1. 项目背景与核心需求
在传统家电智能化改造的浪潮中，洗衣机作为家庭必备电器首当其冲。我最近完成了一个基于STM32的智能洗衣机控制项目，特别之处在于创新性地取消了传统的水位检测模块。这个设计源于对老旧小区改造项目的实际观察——很多上世纪90年代安装的洗衣机预留空间有限，新增水位传感器需要破坏原有结构，而用户对"免改装"的需求异常强烈。
这个方案的核心价值在于：通过算法补偿替代硬件检测，用STM32F103的ADC采集电机电流、温度等间接参数，结合时间加权算法预测水位状态。实测显示在4kg容量下，洗涤误差可控制在±150ml以内，完全满足日常使用需求。下面分享具体实现中的关键技术点。
2. 硬件架构设计要点
2.1 主控选型与外围电路
选择STM32F103C8T6作为主控，主要考量其3个ADC通道和5个PWM输出的硬件配置。关键外围电路包括：
- 电机驱动：采用BTN7970B半桥驱动模块，通过PWM控制转速
- 电流检测：0.01Ω采样电阻+INA199放大电路接入ADC1
- 温度监测：DS18B20数字传感器（节省ADC资源）
- 人机交互：0.96寸OLED+旋转编码器组合
特别注意：电机电源与MCU必须采用磁珠隔离，实测PWM频率在16kHz时电磁干扰最小。
2.2 无水位检测的替代方案
传统洗衣机通过气压式或电极式传感器检测水位，本方案采用三重间接检测：
- 电机电流分析法：空载电流约0.8A，每增加1kg衣物电流上升0.3A
- 进水时间统计：根据水压建立时间-水量模型（需预标定）
- 振动频率检测：通过MCU内置加速度计分析桶体共振点
c复制// 电流-重量换算示例代码
float estimate_load(float current) {
const float BASE_CURRENT = 0.8f;
return (current - BASE_CURRENT) / 0.3f;
}
3. 核心算法实现
3.1 自适应洗涤时序控制
开发了基于状态机的控制逻辑，主要流程：
- 上电自检：检测门开关状态、电机阻抗
- 负载估算：短时启动电机获取初始电流
- 进水阶段：按估算负载的80%控制进水时间
- 洗涤阶段：动态调整PWM占空比维持恒定转速
- 排水判断：通过电流突降检测排水完成
mermaid复制stateDiagram-v2
[*] --> Idle
Idle --> WaterIn: 启动按钮按下
WaterIn --> Wash: 进水时间到
Wash --> Rinse: 计时结束
Rinse --> Spin: 排水完成
Spin --> Idle: 脱水完成
3.2 电流-水位映射算法
建立二维查找表存储实验数据：
| 电流(A) | 估算重量(kg) | 建议水位(cm) |
|---|---|---|
| 0.8 | 0 | 5 |
| 1.1 | 1 | 10 |
| 1.4 | 2 | 15 |
| 1.7 | 3 | 20 |
| 2.0 | 4 | 25 |
通过线性插值实现连续映射，每季度需用标准砝码校准一次。
4. 软件实现细节
4.1 关键外设驱动
电机控制采用TIM1的互补PWM输出，关键配置：
c复制void PWM_Init(void) {
TIM_OCInitTypeDef oc;
oc.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
oc.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
oc.TIM_Pulse = 720; // 50% duty @1440
oc.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OC1Init(TIM1, &oc);
TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE);
}
4.2 滤波算法优化
针对电流采样噪声大的问题，采用窗口滑动平均+卡尔曼滤波：
- ADC采样值先经过8点滑动平均
- 使用一阶卡尔曼滤波器处理动态过程
- 设置±15%的变化率阈值防止突变
实测发现滤波延时控制在50ms内时，系统响应与稳定性达到最佳平衡。
5. 生产测试与问题排查
5.1 常见故障处理表
| 现象 | 可能原因 | 解决方案 |
|---|---|---|
| 电机启动即过流保护 | 驱动模块G极电阻开路 | 检查BTN7970的10Ω栅极电阻 |
| 进水时间明显偏长 | 水压不足（<0.2MPa） | 提示用户检查进水阀滤网 |
| 脱水时异常振动 | 负载分布不均 | 自动触发二次平衡检测 |
| OLED显示残影 | 未正确初始化清屏 | 在显示函数前发送全屏0x00 |
5.2 电磁兼容性改进
经历三次PCB改版后总结的经验：
- 电机电源走线宽度不小于2mm，且与信号线间距3mm以上
- ADC采样线采用双绞线并串接100Ω电阻
- 所有接插件增加TVS二极管防护
- 外壳接地电阻需小于0.1Ω
6. 实测性能数据
在标准测试环境下（水温20℃±2，额定电压220V）：
- 水位控制精度：±1.5cm（相比传感器方案低约0.5cm）
- 耗电量：比传统方案节省8%-12%
- 故障率：取消水位传感器后MTBF提升至6500小时
这个项目最让我意外的是，通过软件算法补偿硬件精简的做法，反而促使我们开发出更精细的电机控制策略。在后续迭代中，我们甚至用同样的思路取消了传统的门开关检测，改用电机启动电流特征识别门状态。