📚 课程目录第4章洗衣机控制程序状态机设计

4. 洗衣机控制程序状态机设计

任务目标

为洗衣机控制器设计一个有限状态机（FSM），覆盖待机、注水、洗涤、漂洗、脱水、结束六个主状态，并处理门锁互锁与故障中断逻辑。程序需在检测到故障时进入故障状态，故障恢复后返回待机；门锁仅在非运行状态下允许打开。

状态定义与迁移条件

当前状态	触发事件	动作	下一状态
IDLE（待机）	start_pressed && door_locked	启动注水	FILL
FILL（注水）	water_full	停止注水，开始洗涤	WASH
WASH（洗涤）	wash_done	排水并进入漂洗	RINSE
RINSE（漂洗）	rinse_done	排水并开始脱水	SPIN
SPIN（脱水）	spin_done	停止电机，解锁门锁	END
END（结束）	door_opened	回到待机	IDLE
任意非IDLE状态	fault_detected	停止所有执行器，锁定门	FAULT
FAULT（故障）	fault_cleared	复位执行器，解锁门	IDLE

关键完整代码（C语言实现）


#include <stdbool.h>

typedef enum {
    IDLE, FILL, WASH, RINSE, SPIN, END, FAULT
} State;

typedef struct {
    bool start_pressed;
    bool door_locked;
    bool water_full;
    bool wash_done;
    bool rinse_done;
    bool spin_done;
    bool door_opened;
    bool fault_detected;
    bool fault_cleared;
} Event;

typedef struct {
    State current;
    bool door_lock_output;
    bool water_valve;
    bool motor;
    bool drain_pump;
} WasherFSM;

void fsm_init(WasherFSM *m) {
    m->current = IDLE;
    m->door_lock_output = false;
    m->water_valve = false;
    m->motor = false;
    m->drain_pump = false;
}

void fsm_run(WasherFSM *m, Event *e) {
    // 故障优先级最高：任何非IDLE状态检测到故障立即进入FAULT
    if (e->fault_detected && m->current != IDLE && m->current != FAULT) {
        m->current = FAULT;
        m->door_lock_output = true;   // 故障时锁门
        m->water_valve = false;
        m->motor = false;
        m->drain_pump = false;
        return;
    }

    switch (m->current) {
        case IDLE:
            if (e->start_pressed && e->door_locked) {
                m->current = FILL;
                m->water_valve = true;
                m->door_lock_output = true;
            }
            break;

        case FILL:
            if (e->water_full) {
                m->current = WASH;
                m->water_valve = false;
                m->motor = true;
            }
            break;

        case WASH:
            if (e->wash_done) {
                m->current = RINSE;
                m->motor = false;
                m->drain_pump = true;
            }
            break;

        case RINSE:
            if (e->rinse_done) {
                m->current = SPIN;
                m->drain_pump = false;
                m->motor = true;
            }
            break;

        case SPIN:
            if (e->spin_done) {
                m->current = END;
                m->motor = false;
                m->door_lock_output = false;  // 脱水完成解锁
            }
            break;

        case END:
            if (e->door_opened) {
                m->current = IDLE;
            }
            break;

        case FAULT:
            if (e->fault_cleared) {
                m->current = IDLE;
                m->door_lock_output = false;
            }
            break;
    }
}

运行与验证

编译：将上述代码保存为 washer_fsm.c，使用 gcc -Wall -o washer_fsm washer_fsm.c 编译（需自行添加包含 main() 的测试文件）。

最小验证步骤：

初始化 WasherFSM m; fsm_init(&m);，断言 m.current == IDLE。
设置 e = {.start_pressed=true, .door_locked=true}，调用 fsm_run(&m, &e)，断言 m.current == FILL 且 m.water_valve == true。
依次触发 water_full、wash_done、rinse_done、spin_done，每步调用后断言状态分别变为 WASH、RINSE、SPIN、END。
在 WASH 状态设置 fault_detected=true，调用后断言 m.current == FAULT 且 m.motor == false、m.door_lock_output == true。
设置 fault_cleared=true，调用后断言回到 IDLE 且门锁解锁。

通过条件：以上断言全部成立，且门锁在 FILL~SPIN 期间始终为 true，在 END 状态变为 false，故障时强制锁定。

状态迁移图

说明：图中实线为正常流程，红色虚线为故障中断（从任意运行状态进入 FAULT），绿色虚线为故障恢复路径。门锁输出在 FILL 至 SPIN 期间保持锁定，END 状态解锁，FAULT 状态强制锁定。