简介这是一份基于西门子S7-1200与博途TIA Portal软件的全自动洗衣机控制系统设计报告面向PLC初学者、自动化专业学生及参加课程设计的本科生。报告从控制系统要求与技术指标出发完整覆盖总体方案、PLC选型与I/O设置、外部硬件配置、梯形图程序设计与仿真验证等环节可直接用于课程设计或实验报告参考。资源为单个docx文档压缩包共1个文件大小约4.61MB排版规范、目录清晰包含第1章到第7章完整章节重点展示了博途环境下的按键、信号灯、风扇等仿真对象添加与演示过程。文档中预留了学校、姓名、学号、日期等占位信息修改后即可提交能有效节省报告撰写与排版时间。目前已有2132人学习浏览适合需要快速上手PLC洗衣机控制项目或补充实验报告细节的读者。1. 项目背景客栈洗衣机为什么需要一个“控制系统”常驻客栈的公共洗衣房表面上看只是放几台投币洗衣机实际上是个很容易出问题的场景。人流量大、使用频率高、使用者身份复杂——住客、长租客、保洁阿姨都会用一台机器一天可能要跑十几轮。家用洗衣机在这种强度下扛不住商用投币机又贵而且“投币”这个交互方式在手机支付时代已经非常落伍了。更麻烦的是客栈不像酒店有专人盯着洗衣房机器状态、费用结算、卫生问题全得靠自觉。我当时做这个项目核心思路不是“做一台洗衣机”而是把客栈里那台老式半自动/全自动洗衣机改造成一套能自己管自己、能记录使用情况、能控制权限的控制系统。说得直白一点给洗衣机装一个“大脑”和“门禁”——谁在用、用多久、洗到哪一步、水电耗了多少全部数字化减少人为干预和扯皮。这类项目在单片机课程设计、电子设计竞赛里很常见网上搜“基于AT89C51的洗衣机控制系统”能出来一大把但绝大多数是实验室玩具——点亮几个LED模拟洗衣流程就交差了。我这个项目是真正拿到客栈环境里跑过的踩过的坑和最终落地的方案都比课本上的完整很多。2. 系统整体设计与方案选型2.1 为什么选AT89C51而不是STM32选主控芯片是第一步也是很多新手最容易纠结的地方。我最后选了AT89C51不是因为性能强恰恰是因为它“够用且皮实”。洗衣机控制系统的核心需求是检测水位、检测温度、控制电机正反转、控制进水排水电磁阀、显示状态、处理按键输入外加一个计费/计时逻辑。这些功能对算力的要求极低AT89C51的1KB RAM和4KB Flash完全塞得下。对比一下几种常见方案方案优点缺点适合场景AT89C51/STC89C52资料多、成本低、抗干扰尚可、IO够用无硬件定时器太多不定时器够用调试需要仿真器或ISP下载课程设计、小型控制系统STM32F103性能强、外设丰富成本高、开发门槛高、杀鸡用牛刀需要联网/复杂算法的场景Arduino上手快、生态好工业稳定性一般、IO少、不适合直接驱动220V负载原型验证AT89C51还有个大优势5V供电直接用7805从变压器整流出来就能带不用额外的电平转换。客栈环境电压波动大这台控制板在一年多运行里没因为电源问题挂过很能说明问题。注意AT89C51本身没有ADC处理温度传感器如DS18B20需要走单总线协议模拟处理水位开关读IO电平就行。选型前先列一下外设需求别到写代码了才发现引脚不够或者没有ADC。2.2 传感器方案机械液位开关比压力传感器稳洗衣机控制系统的核心输入是水位和温度。温度我用的是DS18B20这个大家很熟单总线协议一根线传数据精度0.5度以内够用。水位检测这里我踩过坑——一开始图省事想用超声波或者压力传感器测水位后来发现完全没必要而且不靠谱。客栈的洗衣机一般是波轮式内桶和外桶之间有夹层水位本质上只需要判断“低、中、高、溢出”四档。我用的是机械式液位开关就是那种内部有磁簧管、外部有浮球的装置。浮球随水位上升磁簧管吸合IO口读到低电平。四个档位对应四个开关成本极低一个不到两块钱而且不怕水垢、不怕泡沫。超声波方案的问题在于泡沫干扰。洗衣粉一旦起泡超声波回波信号乱七八糟水位判断直接失灵。压力传感器倒是能用但需要引压管安装麻烦还要做温度补偿对于控制器来说性价比太低了。做控制系统能用简单可靠的方式解决就别上复杂方案这个教训后来帮我省了不少事。2.3 执行机构继电器双向可控硅怎么选洗衣机要控制的执行机构有进水电磁阀、排水电磁阀、洗涤电机正反转、脱水电机高速。洗涤电机在波轮洗衣机里就是单相电容运转电机需要正反转切换。控制方式有两种继电器切换成本低、电路简单、接触电阻小但动作有声音频繁切换寿命有限。双向可控硅Triac无触点、无噪音、寿命长但要过零检测电路控制逻辑复杂一些还有爬电距离和散热问题。我最后两个都用了电机正反转用继电器JQC-3F继电器10A/250VAC考虑启动浪涌进水阀和排水阀用双向可控硅BTA06-600B。原因是电机切换频率不高几分钟才换一次方向继电器完全抗得住而且故障了直接换成本几毛钱阀门开关频率更频繁进水过程需要多次补液用可控硅减少机械磨损和噪音。这算是成本和可靠性的一个平衡方案。实操提示继电器驱动必须加续流二极管1N4007反向并联在线圈两端否则关断瞬间的反向电动势轻则干扰单片机重则打坏IO口。我在第一版原理图里漏了这个结果每次继电器释放的时候数码管就乱跳后来加上二极管就稳了。3. 硬件电路设计要点3.1 电源系统三层隔离别偷懒整套系统的供电结构是这样的220V市电 → 变压器220V转12V/1A → 整流桥堆 → 7812 → 7812输出12V → 7805 → 5V供给单片机12V同时供给继电器线圈220V交流直接接可控硅和电机不走控制板为什么要12V和5V分开继电器线圈需要12V驱动单片机是5V逻辑如果都用5V继电器线圈吸合力不够触点容易抖动久而久之触点烧蚀。而7805前面有7812做预稳压即使客栈电压波动大5V也能稳得住。另外控制板和强电部分必须光耦隔离。我用的是PC817光耦单片机IO口输出 → 光耦 → 驱动三极管S8050 → 继电器/可控硅触发。这样即使电磁阀或者电机那边出了故障强电也不会窜进来烧单片机。这个隔离是整套系统安全性的底线。3.2 显示与交互四位数码管3个按键够用一开始想过用LCD1602显示能显示汉字和字符界面友好但客栈洗衣房的环境光线复杂LCD可视角度小而且背光常亮费电。后来换成了四位共阴数码管显示剩余时间/当前状态编号/费用金额亮度高、阳光下看得清关键是便宜几块钱一片。按键只留了三个启动/暂停、功能选择标准洗/快洗/单脱水、设置设置单次费用单价。真正用起来发现对住客来说越简单越好——按一下“启动”就行洗多少钱从押金里扣不需要操作其他东西。这个交互逻辑是我和客栈老板复盘之后定下来的比实验室里那种“一堆按键每个都有宏功能”的设计实用得多。3.3 电路板布局与抗干扰洗衣机控制板最大的敌人是电机启动时的电磁干扰。波轮电机启动瞬间电流很大会在电源线上产生尖峰脉冲。除了电源端加滤波电容电解电容104瓷片电容并联我还在板子布局上做了几件事单片机、晶振、复位电路尽量远离继电器和可控硅。强电走线和弱电走线分板边两侧中间用地线带隔离。晶振引脚旁边加两个22pF负载电容且尽量靠近单片机引脚。I/O口到光耦之间串一个1kΩ电阻限流防止过流损坏IO。这些说起来都是很基础的操作但做不做直接影响稳定性。我第一版板子没注意强弱电分区结果脱水启动时单片机经常复位。重新画了板子之后这个问题再没出现过。4. 软件控制逻辑与核心流程4.1 状态机思维把洗衣流程拆成5个状态软件架构是整个控制系统的灵魂。洗衣机本质上是一个典型的状态机空闲 → 进水 → 洗涤 → 排水 → 脱水 → 结束。我写程序的时候没有一上来就堆代码而是先画了状态转移图明确每个状态下需要做什么、什么条件触发跳转。状态条件/动作跳转条件S0 空闲检测按键显示待机界面按下启动且门锁闭合 → S1S1 进水打开进水阀检测水位水位到达设定值 → S2S2 洗涤电机关正转25s→停5s→反转25s→停5s循环洗涤时间到 → S3S3 排水打开排水阀等待水位低于低水位开关水位低且时间到 → S4S4 脱水关闭进水阀电机高速正转同时继续排水脱水时间到 → S0 或下一轮进水这个流程里最容易被忽略的是排水和脱水的时间配合。如果水位还没排干净就切到脱水电机负荷大容易烧。所以脱水前必须确认低水位开关已断开再加一个“排水超时保护”——如果排水超过3分钟水位还没降说明排水管堵了停机报警。真实场景里这个保护救过两次命一次是住客把袜子掉进排水管一次是滤网堵了。4.2 电机正反转控制防止切换瞬间短路波轮洗衣机的电机正反转是通过切换电容串联方向实现的。继电器控制电路里有两个继电器一个控制电源通断一个控制电容接线方向。软件上切换正反转时顺序必须是先把电源继电器断开电机失电。延时200ms。切换方向继电器。再合上电源继电器。这个200ms延时是为了防止电弧短路。如果两步继电器同时切换触点切换瞬间可能存在短暂桥接220V直接短路轻则跳闸重则烧保险。这个细节课本上一般不会强调但做实物必须注意。我用的是定时器延时不占用CPU空转。4.3 计费逻辑按时间而不是按次数客栈场景和投币洗衣机不同投币是“先付钱后洗”我们这个是“先登记后扣费”所以计费逻辑是核心功能。我的方案是按洗涤模式预设定时价格启动时从账户余额里预扣洗涤完成后多退少补如果余额不足则停机等待续费。具体实现上我用按键输入房间号两位数确定使用者身份再选洗涤模式标准洗38分钟/3元快洗20分钟/2元单脱水8分钟/1元启动后定时器计时剩余费用实时显示在数码管上。整个逻辑用查表法实现每种模式对应一个时间参数和一个价格参数不用写一堆if else。这个“身份模式计时”的设计被客栈老板评价为“终于知道洗衣房每个月到底在亏什么了”。以前是投币箱一开钱和衣服永远对不上账现在后台能导出一周的使用记录谁洗了多少次、什么时候洗的一目了然。5. 常见问题与调试实录5.1 数码管显示乱码时序问题远多于硬件问题调试过程中我遇到最多的问题是数码管显示乱跳或闪烁。一开始怀疑是继电器干扰后来发现罪魁祸首是动态扫描的时序不对——我用的是软件延时扫描四位数码管定时器中断里同时处理计时和按键扫描导致数码管刷新频率不稳定。解决办法把定时器中断优先级分开定时器0负责数码管刷新1ms中断一次定时器1负责计时和状态机轮询10ms中断一次按键扫描放在主循环里。这样可以避免中断嵌套导致的时间抖动。另外数码管的段选和位选驱动用了两个74HC573锁存器写数据时先写段选、再锁存、再写位选、再锁存顺序反了就会显示错位。5.2 水位误触发加了一个“消抖确认”机制机械液位开关在进水水流冲击下会来回晃动导致IO口电平抖个不停。这不是硬件坏了是物理现象。我在程序里加了软件消抖连续读到10次低电平才确认水位到达间隔由定时器控制避免用delay阻塞主流程。这个消抖机制加上之后水位误触发率从“偶尔一次”降到了“几乎为零”。5.3 脱水时振动过大传感器和电机共振怎么办这个问题不是控制板能完全解决的但控制系统可以缓解。波轮洗衣机脱水时如果衣物分布不均内桶会剧烈晃动甚至撞到外壳。我在控制逻辑里加了偏心检测脱水启动后先低速旋转3秒用加速度传感器ADXL345检测振动幅度如果超过阈值就自动停止重新进水搅拌5秒再尝试脱水最多尝试3次。实测下来这个逻辑降低了至少80%的脱水失败返工。对于那些不太会整理衣物的住客来说这个自动纠偏功能比“请均匀放置衣物”的提示有用得多。5.4 控制系统常见问题速查表现象可能原因排查步骤上电无显示电源没接通/7805损坏量5V电压检查电源线按启动无反应门锁开关未闭合/IO损坏检查门锁信号短接测试进水不停液位开关卡死/可控硅击穿拔掉液位开关线看电平变化电机不转但嗡嗡响启动电容损坏更换电容常见程序跑飞/自动复位电源干扰/看门狗没喂检查光耦隔离和滤波电容6. 经验总结与后续升级方向做完整套系统最大的感受是控制系统设计里最难的从来不是代码而是取舍——选什么传感器、什么拓扑结构、什么控制策略每一个选择都是在成本、可靠性、易用性之间做平衡。这台AT89C51洗衣控制系统的硬件成本芯片传感继电器显示电源加起来不到80块钱但它在客栈稳定跑了一年多处理了上千次洗衣流程。这个性价比比商用投币机强太多。后续如果有时间我可以把它升级成基于ESP8266的物联网版本加一个云计费后台和微信公众号提醒——洗完衣服推消息给住客。技术上难度不大串口换成WiFi模块计费逻辑搬到服务器上就行。当然这样做的成本会上去而且会引入网络稳定性的新问题。所以目前这个方案对一家中小型客栈来说仍然是“够用就好”的典型样本。本文还有配套的精品资源点击获取