数字电路课程设计---洗衣机控制电路设计.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 数字电子技术基础课程设计数字电子技术基础课程设计（论文）（论文） 题目：题目： 洗衣机控制电路设计洗衣机控制电路设计 院（系）：院（系）：电子与信息工程学院电子与信息工程学院 专业班级：专业班级： 电子电子 102 班班 学学 号：号： 100404056 学生姓名：学生姓名： 李宏李宏 指导教师：指导教师： 吕娓吕娓 教师职称：教师职称： 副教授副教授 起止时间：起止时间： 2012.12.172012.12.28 数字电子技术基础课程设计（论文） II 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电子与信息工程学院 教研室：电子信息工 程 学 号100404056学生姓名李宏专业班级电子 102 班 课程设计（论 文）题 目 洗衣机控制电路设计 课程设计（论文）任务 设计要求： 普通洗衣机的主要控制电路是一个定制器，它按照一定的洗涤程序控制 电机做正向和反向转动。定时器可以采用机械式，也可以采用电子式，这里 要求用中小规模集成芯片设计制作一个电子定时器，来控制洗衣机的电机作 如下运转。 定时转动 正转（20s） 暂停（10s） 反转（20s） 暂停（10s） 停 止 定时未到 如果定时时间到，则停机并发出音响信号。 1.设电机用继电器控制。洗涤定时时间在 020min 内由用户任意设定。 2.用两为数码管显示洗涤的预置时间，倒计时方式对洗涤过程作计时 显示，显示至时间到而停机。 3.当定时时间到达终点时，一方面使电机停转，同时发出音响信号提 醒用户注意。 洗涤过程在送入预置时间后即开始运转。 数字电子技术基础课程设计（论文） III 指导教师评语及成绩 平时成绩（20%）： 论文成绩（60%）： 答辩成绩（20%）： 总成绩 ： 指导教师签字： 学生签字： 年 月 日 数字电子技术基础课程设计（论文） IV 摘 要 本设计是基于数字电路定时器的洗衣机简易控制电路。通过预置洗衣机的洗 涤时间来自动的正反转和暂停，并且用不同的指示灯来表示洗衣机的正逆暂停三 状态。当到达一定时间后，会自动报警，发出蜂鸣声。同时，用两位数码管来显 示预置时间和洗涤剩余时间，具有良好的用户界面。 电路主要分为显示电路，秒脉冲发生电路，计时电路，报警状态电路和 洗衣机正反转控制电路。显示电路使用的是两个单位的共阴极八段数码管，秒脉 冲发生电路采用了使用广泛的 555 定时器芯片，通过控制供电，产生秒信号，作 为个芯片的时钟信号。计时电路使用的是十进制的可逆计数器 74LS192 芯片，分 别设计为十进制和六进制电路，用于完成时间的定时，计时功能。报警电路和状 态显示电路使用的是简单的 74LS04 非门和 78LS08 双输入与门组成的逻辑电路， 分别控制蜂鸣器和发光二极管，来实现报警和状态显示。次课程设计经实验与软 件仿真，具有良好的可靠性，洗衣机控制电路的一般要求。 关键词：洗衣机控制电路；数字电子控制；定时器 数字电子技术基础课程设计（论文） V 目 录 第 1 章 洗衣机控制电路方案设计 1 1.1 洗衣机控制电路的应用意义1 1.2 洗衣机控制电路设计的要求及技术指标1 1.3 洗衣机控制电路的方案设计1 1.4 总体设计方案的框图及分析2 第 2 章 洗衣机控制电路各单元电路设计 3 2.1 秒脉冲发生器的设计3 2.2 一百进制分计数器和六十秒计数器的设计3 2.3 循环控制电路电路设计5 第 3 章 系统设计与分析 .7 3.1 整体电路及工作原理7 3.2 部分电路的分析及仿真9 第 4 章 课程设计的总结 12 参考文献13 附录：元器件清单14 数字电子技术基础课程设计（论文） 1 第 1 章 洗衣机控制电路方案设计 1.1 洗衣机控制电路的应用意义 现代生活人民生活水平越来越高，家家户户几乎都有一台洗衣机。洗衣机由 于洗涤方便受到广大用户的喜爱。随着时代的发展洗衣机也在不停革新、发展。 本次课程设计要求利用定时器、数码管、LED 等数字电路器件设计实现简易洗衣 机功能。设计时考虑了很多种情况，根据本人的能力选择了一种。这个方案总共 使用了一些或门、与门、非门以及电阻电容若干，74LS192 NE555 定时器各一个 完成了简易洗衣机的功能实现。随着现在电子技术的发展和人们生活水平的提高， 在不久的将来将会出现功能更加全面的全自动化洗衣机。 1.2 洗衣机控制电路设计的要求及技术指标 普通洗衣机的主要控制电路是一个定制器，它按照一定的洗涤程序控制电机 做正向和反向转动。定时器可以采用机械式，也可以采用电子式，这里要求用中 小规模集成芯片设计制作一个电子定时器，来控制洗衣机的电机作如下运转。正 转 20S，暂停 10S，反转 20S，暂停 10S。如果定时时间到，则停机并发出音响信 号。设电机用继电器控制。洗涤定时时间在 020min 内由用户任意设定。用两为 数码管显示洗涤的预置时间，倒计时方式对洗涤过程作计时显示，显示至时间到 而停机。当定时时间到达终点时，一方面使电机停转，同时发出音响信号提醒用 户注意。洗涤过程在送入预置时间后即开始运转。三只 LED 灯表示“正转” 、 “反 转”和“暂停”3 个状态。 1.3 洗衣机控制电路的方案设计 方案一： 从课程设计要求来看，要求实现电机的正传、反转、暂停，实际上没有电机 给我们接上，这回要用四个 LED 灯的状态来表示，当显示时间前 20 秒正传、暂 停 10 秒、反转 20 秒、再暂停 10 秒，周期恰好是 60 秒，理所当然的分钟计数器、 秒计数器是一定要有的。接下来脉冲是一定的了，但是有分钟计数器和秒钟计数 器还要考虑是不是要 60 分频器，就我们所学过的来说实现循环有移位寄存器； 数字电子技术基础课程设计（论文） 2 还 有个问题，当洗涤时间到了，报警还要一个报警电路，根据人性化、自动化、低 成本的设计原则，报警的蜂鸣器不可以长时间的叫，要有个合理的时间，我们可 以用一个单稳态电路来实现。还有一个问题要解决：如何提取时间并使循环电路 工作的信号?一是直接从数值上进行提取信号来控制一个可以实现循环的 74LS194 来实现； 方案二 另一种实现循环的电路是制作一个二十进制到十进制的循环转化来把这一 分钟走完，但是从电路的复杂程度和经济性来说，显然后者太过于复杂，也不利 于接线和排故障，虽然难度会大一些、出成果的时间会比别人晚，但是要设计一 个真正可以让用户用放心使用的产品，还得这样做。尤其是最后的循环电路用两 个 194 一定可以很容易实现。 经过两方案比较后方案一更加符合设计要求，而且更加经济。 1.4 总体设计方案的框图及分析 首先，从秒脉冲出来的信号，经过一个控制电路后进入秒计数器进行秒计数， 进行清零，这时用户置入洗涤时间，并按开始按钮，洗衣机开始工作。当秒计数 器变为零的时候，去分钟计数器上面借数；与此同时，从十秒位转化出来的信号 进入移位寄存器后，LED 灯表示出电机运转状态；当用户设定的洗涤时间结束后， 电路报警并清零；同时电机指示灯熄灭。 洗涤时间显示 百进制分秒计数器 总控制电路 报 警 控 制 电 机 运 转指 示 蜂鸣器 秒脉冲 计数器 数字电子技术基础课程设计（论文） 3 图 1-1 总体框图 第 2 章 洗衣机控制电路各单元电路设计 2.1 秒脉冲发生器的设计 秒脉冲发生器由 NE555 电路及外围电路组成，其中 R9=480K、R8=480K,C3=1uF 的电阻电容值决定了脉冲宽度。既 T=(R8+2R9) C2ln2 当 T=1S，即可凑出 R8、R9、C3 其中 C3=0.01uF 是为了保持输出的波形的 稳定。 如图 2-4 所示， R9=480、C3=1uF 组成一个串联 RC 充放电电路，在 NE555 的 7 脚上输出一个方波信号，C3 上得到一个三角波。此三角波送到 NE555 的 2 脚输入端。由 NE555 内部的比较器和门电路共同作用，维持 7 脚上的方波信号和 3 脚上的输出方波。 图 2-1 秒脉冲发生器原理图 数字电子技术基础课程设计（论文） 4 2.2 一百进制分计数器和六十秒计数器的设计 一百进制分计数器和六十秒计数器的原理是一样的，不同的只是它们的输入 脉冲和进制不同而已，我们用四片 74LS192 来实现分计数和秒计数功能，我们要 的只是减计数，所以我们把它的 UP 端接到高电平上去,DOWN 端接到秒脉冲上； 十分秒位上的输入端 B、C 端接到高电平上，即从输入端置入 0110（十进制的 6） ， 秒十位的 LD 端和借位端 BO 联在一起，再把秒位的 BO 端和十秒位的 DOWN 联 在一起。当秒脉冲从秒位的 DOWN 端输入的时候秒计数的 192 开始从 9 减到 0； 这时，它的借位端 BO 会发出一个低电平到秒十位的输入端 DOWN，秒十位的 计数从 6 变到 5，一直到变为 0；当高低位全为零的时候，秒十位的 BO 发出一个 低电平信号，DOWN 为零时，置数端 LD 等于零，秒十位完成并行置数，下一个 DOWN 脉冲来到时，计数器进入下一个循环减计数工作中。 对于分计数来说，道理也是一样的；只是要求，当秒计数完成了，分可以自 动减少，需要把秒十位的借位端 BO 端接到分计数的 DOWN 端作为分计数的输 入信号来实现秒从分计数上的借位 数字电子技术基础课程设计（论文） 5 图 2-2 分秒计数器电路图 2.3 循环控制电路电路设计 （1）其基本原理简述 还是采用我们的方法，把秒十位上的数提出来作为循环控制系统的输入信号， 秒位上的都是相同的，可以不管。我们的目标是把秒十位上输出的二进制数 转化成两位三个数： SoS1状态 10右移 11闪烁 01左移 5010140100 3001120010 1000100000 表 2-1 状态转换表 现在我们把秒十位 192 的 QA、QB 接上一个异或门，QC 接上一个反相器， 然后把它们出来的信号接到一个与非门后再接到 So 端，把反相器出来的信号输 入到 S1 端；这样就实现了上述要求。当我们开机时，计数器是被清零的， QA、QB、QC 没有输出，这时输出的是 000，194 的 So、S1 为 11，移位寄存器 置数为 0010。当 192 输出的是 0101 时，So、S1 为 10，移位寄存器右移动作，因 为 So、S1 的两端接一个与非门出 1，再通过一个接在 194QB 端的与门，结果输 数字电子技术基础课程设计（论文） 6 出来到发光二极管的还是高电平（如下图所示） ；从节点 46 输出，经过反相器到 达节点 48 的是低电平与门 U28 没有输出脉冲，所以 194 做右移直到下一个状态 的到来。显然当 192 的输出是 0100 是也是一样的。当输出是 0011 时，So、S1 的 状态是 11，194 处于并行置数，其 QB 端输出一个高电平 1，与此同时，从 So、S1 输出的两 个 1 进入与非门 U27，但是在节点 46 是一个低电平 0，所以节点 44 没有高电平 输出。而节点 46 为高电平 1，这时通过 U28 的脉冲信号可以输出了，与 U28 的 或门 U22、U23、U24、U25、U26 就可以输出脉冲信号到发光二极管实现闪烁； 当 192 输出的是 0010 时， So、S1 状态从 11 变为 01，移位寄存器 192 做左移循 环，在脉冲的输入下。同右移一样，从 So、S1 输出到 U27 再出来的是一个高电 平 1，所以与门 U26 输出高电平；当计数器 192 输出的是 0001 时，还是和 0010 时一样；最后当 192 输出是 0000 时，其又和输出 0011 时一样，移位寄存器 194 处于置数状态，放光二极管闪烁。到此，提取信号、循环电路完成。 数字电子技术基础课程设计（论文） 7 图 2-3 循环控制电路 数字电子技术基础课程设计（论文） 8 第 3 章 系统设计与分析 3.1 整体电路及工作原理 图 3-1 系统总原理图 现在各单元电路完成了，最后要把它们有效的结合起来联合工作，实现目的 功能。我们要求在给分钟置数的同时秒要显示为零；外部还要有强制停止并清零； 还有暂停功能。 数字电子技术基础课程设计（论文） 9 对于置数来说，我们可以在分钟计数器的 UP 端到高电平之间各用一个开关接上， 就当给它一个低电平时，计数器就往上增加 1。但时，192 要求在 UP 端工作的同 时，其 DOWN 端要为高电平，且秒计数器要为零，我们可以让秒计数器清零， 同时把脉冲停止了。在高电平上接上一个开关，让它接到一个 JK 触发器上，同 时把 JK 触发器的 JK 端接 1，让它实现触发功能。让它的 Q 端输出到秒计数器的 清零端，这样刚开机或者再按一下开机键就可以对秒计数器清零。把 JK 触发器 的 Q 反端和从分计数器借位端 Bo 反相出来的信号接到一个与非门上，从与非门 出来的信号接到分计数器的 DOWN 端来保证置数的时候 DOWN 是高电平。但是 如果仅是这样的话，当置数完成再一次按开机键（如图中的 J5 所示）时，没有脉 冲信号输入到秒计数器的 DOWN 端，192 并不可以工作。我们可以把脉冲和 JK 触发器 Q 反端接到一个与门上，然后把它上输出端接到秒计数器的 DOWN 端以 控制计数。 现在的问题是，循环的发光二极管没有受到控制键的控制，所以还得把受到 控制的从与门 U16 出来的信号输出到移位寄存器 194 的时钟信号 CLK 上。 最后要解决一个大问题，当所置的洗衣时间完成后，要发出报警并自动清零。 至于报警电路我们知道当计数器全为零的时候，从秒位会发出一个借位信号，一 直接到十分位上去，十分位会发出一个借位信号，我们可以用这个信号来作为报 警并清零的信号，平时 192 的借位端保持的是高电平，当有借位信号时，其变成 0，我们在分十位借位端接一个非门，再把它和分位的 CLR 端一起接到一个或门， 也需要把它接到一个 JK 触发器（U13）上作为其时钟信号，其后再接到单稳态电 路的输入端 TRI，单稳态的输出端接到蜂鸣器上。而该或门（U20）的另一输入 端接在控制开关 J5 上，或门出去仍然接在 JK 触发器 U11 上，这样当洗衣时间完 成后，十分计数器的借位端 Bo 端发出的 0 信号就可以经过以上路径而变成 1 到 达或门 U20，同时 JK 触发器 U13 得到一个触发信号而输出到单稳态，从而发出 报警声，但一段时间后其自动停止。同时 U20 发出的 1 信号使 U11 发出 1 信号 而使秒计数器清零；当然秒脉冲因为 U11 端的 Q 反端的 0 信号而使其没有输出， 这样原来闪烁的灯不再亮了。到此，一个电路总算还可以了，我们有时还需要让 它休息一下，我们改变一下洗衣量时，就还需要一个暂停键，这也可以的，只要 把秒脉冲切断就可以了。我们可以在控制脉冲输出的与门 U15 和脉冲到达端之间 接入一个由开关控制的 JK 触发器来控制的与门，这样就可以控制脉冲的输出了。 我们知道与门是其中一输入为零时，无论另一端时怎样的其输出为零，但一端为 1 时，另一端输入什么与门就可以输出什么。 数字电子技术基础课程设计（论文） 10 现在控制端也连起来了，这样，一个完整的洗衣机控制电路就完成了。 3.2 部分电路的分析及仿真 （1）秒脉冲发生器仿真 图 3-2 秒脉冲发生器仿真电路 由于 555 定时器内部的比较器灵敏度高，输出驱动电流大，功能灵活，而且 采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度的影响很小。所以由 555 定 时器构成的多谐振荡器的振荡频率稳定，不易受干扰。因此，选择用 555 定时器 构成多谐振荡器，使之产生周期为 1s，频率为 1Hz 的脉冲。 数字电子技术基础课程设计（论文） 11 （2）分秒计数器的仿真 数字电子技术基础课程设计（论文） 12 图 3-3 分秒计数器仿真图 （3）控制电路及计数器部分仿真 图 3-4 计数器及控制电路部分仿真 数字电子技术基础课程设计（论文） 13 第 4 章 课程设计的总结 本课程设计为洗衣机控制电路的设计，用到的主要是数字电子技术基础的相 关知识，综合性