基于单片机的智能洗碗机设计

随着智能家电的普及，传统洗碗机已逐步向智能化、自动化方向发展。现代家庭对于洗碗机的核心需求不仅是清洁能力，还包括温控安全、洗涤流程管理、灵活时间设定与实时状态提示等。基于单片机的智能洗碗机系统设计，旨在通过对多个执行组件（如加热器、水泵、电磁阀、消毒灯等）的自动化管理，完成从加水、加入洗涤剂、加热、洗涤到排水的全自动控制过程，同时保障系统安全可靠运行。

本设计采用单片机作为中央控制单元，通过传感器采集温度数据，并由用户设定最高温度与洗涤时间。当实际温度超过设定最高温度时，系统立即报警并停止加热，确保使用安全。洗碗机的工作流程分为多个阶段，包括加水、加洗涤剂、加热，到消毒灯开启与洗涤，再到排水等步骤，单片机通过定时与状态机管理完成整个过程。系统还支持加速运行演示，通过调整程序定时参数实现展示模式与实际模式的自由切换。本系统结构清晰、逻辑严谨、可扩展性高，是家电工程开发与控制系统研究的典型应用。

3.1 温度设定与超温报警功能
用户可设定洗碗机在洗涤过程中允许的最高加热温度。例如设定为 70℃，系统在加热阶段实时监测温度传感器输出，一旦温度超过设定上限，系统立即：

• 停止加热
• 发出蜂鸣器报警
• 显示超温警告信息

此保护功能对于避免因加热器异常导致高温引发危险具有重要意义。

3.2 洗涤时间可设定功能
根据用户需求，洗碗机可设定不同级别的洗涤持续时间，例如：

• 快速洗模式（5–10 分钟）
• 深度洗模式（10–20 分钟）
• 强力洗模式（20 分钟以上）

为了程序演示，系统将洗涤时间进行了加速处理（如 1 秒模拟 1 分钟），用户可根据需要调整延时参数。

3.3 完整自动化工作流程
洗碗机工作顺序以下五个阶段组成：

1. 加水阶段：打开进水电磁阀，根据水位传感器检测到达标准水位后关闭进水；
2. 加洗涤剂阶段：控制洗涤剂投放装置开启一定时间，实现自动投放；
3. 加热阶段：启动加热器并实时监控温度；
4. 消毒灯与洗涤阶段：温度达到设定后开启紫外消毒灯，同时启动电机驱动水泵进行循环喷淋洗涤；
5. 排水阶段：洗涤结束后启动排水泵排出污水。

整个流程由单片机根据定时与状态机控制算法精准执行。

3.4 运行加速演示功能
为便于展示与调试，系统中的每个阶段的执行时间可以按需缩短，例如将加热阶段 5 分钟实际压缩为 5 秒，让系统在短时间内展示完整洗涤流程。

整个系统由单片机最小系统、温度检测模块、按键输入模块、水位检测模块、电磁阀控制模块、加热控制模块、洗涤电机驱动模块、消毒灯驱动模块、蜂鸣器报警模块与显示模块构成。

4.1 单片机最小系统模块

单片机负责所有逻辑判断与设备控制，包括：

• 采集温度与水位数据
• 接收用户设定参数（时间、温度）
• 控制洗碗机的各个执行器
• 驱动显示模块输出状态信息
  MCU 的定时器用于流程管理，GPIO 用于驱动电磁阀、泵、电机与消毒灯等。

4.2 温度传感器模块

温度传感器采用 DS18B20 或 NTC 热敏电阻，依据系统需求选择：

• DS18B20：数字输出，精度高，不受干扰
• NTC：模拟量，通过 ADC 读取
  系统通过实时读取温度值进行加热控制与超温报警判断。

4.3 按键输入模块

按键用于设定：

• 最高温度
• 洗涤时间
• 启动/停止洗碗机

按键采用独立按键+上拉电阻方式，软件进行消抖处理。

4.4 水位检测模块

水位检测可能采用：

• 浮球开关（数字量）
• 水位电极（模拟量）
  用于判断加水是否达到目标水位。

4.5 电磁阀控制模块

进水电磁阀与排水电磁阀均采用继电器或 点点投注 驱动开关，确保安全隔离。

4.6 加热控制模块

采用大功率继电器或固态继电器（SSR）控制加热器。
单片机判断温度是否超过设置阈值控制加热开关。

4.7 洗涤水泵驱动模块

洗涤水泵用于循环喷淋，需要使用继电器或全隔离 MOS 驱动模块实现高压控制。

4.8 紫外消毒灯驱动模块

消毒灯用于在洗涤阶段辅助杀菌，采用继电器控制其开关，整个过程由 MCU 自动控制时长。

4.9 蜂鸣器报警模块

通过 NPN 微型管驱动蜂鸣器实现：

• 超温报警
• 洗涤完成提示
• 异常流程报警

4.10 显示模块

使用 LCD1602 或 OLED 显示：

• 当前温度
• 洗涤剩余时间
• 工作流程阶段
• 报警提示

软件部分采用结构化设计，通过状态机方式管理各工作阶段。程序逻辑包括系统初始化、按键参数设置、温度采集处理、工作流程主状态机、报警检测与显示更新等。

5.1 主程序结构

void main() {
    System_Init();
    Load_Default_Setting();
    while(1) {
        Key_Process();
        Read_Temperature();
        Workflow_StateMachine();
        Alarm_Check();
        Display_Update();
        Delay_ms(20);
    }
}

主循环以 20ms 为周期刷新，保证实时性与稳定性。

5.2 温度采集模块

void Read_Temperature() {
    temperature = DS18B20_Read();
}

或 NTC 热敏电阻：

temperature = ConvertNTC(ADC_Read(TEMP_CH));

5.3 按键设置模块

void Key_Process() {
    if(Key_Up()) maxTemp++;
    if(Key_Down()) maxTemp--;
    if(Key_TimeUp()) washTime++;
    if(Key_TimeDown()) washTime--;
}

支持动态调节洗涤时间与最高温度。

5.4 洗碗机工作状态机（核心部分）

void Workflow_StateMachine() {
    switch(step) {
        case STEP_ADD_WATER:
            Valve_In_On();
            if(WaterLevel_OK()) {
                Valve_In_Off();
                step = STEP_ADD_DETERGENT;
            }
            break;

        case STEP_ADD_DETERGENT:
            DetergentValve_On();
            Delay_s(1); // 演示模式
            DetergentValve_Off();
            step = STEP_HEAT;
            break;

        case STEP_HEAT:
            Heater_On();
            if(temperature >= maxTemp) {
                Heater_Off();
                step = STEP_WASH;
            }
            break;

        case STEP_WASH:
            UVLamp_On();
            Pump_On();
            if(washTimer >= washTime) {
                Pump_Off();
                UVLamp_Off();
                step = STEP_DRAIN;
            }
            break;

        case STEP_DRAIN:
            Valve_Out_On();
            Delay_s(3);
            Valve_Out_Off();
            step = STEP_FINISH;
            break;

        case STEP_FINISH:
            Buzzer_On();
            Delay_s(1);
            Buzzer_Off();
            break;
    }
}

通过 step 状态控制整个洗碗流程。

5.5 超温报警检测模块

void Alarm_Check() {
    if(temperature > maxTemp) {
        Heater_Off();
        Buzzer_On();
        alarm_flag = 1;
    } else {
        Buzzer_Off();
        alarm_flag = 0;
    }
}

超温时立即保护性关闭加热器。

5.6 显示更新模块

void Display_Update() {
    LCD_Clear();
    LCD_Print("Temp:");
    LCD_PrintNum(temperature);

    LCD_SetCursor(1,0);
    LCD_Print("Step:");
    LCD_PrintNum(step);

    LCD_SetCursor(1,8);
    LCD_Print("T:");
    LCD_PrintNum(washTime);
}

本设计实现了一套基于单片机的智能洗碗机控制系统，能够完成从加水、投放洗涤剂、加热、洗涤、排水到报警的完整流程。系统支持最高温度设定、安全超温报警、洗涤时间设定，并通过状态机方式有效管理各步骤，具有结构清晰、逻辑严谨、可扩展性强等特点。

本系统适用于家电控制课程、智能嵌入式设备开发研究，并可进一步扩展无线控制、运行记录、自动判断污渍程度等高级功能。