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1、课程名称：自动控制元件及线路自动控制元件及线路设计题目：双动力全自动洗衣机的设计双动力全自动洗衣机的设计院系：航天学院控制科学与工程系航天学院控制科学与工程系班级：09041020904102 班班设 计 者：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX学号：xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx指导教师：赵辉赵辉伊国兴伊国兴设计时间：20112011 年年 1212 月月哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）1摘要随着人们生活水平的不断提高，人们对更节能，更人性化的洗
2、衣机的需求越来越大。基于 HT46F49E 的全自动可调温洗衣机控制系统（以下简称全自动洗衣机控制系统） ，是采用模糊控制技术设计的，只需一键操作即可完成洗衣过程，使用方便，更加省时省事，能满足人们对洗衣机节能，性能上的需求。全自动洗衣机控制系统只需人放入衣物后选择脏净程度即可自动完成全部洗衣工作。系统先称出衣物重量，再根据衣物重量和脏净程度自动设定水位、洗涤剂量，洗涤时间和强度等参数，并将所有信息显示在 LCD 上。随后系统进入浸泡阶段，利用时钟芯片控制浸泡时间，并启动温控模块将水温维持在 30 以达到最好的浸泡效果。浸泡结束即开始洗涤过程，电机按照设定的强度正反旋转，使衣物翻转洗涤。洗涤结
3、束后液晶显示结束界面，并发出声光报警。全自动洗衣机控制系统成本低，功能多，效果好，使用方便，符合洗衣机的发展趋势和满足人们对洗衣机的需求，具有很强的实用性和很好的市场前景。关键词：双动力；可调温；HT46F49E；全自动；洗衣机哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）2AbstractWith the continuous improvement of living standard, people growing demand forenergy-saving and intelligent washing machine. Automatic thermostat washing machin
4、econtrol system design based on HT46F49E MCU(hereinafter referred to as automaticwashing machine control system),is designed by tire use of fuzzy control techniques.Just one key to complete the laundry process, easy to use, time-saving save trouble,meet peoples requirements on energy and performance
5、 of the washing machine.Automatic washing machine control system will complete all tire laundry workautomatically after put clothes into and choose the dirty degree. System calculation theclothing weight first, then according to tire weight and the dirty degree withautomatically set the water level,
6、 amount of detergent, washing time ， strengthparameters and all information will be displayed on the LCD. Then the system into thesoaking period and use clock chip control soaking time. Temperature control module isstarted and control the water temperature maintained at 30in order to achieve the bes
7、tresults immersion. After the end of washing liquid crystal display end screen,concurrent sound and light alarmAutomatic washing machine control system, low cost, more features, effective,easy to use, consistent with the development trend of washing machines and to meet theneeds of people for tire w
8、ashing machines. Automatic washing machine control systemhas strong practical and good market prospectsKeywords：dual power，thermostat，HT46F49E，automatic，washing machine哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）3目录摘要.1Abstract.2目录.3第 1 章绪论.51.1课题背景.51.1.1洗衣机的发展历史.51.1.2洗衣机发展现状及前景.61.2设计的内容和意义.61.2.1系统设计的内容.61.2.2系统设计的意义.7第
9、2 章电机的选择.82.1电机选型.82.1.1普通波轮洗衣机.82.1.2洗衣机电机选择.82.2异步电动机.102.2.1异步电机的分类及应用.102.2.2异步电动机的结构特点.102.2.3异步电动机的工作原理.122.2.4单相异步电机.132.3单电机和双电机.18第 3 章传感部分的选择.193.1液位传感器.193.1.1电容式液位传感器.193.1.2集成液位传感器 LM1042.213.1.3谐振式液位传感器.243.1.4全自动洗衣机水位传感器的选择.27哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）43.2称重传感器.283.2.1应变片式传感器的原理.283.2.2平行梁型称重
10、传感器的力学特性.303.3温度传感器.31第 4 章控制系统的设计.324.1芯片选型.324.1.1单片机选型.324.1.2时钟芯片选型.324.1.3电源稳压芯片选型.324.2基础知识介绍.334.2.1HT46XX 系列单片机简介.334.2.2SPI 双机通信.424.2.3HB12864M2A 液晶显示.434.2.4系统设计所用软件介绍.444.3系统硬件的电路设计.454.3.1系统硬件设计总体结构.454.3.2稳压电源模块电路设计.464.3.3温度控制模块电路设计.474.3.4称重模块电路设计.474.3.5时钟模块电路设计.484.3.6电机驱动模块.494.3.
11、7SPI 通信模块电路设计.494.3.8声光显示模块硬件电路设计.504.3.9液晶显示模块硬件设计.514.4系统软件设计.524.4.1系统软件总体设计流程图.524.4.2主机软件设计.54结论.58参考文献.59致谢.60哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）5第 1 章绪论作为人们日常生活中的常见家电，洗衣机已经成为生活中不可或缺的一部分。传统的波轮洗衣机与后来的滚筒洗衣机都已经不能满足人们的各种需求，因此，双动力洗衣机应运而生。Equation Chapter (Next) Section 1同时，随着微控制技术的发展，用单片机或 PLC 来作为控制器，能够很好地满足全自动洗衣机对
12、自动化的要求，并且控制方式灵活多样，控制模式可以根据不同场合的应用而有所不同。自动化技术的飞速发展使得洗衣机由初始的半自动式洗衣机发展到现在的全自动洗衣机。1.1课题背景1.1.1洗衣机的发展历史1874 年美国的比尔布莱克斯通发明了木制手摇洗衣机，这是世界上第一台人工搅动洗衣机。比尔的洗衣机构造极为简单，是在木筒里装上 6 块叶片，用手柄和齿轮传动，使衣服在筒内翻转，从而达到“净衣”的目的。这套装置的问世，让那些为提高生活效率而冥思苦想的人士大受启发，洗衣机的改进过程开始大大加快。1880 年，美国出现了蒸汽洗衣机，蒸汽动力开始取代人力。1911 年美国人又研制了世界上第一台电动洗衣机。电动
13、洗衣机的问世，标志着人类家务劳动自动化的开端。1920 年美国的玛依塔格公司又把洗衣机的木制桶改为制桶体，第二年又把铝制桶体改为外层铸铝、内层为铜板的双层结构。电动洗衣机已经完善，在 1922 年迎来一种崭新的洗衣方式“搅拌式” 。搅拌式洗衣机由美国玛依塔格公司研制成功。这种洗衣机是在筒中心装上一个立轴，在立轴下端装有搅拌翼，电动机带动立轴，进行周期性的正反摆动，使衣物和水流不断翻滚，相互摩擦，以此涤荡污垢。搅拌式洗衣机结构科学合理，受到人们的普遍欢迎。不过 10 年之后，美国本德克斯航空公司宣布，他们研制成功第一台哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）6前装式滚筒洗衣机，洗涤、漂洗、脱水在同一
14、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。直至今日，滚筒式洗衣机在欧美国家仍得到广泛应用。1.1.2洗衣机发展现状及前景目前世界洗衣机年总产量近 5000 万台，而全自动洗衣机的产量呈增长趋势，在技术性能上正向着节水、节能、高效、结构更趋合理的方向发展。微电脑控制功能、新型的洗涤方式、高速脱水以及低噪音等方面都有了很大提高。近几年，我国的洗衣机制造技术得到迅速发展，从生产单桶波轮式、双桶波轮式洗衣机逐步向套桶波轮式全自动洗衣机和滚筒式全自动洗衣机方向发展，其中全自动洗衣机的年产量已占洗衣机总产量的 10% 左右。生产规模不断扩大，技术工艺日趋完善，产品质量稳
15、步提高，因此为了提高全自动洗衣机的功能与性能，我们组想在洗衣机电机运用与选择上对洗衣机的发展有所推动。目前，国内外市场上涌现出了一系列具有创新功能的洗衣机，如海尔的双动力洗衣机、匀动力洗衣机、芯变频洗衣机、复式超静音洗衣机等。本文着重讨论的双动力洗衣机所用的动力模式是世界第四种洗涤动力模式，即令波轮和内筒以相反的力转动，双力驱动产生沸腾水流，可以达到不缠绕减少衣物磨损，洗得更干净的目的。1.2设计的内容和意义1.2.1系统设计的内容本课题主要是对基于 HT46F49E 单片机的全自动可调温洗衣机控制系统的软硬件进行设计。本系统以两片 HT46F49E 单片机为主控芯片，主机读取按键值判断衣物脏
16、净程度，并接收从机采集的重量数据，根据脏净程度和重量自动设定所需水位、洗涤剂量、浸泡时间、洗涤时间和洗涤强度，并将信息显示于液晶显示器上。在浸泡时间开始时主机启动时钟芯片计时并监控水温，将水温维持在 30 度左右。浸泡时间结束后开始洗涤，主机将设定的洗涤强度和洗涤开始命令发送给哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）7从机并重新开始计时，等特洗涤时间结束。从机接收到强度数据和开始命令后，控制电机开始按照设定强度进行洗涤，并等特接收主机的结束命令。当洗涤时间结束后，主机发送结束命令给从机结束洗涤，并在显示器上显示wash over字样。从接收到结束命令后控制电机停止转动，并控制结束指示灯闪烁和蜂鸣器
17、发声，以通知洗涤结束。综合上述内容，本系统设计的主要任务有以下七点：第一，LCD 显示模块设计，通过该模块将系统信息显示出来。第二，独立键盘模块设计，通按键选择衣物脏挣程度。第三，时钟模块设计，通过 DS1302 实现定时功能，控制浸泡和洗涤时间。第四，水温控制模块设计，通过温度传感器实时采集水温并自动判断是否启动加热器加热。第五，称重模块设计，通过称重传感器采集重量模拟信号，再经过 AD 转换得到数字信号， 通过算法将数字信号转换成以 Kg 为单位的数据便于显示。第六，电机控制模块设计，单片机通过 L298 电机驱动芯片控制电机的停转和转动速度。第六，声光显示模块设计，从机直接控制 LED
18、和蜂鸣器的开端，产生声光信号通知洗涤结束。第七，SPI 双机通信模块设计，通过通信协议实行双机通信，交换数据和命令信息。1.2.2系统设计的意义本全自动可调温洗衣机所需人为操作少，只需选择衣物脏净程度即可自动完成所有设定。根据衣物重量和脏净程度自动就算所需水位，洗涤剂用量，浸泡时间，洗涤时间和洗涤强度。本洗衣机控制系统设计思想类似于模糊控制技术，只需一键操作即可完成洗衣过程。因此本洗衣机具有更省电，更省水，更环保，更智能的特点。现在洗衣机的发展趋势是更智能，更高效环保，静音，所以本洗衣机具有很好的市场前景。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）8第 2 章电机的选择2.1电机选型2.1.1普通波
19、轮洗衣机2.1.1.1 波轮洗衣机介绍波轮式洗衣机是洗衣机的一种，由电动机带动波轮转动，衣物随水不断上下翻滚。洗涤衣物有单桶、套桶、双桶几种。它的结构比较简单，维修方便，洗净率高，但对衣物磨损率大，用水多。目前随着科技发展，出现了电脑控制的新水流洗衣机，采用大波轮、凹型波轮等。Equation Chapter (Next) Section 12.1.1.2 结构及工作原理结构：由洗衣桶、电动机、定时器、传动部件、箱体、箱盖及控制面板等组成。工作原理：波轮式洗衣机工作原理：依靠装在洗衣桶底部的波轮正、反旋转，带动衣物上、下、左、右不停地翻转，使衣物之间、衣物与桶壁之间，在水中进行柔和地摩擦，在洗
20、涤剂的作用下实现去污清洗。2.1.2电机选择根据系统设计要求，电机的选取的特点主要是起动转矩大、起动电流小、过载能力强、效率高、运转平稳、重量轻、体积等，可以选择无刷直流永磁电机、异步电机、步进电机等。根据洗衣的工作原理得知其电机主要是控制波轮的启动、停止和正反转。由此，我们可以选择单相异步电机作为普通波轮洗衣机的电机，来实现洗衣机的正常工作。单相异步电机使用单相交流电源，具有结构简、成本低、噪声小、电磁干扰小等优点，大量应用与只有单相交流场所，如家用电器、医疗器械、小型机床和仪器设备。单相交流异步电机，是目前洗衣机普遍采用的电机，原因很筒单，因为它的原理、构造已经普及，制作工艺已很成熟，而且
21、，应用在洗衣机上已有几哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）9十年历史。但由于这种电机是恒速运转，工作时需要通过皮带传动及减速离合器完成速度、力矩的转换，再分别完成洗衣机的洗涤、脱水动作。普通波轮洗衣机的电机的功率一般在 300 瓦左右，同时根据节能和环保的理念，我们可以选择具有噪音低、升温低、功率大以及维护方便的优点的 YC 系列单值电容起动单相异步电动机。同时该电机具有产品结构简单，运行可靠，具有起动转矩大、过载能力强的特点。因此，YC 系列的单相异步电机非常适合我们家用电器电机的设计理念。设计洗衣机长宽高6006001000mmmmmm，内筒的直径D480mm，深H640mm，设定内筒的最
22、大水容量2/ 2VDH则最大总质量MV我们选择 YC801-2 型号的电机， 该电机的功率为 0.37Kwh， 转速为 2800r/min，电流 3.4A，电压 220V，频率为 50Hz。电机选择电机选择电机类型：电机类型：输入功率：输入功率：输出功率：输出功率：最大转矩：最大转矩：使用寿命：使用寿命：最大电流：最大电流：选择型号：选择型号：哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）102.2异步电动机2.2.1异步电机的分类及应用直接使用交流电的电动机称为交流电动机。 按工作原理可分为异步电动机 （或称感应电动机）和同步电动机。按使用的电源或绕组的相数可分为三相电机、两相电机和单相电机。生产中作
23、为动力使用的中小型电机绝大部分是三相异步电动机。使用单相电源的家用电器和小功率设备的微型电机大部分是单相异步电动机，而其中绝大部分电机的绕组是两相绕组，工作原理与两相电机有相同之处。控制系统中应用的两厢伺服电动机功率小，一般在几十瓦以内。与直流电动机相比，交流电动机具有如下优点:1)由于没有换向器和电刷，可以消除有它引起的一系列缺点，如消除了换向器火花引起的电磁干扰，消除了电刷和换向器间的摩擦力矩，明显减少了对电机的维护工作和降低了对工作环境的要求。2)转矩、转速和功率不受电机换向条件的限制，可以制成高转速、大转矩和大容量电机。3)结构简单，坚固耐用。4)电源容易获得。2.2.2异步电动机的结
24、构特点异步电动机的结构主要分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）两部分，如图 2-1 所示。定、转子之间的空气间隙称为气隙。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）11图 2-1鼠笼转子异步电动机结构图1.轴 2.前端盖 3.定子绕组 4.定子铁心5.转子铁心 6.外壳 7.后端盖定子包括机座、定子铁心、定子绕组等部分。机座就是电机的外壳，它是电机的主支架，其作用是固定和保护定子铁心和定子绕组，并支撑两个端盖。定子铁心由定子冲片叠压装配而成，并固定在机座内。定子冲片由硅钢片冲制的，形状如图 2- 2 所示。图 2-2转子铁心冲片图 2-3定子铁心冲片普通电动机转子的结构主要分为鼠笼式和绕线式两种。
25、转子包括转轴、转子铁心和转子绕组三部分。转子铁心也是由硅钢片叠压而成。鼠笼转子冲片形状如图 2-3 所示，一般是利用制造定子冲片时冲下来的中间部分冲制成的。鼠笼转子每个槽内装有一根导线，称为导条，导条两端有两个短路环把所有导条连在一起，构成了闭环的转子绕组。如果去掉铁心，整个转子绕组形成一鼠哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）12笼状如图所示， “鼠笼转子”即由此得名。铜条鼠笼转子铸铝鼠笼转子图 2-4鼠笼绕组鼠笼式电动机由于构造简单、价格低廉、工作可靠、使用方便、成为生产上应用得最广泛的一种电动机。2.2.3异步电动机的工作原理假设把一个能够自由转动的鼠笼转子放在一个两极的永磁体中间，这个磁
26、体也是能够转动的，他按顺时针方向以的转速旋转，如图所示。这个旋转的磁体形成一个旋转磁场，他的磁力线顺时针方向切割转子导条，在转子导条中产生感应电势。电势的方向，相当于磁场不动而转子导条方向切割磁力线时产生的电势方向，根据右手定则可画出感应电势方向如图 2-5 所示。由于鼠笼转子的导条都是通过短路环连接起来，因此在感应电势作用下，在转子导条中就会有电流流过，电流方向和感应电势方向相同。由于通电导体在磁场中要受到力的作用，所以转子载流导条要与磁场相互作用产生电磁力，这个电磁力 F 作用在转子上，对转轴形成电磁转矩。根据左手定则可以判定转矩的方向与磁场转动的方向是一致的。因此鼠笼转子便在电磁转矩作用
27、下顺着磁场旋转的方向转动起来。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）13图 2-5异步电动机工作原理只要转子转轴上存在阻力距，为了使转子连续转动，转子绕组中必须有一定大小的电流以产生足够的电磁转矩区克服阻力距，转子转速必须低于旋转磁场的转速。如果转子转速等于旋转磁场的转速，则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，这时转子导条中的感应电势、电流以及电磁转矩就都不存在了。而转子转速比旋转磁场转速低多少，这与机械负载的阻转矩有关。这就是异步电动机的工作原理。 “异步”就是不同步的意思，它指明这种电动机转子的转速与旋转磁场的转速有差异。在实际的异步电动机中，旋转磁场并不是由旋转的磁体产生的，而是由定子绕组中
28、的电流产生的。2.2.4单相异步电机2.2.4.1 介绍单相异步电动机使用单相交流电源，具有结构简单、成本低、噪声小、电磁干扰小等优点，大量应用于只有单相交流电的场所，如家用电器、医疗器械、小型机床和仪器设备。它的基本结构与其他异步电动机相同，包括定子和转子两大部件。转自结构都是鼠笼式的，定子铁心也是由硅钢片叠压而成，定子铁心上嵌有定子绕组。单相绕组通以单相交流电时产生的磁场是买真磁场，没有启动转矩。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）14为了使电机能自行启动和改善运行性能，单相异步电动机定子铁心上除了有电机正常运行时不可缺少的工作（主）绕组外，还常常装有启动（副）绕组，这是它属于两相绕组电机
29、。2.2.4.2 工作原理单相异步电动机的工作绕组和前面所述两相伺服电动机中的一相是相同的。当单相异步电动机只有工作绕组通交流电时，电机的运行情况与单向运行状态是相同的。由于驱动用单相异步电动机转子电阻比较小，所以单相电动机单相运行时的电磁转矩 T 和转差率 s 的关系曲线如图 2-6 所示。图 2-6单相异步电动机的 T-s 曲线由图可以看出：单相绕组的异步电动机启动时电磁转矩为零，故不能自行启动，必须采用专门措施解决启动问题。当转速不为零时，正、负电磁转矩不相等，合成电磁转矩不为零，它将使电机沿启动后的转向旋转。因此单向运行的异步电动机正、反两个方向都可以旋转，运行时旋转方向依启动时转动方
30、向而定。单相异步电动机转速不为零时气隙中的合成磁场不是脉振磁场，而是椭圆形旋转磁场。当电机接近于同步转速时，气隙合成磁场接近于圆形旋转磁场，电机性能要好一些。由于单相异步电动机运行时，气隙中存在着反向的旋转磁场，使得电机最大电磁转矩减小，过载能力降低，转子铜耗和铁耗增加，因而单相异步电动机的效率和功率因数均比三相异步电动机低。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）152.2.4.3 单相异步电动机的分单相异步电动机的主要优点是使用单相交流电源，但是单相异步电动机起动时又要求在两相绕组中通入相位不同的两相电流。如何把定子绕组中的电流相位分开即“分相”是单相异步电动机必须解决的首要问题。根据分相方法
31、的不同就有不同类型的单相异步电动机。1.电阻分相起动异步电动机电阻分相起动异步电动机的副绕组通过一个离心开关和主绕组并联接到单相电源上，如图 2-7 所示。为使定子两相绕组中电流存在相位差，在设计上使两相绕组的阻抗不等，接在同一电源上可导致副绕组中电流的相位超前主绕组中电流的相位，达到分相的目的. 达到分相的目的。这种异步电动机由于受到绕组的制约两相绕组中电流的相位差不大，因而起动转矩不大。图 2-7电阻分相起动异步电动机a）电动机结构b）相量图2. 电容分相起动异步电动机电容分相起动异步电动机是在副绕组中串联电容再通过一个离心开关和主绕组并联接到单相电源上，如图 2-8 所示。由于电容的作用
32、副绕组回路的阻抗呈容性，而主绕组回路的阻抗呈感性，从而导致两相绕组中电流的相位差较大。因此电容分相起动异步电动机具有较大的起动转矩。电容分相起动异步电动机改变转子旋转方向的方法与电阻分相起动异步电动机的一样。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）16图 2-8电容分相起动异步电动机a）电动机结构b）相量图3.电容运转异步电动机在电容运转异步电动机中，副绕组不仅在起动时起作用，而且在电动机运转时也起作用，长期处于工作状态，因而实际上是两相电机，电动机定子接线如图2-9 所示。这种电机电容的选择是按照运行时考虑的，要求在运行时磁动势接近于圆形旋转磁动势，以提高电机的运行性能。但在起动时磁动势椭圆度较
33、大，造成起动转矩较小，而起动电流较大。图 2-9电容运转异步电动机4.电容起动与运转异步电动机为了使电动机在起动和运转时都能得到比较好的性能，在副绕组中采用两个电容的并联，如图 2-10 所示。电容C是运转时使用的，电容SC是在电动机起动时使用的，它与起动开关串联后再与电容C并联。起动时串联在副绕组回路中的总电容为C+SC，比较大，可以使电机气隙中的旋转磁动势接近于同步转速时，起哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）17动开关动作，将电容C切除，从而使电动机在运行时，气隙中的旋转磁动势也接近于圆形旋转磁动势。电容起动与运转的单相异步电动机，与电容起动的单相异步电动机相比较，起动转矩和最大转矩有所
34、增加，功率因数和效率有所提高，电动机的噪音较小，所以它是单相异步电动机中最理想的一种。图 2-10电容起动与运转异步电动机5. 罩极式异步电动机罩极式异步电动机的定子铁心多制成凸极式，由硅钢片叠压而成，每极上装有集中的绕组,即主绕组，在每极的极靴一边开有小槽，在小槽中嵌入短路铜环，,将部分磁极罩起来，转子是鼠笼式结构，如图 2-11 所示。图 2-11罩极式异步电动机哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）182.3单电机和双电机1.单电机：用一个步进电机，通过齿轮传动，实现反转、变速等、实现洗衣机的搅拌、脱水等功能。2.双电机：使用两个步进电机，通过控制两电机实现洗衣机的各项功能。3.选择：通过
35、比较，使用单电机的控制精度和灵活性等不及双电机，但按数量和市场价格，单电机的优势很明显，所以我们选择单电机来做洗衣机的动力源。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）19第 3 章传感部分的选择传感器作为测量或监测系统的首要环节，是获取准确、可靠信息的重要手段。在全自动洗衣机中，传感器可以测量出水位、衣物重量等信息，并将测得的数据送到控制部分，经控制部分分析处理后转化为控制信号后，再驱动电机等进行工作，因此，传感器部分是洗衣机整体结构中的重要环节。下面将分别详细地分析讨论洗衣机中水位传感器及衣物重量传感器、温度传感器的选择。3.1液位传感器液位传感器又称液位变送器、水位传感器，是一种测量液位的传感
36、器。液位传感器主要用于测量洗衣机机筒内的水位，进而提供给控制系统选择令其发出洗衣指令。液位传感器有多种，包括电容式液位传感器、静压投入式液位传感器、雷达液位传感器、超声波液位传感器、浮球式液位传感器以及磁翻板式液位计、磁致伸缩式液位传感器等。Equation Chapter (Next) Section 1下面将详尽的阐述几种常见的可用于洗衣机的液位传感器的特点及应用，并从中选择合适的传感器作为洗衣机上的水位测量工具。3.1.1电容式液位传感器电容式传感器利用了非电量的变化转化为电容量的变化来实现对物理量的测量。电容式传感器广泛应用与位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，并正逐步扩大到压
37、力、压差、液面、成分含量等方面的测量。3.1.1.1 电容式液位传感器的原理电容式传感器的基本工作原理可以用最普通的平行极板电容器来说明。两块互相平行的金属极板，当不考虑其边缘效应时，其电容量为：ACd* MERGEFORMAT (3-1)公式中，为电容极板间介质的介电常数，A为两平行板所覆盖的面积，d为两平行板之间的距离。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）20因此只要改变其中的一个参数，就会引起电容量的变化，根据这一电容结构关系可构成变极距电容传感器，变面积型电容传感器或变介质型传感器。用于测量液位的电容式传感器，是利用容器中的物料为恒定的介电常数时，极间电容正比于液位的原理而构成的，并应
38、用电子学方法测量电容值，从而探测液而位置信息。特点是液位测量只与电容结构有关，与物料的密度无关。根据这一特点，采用圆筒形结构构成变面积型的液位传感器，这种传感器结构的探头是由两个电极极板构成，通过气、液或料相介质的高度不同引起极间电容改变来探测物面位置的。其结构十分简单轻巧，便于安装、维护与使用。电容式液位传感器的电极结构如图 3-1 所示。若忽略边缘效应，图中所示传感器的电容量与被测量的关系为00212122 ()ln(/)ln(/)xhhCrrrr * MERGEFORMAT (3-2)式中，h为极筒重合部分的高度；xh、分别为被测液面的高度和它的介电常数；12rr、分别为内极筒外半径和外
39、极筒内半径；0为空气的介电常数。图 3-1 电容式液位传感器的结构图中的电容式液位传感器是将一根金属棒插入承装液体的容器内，金属棒作为电容的一个极，容器壁作为电容的另一极。两电极间的介质即为液体及其上面的气体。由于液体的介电常数1和液面上气体的介电常数2不同，假如12，则当液位升高时，两电极间总的介电常数值随之加大，因而电容量增大。反之，当液位下降时，介电常数减小，电容量也减小。哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）213.1.1.2 电容式液位传感器的特点电容式液位传感器具有许多突出的优点：结构简单，动态响应好，灵敏度高，体积小，高频特性好，并能在高温辐射和强烈振动等恶劣环境下工作。电容式液位
40、仪价格较低，安装容易，可用于高温高压的场合，但是其测量的重复精度较低，需定期维修和重新标定，工作寿命也不是很长。电容式液位计的灵敏度主要取决于两种介电常数的差值。如果被测介质具有导电性，则电容的两极必须都有绝缘层覆盖。电容式液位传感器的电容值以及电容变化值都十分微小，电容传感器的电容值一般为 pF 级，为了测量如此小的电容，必须借助专门设计的测量电路检出这一微小电容增量，将这检测出的电容值的变化转换为正比于电容值的频率、电压或电流的变化。3.1.1.3 小结本次设计的洗衣机如果选用电容式液位传感器，则需要将电容的两极板插入到洗衣机的机筒中，并且由于水具有导电性，应在电容的极板表面涂绝缘层。由式
41、知，电容器的电容C和液位xh具有良好的线性关系，因此该传感器具有良好的线性特性。然而，只有液体与空气介电常数保持恒定，才能完美地保证传感器的这种特性。虽然洗衣机在洗衣物时，水的浑浊程度是在不断变化的；另外，不同地域的水质、温度都不相同，介电常数也有一定差异，但是，利用电容式液位传感器来测量要求精度不高的洗衣机中的水位还是可行的。3.1.2集成液位传感器 LM1042LM1042 是美国国家半导体公司(NSC)推出的集成液位传感器。它内含模拟开关、放大器、锯齿波发生器、电平检测器、恒流源、重复振荡器、探头故障检测器等电路。可适配两只热敏电阻探头。其内部的探头故障检测器和电平检测器可以监测探头的工
42、作状态，并具有复位和延迟开关功能，并可实现电路的切换和抑制瞬间干扰。利用外接的热敏电阻探头在液体和空气中的不同热阻，便可实现对各种液体液面高度的测量。其模拟电压输出端可输出与液面高度成线性关系的电哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）22压信号，电压范围为+0.2+6 V，最大输出电流可达 10 mA，可以直接驱动模拟式指示仪表，也可以配数字电压表以显示其测量结果。其内部的重复振荡器可以进行单次测量和多次测量模式的选择。3.1.2.1 引脚功能及内部结构LM1042 采用 N16A 封装。其引脚排列如图 3-2 所示，各引脚的功能如下：图 3-2LM1042 引脚图UGND、：分别接电源正极和公
43、共地，电源电压范围为+7.5+18 V，典型值为+12 V；1TR IN：为主探头的输入端，主探头要经0.1 F的电容与该端相连；EBVTVT、：分别接外部晶体管的发射极和基极，以通过晶体管给主探头提供200mA 的恒定电流；TR DETE：探头故障检测输入，可检测主探头的开路、短路故障；2TR IN：辅助探头或其它非线性信号输入端，输入范围为 l5V；TR CONT：为探头选择及控制端，该端接低电平时，选择主探头并启动定时周期，该端接高电平时，选择辅助探头；OSCC：为重复振荡器的外接振荡电容端，该端不接振荡电容 C 时，探头只进行单次测量，而当接上振荡电容 C 时，则可进行多次测量。振荡电
44、容一般取 22 F；CADJ：为辅助探头内部放大器的电压增益调节端；1OBUF、： 分别为电源调节器的输出端和反馈端， 当两端短接时：6OUFBV，而当两端接电阻时，即可对进行调整；TTCR、：分别为锯齿波发生器的定时电容、定时电阻接入端，改变 CRT 可设哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）23定锯齿波的周期；MEMC：为记忆电容接人端，当该端接上电容时，就可对主探头内部放大器的输出电压进行长时间的保存；2OU：主探头和辅助探头的模拟电压输出，最大输出电流达+10mA；LM1042 传感器内部主要包括 5 个放大器(1A5A)、3 个模拟开关(1S5S)以及探头故障检测器、电平检测器、锯齿波
45、发生器、控制逻辑与锁存器、电源调节器、恒流源、重复振荡器等电路。3.1.2.2 工作原理LM1042 的测量原理电路如图 3-3 所示。LM1042 的EBVTVT、分别接晶体管VT的发射极和基极，以通过晶体管VT给热敏电阻探头提供恒定的工作电流。图 3-3LM1042 的测量原理电路热敏电阻探头的一部分放入待测液体中，一部分暴露在空气中。当探头通人工作电流时，由于空气的热阻远大于液体的热阻，因此，热敏探头的上下两部分的温度变化量、电阻变化量及电压变化量均不相同，这样，就可据此求出液面高度与电压变化量之间的关系。设热敏探头的总高度为H，空气中的高度为1H，液体中的高度为2H，那么，当恒定的工作
46、电流通入探头时，在H、1H、2H上单位长度上的电压变化量将分别为：U、1U、2U，这样则有：1122(/)(/)UHHUHHU* MERGEFORMAT (3-3)哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）24最后便可求得液体的高度为：2121()/()HUUHUU * MERGEFORMAT (3-4)因此，要测量某种液体的液面高度，只需预先对探头进行标定，并求出H的值及1U、2U的值。然后在一个测量周期内对探头两端的电压U进行采样，并将该采样值由1TR IN端输入，经 LM1042 内部电路处理后，由2OU端输出与液面高度H成线性关系的电压信号。3.1.2.3 选择的可行性LM1042 有如下特
47、点：可以选择热阻或线性信号作为输入；集成有热阻探针的控制电路；可单次测量或重复测量；在复位时切换，延时功能可避免瞬态信号的影响；具有探针短路、开路检测功能；电源或控制端具有 50 V 的瞬态电压保护电路；电源范围 7.518 V；内部有电源调节器；可在-40+80的工作范围内工作。集成液位传感器 LM1042 性能优良，价格低廉，被广泛使用与液位监测当中。在洗衣机的控制中，可以将其输出的模拟信号直接传给控制芯片，令控制芯片处理后，发出指令。由于其具有良好的线性功能，故也不失为洗衣机用水位传感器的不错选择。3.1.3谐振式液位传感器谐振式液位传感器，采用了新型的传感原理，把液位的高低，通过液位传
48、感器直接变成液位与频率的对应关系。3.1.3.1 结构与工作原理液位传感器的结构如图 3-4 所示。图中洗衣捅的液位H转换成导管口中的气压，通过引入嘴进入传感器气室，气室上面是封闭的，与液位H成正比的气压，被传到隔膜上，导板嵌装在隔膜上，当液位H上升时，气压增大，导板向上移动，当液位H下降时，气压降低，在弹簧的作用下，导板向下移动。导板中心有导向轴，受外壳的支撑点限位，使导板哈尔滨工业大学课程设计说明书（论文）25上下平行移动，不致偏移。导板上有固定支架，装有磁性元件，在导管内气压作用下导板上下平行移动时，带动磁性元件使其与线圈之间的相对位置发生变化，因此线圈的电感量发生变化。该电感与电容组成
49、三点式振荡电路，振荡的固有频率，将随液位的变化而变化，故称为谐振式液位传感器。图 3-4 液位传感器结构示意图3.1.3.2 液位与频率对应关系的建立在测量较小液位时，所形成的压力将远小于大气压，因此由此引起检测内腔的空气体积变化很小，及气腔内外的压差为pH * MERGEFORMAT (3-5)式中，为液体的密度；H为液的高度。压差p作用于薄膜上，驱动磁芯位移X，磁芯同时受到弹簧的反作用力，压差形成的驱动力为1Fp S * MERGEFORMAT (3-6)式中，S为薄膜的有效面积。弹簧的反作用力为2FKX* MERGEFORMAT (3-7)式中，K为弹性系数。哈尔滨工业大学课程设计说明书
50、（论文）26当12FF时位移停止，由HSKX得SXHA HK* MERGEFORMAT (3-8)由此可见，液位H与位移X成线性关系，磁芯在线圈中位移X，将引起电感量的变化，已知磁芯与线圈如图 3-5 所示。图 3-5 磁芯与线圈电感L由下式决定22220(1)/aLNa RX r aa* MERGEFORMAT (3-9)式中，N为线圈匝数；0为空气导磁率（70410/Hm） ；a为磁芯导磁率；R为线圈平均半径；ar为磁芯有效半径；a为线圈长度。该线圈电感与电容器12CC、组成三点式振荡电路，取12CCC，其振荡频率为(1/ 2)fL C* MERGEFORMAT (3-10)把 式 、 式