畢業(yè)論文-基于fpga實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)洗衣機(jī)控制器【精校排版】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　基于FPGA實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)洗衣機(jī)控制器</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要III</b></p><p&

2、gt;　　AbstractIV</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 全自動(dòng)洗衣機(jī)的背景知識(shí)1</p><p>　　1.1.1 全自動(dòng)洗衣機(jī)的發(fā)展史1</p><p>　　1.1.2 全自動(dòng)洗衣機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)2</p><p>　　1.2

3、 課題研究的目的與意義3</p><p>　　1.3 洗衣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)3</p><p>　　1.3.1 全自動(dòng)洗衣機(jī)的結(jié)構(gòu)描述4</p><p>　　1.3.2 全自動(dòng)洗衣機(jī)的工作流程4</p><p>　　第二章 FPGA介紹6</p><p>　　2.1 FPGA6</p>&l

4、t;p>　　2.1.1 FPGA的工作原理6</p><p>　　2.1.2 FPGA基本特點(diǎn)6</p><p>　　2.1.3 FPGA芯片的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)7</p><p>　　2.2 FPGA芯片內(nèi)各個(gè)模塊介紹7</p><p>　　第三章 硬件設(shè)計(jì)11</p><p>　　3

5、.1 全自動(dòng)洗衣機(jī)設(shè)計(jì)內(nèi)容11</p><p>　　3.2 部分元器件的介紹12</p><p>　　3.2.1 重量傳感器12</p><p>　　3.2.2 渾濁度傳感器13</p><p>　　3.2.3 水位傳感器14</p><p>　　3.2.4 直流電機(jī)15</p>

6、<p>　　3.3 部分模塊電路設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.3.1 電源電路設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.3.2 信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.3.3 洗滌控制電路設(shè)計(jì)17</p><p>　　第四章 軟件設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.1 軟件設(shè)計(jì)的思路1

7、9</p><p>　　4.2 洗衣機(jī)洗滌控制電路狀態(tài)圖描述20</p><p>　　4.2.1 主控制器狀態(tài)圖描述20</p><p>　　4.2.2 洗滌定時(shí)器狀態(tài)圖描述21</p><p>　　4.2.3 水流控制器狀態(tài)圖描述22</p><p><b>　　總結(jié)24</b>

8、;</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)25</b></p><p><b>　　致謝26</b></p><p>　　基于FPGA實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)洗衣機(jī)控制器</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列fpga

9、實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)的全自動(dòng)控制，說明了fpga控制的原理方法，特點(diǎn)及控制洗衣機(jī)的特色。文章在介紹洗衣機(jī)的結(jié)構(gòu)的同時(shí)對(duì)全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出了基于fpga的全自動(dòng)控制洗衣機(jī)的方案，并對(duì)方案進(jìn)行了論證。根據(jù)洗衣機(jī)的工作原理對(duì)程序及流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)的要求應(yīng)滿足全自動(dòng)完成進(jìn)水、停水、洗滌、脫水和報(bào)警等全過程，是自動(dòng)化程度非常高的一種洗衣機(jī)，而且還有多種洗滌方式，可在洗衣前選擇其中一種方式，程序進(jìn)行到洗滌時(shí)可自動(dòng)轉(zhuǎn)入到該洗滌

10、方式。</p><p>　　本設(shè)計(jì)具有智能化程度高，安全可靠等特點(diǎn)，對(duì)按鈕、電磁閥、開關(guān)等其他一些輸入、輸出進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了洗衣機(jī)洗衣過程的自動(dòng)化，由于每遍的洗滌、排水、排水的時(shí)間由fpga內(nèi)的計(jì)數(shù)器進(jìn)行控制，所以只要改變計(jì)數(shù)器的參數(shù)就可以改變時(shí)間。</p><p>　　關(guān)鍵字：現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列fpga；智能化；全自動(dòng)洗衣機(jī)</p><p>　　Realizes t

11、he completely automatic washercontroller based on FPGA </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This text can make use of programmable portal array fpga of site to carry out the full-auto

12、matic control of washing machine and explained the priniple method of fpga control, the special feature of characteristics and control washing machine, article at introduce a washing machine of structure of at the same t

13、ime vs the control system progress analysis of the full-automatic washing machine, proposed according to the scheme of fpga full-automatic control washing machine on this foundation, and th</p><p>　　Have int

14、elligence to turn a degree higher -, characteristicses like safe firm,etc, vs other some inputs, such as button and electromagnetism valve, switch...etc., output progress control, carried out the automation that the wash

15、ing machine does laundry process, because of each rinse, drain, drain of time is carried on a control by the counter in the fpga, so as long as transform counter of parameter nine can transform time, and the full-automat

16、ic washing machine has broad market foreground.</p><p>　　Keywords: Site programmable array fpga in the portal,Intelligent,Automatic washing machine</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p>

17、<p>　　1.1 全自動(dòng)洗衣機(jī)的背景知識(shí)</p><p>　　1.1.1 全自動(dòng)洗衣機(jī)的發(fā)展史</p><p>　　從古到今，洗衣服都是一項(xiàng)難于逃避的家務(wù)勞動(dòng)，而在洗衣機(jī)出現(xiàn)以前，對(duì)于許多人而言，它并不像田園詩(shī)描繪的那樣充滿樂趣，手搓、棒擊、沖刷、甩打……這些不斷重復(fù)的簡(jiǎn)單的體力勞動(dòng)，留給人的感受常常是：辛苦勞累。</p><p>　　1874年，

18、“手洗時(shí)代”受到了前所未有的挑戰(zhàn)———有人發(fā)明了木制手搖洗衣機(jī)。發(fā)明者是美國(guó)人比爾·布萊克斯。布萊克斯的洗衣機(jī)構(gòu)造極為簡(jiǎn)單，是在木筒里裝上6塊葉片，用手柄和齒輪傳動(dòng)，使衣服在筒內(nèi)翻轉(zhuǎn)，從而達(dá)到“凈衣”的目的。這套裝置的問世，讓那些為提高生活效率而冥思苦想的人士大受啟發(fā)，洗衣機(jī)的改進(jìn)過程開始大大加快。</p><p>　　1880年，美國(guó)又出現(xiàn)了蒸氣洗衣機(jī)，蒸氣動(dòng)力開始取代人力。</p>&

19、lt;p>　　之后，水力洗衣機(jī)、內(nèi)燃機(jī)洗衣機(jī)也相繼出現(xiàn)。到1911年，美國(guó)試制成功世界上第一臺(tái)電動(dòng)洗衣機(jī)。電動(dòng)洗衣機(jī)的問世，標(biāo)志著人類家務(wù)勞動(dòng)自動(dòng)化的開端。</p><p>　　電動(dòng)洗衣機(jī)幾經(jīng)完善，在1922年迎來一種嶄新的洗衣方式“攪拌式”。攪拌式洗衣機(jī)由美國(guó)瑪依塔格公司研制成功。這種洗衣機(jī)是在筒中心裝上一個(gè)立軸，在立軸下端裝有攪拌翼，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)立軸，進(jìn)行周期性的正反擺動(dòng)，使衣物和水流不斷翻滾，相互摩擦，

20、以此滌蕩污垢。攪拌式洗衣機(jī)結(jié)構(gòu)科學(xué)合理，受到人們的普遍歡迎。不過10年之后，美國(guó)本德克斯航空公司宣布，他們研制成功第一臺(tái)前裝式滾筒洗衣機(jī)，洗滌、漂洗、脫水在同一個(gè)滾筒內(nèi)完成。這意味著電動(dòng)洗衣機(jī)的型式躍上一個(gè)新臺(tái)階，朝自動(dòng)化又前進(jìn)了一大步！直至今日，滾筒式洗衣機(jī)在歐美國(guó)家仍得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　第二次世界大戰(zhàn)以后，洗衣機(jī)等到迅速的發(fā)展，研制出具有獨(dú)特風(fēng)格的波輪式洗衣機(jī)。這種洗衣機(jī)由于其波輪安裝在桶底，

21、又稱渦卷式洗衣機(jī)。</p><p>　　近幾十年來，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，全自動(dòng)洗衣機(jī)制造技術(shù)又得到迅速發(fā)展，其年總產(chǎn)量及普及率都達(dá)到相當(dāng)?shù)母叩乃健?lt;/p><p>　　圖1.1 全自動(dòng)洗衣機(jī)發(fā)展史流程圖</p><p>　　1.1.2 全自動(dòng)洗衣機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　隨著全自動(dòng)洗衣機(jī)的不斷普及，消費(fèi)者對(duì)環(huán)保節(jié)能的要求越來越高，其

22、中主要的一項(xiàng)指標(biāo)就是耗水量，人們迫切需要有一種能節(jié)水的洗衣機(jī)來替代現(xiàn)在的洗衣機(jī)，這在全球水資源缺乏的今天尤為重要。隨著用水緊張、水價(jià)看漲，人們對(duì)耗水、耗電的洗衣機(jī)的鐘情指數(shù)正在逐步下降，波輪式洗衣機(jī)曾有的霸主地位開始動(dòng)搖。調(diào)查中就有38.52%的人選擇了滾筒式洗衣機(jī)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了選擇波輪式洗衣機(jī)的比例。節(jié)水環(huán)保型滾筒式洗衣機(jī)正在走向千家萬(wàn)戶，漸與國(guó)際市場(chǎng)趨于一致。所以，節(jié)能節(jié)水洗衣機(jī)以成為當(dāng)今全自動(dòng)洗衣機(jī)的發(fā)展方向。</p>

23、<p>　　最近國(guó)內(nèi)外大的洗衣機(jī)公司分別推出了小型智能洗衣機(jī)，有的重量?jī)H5公斤，容量1公斤，耗水量20公斤，一次可洗5件襯衫和內(nèi)衣褲，或其他衣物。其主要優(yōu)點(diǎn)有：機(jī)器體積小，可攜帶，在露營(yíng)地也可使用；清洗衣物數(shù)量少，比大型洗衣機(jī)省水、省電、經(jīng)濟(jì)；可以分類清洗衣物，即可防止帶色衣物互相染色，又比較符合衛(wèi)生要求。家用洗衣機(jī)小型化、智能化及高效環(huán)保將成為一種新的發(fā)展潮流。</p><p>　　1.2 課題研

24、究的目的與意義</p><p>　　目前中國(guó)洗衣機(jī)市場(chǎng)正進(jìn)入更新?lián)Q代期，市場(chǎng)潛力巨大，人們對(duì)洗衣機(jī)的要求越來越高，目前的洗衣機(jī)主要有強(qiáng)弱洗滌功能、進(jìn)排水功能、暫停等幾大功能，在許多方面還達(dá)不到人們的需求。這就要求設(shè)計(jì)者們有更高的專業(yè)技術(shù)水平，能夠提出更多更好的建議和新的課題，將人們的需要變成現(xiàn)實(shí)，設(shè)計(jì)出更節(jié)能、功能更全面、更人性化的全自動(dòng)洗衣機(jī)。</p><p>　　本課題主要著重于全自動(dòng)

25、洗衣機(jī)的控制，要求洗衣機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)水、排水、衣物重量、骯臟程度、洗滌方式、脫水、報(bào)警等功能的自動(dòng)化，所采用的控制方法操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、維護(hù)與維修方便?？刂品椒ù_定后投入生產(chǎn)要縮短控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)間、調(diào)試周期，且要降低成本。</p><p>　　本課題我將采用FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）來設(shè)計(jì)全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制器。它具有以下優(yōu)勢(shì)[1]，即：</p><p>　　具有簡(jiǎn)單先進(jìn)的編程方式開發(fā)&

26、lt;/p><p><b>　　在線編程</b></p><p><b>　　可靠性高</b></p><p>　　資源利用率高，系統(tǒng)更加靈活</p><p><b>　　價(jià)格低廉</b></p><p><b>　　速度快</b>&l

27、t;/p><p>　　1.3 洗衣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖1.2 FPGA控制總圖</p><p>　　1.3.1 全自動(dòng)洗衣機(jī)的結(jié)構(gòu)描述</p><p>　　滾筒式全自動(dòng)洗衣機(jī)可分為6個(gè)部分，即：洗滌脫水部分、支持部份、傳動(dòng)部分、操作部分、電氣控制部分及排水進(jìn)水部分[2]。</p><p>　?。?）洗滌

28、脫水部分：洗滌部分主要由內(nèi)桶（滾筒）、外桶（省水筒）、內(nèi)筒叉形架、外筒叉形架、轉(zhuǎn)軸和軸承組成。低速繞組（KM1）稱為洗滌繞組，而高速繞組（KM2）為脫水繞組。</p><p>　?。?）支持部分：支持部分的作用是支持外筒和減輕振動(dòng)。</p><p>　?。?）傳動(dòng)部分：傳動(dòng)部分將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到主軸，從而帶動(dòng)內(nèi)筒的轉(zhuǎn)動(dòng)，滾筒式全自動(dòng)洗衣機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分與雙宿單相電動(dòng)機(jī)、大小帶輪、轉(zhuǎn)動(dòng)V帶等組成

29、。</p><p>　?。?）操作部分：操作面板上的各種開關(guān)，例如啟動(dòng)、停止、洗滌方式選擇按鈕。</p><p>　　（5）電氣控制部分：就是這次設(shè)計(jì)要完成的。</p><p>　?。?）進(jìn)水和排水部分：進(jìn)水排水管與電磁閥和排水電磁閥來盛水桶相連，有進(jìn)水來控制進(jìn)水和排水。</p><p>　　1.3.2 全自動(dòng)洗衣機(jī)的工作流程</p&

30、gt;<p>　　圖1.3 洗衣過程 </p><p><b>　　洗衣服全過程描述：</b></p><p>　?。?）進(jìn)水動(dòng)作：進(jìn)行洗滌時(shí)，盛水桶內(nèi)的水量必須達(dá)到水位設(shè)定的要求。洗衣機(jī)的進(jìn)水和水位判斷，是由水位開關(guān)和進(jìn)水閥的開合來進(jìn)行控制的，當(dāng)桶內(nèi)沒有水或水位達(dá)不到設(shè)定水位時(shí)，F(xiàn)PGA芯片內(nèi)可編程輸入∕輸出單元（IOB）的輸入∕輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)不

31、匹配，進(jìn)水閥閉合，開始注水，當(dāng)桶內(nèi)的水位達(dá)到設(shè)定水位時(shí)，水位開關(guān)受。壓閉合，程序就可進(jìn)入下一步處理。</p><p>　　（2）排水動(dòng)作：進(jìn)入脫水動(dòng)作前應(yīng)先排水。為了避免排空水照成時(shí)間浪費(fèi)以及排水不完而帶水脫水照成對(duì)電機(jī)的損害。洗衣機(jī)能夠根據(jù)實(shí)際水量對(duì)排水實(shí)際動(dòng)態(tài)控制。</p><p>　?。?）洗滌動(dòng)作：洗滌動(dòng)作指的是電機(jī)周期性的“正轉(zhuǎn)-停止-發(fā)轉(zhuǎn)-停止”。不同的洗衣過程，控制電機(jī)執(zhí)行“

32、正轉(zhuǎn)-停止-發(fā)轉(zhuǎn)-停止”的時(shí)間是不同的。</p><p>　?。?）脫水動(dòng)作：排水結(jié)束后進(jìn)入脫水動(dòng)作，脫水是通過電機(jī)的正轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)需要排水閥一直打開，也是由于排水閥的打開，才使得脫水時(shí)的電機(jī)正轉(zhuǎn)速度不同于洗滌時(shí)的電機(jī)正轉(zhuǎn)速度。進(jìn)行脫水時(shí)若遇到洗衣機(jī)蓋打開，則暫停脫水，并發(fā)出警報(bào)，直至用戶合上桶蓋后，才繼續(xù)進(jìn)行脫水，脫水結(jié)束后，發(fā)出警報(bào)，并自動(dòng)關(guān)閉排水閥。</p><p>　　（5）脫

33、水不平衡修正：進(jìn)行脫水處理，電機(jī)要正轉(zhuǎn)，電機(jī)要進(jìn)行高速單向正轉(zhuǎn)，若此時(shí)衣物偏向一邊，脫水桶會(huì)因離心的作用，在很短的時(shí)間內(nèi)碰撞安全開關(guān)裝置，使安全開關(guān)產(chǎn)生瞬時(shí)的關(guān)閉和斷開，此時(shí)要進(jìn)行脫水不平衡修正。進(jìn)行脫水不平衡修正，洗衣機(jī)將停止脫水，并自動(dòng)插入“進(jìn)水-洗滌50秒-排水”動(dòng)作。通過這一插入動(dòng)作，衣服將調(diào)整到洗衣桶中心位置。在同一脫水過程中，如果連續(xù)修正3次仍達(dá)不到脫水平衡，則進(jìn)行報(bào)警，等用戶打開洗衣機(jī)將衣物放置均勻在蓋上桶蓋，方可繼續(xù)進(jìn)行

34、脫水。</p><p>　?。?）其他動(dòng)作：洗衣機(jī)控制器在此控制面板上還配有啟動(dòng)∕停止、電源、標(biāo)準(zhǔn)、輕柔、快速、水位選擇按鈕。</p><p>　　第二章 FPGA介紹</p><p><b>　　2.1 FPGA</b></p><p>　　FPGA（Field－Programmable Gate Array），即

35、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。</p><p>　　2.1.1 FPGA的工作原理</p><p>　　FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)概念，內(nèi)部包括可配置邏輯

36、模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。</p><p>　　2.1.2 FPGA基本特點(diǎn) </p><p>　　(1) 采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路(專用集成電路)，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。</p><p>　　(2

37、) FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片　　</p><p>　　(3) FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I／O引腳。</p><p>　　(4) FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一。</p><p>　　(5) FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容　可以說，F(xiàn)PGA芯片是小批

38、量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。</p><p>　　FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式</p><p>　　加電時(shí)，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)

39、使用。FPGA的編程無(wú)須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當(dāng)需要修改FPGA功能時(shí)，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活[3]。</p><p>　　2.1.3 FPGA芯片的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)</p><p>　　自從Xiling公司推出世界上第一塊FPGA芯片以來，F(xiàn)

40、PGA的速度和容量都得到了極其迅猛的發(fā)展，向高集成度、高速度和低價(jià)位方向不斷邁進(jìn)；不僅具有電擦除特性，而且出現(xiàn)了邊緣掃描及在線編程等高級(jí)特性；其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，可用于狀態(tài)機(jī)、同步、譯碼、解碼、計(jì)數(shù)、總線接口、串并轉(zhuǎn)換等很多方面，而且在信號(hào)處理領(lǐng)域的應(yīng)用也活躍起來。目前的FPGA芯片工作率以達(dá)到200MHZ，容量超過100萬(wàn)門。</p><p>　　在國(guó)際學(xué)述界，F(xiàn)PGA新結(jié)構(gòu)、FPGA邏輯設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)的研究已

41、成為熱點(diǎn)。全球FPGA市場(chǎng)2000年已達(dá)約40億美元，2000年中國(guó)FPGA／CPLD市場(chǎng)規(guī)模大約為7000萬(wàn)美元。</p><p>　　目前集成電路正向系統(tǒng)級(jí)芯片（SOC）的方向發(fā)展，在SOC芯片上可以將維處理器、數(shù)字信號(hào)處理器、儲(chǔ)存器、邏輯電路、模擬電路乃至微光機(jī)電器件集成在一個(gè)芯片上。復(fù)雜SOC的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要組織社會(huì)多方面人才[4]。</p><p>　　圖2.1 FP

42、GA芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.2 FPGA芯片內(nèi)各個(gè)模塊介紹</p><p>　?。?）可編程輸入輸出單元（IOB）</p><p>　　可編程輸入/輸出單元簡(jiǎn)稱I/O單元，是芯片與外界電路的接口部分，完成不同電氣特性下對(duì)輸入/輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)與匹配要求，其示意結(jié)構(gòu)如圖3所示。 FPGA內(nèi)的I/O按組分類，每組都能夠獨(dú)立地支持不同的I/O標(biāo)準(zhǔn)。通過軟件的

43、靈活配置，可適配不同的電氣標(biāo)準(zhǔn)與I/O物理特性，可以調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流的大小，可以改變上、下拉電阻。目前，I/O口的頻率也越來越高，一些高端的FPGA通過DDR寄存器技術(shù)可以支持高達(dá)2Gbps的數(shù)據(jù)速率。</p><p>　　外部輸入信號(hào)可以通過IOB模塊的存儲(chǔ)單元輸入到FPGA的內(nèi)部，也可以直接輸入FPGA 內(nèi)部。當(dāng)外部輸入信號(hào)經(jīng)過IOB模塊的存儲(chǔ)單元輸入到FPGA內(nèi)部時(shí)，其保持時(shí)間（Hold Time）的要求可以降

44、低，通常默認(rèn)為0。</p><p>　　為了便于管理和適應(yīng)多種電器標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)PGA的IOB被劃分為若干個(gè)組（bank），每個(gè)bank的接口標(biāo)準(zhǔn)由其接口電壓VCCO決定，一個(gè)bank只能有 一種VCCO，但不同bank的VCCO可以不同。只有相同電氣標(biāo)準(zhǔn)的端口才能連接在一起，VCCO電壓相同是接口標(biāo)準(zhǔn)的基本條件。</p><p>　　圖2.2 典型的IOB內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖</p>

45、<p>　?。?）可配置邏輯塊（CLB）</p><p>　　CLB是FPGA內(nèi)的基本邏輯單元。CLB的實(shí)際數(shù)量和特性會(huì)依器件的不同而不同，但是每個(gè)CLB都包含一個(gè)可配置開關(guān)矩陣，此矩陣由4或6個(gè)輸入、一些 選型電路（多路復(fù)用器等）和觸發(fā)器組成。</p><p>　　開關(guān)矩陣是高度靈活的，可以對(duì)其進(jìn)行配置以便處理組合邏輯、移位寄存器或RAM。在Xilinx公司的FPGA器件中，

46、CLB由多個(gè)（一般為4個(gè)或2個(gè)）相同的Slice和附加邏輯構(gòu)成，如圖4所示。每個(gè)CLB模塊不僅可以用于實(shí)現(xiàn)組合邏輯、時(shí)序邏輯，還可以配置為分布式RAM和分布式ROM。Slice是Xilinx公司定義的基本邏輯單位，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示，一個(gè)Slice由兩個(gè)4輸入的函數(shù)、進(jìn)位邏輯、算術(shù)邏輯、存儲(chǔ)邏輯和函數(shù)復(fù)用器組成。算術(shù)邏輯包括一個(gè)異或門（XORG）和一個(gè)專用與門（MULTAND），一個(gè)異或門可以使一個(gè)Slice實(shí)現(xiàn) 2bit全加操作，專

47、用與門用于提高乘法器的效率；進(jìn)位邏輯由專用進(jìn)位信號(hào)和函數(shù)復(fù)用器（MUXC）組成，用于實(shí)現(xiàn)快速的算術(shù)加減法操作；4輸入函數(shù)發(fā)生 器用于實(shí)現(xiàn)4輸入LUT、分布式RAM或16比特移位寄存器（Virtex-5系列芯片的Slice中的兩個(gè)輸入函數(shù)為6輸入，可以實(shí)現(xiàn)6輸入LUT或 64比特移位寄存器）；進(jìn)位邏輯包括兩條快速進(jìn)位鏈，用于提高CLB模塊的處理速度 </p><p>　　圖2.3 典型的C

48、LB結(jié)構(gòu)示意圖 </p><p>　　圖2.4 典型的4輸入Slice</p><p>　　數(shù)字時(shí)鐘管理模塊（DCM）</p><p>　　業(yè)內(nèi)大多數(shù)FPGA均提供數(shù)字時(shí)鐘管理（Xilinx的全部FPGA均具有這種特性）。Xilinx推出最先進(jìn)的FPGA提供數(shù)字時(shí)鐘管理和相位環(huán)路鎖定。相位環(huán)路鎖定能夠提供精確的時(shí)鐘綜合，且能夠降低抖動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)過濾功能。</

49、p><p><b>　　第三章 硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 全自動(dòng)洗衣機(jī)設(shè)計(jì)內(nèi)容</p><p>　　采用傳感器[5]檢測(cè)洗衣過程必須的物理量，進(jìn)入FPGA芯片，通過FPGA芯片分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)洗衣機(jī)自動(dòng)識(shí)別衣量，自動(dòng)識(shí)別骯臟程度，自動(dòng)決定水量功能的控制。本設(shè)計(jì)在洗滌過程中采用了FPGA芯片控制，提高了洗衣質(zhì)量，節(jié)約能源。硬件結(jié)構(gòu)

50、框圖及軟件設(shè)計(jì)流程圖是該系統(tǒng)的重要組成部分，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，F(xiàn)PGA芯片起了決定性的作用。</p><p>　　通過幾個(gè)傳感器收集到的信息，包括衣物重量，水位，衣物的骯臟程度的信息，經(jīng)過處理器綜合判定后，便自動(dòng)選擇出最適當(dāng)?shù)乃?、洗滌時(shí)間和洗衣動(dòng)作等工作參數(shù)，并按照衣物的大小及骯臟程度等信息，執(zhí)行最佳洗滌程序。因此，即人們只要輕輕一按洗衣機(jī)的啟動(dòng)鍵，余下的事都由洗衣機(jī)自動(dòng)完成了。</p><

51、p>　　因此我們確定了FPGA芯片的輸入輸出量。輸入變量為渾濁度、重量、水位。輸出變量有洗滌時(shí)間、脫水時(shí)間、漂洗方式等。</p><p>　　為了使控制效果好，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，采用矛盾分析方法，具體控制策略為：</p><p>　?。?） 根據(jù)衣物重量確定水位高低；</p><p>　　（2） 根據(jù)洗滌過程中的渾濁度了信息修正實(shí)際的洗滌時(shí)間的長(zhǎng)短和洗滌次數(shù)的多少。&

52、lt;/p><p>　　輸入量有水位，衣物重量和渾濁度分別由水位傳感器，重量傳感器和渾濁傳感器檢測(cè)到，并放大經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入FPGA芯片的輸入端口，控制器根據(jù)FPGA芯片確定水量，洗滌時(shí)間等。輸出量有水流方式（電機(jī)正反轉(zhuǎn)），洗滌時(shí)間等。</p><p>　　我們根據(jù)它的工作原理，給出了硬件結(jié)構(gòu)框圖。如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖<

53、;/p><p>　　3.2 部分元器件的介紹</p><p>　　3.2.1 重量傳感器</p><p>　　衣物衣物重量檢測(cè)[6]電路如圖3.2所示，具體檢測(cè)重量時(shí)首先注入一定的水位，然后啟動(dòng)主電機(jī)旋轉(zhuǎn)，接著斷電讓主電機(jī)以慣性繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)直到停止，在主機(jī)斷電慣性旋轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)，主電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出。顯然，隨著布阻抗大小的不同，主電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)的時(shí)間

54、長(zhǎng)短也不同。因此，只要檢測(cè)出主電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)短，就可以反過來推出布阻抗的大小，布阻抗越??；反之布阻抗越高。主電機(jī)發(fā)電時(shí)間可直接通過檢測(cè)啟動(dòng)電容兩端輸出電勢(shì)，并將此電勢(shì)半波整流后，由光電隔離后放大整形為一矩形脈沖系列的脈沖數(shù)而定。脈沖個(gè)數(shù)反映布阻抗的大小，脈沖個(gè)數(shù)多，布阻抗小，反之亦然。據(jù)此通過FPGA分析即可得到重量。如圖3.5所示，衣量傳感器能區(qū)分四檔衣量（多量、中多量、中少量、少量）。</p><p&

55、gt;　　圖3.2 衣物重量檢測(cè)電路</p><p>　　圖3.3 衣物重量的判斷方法</p><p>　　3.2.2 渾濁度傳感器</p><p>　　電路如圖3.4所示，渾濁度傳感器安裝在排水閥上端附近出口管上。原理：利用二級(jí)管的光透過洗滌液射到光敏三極管，洗滌液的渾濁程度影響光透度，洗滌液越渾濁，光透度越小，而光透的大小影響光敏三極管輸出電壓V，一般光透

56、度越大，V值越大。因此通過檢測(cè)V值可知光透度的大小。</p><p>　　圖3.4 渾濁度傳感器</p><p>　　圖3.5 渾濁度程度</p><p>　　3.2.3 水位傳感器</p><p>　　水位檢測(cè)的精度直接影響洗凈度、水流強(qiáng)度、洗滌時(shí)間等參數(shù)。對(duì)應(yīng)用FPGA芯片控制的洗衣機(jī)，要求水位的檢測(cè)必須是連續(xù)的，故常采用諧振式水位

57、傳感器。諧振式水位傳感器利用電磁諧振電路LC作為傳感器的敏感元件，將被測(cè)物體的變化轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)C參數(shù)的變化，最終以頻率參數(shù)輸出。其工作原理是：將水位的高低通過導(dǎo)管轉(zhuǎn)換成一個(gè)測(cè)試內(nèi)腔氣體變化的壓力，驅(qū)動(dòng)內(nèi)腔上方的一塊隔膜移動(dòng)，帶動(dòng)隔膜中心的磁芯在某線圈內(nèi)移動(dòng)，從而線圈電感發(fā)生變化。由此引起諧振電路的固有頻率隨水位變化。水位測(cè)量電路如圖13所示，為便于與FPGA芯片接口，水位傳感器采用數(shù)字振蕩電路，電感與電容組成的三點(diǎn)式振蕩電路經(jīng)C2耦合接入數(shù)

58、字式振蕩放大器A1，隨著水位變化，諧振頻率作相應(yīng)變化，放大器在a點(diǎn)輸出，經(jīng)A2整形，由c點(diǎn)輸出，此時(shí)即可將數(shù)字量接到FPGA芯片上。</p><p>　　圖3.6 水位檢測(cè)電路</p><p>　　3.2.4 直流電機(jī)</p><p>　　本文將采用5V的直流電機(jī)，它有兩根引出來的線，只要將一端接正另一端接負(fù)，就可以使電機(jī)轉(zhuǎn)起來，將兩根線反接，直流電機(jī)就可以反過

59、來轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路很簡(jiǎn)單。本文將采用橋式驅(qū)動(dòng)電路。</p><p>　　圖3.7 直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)框圖</p><p>　　3.3 部分模塊電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.1 電源電路設(shè)計(jì)</p><p>　　在電子電路中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電。它是由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等四部分組成。電源變壓器是將交流電網(wǎng)

60、220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐担缓笸ㄟ^整流電路將交流電壓變成脈動(dòng)的直流電壓。由于此脈動(dòng)的直流電壓還含有較大的文波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓，但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)（一般有10%左右的波動(dòng)）、負(fù)載和溫度的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后，還需接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。</p><p>　　在此硬件電路中，本文還需要電壓穩(wěn)

61、定的直流供電系統(tǒng)。本系統(tǒng)是將220V的交流的電壓分別變?yōu)?5V（硬件電路）。在小功率整流電路中（1KW以下），常見的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。這里采用的是單向橋式整流電路。整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)是靠二極管的單向?qū)щ娮饔?，因此二極管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的波紋，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負(fù)載串聯(lián)電感器上，以及由電容、電感組號(hào)而

62、成的各種復(fù)式濾波電路。在此選用的是在負(fù)載兩端并聯(lián)電容器C。</p><p>　　由于電抗元件在電路中有儲(chǔ)能作用并聯(lián)的電容器C在電源供給的電壓升高時(shí)，能把部分能量存儲(chǔ)起來，而當(dāng)電源電壓降低時(shí)，就把能量釋放出來使負(fù)載電壓比較平滑，即電容C具有平波的作用。</p><p>　　在濾波電路后接入輸出電壓固定的集成穩(wěn)壓器，由于它只有輸入、輸出和公共引出端，因此又被稱為三端式穩(wěn)壓器，三端式穩(wěn)壓器有啟動(dòng)

63、電路、基準(zhǔn)電壓電路、取樣比較放大電路、調(diào)整電路、和保護(hù)電路等部分組成。電路如圖3.7所示。</p><p>　　圖3.8 電源電路</p><p>　　3.3.2 信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　普通全自動(dòng)洗衣機(jī)的檢測(cè)部分一般都是由傳感器及對(duì)應(yīng)的A/D和D/A轉(zhuǎn)換[7]來完成的，而檢測(cè)的內(nèi)容一般為被洗衣物的重量、被洗衣物的骯臟程度和水位。</p>

64、;<p>　　在我們模擬過程中，由于時(shí)間與經(jīng)費(fèi)的限制，本文用電位器代替了傳感器的檢測(cè)，通過給不同的電位器值來讓系統(tǒng)CPU檢測(cè)需要洗滌的時(shí)間和強(qiáng)度。我用兩個(gè)電位器來分別模擬洗衣機(jī)的骯臟程度檢測(cè)和衣物重量檢測(cè)。用2K的電位器來模擬重量傳感器，當(dāng)電阻值在0-500之間時(shí)我給他定義為衣物重量較輕，若值在500-1000時(shí)定義為比較重；同樣，本文用2K的電位器來模擬渾濁度傳感器，電阻值在0-500之間時(shí)我定義為骯臟度輕，若在500-

65、1000時(shí)骯臟度重。我用水位傳感器來檢測(cè)水位高低。本文是水位傳感器相當(dāng)于液位開關(guān)，是膜片一觸頭開關(guān)式，當(dāng)水滿時(shí)開關(guān)自動(dòng)閉合，三極管9013導(dǎo)通，則給輸入口一個(gè)低位信號(hào)，在進(jìn)水期間，三極管9013處于斷開狀態(tài)，系統(tǒng)不斷檢測(cè)水位傳感器，若水位傳感器檢測(cè)到水滿時(shí)，就使三極管9013導(dǎo)通，停止進(jìn)水。硬件電路如圖3.8所示。</p><p>　　圖3.9 系統(tǒng)檢測(cè)電路</p><p>　　3.3.

66、3 洗滌控制電路設(shè)計(jì) </p><p>　　洗衣機(jī)洗滌控制電路的性能要求： 強(qiáng)洗、標(biāo)準(zhǔn)、輕柔三種洗滌模式。</p><p>　　強(qiáng)洗周期水流控制：正向電機(jī)接通5秒后，停2秒；再反向電機(jī)接通5秒，停2秒；然后又正向接通5秒。如此循環(huán)控制電機(jī)，直到洗滌定時(shí)結(jié)束。</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)洗滌周期水流控制：其過程與強(qiáng)洗周期水流控制相同，正向接通3.5秒，停止時(shí)間為1.

67、5秒，反向接通3.5秒。</p><p>　　輕柔洗滌周期水流控制：正向接通2.5秒，停止時(shí)間為1.5秒，反向接通時(shí)間為2.5秒。</p><p>　　洗衣機(jī)洗滌定時(shí)可有三種選擇：5分鐘、10分鐘、15分鐘。初始設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)為15分鐘。在洗滌過程中，根據(jù)衣物的重量和骯臟程度來選擇洗滌模式。洗滌定時(shí)誤差要求不大于0.1秒。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)洗衣機(jī)洗滌控制電路，只要求輸出正向和反向的電機(jī)控制信號(hào)。根據(jù)上述

68、對(duì)洗衣機(jī)洗滌控制電路的性能要求，可以畫出如下圖所示的結(jié)構(gòu)框圖。該控制器由四大部分組成：主分頻器、主控制器、洗滌定時(shí)器和水流控制器[8]。</p><p>　　圖3.10 洗衣機(jī)洗滌控制電路結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　主分頻器是用來產(chǎn)生0.1秒的時(shí)鐘供主控制器使用。本方案ED2板自帶時(shí)鐘，其振蕩頻率為50MHZ。這樣，主分頻器的分頻系數(shù)為5M。現(xiàn)采用3個(gè)分頻器構(gòu)成主分頻器的分頻電路，3個(gè)

69、分頻電路是1k分頻器、1K分頻器和5K分頻器。主分頻器的結(jié)構(gòu)如下圖所示。</p><p>　　圖3.11 主分頻器的結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　第四章 軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 軟件設(shè)計(jì)的思路</p><p>　　圖4.1 主程序流程圖</p><p>　　全自動(dòng)

70、洗衣機(jī)控制器系統(tǒng)軟件由主程序、多個(gè)功能子程序組成。主程序完成初使化、洗滌、漂洗、托水等功能;子程序包括顯示子程序、衣物重量檢測(cè)子程序、進(jìn)水子程序、洗滌子程序、漂洗子程序、脫水子程序、時(shí)鐘中斷子程序等。</p><p>　　4.2 洗衣機(jī)洗滌控制電路狀態(tài)圖描述</p><p>　　4.2.1 主控制器狀態(tài)圖描述</p><p>　　根據(jù)主控制器的工作要求，洗衣機(jī)洗

71、滌時(shí)的工作狀態(tài)共有9種：標(biāo)準(zhǔn)——15分鐘；標(biāo)準(zhǔn)——10分鐘；標(biāo)準(zhǔn)——5分鐘；輕柔——15分鐘；輕柔——10分鐘；輕柔——5分鐘；強(qiáng)洗——15分鐘；強(qiáng)洗——10分鐘；強(qiáng)洗——5分鐘[9]。</p><p>　　圖4.2 模式選擇控制狀態(tài)圖</p><p>　　圖4.3 定時(shí)器選擇控制狀態(tài)圖</p><p>　　4.2.2 洗滌定時(shí)器狀態(tài)圖描述</p>

72、<p>　　洗滌定時(shí)器有3種狀態(tài)：停止?fàn)顟B(tài)（IDLE）、計(jì)時(shí)狀態(tài)（INCCOUNT）、暫停狀態(tài)（TMP_STOP）[10]。</p><p>　　圖4.4 洗滌定時(shí)器狀態(tài)圖</p><p>　　4.2.3 水流控制器狀態(tài)圖描述</p><p>　　該狀態(tài)圖有3種狀態(tài)：停止?fàn)顟B(tài)（STOP）、電機(jī)接通定時(shí)計(jì)數(shù)狀態(tài)（ON_TIME）和電機(jī)斷開定時(shí)計(jì)數(shù)狀態(tài)

73、（OFF_TLME）。</p><p>　　圖4.5 水流控制器狀態(tài)圖</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　本次論文設(shè)計(jì)，從確定論文題目，我便開始查找相關(guān)資料，寫開題報(bào)告。在查找資料的過程中，我學(xué)到了許多關(guān)于FPGA方面的知識(shí)及多全自動(dòng)洗衣機(jī)有了充分的了解。本次論文我設(shè)計(jì)了洗衣機(jī)的控制器，它能多進(jìn)水、排水、洗滌、脫水

74、等功能進(jìn)行全面的控制，實(shí)現(xiàn)了洗衣機(jī)的全自動(dòng)化。本次論文我主要對(duì)洗衣機(jī)控制器的硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。硬件部分：（1）主要介紹了各個(gè)元器件，并說明了在洗衣機(jī)中的作用，畫出了相應(yīng)的電路圖；（2）對(duì)各個(gè)模塊的電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并說明了其工作原理。軟件部分：設(shè)計(jì)了洗衣機(jī)各種狀態(tài)下的部分流程圖。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 潘松，王國(guó)棟

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