毕业设计（论文）-多功能风扇设计.doc

苏州大学本科生毕业设计(论文)目 录目录I摘 要IIAbstractIII前 言IV第一章 设计方案11.1设计要求11.2设计方案11.3主要元件介绍11.3.1 555定时器11.3.2 晶体三极管31.3.3 可控硅4第二章 单元电路设计52.1设计思路及电路方框图52.2 主要功能电路62.2.1 多谐振荡器62.2.2 单稳态触发器(开机单稳定时电路)8第三章 电路设计及调试分析11第四章 总结18参考文献19致谢20摘 要本文比较全面的设计出了家用多功能电扇的控制电路，利用555定时器构成的多谐震荡电路和单稳定时电路，以及CD4017分频器等实现风扇的定时、模拟自然风等功能。该控制器包括降压整流电路、时基脉冲产生器、分频器、高速启动定时电路、强弱风转换电路和可控硅触发电路。刚通电时，电扇高速运转，一段时间后，电扇自动转为模拟自然风状态。【关键词】555定时器 CD4017分频器 可控硅 单稳态电路AbstractThis thesis describes a design of the control circuit of a more comprehensive multi-function electric home-fan。The design consisting of the use of Multi-harmonic vibration circuit made of 555 timers, a single harmonic vibration stability timing circuit and CD4017Prescalers to achieve functions of timing and the natural wind. This controller including the step-down rectifier circuit, time base pulse generator, divider, high-speed start the timing circuit, the strength of the wind conversion circuits and thyristor trigger circuit. Just electricity, the fan high-speed operation, a period of time, fans should automatically be converted to simulated natural wind conditions.【keywords】555 timer CD4017Prescaler SCR Monostable circuit前 言电风扇和空调相比有很多优点,它比空调的耗能要小,特别是随着国际能源短缺和人们节能观念的深入,电风扇更受重视。另外,电风扇吹风比较自然,开门窗也不受影响,而空调房间都是密闭的,空气流通差,很容易感染疾病。由此可见,电风扇还有很大的发展空间。目前大多数电风扇的功能都比较单一,不能实现“一专多能”,这样往往会导致某些材料和空间的浪费。如果电风扇上再安装其它功能,这样便实现了多功能化,既方便使用,又节约了能源,将会带来很大的收益。电扇的种类按电动机的结构形式分：有单相电容式、单相罩极式、三相感应式、直流及交直流两用串激整流子式电风扇，按用途可分为家用电风扇和工业用排风扇。家用电风扇有吊扇、台扇、落地扇、壁扇、顶扇、等；台扇中又有摇头的和不摇头之分，也有的转页扇；落地扇中有摇头、转页的。还有一种微风小电扇，是专门吊在蚊帐里的，夏日晚上睡觉，一开它顿时就微风习习，可以安稳地睡上一觉，还不会生病。工业用的排风扇 主要用于强迫空气对流之用。以前的电扇控制器具有传统机械式开关和定时器，传统风扇具有常风和定时功能，而现在的电扇控制器是以电子式的触控开关和定时器取代了传统的东西，并具有了更多的功能。本文设计的多功能电扇控制器，能够使电扇模拟非常柔和的自然风,这一功能的实现是利用多谐低频振荡器产生矩形波控制可控硅通断,使可控硅导通一段时间,截止一段时间,如此循环,电风扇也就转转停停、停停转转,由于惯性的存在,电风扇不是忽转、忽停,而是渐快、渐慢,这样输出的风恰似自然风20第一章 设计方案1.1设计要求设计一个具有强弱风转换、自动定时的多功能电扇的控制电路，使其转速能随开机时间的变化而变化。在刚通电的时，从IC4的Q1开始计时，电扇经过高速启动和运转25秒后，便自动转入阵风状态，这种状态一直持续到Q8（IC1的第9个脚脉冲）后，才使风扇转入微风状态（微风状态持续IC4的一个周期Q9），直至定时结束。1.2设计方案本次设计，用到三个由555定时器构成电路，其中两个构成多谐震荡器，一个构成单稳定时电路。无稳态多谐震荡器产生周期为156s的计时方波脉冲，并输入到CD4017控制电扇高速启动和阵风持续时间。单稳定时电路的暂稳态持续时间td=24.2s为开机后的高速启动和运转时间，并在td结束后控制另一个多谐震荡器输出震荡脉冲作用于可控硅电路产生阵风。从开机高速启动到风扇阵风结束转入微风状态，经过IC1产生的8个周期（1248s）。微风状态持续第9个周期（1404s），定时结束。该电路结构简单,容易实现单稳触发器和多谐振荡其功能。1.3主要元件介绍1.3.1 555定时器本设计电路的多谐振荡器与单稳态电路均由555构成。555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，其应用极为广泛。它不仅用于信号的产生和变换，还常用于控制与检测电路中。定时器有双极型和CMOS两种类型的产品，他们的结构及工作原理基本相同，没有本质的区别。一般说来，双极型定时器的驱动能力较强，电源电压范围为516V，最大负载电流可达200mA。而COMS定时器的电源电压范围为318V,最大负载电流在4mA以下，它具有功耗低、输入阻抗高的优点。 555定时器的电路结构555定时器的内部电路由分压器、电压比较器C1和C2、简单SR锁存器、放电三极管T以及缓冲器G组成，其内部结构图如图2.2所示。 图1.1 555定时器的电路结构三个5K的电阻串联组成分压器，为比较器C 、C提供参考电压。当控制电压端（5）悬空时（可对地接上0.01F左右的滤波电容），比较器C1和C2的基准电压分别为Vcc和。V是比较器C的信号输入端，称为阈值输入端；V是比较器C的信号输入端，称为触发输入端。如果控制电压端（5）外接电压V ，则比较器C、C的基准电压就变为V和。比较器C、C的输出控制SR锁存器和放电三极管T的状态。放电三极管T为外接电路提供放电通路，在使用定时器时，该三极管的集电极（7脚）一般都要外接上拉电阻。为直接复位输入端，当为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出端V即为低电平。当V, V时，比较器C输出低电平，比较器C输出高电平，简单SR锁存器Q端置0，放电三极管T导通，输出端V为低电平。当V, V时，比较器C输出高电平，比较器C2输出低电平，简单SR锁存器Q端置1，放电三极管T截止，输出端V为高电平。当V时，简单SR锁存器R=1,S=1,锁存器状态不变，电路保持原状态不变。电路功能综合上述分析，可得555定时器功能表，如表1所示。输 入输 出阈 值 输 入 （V）触 发 输 入 （V）复 位（）输 出 （V）放 电 管 T0111010不 变导 通截 止导 通不 变表1本设计中，555定时器用于构成实际脉冲产生器（无稳态多谐震荡电路），开机单稳定时电路，以及强弱风转换电路中的可调频率和占空比的多谐震荡电路。1.3.2 晶体三极管晶体三极管，是最常用的基本元器件之一，晶体三极管的作用主要是电流放大，他是电子电路的核心元件，现在的大规模集成电路的基本组成部分也就是晶体三极管。 三极管基本机构是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种， 从三个区引出相应的电极，分别为基极b发射极e和集电极c。发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN结叫集电极。基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，PNP型三极管发射区发射的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里；NPN型三极管发射区发射的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗晶体三极管都有PNP型和NPN型两种类型。 三极管是一种控制元件，三极管的作用非常的大，可以说没有三极管的发明就没有现代信息社会的如此多样化，电子管是他的前身，但是电子管体积大耗电量巨大，现在已经被淘汰。三极管主要用来控制电流的大小，以共发射极接法为例（信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地），当基极电压UB有一个微小的变化时，基极电流IB也会随之有一小的变化，受基极电流IB的控制，集电极电流IC会有一个很大的变化，基极电流IB越大，集电极电流IC也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化。但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多，这就是三极管的电流放大作用。 刚才说了电流放大是晶体三极管的作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。我们将Ic/Ib的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号“”表示。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。根据三极管的作用我们分析它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。三极管有一个重要参数就是电流放大系数。当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流倍的电流，即集电极电流。集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。三极管的作用还有电子开关，配合其它元件还可以构成振荡器，此外三极管还有稳压的作用。1.3.3 可控硅可控硅(SCR: Silicon Controlled Rectifier)是可控硅整流器的简称。可控硅有单向、双向、可关断和光控几种类型。它具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、控制方便等优点，被广泛用于可控整流、调压、逆变以及无触点开关等各种自动控制和大功率的电能转换的场合。单向可控硅一般用于彩电的过流、过压保护电路。双向可控硅是在普通可控硅的基础上发展而成的，它不仅能代替两只反极性并联的可控硅，而且仅需一个触发电路，是目前比较理想的交流开关器件。双向可控硅一般用于交流调节电路。其英文名称TRIAC即三端双向交流开关之意。双向可控硅可被认为是一对反并联连接的普通可控硅的集成，工作原理与普通单向可控硅相同。图1为双向可控硅的基本结构及其等效电路，它有两个主电极T1和T2，一个门极G，门极使器件在主电极的正反两个方向均可触发导通，所以双向可控硅在第1和第3象限有对称的伏安特性。双向可控硅门极加正、负触发脉冲都能使管子触发导通，因此有四种触发方式。图1 双向可控硅结构及等效电路双向可控硅的主要缺点是承受电压上升率的能力较低。这是因为双向可控硅在一个方向导通结束时，硅片在各层中的载流子还没有回到截止状态的位置，必须采取相应的保护措施。晶闸管关断过程中主电流过零反向后迅速由反向峰值恢复至零电流，此过程可在元件两端产生达正常工作峰值电压5-6倍的尖峰电压。一般建议在尽可能靠近元件本身的地方接上阻容吸收回路。双向可控硅元件主要用于交流控制电路，如温度控制、灯光控制、防爆交流开关以及直流电机调速和换向等电路。本设计中，双向可控硅用于可控硅触发电路，控制电扇强弱风转换的控制。第二章 单元电路设计2.1设计思路及电路方框图 本设计特点是能使电扇的转速随着开机时间的变化而变化。在刚通电时，电扇高速运转，十几秒后，电扇将自动转为模拟自然风状态。如图2.1所示，控制器由时基脉冲产生器（多谐振荡器）、分频器、降压整流电路、高速启动电路，强弱风转换电路和可控硅触发电路组成。图2.1 多功能电扇控制器电路2.2 主要功能电路2.2.1 多谐振荡器多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振荡器，也称矩形波发生器。“多谐”指矩形波中除了基波成分外，还含有丰富的高次谐波成分。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。在工作时，电路的状态在这两个暂稳态之间自动地交替变换，由此产生矩形波脉冲信号，常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。一、用555定时器构成的无稳态多谐振荡器1.电路组成：图2.2 多谐振荡器的电路用555定时器构成的多谐振荡器电路如图2.2所示：图中电容C1、电阻R1和Rw1作为振荡器的定时元件，决定着输出矩形波正、负脉冲的宽度。定时器的触发输入端（2脚）和阀值输入端（6脚）与电容相连；集电极开路输出端（7脚）接R1、Rw1相连处，用以控制电容C1的充、放电；外界控制输入端（5脚）通过0.1uF电容接地。2.工作原理：图2.3 多谐振荡器的工作波形多谐振荡器的工作波形如图2.3所示：由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。这时，电源经R1，Rw1对电容C充电，使 电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关 。充电时间常数T1充=0.7（R1Rw1）C1。由于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间TPL的长短与电 容的放电时间有关，放电时间常数T2放0.7RW1C1，随着C的放电，uc下降，当uc下降到（1/3）Vcc时，输出uo 为高电平，放电管VT截止，Vcc再次对电容c充电，电路又翻转到第一暂稳态。不难理解，接通电源后，电 路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，uc电压总是在（1/32/3）Vcc 之间变化。图1（b）所示为工作波形。此后，电路周而复始地产生周期性的输出脉冲。多谐振荡器两个暂稳态的维持时间取决于RC充、放电回路的参数。暂稳态的维持时间，即输出V3的正向脉冲宽度T10.7(R1+Rw1)C1；暂稳态的维持时间，即输出V3的负向脉冲宽度T20.7Rw1C1。 因此，振荡周期T=T1+T2=0.7(R1+2Rw1)C，振荡频率f=1/T。正向脉冲宽度T1与振荡周期T之比称矩形波的占空比，由上述条件可得D=（R1+Rw1）/（R1+2Rw1），若使Rw1R1，则D1/2，即输出信号的正负向脉冲宽度相等的矩形波（方波）。设计中的无稳态多谐振荡电路输出的计时脉冲控制分频器9脚和11脚的触发时间，从而影响电扇从阵风转为微风的时间，以及电扇最终停止时间。2.2.2 单稳态触发器(开机单稳定时电路) 单稳态触发器只有一个稳定状态，在外加脉冲的作用下，单稳态触发器可以从一个稳定状态翻转到一个暂态，该暂态维持一段时间又回到原来的稳态。 一、用555定时器构成单稳态触发器：1.电路组成图2.4 由555定时器构成的开机单稳态触发器如图2.4所示，其中R3、C4为单稳态触发器的定时元件，它们的连接点uc与定时器的阀值输入端（6脚）及放电端uo（7脚）相连。单稳态触发器的输出脉冲宽度tpo=1.1R3C4。定时器复位输入端（4脚）接高电平，控制电压输入端（5脚）um通过C5 (0. 1uF)接地，定时器输出端u0（3脚）作为单稳态触发器的单稳信号输出端。2.工作原理 稳态时，输出uo为低电平，即无触发器信号（u2为高电平）时，电路处于稳定状态输出低电平。在 u2负脉冲作用下，低电平触发端得到低于（1/3）Vcc的触发信号，输出uo为高电平，放电管VT截止，电 路进入暂稳态，定时开始。在暂稳态期间，电源VccRC地，对电容充电，充电时间常数TRC，uc按指数规律上升。当电容 两端电压uc上升到（2/3）Vcc后，6端为高电平，输出uo变为低电平，放电管VT导通，定时电容C充电结束 ，即暂稳态结束。电路恢复到稳态uo为低电平的状态。当第二个触发脉冲到来时，又重复上述过程。可见，输人一个负脉冲，就可以得到一个宽度一定的正脉冲输出，其脉冲宽度tw取决于电容器由0充电到 （2/3）Vcc，所需要的时间。可得tpo=1.1R3C4。设计中的开机单稳态定时电路,暂稳态td期间内使强弱风转换电路中的IC3（555）处于复位状态，高速启动电路使电扇高速运转；当暂稳态结束，IC3进入多谐震荡状态，通过高速启动电路控制可控硅触发电路循环导通截止，电扇处于阵风状态。2.2.3 CD4017(分频器)CD4017是中规模集成十进制（BCD）计数/时序译码器，又称十进制计数/脉冲分配器。它是4000系列CMOS数字集成电路中应用最广泛的电路之一。计数/脉冲分配器的作用是产生多路顺序脉冲信号，它可以由计数器和译码器组成，CP端上的系列脉冲经N位二进制计数器和相应的译码器，可以转变为2N路顺序输出脉冲。CD4017共有十路输出，其逻辑符号及引脚功能如下图：CD4017的Y0至Y9为十个脉冲分配输出端，在任何时候，只有一个输出端输出为高电平（有效电平），其余为低电平；R为清零端，在R端加高电平正脉冲时，CD4017内部计数器全为零，经译码后只有对应于“0”状态的输出端Y0为高电平；为使能端，CP为计数时钟脉冲输入端，当为“0”时，CP脉冲上升沿使计数器计数；或当=“1”时，CP下降沿使计数器计数；Qco为级联进位输出端，每输入10个时钟脉冲，就可以得一个进位输出脉冲，因此进位输出信号可以作为下一级计数器的时钟信号。本设计中，分频器CD4017的14脚接收多谐振荡器电路发出的计时时钟脉冲，并分别使用CD4017的9脚的输出高电平脉冲Y8控制强弱风转换电路，由阵风状态转变为微风状态；11脚的输出高电平脉冲Y9控制继电器的开关状态，决定定时结束时间。第三章 电路设计及调试分析3.1 多功能电扇控制器 多功能电扇控制器的具体电路如图3.1所示。图3.1 多功能电扇控制器3.2工作原理 降压整流电路供给控制器+9V的直流电压。如图3.3所示：图3.3 降压整流电路和稳压电路220V的交流电压经过由R19和C10组成的降压电路后，变为10.7V的交流电压。该交流电压经过R18、D4和D5组成的半波整流电路，在半波整流电路里，由于二极管D4和D5的单向导电性，正半周期的正向脉冲能够使D4导通并送到输出端，而负脉冲使D5导通，D4截止，因此不能送到输出端。此时，R18上的有效电压值为V1=10.70.7=7.5v。经整流电路产生的半波电压信号经C9和控制电路电阻组成的电容滤波电路。电容C9在第一个脉冲到来时，被很快充满电，充电电压等于脉冲电压之峰值，即20.5V1；待该脉冲过去以后，电容上的电压将按指数规律向负载放电；当电容C的放电过程正在进行时，第二个脉冲到达，放电过程半途被强制终止，并由第二个脉冲在被终止放电时所存储的剩余电压的基础上再次充满电，充电电压仍等于脉冲电压之峰值，待此脉冲过去后，电容C上的电压又将按指数规律向负载放电。周而复始，就使得输出电压V2将脉冲电压变为平滑的直流电压，此时的输出电压V2=7.5v1.2=9v。最后，选用两个2CW52型号，稳压值为3.9-4.5v的稳压二极管串联，组成稳压电路，保持降压整流电路供给控制电路的是9v直流电压。无级调压电路和可控硅触发电路如图3.3所示。图3.3无级调压电路和可控硅触发电路开机后继电器开关接通，电路加载220V交流电压。双向触发二极管D6属三层结构，具有对称性的二端半导体器件。常用来触发双向可控硅。接通电源，220V电压对C11充电，由于电容二端电压是不能突变，充电需要一定时间。充电时间由R20和W3大小决定，当C11上的电压充到D6的阀值电压时，D6导通，可控硅SCR也导通，电扇运转。随着D6的导通，C11上的电压被完全放掉，DB1又截止，可控硅也截止，电扇停止，C11上又进行刚开始一样的循环。由于电容C11充放电速度快，所以电扇感觉是一直转动。通过调节电位器W3，可以改变双向可控硅的导通角，从而改变通过电扇的电流（平均值），控制电扇风速。此部分电路使电扇一直保持在微风状态。通过调节电位器R20，可以改变双向可控硅的导通角，从而改变通过SCR和电扇电机的电流（平均值）实现连续调节风速。由IC2(555)和R2、C3、R3、C4组成的开机单稳定时电路中，如图3.3，图3.3 开机单稳定时电路开机后，电压通过R2给IC2的2脚加上高电平，并C3开始充电，并将使2脚电位保持在高电平状态。此时，电路的输出状态由低电平跳变为高电平，电路进入暂稳态。此后电容C4开始充电，当C4充电至Vc4=2/3Vcc时，IC2输出电压V3由高电平翻转为低电平，C4放电，电路返回到稳定状态。定时时间td=1.1R3C4=24.2s。该时间段即为开机后电扇高速启动和运转的时间。由IC3（555）和R6、R7、W2、C6、C7组成的可调占空比和频率的多谐振荡电路中，如图3.4。图3.4 强弱风转换电路在暂稳态时间td内，IC2的3脚的高电平使BG1（共射极）导通，集电极低电平加至IC3的4脚复位脚，翻转后使IC3强制复位。IC3的3脚的低电平使BG3截止，BG4导通。此时BG4发射极高电平使可控硅电路导通，电扇得以高速启动和高速运转。此时，LED1正极高电平，负极低电平，处于导通状态，发出红光。当IC2的定时td（=24.2）时间到，IC2的3脚转为低电平，BG1（共射极）截止，IC3的4脚呈高电平，此时的IC3处于多谐震荡状态。震荡频率为：f=1.44/(R6+Rw2+2R7)C6 ，可以通过调节W2来设定。当W2的阻值处于0和1M之间时，T为13.5s46.4s;现令Rw2= 0.8M，T2=0.7(R6+Rw2+2R7)C6=0.7(10k+0.8M+2200k)47uF =40s。电路频率为f=1/T2=0.025。开机单稳定时电路和强弱风转换电路之间的脉冲波形如图3.5：图3.5 开机单稳定时电路和强弱风转换电路之间的脉冲波形IC3的3脚输出的交变电平脉冲的每一个周期中，当脉冲上升沿时，双向晶闸管SCR截止，电扇处于威风状态；当脉冲下降沿时，SCR导通，电扇高速运转。电扇所吹出的风在强风和微风间循环切换，恰似自然风吹过。调节占空比就是为了使电扇的运转时间和停歇时间得到一个合适的比例，不使其运转时间过长，也不使停歇时间过长，以使人感到舒适为目的。这种状态一直持续到IC4输出Q8后，才使电扇转入微风状态，直至定时结束。在由IC1和R1、W1、C1组成无稳态多谐振荡器中，如图3.6。图3.6 无稳态多谐震荡电路当接通电源后，电容C1被充电，当Vc1上升到2/3Vcc时，使V3为低电平，同时IC1中555的放电三极管T导通，此时电容C1通过W1和T放电，Vc1下降。当Vc1下降到1/3Vcc时，V3转为高电平。电容器C1放电所需时间为：tpl=Rw1C1ln20.7Rw1C1 ；当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1和W1向电容器C1充电，Vc1由1/3Vcc上升到2/3Vcc所需时间为：tph=（R1+Rw1）Cln20.7（R1+Rw1）C1 ；当Vc1上升到2/3Vcc时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在IC1的输出端V3就得到一个周期性的矩形波。震荡周期为T=0.7(R1+2Rw1)C1，当W1的阻值处于0和2.2M之间时，T为1.54s694.14s；现令Rw1=0.5M，则IC1的3脚发出的计时脉冲周期为T=0.7(10k+20.5M)220 uF =156s。因设计中Rw1R1，其输出脉冲的占空比接近50。IC1上的2脚和3脚的工作波形如图3.7所示，图3.7 IC1工作波形图IC1的3脚输出方波信号加至分频器IC4(CD4017)14脚，如图，作为计时时钟。IC4采用十进制计数器/脉冲分配器。C8、R15组成开机清零网络接至IC4的15脚清零端（高电平触发），开机后，使IC4的9脚和11脚处于低电平。在时钟脉冲的作用下，计数脉冲分两路输出：1、 当IC1的第9个脉冲到来时，如图3.8。IC4的9脚（Q8）跳变为高电