基于PLC 的全自動(dòng)洗衣機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮美艷，李春陽(yáng)，董瑩瑩

（1.安陽(yáng)學(xué)院航空工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000；2.安陽(yáng)縣職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，河南 安陽(yáng) 455000）

引言

市場(chǎng)上的全自動(dòng)洗衣機(jī)第一需要自己設(shè)置清洗時(shí)間、水量對(duì)于老年人來(lái)說(shuō)操作比較麻煩，第二系統(tǒng)都是默認(rèn)一次洗滌之后直接將水排出比較浪費(fèi)水資源，第三清洗模式單一，洗衣機(jī)清洗力度大洗的干凈但是會(huì)損壞面料，不損壞面料的洗衣機(jī)又洗不干凈[1]。本文提出了一種水位可以根據(jù)衣物重量自行設(shè)定的全自動(dòng)洗衣機(jī)系統(tǒng)，且該系統(tǒng)具有強(qiáng)力洗、普通洗和單洗滌等多種模式，居民可以根據(jù)自身需要選擇操作模式。該系統(tǒng)的操作過(guò)程為啟動(dòng)電源、選擇洗衣模式和啟動(dòng)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由按鍵系統(tǒng)、數(shù)碼管顯示系統(tǒng)、PLC 控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)和電源系統(tǒng)七部分組成[2]。按鍵系統(tǒng)與PLC 控制系統(tǒng)通信決定洗衣機(jī)進(jìn)入什么洗滌模式，數(shù)碼管顯示系統(tǒng)顯示當(dāng)前清洗模式的倒計(jì)時(shí)。PLC 控制系統(tǒng)控制注水電磁閥、排水電磁閥的通斷，電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)和洗衣機(jī)的洗滌模式[3]。傳感器系統(tǒng)用來(lái)監(jiān)測(cè)衣物重量和洗衣機(jī)溫度。電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)根據(jù)PLC 控制系統(tǒng)指令正反轉(zhuǎn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要有三菱FX2NPLC 模塊、電源模塊、按鍵模塊、數(shù)碼顯示模塊、報(bào)警模塊和傳感器模塊組成[4]。按鍵模塊用以控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)、洗滌模式的選擇和中途加衣。數(shù)碼顯示模塊主要用于倒計(jì)時(shí)。PLC控制模塊用于控制注水、排水電磁閥、電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)[5]。

2.1 PLC 控制模塊

PLC 控制系統(tǒng)采用三菱FX2N 系列PLC。FX2N系列PLC 帶有8 kbyees 存儲(chǔ)器、200 個(gè)通用定時(shí)器、64 個(gè)I/O 口，支持RS-232C、RS-485 通信。FX 系列PLC 可以實(shí)現(xiàn)在線修改程序，操作簡(jiǎn)單。

2.2 按鍵模塊

按鍵模塊通過(guò)UART 與PLC 進(jìn)行通信。按鍵模塊主要分三部分：一是電源按鍵。控制整個(gè)系統(tǒng)的啟停。二是啟動(dòng)/暫停/按下3 s 暫停系統(tǒng)并開(kāi)門(mén)按鍵。主要用以選擇好系統(tǒng)模式后啟動(dòng)系統(tǒng)和中間添加衣物。三是選擇洗衣模式，并將選擇的模式發(fā)送到PLC控制系統(tǒng)。若按下15 min 速洗按鍵X0 則進(jìn)入15 min 速洗模式，若按下30 min 正常洗按鍵X1 則進(jìn)入30 min正常洗模式，若按下單洗滌按鍵X6 或X7 則系統(tǒng)進(jìn)入只洗滌不排水模式等。各按鍵的功能如表1 所示。

表1 各按鍵功能

2.3 數(shù)碼顯示模塊

數(shù)碼顯示模塊采用三個(gè)數(shù)碼管來(lái)顯示洗衣機(jī)在當(dāng)前工作模式下剩余工作時(shí)間。

2.4 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊主要是有蜂鳴器和放大器組成。當(dāng)放置衣物質(zhì)量大于8 kg 是蜂鳴器報(bào)警。當(dāng)某種模式執(zhí)行完畢時(shí)，蜂鳴器報(bào)警。

2.5 傳感器模塊

傳感器模塊主要由溫度傳感器、壓力傳感器和速度傳感器組成。溫度傳感器主要是檢測(cè)洗衣機(jī)的溫度若溫度高于40 ℃，PLC 控制系統(tǒng)向關(guān)閉洗衣機(jī)門(mén)控制閥Y7 發(fā)送一個(gè)信號(hào)0，即不允許洗衣機(jī)門(mén)打開(kāi)。溫度低于40 ℃時(shí)，PLC 控制系統(tǒng)向關(guān)閉洗衣機(jī)門(mén)控制閥Y7 發(fā)送一個(gè)信號(hào)1，即洗衣機(jī)門(mén)正常開(kāi)關(guān)。壓力傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的作用是測(cè)量衣物重量，并將衣物的重量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，發(fā)送到PLC 控制系統(tǒng)，用以確定注水量。速度傳感器主要是監(jiān)測(cè)水龍頭水流速度，并將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送到PLC 控制系統(tǒng)，從而控制水龍頭的打開(kāi)時(shí)間。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分主要由注水程序、洗滌程序、漂洗程序、脫水程序、烘干程序、浸泡洗程序和數(shù)碼管顯示程序組成。

3.1 注水程序

系統(tǒng)上電，溫度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)溫度正常后壓力傳感器檢測(cè)系統(tǒng)將衣物重量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送到PLC 控制系統(tǒng)，PLC 控制系統(tǒng)接收到電信號(hào)后，一方面將壓力傳感器檢測(cè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的電信號(hào)賦值給D0，若D0大于8 kg 則蜂鳴器響表示超重。若D0＜8 kg 則進(jìn)行下一步分類，若D0≤1 kg 則D1=1L，若1 kg＜D0≤2 kg 則D1=2L，若2 kg＜D0≤3 kg 則M1=3 L，依次類推。另一方面PLC 將接收到的電信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)變換轉(zhuǎn)換為控制注水閥和排水閥持續(xù)打開(kāi)時(shí)間的時(shí)間信號(hào)t（s）。即速度傳感器檢測(cè)到的注水口水龍頭的水流速度賦值給D2（m/s），水龍頭的橫截面積為S（m2），則PLC 控制注水閥打開(kāi)時(shí)間公式如公式1 所示為：

在本設(shè)計(jì)中，注水時(shí)間=排水時(shí)間=t。

3.2 洗滌程序

洗滌程序分為單洗滌程序、正常洗滌（洗完漂洗甩干）程序和強(qiáng)力洗程序。若X6（15 min 單洗滌按鍵）按下則系統(tǒng)進(jìn)入15 min 單洗滌模式，即洗滌過(guò)程為注水1 次，正停反轉(zhuǎn)（Y1 正轉(zhuǎn)20 s，停3 s，Y2 反轉(zhuǎn)20 s停3 s）D3、D4次，系統(tǒng)停。若X0 或X1 按下則系統(tǒng)進(jìn)入正常洗滌程序。默認(rèn)洗滌過(guò)程執(zhí)行1 遍，即注水1次，正停反轉(zhuǎn)D3、D4次，排水1 次之后自動(dòng)漂洗和甩干排水。若X7 按下則系統(tǒng)進(jìn)入15 min 強(qiáng)力洗模式。洗滌過(guò)程為注水1 次，正停反轉(zhuǎn)（正轉(zhuǎn)30 s，停3 s，反轉(zhuǎn)30 s 停3 s）D3、D4次，系統(tǒng)停。

系統(tǒng)上電，PLC 控制系統(tǒng)將按下的按鈕對(duì)應(yīng)的時(shí)間轉(zhuǎn)換為秒賦值給D10。若按下的是X0（15 min 速洗按鍵)，則系統(tǒng)進(jìn)入15 min 速洗程序。系統(tǒng)將15 min轉(zhuǎn)換為秒賦值給D10。系統(tǒng)用算法算出正反轉(zhuǎn)的時(shí)間并將正轉(zhuǎn)次數(shù)賦值給D3、反轉(zhuǎn)次數(shù)賦值給D4。D3、D4計(jì)算結(jié)果取四舍五入的整數(shù)。D3、D4的計(jì)算公式一樣如公式（2）（3）（4）所示。

15 min 單洗滌模式：

//t 為注水時(shí)間，（20+3+20+3）為正停反轉(zhuǎn)一周期所用時(shí)間。

正常模式：

//6 為漂洗時(shí)間6 min，//3 為甩干時(shí)間3 min。

15 min 強(qiáng)力洗模式

3.3 漂洗程序

漂洗程序分為洗滌完自動(dòng)漂洗程序和直接漂洗脫水程序。若按鍵X10 按下則進(jìn)入直接漂洗脫水程序，反之則是在洗滌程序完成后直接進(jìn)入漂洗程序。兩種漂洗程序都默認(rèn)為執(zhí)行2 遍，每次持續(xù)時(shí)間為6 min，即注水2 次，排水2 次，Y1 正轉(zhuǎn)20 s，停3 s，Y2反轉(zhuǎn)20 s 停3 s。正反轉(zhuǎn)的次數(shù)賦值給D5、D6。D5、D6取計(jì)算結(jié)果四舍五入的整數(shù)。D5、D6計(jì)算公式一樣，如公式（5）所示。

3.4 脫水程序

單脫水程序有兩種情況：第一種當(dāng)按鍵X3 按下時(shí)，系統(tǒng)直接進(jìn)入脫水程序，第二種情況系統(tǒng)在漂洗程序完成后自動(dòng)進(jìn)入脫水程序。脫水程序中電動(dòng)機(jī)持續(xù)正轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)過(guò)程中排水閥持續(xù)排水，而脫水時(shí)間為3 min。

3.5 烘干程序

當(dāng)按鍵X4 按下后，系統(tǒng)進(jìn)入烘干程序。PLC 控制系統(tǒng)向關(guān)閉洗衣機(jī)門(mén)控制閥發(fā)送一個(gè)信號(hào)0，即不允許洗衣機(jī)門(mén)打開(kāi)。PLC 控制系統(tǒng)控制電熱絲的得電使洗衣機(jī)的烘干溫度會(huì)控制在75～80 ℃，即不會(huì)損壞衣物，又可以殺菌除螨。烘干程序執(zhí)行1.5 h 后自動(dòng)停止，洗衣機(jī)自然冷卻。在冷卻至40 ℃之前洗衣機(jī)門(mén)不允許打開(kāi)。

3.6 浸泡洗

當(dāng)按鍵X5 按下后，系統(tǒng)進(jìn)入浸泡洗模式。注水后，洗衣機(jī)正停反轉(zhuǎn)2 min，用于將衣物浸濕和同洗衣粉充分混合。之后計(jì)時(shí)器T10 開(kāi)始計(jì)時(shí)2 h，2 h 后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入30 min 洗衣模式。