行设置。

故障报警功能模块可在工作电压故障、进水阀故障、加热器故障、电机故障、清洁剂注入故障以及高温消毒水注入故障发生时用蜂鸣器报警，同时断掉强电控制信号，以确保系统安全。

４　结论

该控制系统目前已经调试成功，试验性能良好，可实现本自动洗碗机所要求的功能，而且简捷实用。但还有需要完善提高的地方，如排水需要人工干预、人机接口可考虑选用效果更好的字符或图形ＬＣＤ、系统集成度有待提高等。