基于PLC 的全自动洗衣机系统设计

冯美艳，李春阳，董莹莹

（1.安阳学院航空工程学院，河南 安阳 455000；2.安阳县职业中等专业学校，河南 安阳 455000）

引言

市场上的全自动洗衣机第一需要自己设置清洗时间、水量对于老年人来说操作比较麻烦，第二系统都是默认一次洗涤之后直接将水排出比较浪费水资源，第三清洗模式单一，洗衣机清洗力度大洗的干净但是会损坏面料，不损坏面料的洗衣机又洗不干净[1]。本文提出了一种水位可以根据衣物重量自行设定的全自动洗衣机系统，且该系统具有强力洗、普通洗和单洗涤等多种模式，居民可以根据自身需要选择操作模式。该系统的操作过程为启动电源、选择洗衣模式和启动。

1 系统整体设计

系统主要由按键系统、数码管显示系统、PLC 控制系统、传感器系统、电动机系统、报警系统和电源系统七部分组成[2]。按键系统与PLC 控制系统通信决定洗衣机进入什么洗涤模式，数码管显示系统显示当前清洗模式的倒计时。PLC 控制系统控制注水电磁阀、排水电磁阀的通断，电动机的正反转和洗衣机的洗涤模式[3]。传感器系统用来监测衣物重量和洗衣机温度。电动机系统根据PLC 控制系统指令正反转。系统设计如图1 系统整体设计框图所示。

2 硬件设计

系统硬件主要有三菱FX2NPLC 模块、电源模块、按键模块、数码显示模块、报警模块和传感器模块组成[4]。按键模块用以控制系统的开关、洗涤模式的选择和中途加衣。数码显示模块主要用于倒计时。PLC控制模块用于控制注水、排水电磁阀、电动机的正反转[5]。

2.1 PLC 控制模块

PLC 控制系统采用三菱FX2N 系列PLC。FX2N系列PLC 带有8 kbyees 存储器、200 个通用定时器、64 个I/O 口，支持RS-232C、RS-485 通信。FX 系列PLC 可以实现在线修改程序，操作简单。

2.2 按键模块

按键模块通过UART 与PLC 进行通信。按键模块主要分三部分：一是电源按键。控制整个系统的启停。二是启动/暂停/按下3 s 暂停系统并开门按键。主要用以选择好系统模式后启动系统和中间添加衣物。三是选择洗衣模式，并将选择的模式发送到PLC控制系统。若按下15 min 速洗按键X0 则进入15 min 速洗模式，若按下30 min 正常洗按键X1 则进入30 min正常洗模式，若按下单洗涤按键X6 或X7 则系统进入只洗涤不排水模式等。各按键的功能如表1 所示。

表1 各按键功能

2.3 数码显示模块

数码显示模块采用三个数码管来显示洗衣机在当前工作模式下剩余工作时间。

2.4 报警模块

报警模块主要是有蜂鸣器和放大器组成。当放置衣物质量大于8 kg 是蜂鸣器报警。当某种模式执行完毕时，蜂鸣器报警。

2.5 传感器模块

传感器模块主要由温度传感器、压力传感器和速度传感器组成。温度传感器主要是检测洗衣机的温度若温度高于40 ℃，PLC 控制系统向关闭洗衣机门控制阀Y7 发送一个信号0，即不允许洗衣机门打开。温度低于40 ℃时，PLC 控制系统向关闭洗衣机门控制阀Y7 发送一个信号1，即洗衣机门正常开关。压力传感器检测系统的作用是测量衣物重量，并将衣物的重量转换为电信号，发送到PLC 控制系统，用以确定注水量。速度传感器主要是监测水龙头水流速度，并将监测到的信号转换为电信号发送到PLC 控制系统，从而控制水龙头的打开时间。

3 软件设计

软件设计部分主要由注水程序、洗涤程序、漂洗程序、脱水程序、烘干程序、浸泡洗程序和数码管显示程序组成。

3.1 注水程序

系统上电，温度传感器检测系统温度正常后压力传感器检测系统将衣物重量转换为电信号发送到PLC 控制系统，PLC 控制系统接收到电信号后，一方面将压力传感器检测系统转换的电信号赋值给D0，若D0大于8 kg 则蜂鸣器响表示超重。若D0＜8 kg 则进行下一步分类，若D0≤1 kg 则D1=1L，若1 kg＜D0≤2 kg 则D1=2L，若2 kg＜D0≤3 kg 则M1=3 L，依次类推。另一方面PLC 将接收到的电信号经过数学变换转换为控制注水阀和排水阀持续打开时间的时间信号t（s）。即速度传感器检测到的注水口水龙头的水流速度赋值给D2（m/s），水龙头的横截面积为S（m2），则PLC 控制注水阀打开时间公式如公式1 所示为：

在本设计中，注水时间=排水时间=t。

3.2 洗涤程序

洗涤程序分为单洗涤程序、正常洗涤（洗完漂洗甩干）程序和强力洗程序。若X6（15 min 单洗涤按键）按下则系统进入15 min 单洗涤模式，即洗涤过程为注水1 次，正停反转（Y1 正转20 s，停3 s，Y2 反转20 s停3 s）D3、D4次，系统停。若X0 或X1 按下则系统进入正常洗涤程序。默认洗涤过程执行1 遍，即注水1次，正停反转D3、D4次，排水1 次之后自动漂洗和甩干排水。若X7 按下则系统进入15 min 强力洗模式。洗涤过程为注水1 次，正停反转（正转30 s，停3 s，反转30 s 停3 s）D3、D4次，系统停。

系统上电，PLC 控制系统将按下的按钮对应的时间转换为秒赋值给D10。若按下的是X0（15 min 速洗按键)，则系统进入15 min 速洗程序。系统将15 min转换为秒赋值给D10。系统用算法算出正反转的时间并将正转次数赋值给D3、反转次数赋值给D4。D3、D4计算结果取四舍五入的整数。D3、D4的计算公式一样如公式（2）（3）（4）所示。

15 min 单洗涤模式：

//t 为注水时间，（20+3+20+3）为正停反转一周期所用时间。

正常模式：

//6 为漂洗时间6 min，//3 为甩干时间3 min。

15 min 强力洗模式

3.3 漂洗程序

漂洗程序分为洗涤完自动漂洗程序和直接漂洗脱水程序。若按键X10 按下则进入直接漂洗脱水程序，反之则是在洗涤程序完成后直接进入漂洗程序。两种漂洗程序都默认为执行2 遍，每次持续时间为6 min，即注水2 次，排水2 次，Y1 正转20 s，停3 s，Y2反转20 s 停3 s。正反转的次数赋值给D5、D6。D5、D6取计算结果四舍五入的整数。D5、D6计算公式一样，如公式（5）所示。

3.4 脱水程序

单脱水程序有两种情况：第一种当按键X3 按下时，系统直接进入脱水程序，第二种情况系统在漂洗程序完成后自动进入脱水程序。脱水程序中电动机持续正转，正转过程中排水阀持续排水，而脱水时间为3 min。

3.5 烘干程序

当按键X4 按下后，系统进入烘干程序。PLC 控制系统向关闭洗衣机门控制阀发送一个信号0，即不允许洗衣机门打开。PLC 控制系统控制电热丝的得电使洗衣机的烘干温度会控制在75～80 ℃，即不会损坏衣物，又可以杀菌除螨。烘干程序执行1.5 h 后自动停止，洗衣机自然冷却。在冷却至40 ℃之前洗衣机门不允许打开。

3.6 浸泡洗

当按键X5 按下后，系统进入浸泡洗模式。注水后，洗衣机正停反转2 min，用于将衣物浸湿和同洗衣粉充分混合。之后计时器T10 开始计时2 h，2 h 后系统自动进入30 min 洗衣模式。