全自动洗衣机自动控制系统设计

目录

摘要 .................................................................... 1 引言 .................................................................... 3 1. 全自动洗衣机的基本结构 ............................................... 4 1.1全自动洗衣机的种类及特点 ........................................... 4 1.2全自动洗衣机的系统 ................................................. 5 1.2.1洗涤脱水系统 ................................................... 5 1.2.2排水和进水系统 ................................................. 5 1.2.3电动机及传动系统 ............................................... 5 1.3 全自动洗衣控制系统的选择 .......................................... 6 2. PLC的基础知识........................................................ 7 2.1 PLC的定义 ......................................................... 7 2.2 PLC的硬件结构 ..................................................... 7 2.3 PLC工作原理 ...................................................... 7 2.4 PLC的应用 ......................................................... 8 2.5可编程控制器的选择 ................................................. 8 2.6 PLC的设计步骤 ..................................................... 8 3. 全自动洗衣机控制系统 ................................................. 9 3.1洗衣机的PLC控制系统概述 ........................................... 9 3.2控制系统的结构 ..................................................... 9 3.3控制系统原理 ....................................................... 9 4．全自动洗衣机的程序设计 .............................................. 11 4.1 全自动洗衣机工作原理 ............................................. 11 4.2 全自动洗衣机的控制要求 ........................................... 11 4.3控制系统顺序功能图 ................................................ 12 4.4 PLC的硬件设计 .................................................... 12 4.4.1通道分配表、定时器、计数器通道分配表 .......................... 12 4.4.2 PLC外部接续图 ................................................ 13 4.5 PLC的软件设计 .................................................... 14 4.5.1控制系统的梯形图设计 .......................................... 14 4.5.2 程序语句表 ................................................... 18 4.6 程序控制过程说明 ................................................. 19 5. 系统监测与调试 ...................................................... 20 结束语 ................................................................. 21 致谢 ................................................................... 22 参考文献 ............................................................... 23

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全自动洗衣机自动控制系统设计

【摘要】洗衣机是现代家庭里普遍使用的机器，它是人类智慧的结晶，它用来帮助人们

解脱双手节省体力。只要把脏衣物扔进去，它会跟你洗得干干净净，衣物毫无损伤，最后出来的就是一件完全可以直接穿的衣服。人家不满足于简单的甩洗，于是就产生了现在的全自动洗衣机。本课题就是研究的全自动洗衣机的结构、工作原理以及它的核心控制系统。

【关键词】全自动洗衣机可编程控制器系统

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Full automatic washing machine automatic control system

design

【Abstract】Washing machine is a modern family in common use in the machine, it is the

crystallization of human wisdom, it is used to help people out hands save the physical strength.As long as the dirty clothes to throw, it will follow you clean clothes, no damage, the final is a completely can wear clothes.People not satisfied with the simple flings the wash, and then the now fully automatic washing machine.This paper is the study of the automatic washing machine of the structure, working principle and its core system.

【Key words】Fully-auto Washing Machine Programmable Controller

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System

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引言

从古到今，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动，而在洗衣机出现以前，对于许多人而言，它并不像田园诗描绘的那样充满乐趣，手搓、棒击、冲刷、甩打?这些不断重复的简单的体力劳动，留给人的感受常常是：辛苦劳累。于是人类想怎样用身边的材料来帮人们干活,来减轻人们的体力劳动。

洗衣机就是人类智慧的结晶，它用来帮助人们解脱双手节省体力。随着时代的发展人们并不满足那些简单的机器，想只要把脏衣物扔进去，它会跟你洗得干干净净，衣物毫无损伤，最后出来的就是一件完全可以直接穿的衣服。于是就产生了现在的全自动洗衣机。

1858年一个叫汉密尔顿·史密斯的美国人在匹茨堡制成了世界上第一台洗衣机。洗衣机的主件是一只圆桶，桶内装有一根带有桨状叶子的直轴。轴是通过摇动和它相连的曲柄转动的。因为使用费力且易损伤衣服而没被广泛使用。却标志了用机器洗衣的开端。 19世纪末期的洗衣机已发展到一只用手柄转动的八角形洗衣缸，洗衣时缸内放入热肥皂水衣服洗净后由轧液装置把衣服挤干。

1880年美国又出现了蒸气洗衣机蒸气动力开始取代人力蒸汽洗衣机之后水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现

1910年美国的费希尔在芝加哥试制成功世界上第一台电动洗衣机。电动洗衣机的问世标志着人类家务劳动自动化的开端。

1922年美国玛塔依格公司改造了洗衣机的洗涤结构把拖动式改为搅拌式使洗衣机的结构固定下来这也就是第一台搅拌式洗衣机的诞生。

第一台自动洗衣机于1937年问世首先由英国研制并推出了一种喷流式洗衣机 1932年美国本德克斯航空公司宣布，他们研制成功第一台前装式滚筒洗衣机，洗涤、漂洗、脱水在同一个滚筒内完成。这意味着电动洗衣机的型式跃上一个新台阶，朝自动化又前进了一大步

1955年，在引进英国喷流式洗衣机的基础之上，日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。波轮式、滚筒式、搅拌式在洗衣机生产领域三分天下的局面初步形成了。

70年代后期，以电脑实际上是微处理器控制的全自动洗衣机在日本问世开创了洗衣机发展史的新阶段。

80年代“模糊控制”的应用使得洗衣机操作更简便，功能更完备洗衣程序更随人意外观造型更为时尚。

此后，随着电机驱动技术的发展与提高，日本生产出了电机直接驱动式洗衣机，省去了齿轮传动和变速机构，引发了洗衣机驱动方式的巨大革命。

本文就是研究现代的全自动洗衣机的设计过程，让新一代的洗衣机更智能更人性化。由于本毕业设计着重于PLC的设计，作者在外部设备的选择说明较少，而对PLC的设计上用墨较多。

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1. 全自动洗衣机的基本结构

1.1全自动洗衣机的种类及特点

全自动波轮洗衣机内部结构图如图1-1

图1-1全自动波轮洗衣机内部结构图

2. 滚筒式洗衣机有如下特点：

1）磨损低，没有缠绕，机械传动部分简单可靠，寿命长于波轮式洗衣机。

2）自动化程度高，可以自动投放洗衣粉，漂白粉等，为不同质地的棉制品，化纤制品，羊毛制品设计了不同的洗涤程序和洗涤温度，使洗涤更为科学。设有防皱浸泡功能，可将洗好的衣物浸泡在清水里，到晾晒前再甩干，避免衣物甩干后不能及时取出晾晒而起皱。

3. 搅拌式洗衣机具有如下特点：

1）省水，省洗衣粉。滚筒式洗衣机不需要水位高过衣物，从而可节约用水，并可减少洗衣粉的投放量。

2）高温洗涤有一定的灭菌作用

洗涤过程噪声小，滚筒式洗衣机属封闭式洗涤，可以有效屏蔽内桶转动声和水流声。而波轮式洗涤的水流声，脱水内桶转动声是不可避免的且刹车装置和电磁阀动作声音也很大

由于滚筒式洗衣机的价格大大高于波轮式洗衣机，所以波轮式洗衣机仍然受到普遍欢迎。波轮式洗衣机的特点：

程序控制器。新推出的波轮式全自动洗衣机均采用单片机程序控制器，原来的机械式程序控制器基本上已被淘汰。各厂家生产的各种型号的波轮式全自动洗衣机的控制程序有

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所不同。如在模糊控制的洗衣机中，单片机通过采集水位传感器，布量传感器，光传感器的信号以及电动机的转速，判断出衣物的质地，多少，赃物程度，从而自动调整对衣物进行合理的洗涤。

本课题是选择波轮式全自动洗衣机来做研究的。

1.2全自动洗衣机的系统

1.2.1洗涤脱水系统

它主要有盛水桶，洗涤桶和波轮组成。盛水桶又称为外桶，主要用来盛放洗涤液。盛水桶固定在钢制底板上，通过4根吊杆悬挂在洗衣机箱体上。电动机，离合器，排水阀等部件都装在桶底下面。洗涤桶又称为脱水桶或者离心桶，也称为内桶，它的主要功能是用来盛放衣物，在洗涤或漂洗时配合波轮完成洗涤或漂洗功能，在脱水时便成为离心式的脱水桶。波轮是全自动洗衣机中对衣物产生机械作用的主要部件。按波轮的形状来分，基本上有小波轮（直径在160mm左右）的涡卷式水流和大波轮（直径在300mm左右）新水流两类。

1.2.2排水和进水系统

波轮式全自动洗衣机的进排水系统都采用了电磁阀控制。为了对桶内的水位进行检测和控制，洗衣机上都安装有水位控制器（水位开关）。波轮式全自动套桶洗衣机使用最多的水位开关是空气压力式开关，主要有气压传感器装置，控制装置及电触点开关3部分组成，用来监视水位的高低。此外电磁阀分进水和排水电磁阀，进水电磁阀是洗衣机上的自动进水开关，它受水位开关动断触点的控制。而排水电磁阀是全自动洗衣机上的自动排水装置，同时还起改变离合器工作状态。进水、排水电磁阀是采用电流流过线圈形成磁场的原理，洗衣机电磁阀在进，排水时使用，220V交流电压与电磁阀线圈接通，形成磁场，电磁线圈吸合。自动打开香蕉阀门，洗衣机里的水就顺着管道流出去了。断电后，电磁阀线圈失去电流，磁场消失，电磁铁松开，橡胶阀门自动关闭，洗衣机里的水就流不出去了。

1.2.3电动机及传动系统

波轮式全自动套桶洗衣机的电动机及传动系统主要由电动机和离合器组成，离合器又有普通离合器和减速离合器两种。其中普通离合器用在采用小波轮的套桶洗衣机上，这种洗衣机在洗涤或者漂洗时波轮的转速和脱水时离心桶的转速相同，目前各种大波轮新水流套桶洗衣机普遍采用减速离合器，它在洗涤，漂洗时波轮的转速较慢，而脱水时离心桶的转速较快。电动机同时作为洗涤和脱水时的动力源，普遍采用主，副绕组完全对称的电容式电动机。由于一般全自动套桶洗衣机的额定洗涤容量较大，因此电动机的功率较大。采用减速离合器的全自动套桶洗衣机传动系统的原理如图1-2所示：

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图1-2全自动套桶洗衣机传动系统的原理

1.3全自动洗衣控制系统的选择

现在的市场上全自动洗衣机的控制系统有单片机和PLC控制的现在我们进行这两个系统地比较。

1. PLC系统的基本特点： 1) 使用方便，编程简单； 2) 功能强，性能价格比高；

3) 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强； 4) 可靠性高，抗干扰能力强；

5) 系统的设计、安装、调试工作量少； 6) 维修量小，维修方便； 2.单片机系统的特点：

7) 要求环境，单片机对环境的适应能力较低，可靠性差。

8) 编程和PLC相比难以学习，主要是单片机采用汇编语言或者是C语言，这些高级语言和PLC语言相比，难以学习。

9) 功能单一只具有使用中所需要的功能。但是，它结构简单，处理速度快。 可以得出PLC系统作为本课题的核心控制系统远远胜于单片机控制系统。所以我的课题就选择PLC作为我的全自动洗衣机的核心控制系统。

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2. PLC的基础知识

2.1 PLC的定义

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

2.2 PLC的硬件结构

可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机。 其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为： 1．电源

可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。 2. 中央处理单元(CPU)

中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；

3. 存储器

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 4. 输入、输出接口电路

现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。。

5. 功能模块

如计数、定位等功能模块。 6. 通信模块

2.3 PLC工作原理

当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

1. 输入采样阶段

在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

2. 用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。

3. 输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

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2.4 PLC的应用

1. PLC的应用领域

PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。但最近十多年来，PLC的应用面越来越广，其主要原因是：一方面由于微处理器芯片几有关元件的价格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大增强，它也能解决复杂的计算和通信问题。目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、通信、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、环保和娱乐等行业。

2．本课题PLC的运用功能

本课题应用PLC的控制功能来控制全自动洗衣机的运行，PLC是洗衣机的大脑是它的核心部件。该洗衣机利用PLC的顺序控制、运动控制、过程控制、数据控制、通讯网络来处理软件语言再进行一系列的控制。

2.5可编程控制器的选择

根据控制要求、输入信号及输出信号的数量，经过初略计算，输入点数为7点，输出点数为6点；输入输出信号都是数字量。增加20%备用量，以以便随时增加控制功能：

输入点数为：7×（1+20%）=8.4 输出点数为：6×（1+20%）=7.2

根据I／O点数，可选松下FPO－C16型可编程控制器，其输入点8点，输出点8点，扩展模块可用点数为16。

2.6PLC的设计步骤

开发应用PLC的设计任务分为硬件和软件设计两部分再进行系统调试。 1. 硬件设计主要包括：

1）确定安排PLC的输入、输出点; 2）设计外围电路, 包括主电路;

3）选购PLC 并进行现场安装接线等内容；

2．软件设计, 大多数用梯形图和指令程序, 主要包括:

1）设计控制流程, 根据工艺要求先画出工作循环,如有必要再画详细的状流程图； 2）根据工作循环图, 画出虚拟的电路图——继电器梯形图;按梯形图编写指令程序表； 3．系统调试: 根据设计要求, 对程序进行调试和修改, 必要时还可对硬件进行修改, 直到满足要求

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3.全自动洗衣机控制系统

3.1洗衣机的PLC控制系统概述

全自动洗衣机采用PLC控制系统将大大提高工作效率和适应工作环境的能力。在全自动衣机中，洗衣机洗涤、脱水程序是由单片机为中心控制系统工作的。首先由于单片机的指令系统相对复杂，编写洗涤、脱水程序相对复杂；其次，在设计控制系统硬件时．要有多种电路保护装置，如电流保护、电压保护、过载保护、过热保护及欠压保护等等这样增加了硬件的复杂性，隐含较高的故障率无形地增加了维修成本费用，在各种控制系统中广泛运用的PLC能克服单片机的缺点。它是整体模块，集中了驱动电路、检测电路和保护电路以及通讯联网功能。

因此在运用中，PLC的硬件也相对简单，提高控制系统的可靠性。另外它的编程语言也相对简单。控制系统硬件组成框图如图3-1

图3-1PLC控制系统的硬件组成框图

3.2控制系统的结构

波轮式全自动洗衣机的电气控制系统由于洗衣机型号的不同而不尽相同，但电气控制系统主要有程序控制器，电动机，进水电磁阀，排水电磁阀，水位开关，安全开关及各种功能选择开关等组成的，控制的基本原理也都一样。全自动洗衣机能实现洗衣的自动化，整个洗衣过程都是在程序控制器的“指挥”下进行的。如把离合器比作全自动套桶洗衣机的心脏，则程序控制器就是全自动洗衣机的“大脑”。

3.3控制系统原理

程序控制器中存储着多种程序，一旦通过选择开关选好某种程序后，程序控制器便按这种程序自动实施对电动机，进水和排水电磁阀的控制。安全开关又称为盖开关，在洗衣

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机运行过程中起安全保护作用，它的功能为：在洗衣机工作时误开盖，安全开关便会切断电动机电源，自动中断程序；在脱水过程中如桶内衣物摆放不均匀而产生大幅度振动时，安全开关自动中断脱水过程，启动蜂鸣器。按照采用的程序控制器的不同，波轮式全自动套桶洗衣机的电气控制电路可分为电动机驱动式程序控制器和单片机式程序控制器电路。用PLC控制的全自动全自动洗衣机各种动作的系统结构如图3-2所示：

水位开关 进水阀 PLC 电动机进水阀 排水阀 图3-2洗衣机运动系统结构图

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4．全自动洗衣机的程序设计

4.1 全自动洗衣机工作原理

全自动洗衣机的洗衣桶和脱水桶是以同一中心安放的。外桶固定，作盛水用。内桶可以旋转，作脱水用。内桶的四周有很多小孔，使内外桶的水流相通。该洗衣机的进水和排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀来执行。进水时，通过电动控制系统，使进水阀打开，经进水管将水注入到外桶。排水时，通过电控系统使排水阀打开，将水由外桶排出到机外。洗涤正转、反转由洗涤电动机驱动波盘正、反转来实现，此时脱水桶并不旋转。脱水时，通过电控系统将离合器合上，由洗涤电动机带动内桶正转进行甩干。高、低水位开关分别用来检测高、低水位。启动按钮用来启动洗衣机工作。停止按钮用来实现手动停止进水、排水、脱水及报警。排水按钮用来实现手动排水。

4.2 全自动洗衣机的控制要求

1. 按下起动按钮后洗衣机开始进水；

2. 水满时（水位达到高水位，高水位开关由OFF变为ON）PLC停止进水，并开始正

转；

3. 正转15S后暂停； 4. 暂停3S后开始反转； 5. 反转15S后暂停；

6. 暂停3S后若正、反转未满3次，则返回从正转开始动作； 6. 若正、反已满3次时，则开始排水；

7. 水位信号下降到低水位（低水位开关由ON变为OFF）开始脱水并继续排水； 8. 脱水10S即完成一次从进水到脱水的大循环进程；

9. 若未完成三次大循环，则从进水开始进行下一次大循环； 10. 若完成3次大循环则进行洗完报警； 11. 报警10S后自动停机；

12. 可以按“停止”按钮实现手动停止进水、排水、脱水及报警。

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4.3控制系统顺序功能图

根据全自动洗衣机的空盒子要求我可以绘出洗衣机的空盒子系统的顺序功能图。 如图4-1

图4-1全自动洗衣机控制顺序功能图

4.4 PLC的硬件设计

4.4.1通道分配表、定时器、计数器通道分配表

根据设计要求可以算出PLC的I/O分配表以及定时器计数器分配，如表4-1，4-2

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表4-1全自动洗衣机I/O分配表

输入 名称 启动按钮 停止按钮 高水位开关 低水位开关 手动排水按钮 手动脱水按钮 安全盖开关 符号 地址 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 输出 名称 进水电阀 排水电阀 电机正传接触器 电机反转接触器 脱水电机 报警器 辅助继电器 符号 地址 100.00 100.01 100.02 100.03 100.04 100.05 200.00 SB1 SB2 SQ1 SQ2 SB3 SB4 SQ5 YV1 YV2 KM1 KM2 TS KM3

表4-2全自动洗衣机定时器、计数器分配表

名称 编号 T0000 T0001 T0002 功能 正转洗涤定时 反转洗涤定时 正洗暂停定时 反转暂停定时 脱水定时 报警定时 小循环计数 大循环计数 值 15s 15s 3s 3s 10s 10s 3次 3次 定时器 T0003 T0004 T0005 C0000 计数器 C0001

4.4.2 PLC外部接续图

根据上面得出的I/O分配表我可以绘制出PLC外部接线图，如图4-2

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图4-2外部接线图

4.5 PLC的软件设计

4.5.1控制系统的梯形图设计

根据上面的控制系统顺序功能图、PLC通道分配表、定时器、计数器通道分配表、PLC电路图以及全自动洗衣机的控制要求可以作出控制系统的梯形图来，如图4-3

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图4-3控制系统的梯形图

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4.5.2程序语句表

根据上表和图可以得出全自动洗衣机的程序语句表。如图4-4

图4-4程序语句表

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4.6程序控制过程说明

按下启动按钮SB1，辅助线圈得电，辅助线圈常开触点闭合进行自锁。同时进水电磁阀得电，洗衣机开始进水，进水电磁阀的常开触点闭合进行自锁。当水位达到高水位传感器指定水位时，高水位开关断开，进水停止。同时干水位传感器的常开触点合上洗衣机的正转电机KM1得电正转，同时正转洗涤定时器TIM开始计时。进过15s，正转洗涤定时器的常闭触点断开，正转电机停止，同时接通正转电机的暂停定时器TIM。暂停3s，正转暂停定时器的常开触点合上接通洗衣机的反转电机KM2，同时进行自锁和接通反转电机的定时器TIM。经过15s，接通反转电机暂停定时器TIM，暂停3s后反转电机暂停定时器断开，同时接通正转电机，以此循环进行3次。此时洗衣机正反转小循环计数器得电接通排水电磁阀，洗衣机开始排水，当水位达到低水位传感器的指定水位时，低水位开关SQ2常开闭合同时接通脱水器，此时脱水器定时器接通开始定时，经过10s，脱水定时器的常开触点闭合又接通进水电磁阀，又从头开始进水洗涤。如此大循环反复3次，脱水大循环计数器接通报警器KM，报警器的常开触点合上，使报警定时器得电，同时自锁。10s后报警定时器的常闭触点断开报警停止。洗衣机完成全部过程。如果在洗衣过程中出现故障只要按下停止按钮SB2全部过程将停止。按下手动排水SB3将立行排水，按下手动脱水SB4将立行脱水。

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