В данной работе разрабатывается один из вариантов блока управления стиральной машиной. Основой для этого блока послужит микроконтроллер 8051 фирмы Intel.
Ключевые слова: блок управления, контроллер, блок схема
- Разработка блока управления.
Параметры блока управления определяются исходя из технического задания:
- Установка программы стирки с помощью клавиатуры;
- Жидкокристаллический индикатор;
- Контроль закрытия двери, температуры воды в баке и протечки.
Для выполнения первого пункта необходимо включить в состав устройства клавиатуру. Для выполнения условий достаточно клавиатуры из пяти кнопок для выбора программы стирки и отдельно расположенной кнопки включения устройства. В разрабатываемом устройстве используются кнопки без фиксации PB-22E88, т. к. они обладают подходящими габаритами, невысокой стоимостью и предназначены для монтажа на плату. Для включения/выключения устройства используется переключатель ASW-09–12.
Для индикации будет использоваться жидкокристаллический индикатор ITM-1601 рассчитанный на 16 знакомест. Причинами, по которым был выбран именно этот индикатор, являются:
− контроллер индикатора — HD44780. Контроллер HD44780 фирмы Hitachi фактически является промышленным стандартом и широко применяется при производстве алфавитно-цифровых ЖКИ-модулей. Аналоги этого контроллера или совместимые с ним по интерфейсу и командному языку микросхемы, выпускают множество фирм, среди которых: Epson, Toshiba, Sanyo, Samsung, Philips. Еще большее число фирм производят ЖКИ-модули на базе данных контроллеров. Таким образом, устройства на базе этого контроллера обладают не сложным и легко настраиваемым интерфейсом, легки в управлении, надежны в работе, а также легко совместимы с другими устройствами;
− индикатор обладает встроенным знакогенератором;
− небольшие масса и габариты;
− невысокая стоимость и широкое распространение, что обеспечивает легкодоступность.
Для контроля закрытия двери используется геркон REEDSW-2.
В качестве температурного датчика используется термопара, закрепленную на стенке бака. Основные преимущества термопары относительно других вариантов температурных датчиков: термопары являются небольшими, точными и относительно недорогими устройствами, обладающими высокой линейностью функции передачи. К минусам можно отнести невысокий уровень выходного сигнала, требующий усиления и компенсацию температуры холодного спая. Для выбора типа термопары нужно оценить поведение коэффициента Зеебека термопары в диапазоне температур предполагаемых измерений, и выбрать тип термопары с наибольшей линейностью. На рисунке 1 приведены зависимости коэффициента Зеебека термопары от температуры для основных типов термопар.
Рис. 1. Зависимости коэффициента Зеебека от температуры
Как видно, наиболее подходящим является тип S.
В качестве датчика протечки используется геркон, встроенный в поплавок, находящийся в нижней части машины. Если вода превышает допустимый уровень, поплавок всплывает и замыкает контакты датчика.
1.1. Структурная схема прибора.
Структурная схема устройства представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Схема структурная, где: 1 — датчик температуры; 2 — датчик протечки; 3 — датчик закрытия двери; 4 — жидкокристаллический индикатор; 5 — микроконтроллер; 6 — клавиатура; 7 — блок питания
Сигналы с датчиков поступают на микроконтроллер. Клавиатура используется для управления устройством. Индикатор выводит информацию о процессах, происходящих в устройстве. Блок питания обеспечивает все составные части устройства питанием с необходимыми параметрами.
1.2. Принципиальная электрическая схема.
По функциональной схеме, описанной в предыдущем пункте, построена схема электрическая принципиальная, представленная на рисунке 3.
Рис. 3. Схема электрическая принципиальная
Разъем X1 — штепсельная вилка, через которую на устройство поступает питание из бытовой электросети с параметрами 220 В 50 Гц. Напряжение с такими параметрами используется в данном устройстве для питания нагревателя и электродвигателя. Для питания цифровой части устройства напряжение сначала преобразуется на трансформаторе Tr1, со вторичной обмотки которого снимается напряжение 9В. Далее в цепи расположен диодный мост VD1, выпрямляющий данное напряжение. Микросхема DA2 — стабилизатор напряжения 7805 — снижает значения напряжения до 5В, необходимых для питания микроконтроллера и индикатора. Кнопка S1 это выключатель устройства. HG1 — жидкокристаллический индикатор, выводящий информацию о текущем режиме работы стиральной машины. Потенциометр R5 позволяет управлять контрастностью индикатора.
Конденсаторы C1, C2 и С4 предназначены для устранения помех в цепи питания. Резистор R4 с конденсатором C3 образуют цепь начального сброса микроконтроллера. Кнопка S2 предназначена для принудительного сброса. Кварцевый резонатор Z1 с конденсаторами С5 и С6 используются для синхронизации микроконтроллера. Кнопки S3-S7 это клавиатура для выбора режима работы устройства. S9 и S10 — герконы, выполняющие роль датчиков закрытия двери и протечки соответственно. S7 — геркон, используемый в качестве датчика уровня воды. Операционный усилитель ОР1 усиливает сигнал с термопары, чтобы он мог быть считан АЦП DA1, который переводит сигнал в цифровую форму и передает его на вход микроконтроллера. Резисторы R2 и R3 образуют цепь обратной связи, задающей коэффициент усиления операционного усилителя. На ножку Vref АЦП приходит опорное напряжение, равное напряжению питания. На вывод CLK приходят синхроимпульсы. Ножка CS — выбор чипа, активный уровень — логический 0.
Для управления нагрузкой (нагревателем, электродвигателем и насосом) используется схема управления с использованием симистора. Достоинствами данной схемы управления являются высокая надежность, отсутствие акустического шума, отсутствие износа элементов, обеспечение гальванической развязки.
Для расчета номинала резисторов R8 и R20 воспользуемся формулой:
R = (Vcc-Uкэ-Uu-UHL1)/Iu1,
где: Vcc — напряжение питания; Uкэ — падение напряжения на транзисторе; Uu — падение напряжения на оптроне; UHL1 — падение напряжения на динисторе; Iu1 — ток через оптрон.
Подставив численные значения получим значение номинала резисторов около 2кОм.
Для расчета номинала резисторов R6 и R17 воспользуемся формулой
R≤(U0-Uбэ)/Iб,
где:U0 — напряжение логического нуля; Uбэ — падение напряжения на переходе база-эмиттер; Iб — ток базы.
Подставив численные значения было получено значение номинала резисторов не более 10 Ом.
Номинал резисторов R9…R12, R14…R16, R19 рассчитывается по формуле:
R≤(Vcc-Umin)/Iвх,
где: Vcc — напряжение питания, Umin — минимальное напряжение логической единицы микроконтроллера, Iвх — величина входного тока микроконтроллера.
Для микроконтроллера 8051 вышеперечисленные величины равны 5В, 2,4В и 0,1 мА соответственно. Следовательно, номинал резисторов не более 26кОм.
- Блок-схема алгоритма программы.
Блок-схема изображена на рисунке 4.
Программа начинается с инициализации портов ввода/вывода и таймера/счетчика микроконтроллера. Затем таймер/счетчик обнуляется и программа переходит к опросу клавиатуры. Если нажата одна из пяти кнопок, то установленная температура и время стирки устанавливаются равными значениям для соответствующего режима стирки. Программа циклически опрашивает кнопки до тех пор, пока одна из них не будет нажата.
Если режим стирки задан, программа переходит к проверке закрытия дверцы. Если дверца открыта, то на индикатор выводится сообщение с предупреждением и программа переходит к началу алгоритма. Если дверца закрыта, то запускается таймер/счетчик, на экран выводится информация о параметрах режима стирки: температура и время, прошедшее после запуска стирки. После этого программа проверяет наличие протечки. Если есть сигнал от датчика протечки, включается сливной насос, машина сливает воду и выводит на экран сообщение с предупреждением, после чего переходит к началу алгоритма. Если протечки нет, то программа переходит к проверки уровня. Если максимальный уровень не достигнут — открывается клапан. После этого считывается сигнал с термопары, преобразуется и сравнивается с установленным значением. Если температура меньше установленного значения, то подается питание на нагреватель. После этого включается электродвигатель. Затем проверяется значение таймера/счетчика. Если время, предусмотренное выбранным режимом стирки, прошло, выключается нагреватель, электродвигатель и сливается вода и программа переходит к началу алгоритма. Если же время не вышло, программа переходит к пункту алгоритма с выводом данных о режиме стирке.
Рис. 4. Блок-схема
Заключение.
Таким образом был разработан блок управления стиральной машиной с пятью режимами стирки, защитой от протечек, контролем закрытия дверцы, оснащенный жидкокристаллическим индикатором, термодатчиком, датчиком уровня воды и датчиком протечки. Представлены функциональная и электрическая принципиальная схемы устройства, алгоритм программы микроконтроллера.
Литература:
- Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника / Е. П. Угрюмов. — СПб: БХВ-Петербург, 2010 г. — 798 с.
- Белов А. В. Конструирование устройств на микроконтроллерах. / А. В. Белов — СПб: Наука и Техника, 2005 г. — 256 с.
- Кестер У. Методы практического конструирования при нормировании сигнала/ Уолт Кестер; пер. с англ. Горшков Б. Л. — СПб: Автэкс, 2008 г. — 311 с.
