2系统总体设计
2.1 系统问题概述
本课题旨在设计一款智能的衣物清洗机，该清洗机主要应用于一些人流比较密集的场合，如公寓、宿舍中。考虑到在这些生活、工作场景中，用户出现的主要问题是排队等待的时间过长，所以我们针对这一问题进行了方案设计。本方案主要能够解决用户在排队等待时间过长上的难题。所以，方案在实现上的难点主要体现在以下几个方面：
1.用户与设备的交互问题。系统的主要功能是节省用户排队等待的时间，所以必须具备一定的交互能力，且这种交互能力允许用户对设备进行远程操控。这样用户就可以足不出户来完成衣物的清洗。
2.设备的驱动方式问题。本设计需要模拟生活中常见的洗衣机的功能，洗衣机主要通过滚筒来对衣物进行清洗的，所以本设计需要采用相关的传感器来实现对衣物的转动，来模拟洗衣机的功能。
3.设备的供电问题。本设计通过单片机来实现各个模块电路之间的工作，包括无线通信电路、电机转动电路等，需要对各个传感器进行合理的供电。
2.2 功能分析
通过对洗衣机功能的分析，本设计需要完成洗衣机的转动功能，这部分可以通过电机电路来实现。而其他部分则主要包括用户交互功能、按键选择功能以及显示功能。这几部分的功能描述如下：
1.转动功能。本设计的转动功能主要实现对衣物的清洗，这部分功能的实现主要参考了现实生活中洗衣机转筒的实现。
2.用户交互功能。本设计可以由用户进行远程控制，所以需要一定的远程交互功能来实现。
3.按键选择功能。按键选择部分参考了我们生活中常见洗衣机的形式。
4.显示功能。显示功能需要能够显示当前剩余的洗衣时间、总共的洗衣时间等。
2.3 系统框架设计
对于本系统的设计，主要表现在对滚筒转动电路、无线传输电路、按键控制电路以及显示电路这几个方面的设计上。对于这几个模块电路，一般需要考虑核心控制器的控制方式，其中控制方式主要包括两种：一种是通过搭建纯数字化的编码电路来实现各个电路的控制，另一种是通过采用模块化的思想来实现各个电路的控制，这两种控制方式主要存在以下区别：
1.通过搭建纯数字化的编码电路来实现微波电路的控制。在该方式中，需要设计滚筒转动电路、无线传输电路、按键控制电路以及显示电路等相关的硬件电路。使用纯数字化的控制方式，可以对设备的处理流程具有细微的控制。尤其是在电机转动速度、显示分辨率选择等方面具有更加的性能。但是这种方式对电路设计能力的要求很高，且电路之间的依赖性较强，不适合本系统的控制。
2. 通过采用模块化的思想来实现本电路的控制。使用模块化的控制方式时，需要采用相应的滚筒转动模块、无线传输模块、按键控制模块以及显示模块。四种模块各司其职，相互独立。对于本设计来说，在测试部分会减少很多重复性的工作。
通过对上文的描述，本设计采用基于模块化的控制思想来实现智能衣物清洗机的功能。具体电路中使用了已具备成熟的工艺的无线通信模块和显示模块。至于按键模块，本设计实现了简易的九宫格按键，可以很好地实现模式的选择。
系统整体框图如下图2.1所示：
图2.1 系统框图
3.硬件电路设计
3.1 电源模块的设计
本设计基于数字电路来实现，采用了多种模块化的传感器。这些传感器主要包括：单片机、电机、按键以及显示屏等。对于这些模块进行供电时，需要考虑到不同模块之间基准电压的不同。对于电机模块，由于需要具备转动的功能，所以采用的基准电压比较大，一般为12V。而对于其他模块，如单片机、按键以及显示屏等，这些模块的基准电压较低，通常采用5V的工作电压即可。所以在对电源电路进行设计时，我们采用两种供电方式：对于电机电路，采用12V用电，而其他电路，则采用5V供电。电压转换芯片采用常用的1205，该芯片将12V的输入电压转为5V的输出电压，输入电压采用12V标准电压源即可。这部分的模块电路如下所示：
图3.1 电源转压模块
3.2 单片机选型与介绍
本设计需要具备一定的交互功能，用户通过手机即可实现对设备的控制，而设备则需要识别出用户手机发出的指令，并通过控制其他电路来实现衣物清洗的功能。所以系统需要一个总控制器来实现各个模块之间的调度。在工业中，一般会选择单片机来实现这部分的任务。因为开发人员可以通过对单片机进行编程来设定系统的工作流程，这样系统就可以按照用户的思想去执行对应的动作。我们常见的单片机类型也比较多，这些单片机根据性能和成本会存在较大的不同。但是单片机的类型往往会存在一个特点，就是工作频率越高的单片机，性能越强，同时价格也更高。考虑到本系统的控制核心就是单片机所以我们调研了市场上存在的大多数类型的单片机，并对他们进行了选择。以下列出两种比较常见的单片机：
1.51单片机。51单片机是上世纪中叶由美国研发的一款8位单片机。该单片机属于最早的可编程式微型CPU，一经发现，便得到了广泛的使用。在51单片机出现之前，人们还普遍采用工业化的控制流水线来对设备进行控制，设备在每一个关键节点都需要进行人工辅助，如传统的电梯需要工作人员在外部进行拉闸、开闸等，控制起来极不方便。但是自从TI公司研发了51单片机之后，显著的改善了这一工业现状。51单片机具备了高性能计算机的一些基本功能，如外部中断、定时器等，使得单片机在便携性、移动性等方面得到了广泛的应用。但是随着社会的发展，51单片机在计算能力表面逐渐表现出了劣势，这也促使其他IT公司开始研发性能更高的微型控制器。但是51单片机由于成本较低的缘故，仍然是目前工业控制中的主流选择。
2.stm32等位数更高的单片机。由于51单片机只具有8位的控制精度，使得其计算能力无法适应现在高性能的计算场合，这也导致了如stm32等这些高性能单片机的出现。Stm32相比51单片机，具备了更高的计算位数（32位），同时也增加了其他一些功能，如：数模、模数转换，DMA数据传输功能，SPI/IIC通信协议。这些功能的增加使得stm32的通用性得到了很大的推广，同时stm32在中断位数、定时器精度等方面也具有更好地表现。所以在一些比较高端的场合中，stm32的身影变得频繁起来了。但是相比传统的51单片机，stm32在成本方面也比较高，一般而言，stm32的成本是51单片机的两倍左右。
本设计主要实现了对各个电路模块的控制，需要的是程序的转换流程，而不需要进行精密的计算，所以只需要通过对单片机接收到的指令进行调度即可。因此本设计选择51单片机来完成这一功能。本设计的单片机电路如下所示：
图3.2 51单片机原理图
4 软件设计
4.1 系统整体流程
通过第三章的描述，我们队本设计的硬件电路模块有了详细的了解。在软件驱动部分，需要完成以下几个方面的设计：按键部分以及电机驱动部分。实际的设计流程如下所示：
图4.1 软件流程设计5 结论
我们设计的自动衣物清洗机具备了生活中衣物清洗机的常用功能，比如按键控制、档位调节等。本系统具有多种调节方式，用户可以通过按键来选择清洗器的工作模式，无论是在大型还是在小型的使用场景中，均具有独特的可行性。本设计按照上面的工作流程完成了全部的工作，从课题设计而言，已经圆满完成了任务。但是系统还存在一些缺点，如：
1，响应速度不够快。用户在按下控制指令后，到机器能够识别该信号，并作出改变之间的时间间隔大概在1s左右，这个延迟在系统作为玩具或者模型时确实足够了，但在企业级应用中，延迟还是太长。
2，功能比较单一。本系统设计的智能衣物清洗器目的并不是作为一款学生玩具，而是旨在能够用于一些高端场合。所以在系统功能性方面还有不少遗漏。
针对上面提出的两个缺点，我们也思考了相应的解决方案。对于问题1，可以采用计算速度比较快的stm32单片机或者arm系列的开发板。而对于问题2，这应该是我今后着重研究的领域，比如为清洗器安装无线监控等。
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