基于单片机的智能洗碗机设计

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1. 系统功能概述

本系统以STC89C52单片机为核心控制器，设计了一款具备自动化控制、温度检测、时间设置及安全报警功能的智能洗碗机。系统可通过按键设定最高温度与洗涤时间，并根据设定流程自动完成"加水---加洗涤剂---加热---洗涤---排水---消毒"全过程。整个系统具有高度自动化、实时监测和安全保护功能，充分体现了单片机控制技术在家用电器智能化领域的应用价值。

洗碗机作为现代家庭中重要的智能家电之一，其自动化程度和安全性能直接影响用户体验。本设计通过温度传感器实时检测水温，采用继电器控制水泵、加热器和电磁阀等执行器，实现全自动清洗过程。当温度超过设定上限时，系统会自动停止加热并发出蜂鸣器报警。同时，系统通过LCD1602液晶显示屏显示当前温度、设定时间与运行状态，用户可直观掌握洗碗机运行情况。

系统主要实现以下功能：

最高温度设置与保护：用户可设置洗碗过程中的最高加热温度，当水温超过阈值时自动停止加热并报警。
洗涤时间设定：用户可设定洗涤时间，系统自动根据时间控制洗涤周期。
自动运行流程：洗碗机自动完成"加水 → 加洗涤剂 → 加热 → 洗涤 → 排水 → 消毒灯工作"等步骤。
实时显示与报警：LCD1602显示系统运行状态、温度和剩余时间；超温或异常时蜂鸣器报警。
安全可靠：系统具备过温保护与防空转逻辑，防止加热器干烧，提高系统安全性与可靠性。

2. 系统电路设计

本系统电路主要由单片机最小系统电路、温度检测电路、加热控制电路、水泵与电磁阀控制电路、LCD显示电路、按键输入电路 以及报警与消毒灯控制电路组成。各模块通过单片机I/O口实现协调控制，确保系统工作流程自动、有序。

2.1 单片机最小系统设计

系统的控制核心为STC89C52单片机，其内部集成丰富的I/O资源，足以同时控制多路继电器、按键与LCD模块。最小系统主要包括晶振电路、复位电路与电源电路三部分。

晶振电路：采用11.0592MHz晶振，为单片机提供稳定时钟信号。
复位电路：由电容和电阻组成的RC延时电路，确保上电时单片机稳定复位。
电源电路：系统工作电压为5V，通过LM7805稳压芯片将外部12V电源稳压输出5V供电。

该最小系统为整个控制逻辑提供了基础硬件支撑。

2.2 温度检测电路

温度检测模块使用DS18B20数字温度传感器。

原理说明：DS18B20通过单总线协议与单片机通信，输出数字信号，无需外部A/D转换。
功能作用：实时检测洗碗机内部加热水温，数据送入单片机进行对比判断。当温度超过设定上限时，单片机立即关闭加热器并启动蜂鸣器报警，确保设备安全运行。
优点：测量精度高（±0.5℃），响应速度快，抗干扰能力强，适合潮湿环境。

2.3 加热控制电路

加热器由单片机通过继电器控制，继电器线圈经NPN三极管放大驱动。

当单片机检测到温度低于设定值时，输出高电平使继电器吸合，接通加热器电源；
当温度达到设定上限时，继电器断开，停止加热。

该闭环控制确保温度稳定，避免能耗浪费与过热损坏。

2.4 水泵与电磁阀控制电路

系统的水路部分包括：加水电磁阀、洗涤泵与排水泵。

加水阶段：单片机控制电磁阀打开，加水到指定液位后关闭。
洗涤阶段：洗涤泵开启，实现水流循环清洗。
排水阶段：排水泵启动，排出污水。

所有控制均通过继电器隔离实现，防止强电干扰单片机。

2.5 LCD1602液晶显示模块

LCD1602用于显示系统运行状态，如：

第一行显示当前温度与设定温度；
第二行显示运行阶段（如"加热中"、"洗涤中"、"排水中"）与剩余时间。

该模块通过4位数据总线与单片机相连，节约I/O口资源。

2.6 按键输入电路

系统配备若干按键，包括：

温度设置键：调整最高加热温度；
时间设置键：设置洗涤总时长；
启动/停止键：控制洗碗机开始或停止运行。

每个按键均采用独立上拉电阻与消抖设计，确保响应准确。

2.7 报警与消毒灯控制电路

报警模块：蜂鸣器由单片机输出控制信号驱动，用于超温或异常状态提示。
消毒灯模块：通过继电器控制紫外灯或LED消毒灯，在洗涤结束阶段自动开启，杀灭细菌。

3. 系统程序设计

程序部分使用C语言在Keil环境中开发，采用模块化编程结构，分为主程序、温度检测模块、时间控制模块、LCD显示模块、按键模块以及报警控制模块。主循环根据系统状态机逻辑依次执行洗碗流程。

3.1 主程序设计

主程序主要完成系统初始化、流程控制与状态显示。整个程序以状态机方式运行，每个步骤执行完毕后自动进入下一阶段。

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#include <reg52.h>
#include "lcd1602.h"
#include "ds18b20.h"
#include "key.h"
#include "delay.h"

sbit heater = P2^0;
sbit water_pump = P2^1;
sbit drain_pump = P2^2;
sbit buzzer = P2^3;
sbit disinfect_lamp = P2^4;

float temp_set = 60.0;  // 默认最高温度
unsigned int wash_time = 30;  // 默认洗涤时间（单位：秒）
float current_temp;

void main() {
    LCD_Init();
    DS18B20_Init();
    Key_Init();
    LCD_ShowString(0,0,"Smart Washer");
    DelayMs(1000);

    while(1) {
        current_temp = DS18B20_ReadTemp();
        LCD_ShowFloat(1,0,"Temp:", current_temp);
        LCD_ShowFloat(1,9,"Set:", temp_set);

        if(Key_Scan() == 1)  temp_set += 5;   // 温度设置
        if(Key_Scan() == 2)  wash_time += 10; // 时间设置

        // 开始自动流程
        Start_Process();
    }
}

3.2 自动运行流程控制

流程包括加水、加洗涤剂、加热、洗涤、排水与消毒。

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void Start_Process() {
    LCD_ShowString(0,0,"Filling Water...");
    Open_Valve();
    DelayMs(2000);
    Close_Valve();

    LCD_ShowString(0,0,"Add Detergent...");
    DelayMs(1000);

    LCD_ShowString(0,0,"Heating...");
    while(current_temp < temp_set) {
        heater = 1;
        current_temp = DS18B20_ReadTemp();
        if(current_temp > temp_set) {
            heater = 0;
            buzzer = 0;
        }
    }
    heater = 0;

    LCD_ShowString(0,0,"Washing...");
    water_pump = 1;
    Countdown(wash_time);
    water_pump = 0;

    LCD_ShowString(0,0,"Draining...");
    drain_pump = 1;
    DelayMs(2000);
    drain_pump = 0;

    LCD_ShowString(0,0,"Disinfecting...");
    disinfect_lamp = 1;
    DelayMs(2000);
    disinfect_lamp = 0;

    LCD_ShowString(0,0,"Finished!");
}

3.3 温度采集程序

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float DS18B20_ReadTemp(void) {
    unsigned char LSB, MSB;
    int temp;
    DS18B20_Start();
    DS18B20_WriteByte(0xCC);
    DS18B20_WriteByte(0x44);
    DelayMs(750);
    DS18B20_Start();
    DS18B20_WriteByte(0xCC);
    DS18B20_WriteByte(0xBE);
    LSB = DS18B20_ReadByte();
    MSB = DS18B20_ReadByte();
    temp = (MSB << 8) | LSB;
    return (float)temp * 0.0625;
}

3.4 倒计时与时间控制

倒计时用于控制洗涤阶段运行时间。

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void Countdown(unsigned int seconds) {
    unsigned int i;
    for(i=seconds; i>0; i--) {
        LCD_ShowInt(1, 12, i);
        DelayMs(1000);
    }
}

3.5 报警与保护逻辑

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void Temp_Protect() {
    if(current_temp > temp_set) {
        heater = 0;
        buzzer = 0;
        LCD_ShowString(0,0,"Over Temp!");
        while(current_temp > temp_set - 5) {
            current_temp = DS18B20_ReadTemp();
        }
        buzzer = 1;
    }
}

4. 系统工作流程说明

整个洗碗机的自动化运行过程如下：

启动阶段：用户设置温度和时间后按下启动键，系统初始化并进入加水流程。
加水阶段：电磁阀开启，水位达到设定后自动关闭。
加洗涤剂阶段：控制机械机构释放固定量洗涤剂。
加热阶段：开启加热器，实时检测温度。当温度达到设定值时，系统自动停止加热。
洗涤阶段：循环水泵启动，执行定时清洗。
排水阶段：排水泵排出污水，保证洗碗槽干净。
消毒阶段：紫外灯或LED灯自动开启，进行消毒处理。
结束阶段：蜂鸣器鸣叫提示完成，LCD显示"Finished"。

5. 总结

本系统基于STC89C52单片机设计，实现了智能洗碗机的核心功能。系统能够自动执行完整洗涤流程，具备温度监测、时间控制、自动报警及LCD显示等功能，结构清晰、逻辑严谨。

该设计不仅提升了家庭洗碗设备的智能化水平，还展现了单片机在家电控制领域的高效应用。未来可进一步扩展至水位检测、WiFi远程控制、节能加热算法等功能，实现更加智能和节能的家用清洗系统。