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电工课程设计 电风扇控制器 电工课程设计之家用风扇控制器山东大学威海分校机械设计制造及其自动化组员： 张 利 张 胜 王振阳 韩 录 指导老师：宁淑荣目录前言3摘要4队员分工6第一章 设计要求7第二章 设计方案分解82.1、由进行脉冲设计82.2、状态锁存器112.3、触发脉冲的形成122.4、蜂鸣器控制162.5、电机转速控制端16第三章 实验电路图173.1 multisim 仿真电路图173.2 仿真电路图18第四章 实验电路整体说明194.1、状态锁存器电路194.2、触发脉冲电路194.3、“风种”三种方式的控制电路20第五章 故障分析与电路改进21第六章 设计心得22参考文献24附录一25实验清单25前言随着经济的发展，电风扇已是必不可少的家用电器。它经济、简便、实用，是每个人家里可以负担起的电器。并且随着科技的发展，电风扇的功能越来越完善，人们也更加注重电风扇的智能化、人性化。许多厂家在制作风扇是运用了集成芯片构成数字电路或者单片机技术，使电风扇的电路更加简单。本次电工学课程设计实验就是运用了我们所学的数字电路的知识，来实现家用电风扇控制逻辑电路设计。设计内容是用一个按钮来实现风速强、中、弱的转换并且实现循环；一个按钮来实现风种从正常风、睡眠风、自然风的转换并且实现循环；并且用不同颜色led灯的显示来表示风速与风种的状态各个状态。家用电风扇控制逻辑电路分为三大模块：第一个模块是风速的循环控制电路，利用74ls175、74ls08芯片实现三种状态的循环计数，并且利用高低电平实现led灯的亮与灭；第二个模块是风种的循环控制电路，利用74ls175、74ls08、74ls00芯片实现三种状态的循环计数，并且利用高低电平实现led灯的亮与灭；第三个模块是脉冲产生电路，利用555发生器产生周期为8s的方波，并且利用74ls175构成二分频电路形成周期为16s的方波，再利用74ls151芯片选择风种的输出。第四个模块是按钮控制电路，利用按钮来给芯片脉冲，实现风速、风种的选择，并且可以实现关机的功能。本课题基本实现了四个模块的功能，将之有效的连接在一起，实现了家用电风扇控制逻辑电路的总体功能。虽然此次设计的电路较为简单，但它的成本较低，并且经济、实用而且风种、风种的选择体现了它的人性化，相信在市场有一定的潜力。关键字：电风扇 循环控制 74ls175 74ls151 74ls00 74ls08 led摘要设计的家用电风扇具有控制风速选择和运行模式选择等功能，它的系统框图：输出电路风速选择电路风速选择 停机风种形成电路风种选择电路风种选择 脉冲信号发生电路上电复位图（1） 电风扇系统框图 在电路板上有九个指示灯指示电扇的状态。三个按键分别为选择不同的操作风速、风种、停止。其操作方式和状态指示如下：1、电扇处于停转状态时，所有指示灯不亮。此时只有按“风速”键电扇才会响应，其初始工作状态为“风速”弱，“风种”正常位置，且相应的指示灯亮。2、电扇一经启动后，再按动“风速”键可循环选择弱、中或强三种状态中的一种状态；同时，按动“风种”键可循环选择正常、自然或睡眠三种状态的某一种状态。3、在电扇任意工作状态下，按“停止”键电扇停止工作，所有指示灯熄灭。 “风速”的弱、中、强对应电扇的转动由慢到快。 “风种”在正常位置是指电扇连续运转；在“自然”位置，是表示电扇模拟产生自然风，即运转4秒，间断4秒的方式；在“睡眠”位置，是产生轻柔的微风，电扇运转8秒，间断8秒的 方式。 电扇操作状态的所有变换过程如图所示。中弱强停止睡眠自然正常图（2）操作状态变换过程4、采用multisim和tina仿真软件进行双仿真，确保电路仿真正确性。对于同一电路，两者仿真过程中出现问题往往不同，可以对两者出现的问题进行对比有利于问题的解决（例如个别元器件有损坏或性能不正常等）；两种软件同时仿真，其结果有时不同，这样可以方便我们检查电路错误，若单使用一种仿真软件就不能发现并改正错误；采用两种仿真软件同时仿真，以为multisim主，以tina为辅，相当于有双重保险，当一种仿真有困难时，还有另一种软件做支撑。队员分工题目家用风扇控制器任务分配张利1、 负责分配整体任务及任务调整工作；2、 22号至23号完成实验电路的设计及推理工作；3、 24号辅助仿真人员韩录一同完成仿真工作；4、 在实验进行过程中，必要时完成电路性能完善、改进工作；5、 在26号开始连接电路，主要负责领取元件、电路板布局、原理讲解和芯片连接监督工作；6、 27号至28号负责论文中各个模块原理推理、书写工作。张胜1、 22号至23号完成实验电路的设计及推理工作，理解其原理；2、 24号辅助仿真人员王振阳完成仿真工作；3、 在实验进行过程中，必要时完成电路性能完善、改进工作；4、 26号连接电路时，主要负责芯片性能检查、连接电路；5、 27号至28号负责论文中各个模块原理推理及书写工作。王振阳1、 相关资料查询工作；2、 22号至23号主要学习仿真软件multisim，同时兼学tina软件；3、 24号同张胜一同完成电路仿真，并对其中问题进行解决；4、 26号连接电路时，主要负责元器件性能检查和更换工作；5、 27号至28号负责论文的部分书写和整体排版工作。韩录1、 22号至23号主要学习仿真软件multisim，同时学tina软件；2、 24号同张利一同完成电路仿真，并对其中问题进行解决以及结果校对工作；3、 26号连接电路时，主要负责电路检查和仪表使用工作；4、 27号负责论文的所需图片截取和表格建立工作；5、 28号负责论文整体浏览、校核及错误更正工作。第一章 设计要求用中小规模数字集成电路实现电风扇控制器的控制功能，具体要求如下：1、用三个按键来实现“风速”、“风种”、“停止”的不同选择。2、用六个发光二极管分别表示“风速”、“风种”的三种状态；另外还需三个发光二极管显示风扇工作时间。3、电扇在停转状态时，所有指示灯不亮。只有按下“风速”键时才有效，按其余两键不响应。其初始工作状态为“风速”-弱，“风种”-正常位置，且相应的指示灯亮。4、电扇一经启动后，再按动“风速”键可循环选择弱、中或强三种状态中的一种状态；同时，按动“风种”键可循环选择正常、自然或睡眠三种状态的某一种状态。5、 “风速”的弱、中、强对应电扇的转动由慢到快。“风种”在正常位置是指电扇连续运转；在“自然”位置，是表示电扇模拟产生自然风，即运转4秒，间断4秒的方式；在“睡眠”位置，是产生轻柔的微风，电扇运转8秒，间断8秒的方式。6、在电扇任意工作状态下，按“停止”键电扇停止工作，所有指示灯熄灭。7、优化设计方案，使整个电路采用的集成块应尽量的少。第二章 设计方案分解2.1、由进行脉冲设计设计要求：在“风种”的三种选择方式中，在“正常”位置时，风扇为连续运行方式，在“自然”和“睡眠”位置时，为间断运行方式。实验电路需要两个脉冲，其中之一为周期的脉冲，其中高电位，低电位，作为“自然”状态的信号；第二个为周期的脉冲，其中高电位，低电位，作为“睡眠”状态的输入信号。图（3）“风种”三种工作方式波形设计思路： 采用（8选1数据选择器）作为“风种”方式控制器，由的三个输出端选中其中的一种方式。间断工作时，电路中用了一个8秒计时周期的时钟信号作为“自然”方式的间断控制，二分频后再作为“睡眠”方式的控制输入。由发生器产生周期的脉冲，其中高电位，低电位；经过芯片（四d触发器）二分频后得到第二个所需脉冲，周期的脉冲，其中高电位，低电位；实际实验中使用芯片（二d触发器）。符合要求的脉冲产生之后，采用（8选1数据选择器）作为“风种”方式控制器，对三种脉冲在三种方式下进行选择。由风种选择电路的作为选择信号。有3种情况，即、和。分别对应选通、和输入端。实验电路图：图（4） 555发生器脉冲产生仿真电 图（5） 二分频脉冲产生电路图图（6） 脉冲 （产生+选择） 整体电路图实验推理： 脉冲产生参数设计， 由于， 所以， 根据设计所需参数得出： 由于由产生信号太小，高电平约，需经过运算放大器放大10倍之后在进行二分频。运算放大器采用同相输入法，由公式可取，。 因此，可以得到所需的三种脉冲，为简化电路采用芯片（8选1数据选择器）作为“风种”方式控制器，由的三个输出端选中其中的一种方式。正常工作时，电路中用接通高电平作为控制输入；间断工作时，电路中用了一个8秒计时周期的时钟信号作为“自然”方式的间断控制，二分频后再作为“睡眠”方式的控制输入。2.2、状态锁存器 “风速”、“风种”这两种操作各有三种工作状态和一种停止状态需要保存和指示，因而对于每种操作都可以采用三个触发器来锁存状态，触发器输出1表示工作状态有效，0表示无效，当三个输出为全0则表示停止状态。为了简化设计，可以考虑采用带有直接清零端的触发器，这样将停止键与清零端相连就可以实现停止的功能，简化后的状态转化图如图（7）所示。图中横线下数字为、的输出信号。根据 图(7) 状态转化图，利用化简后，可得到、的输出信号逻辑表达式（它们可适用于“风速”及“风种”电路）： 可选用4d上升沿触发器构成。风种风速图（7）状态转化图2.3、触发脉冲的形成 根据前面的逻辑表达式，我们可以利用d触发器建立起“风速”及“风种”锁存状态电路，但这两部分电路的输出信号状态的变化还有赖于各自的触发脉冲。在“风速”部分的电路中，可以利用“风速”按键（）所产生的脉冲信号作为d触发器的触发脉冲。而“风种”部分电路的触发脉冲则是由“风速”（）、“风种”（）按键的信号和电扇工作状态信号（设为电扇工作状态，停，运转）三者组合而成的。当电扇处于停止状态（）时，按键无效，信号将保持低电平；只有按键后，信号才会变成高电平，电扇也 同时进入运转状态（）。进入运转状态后，cp信号不再受键的控制，而是由键所控制。由此，我们可列出如表（1）所示的cp信号状态表，并可得到其输出逻辑表达式： （式中为风速键的状态，为风种键的状态）k2k1cp00100000011101001010100111111101表（1）信号状态表 由于信号可由“风速”电路输出的三个信号组合而成。因而从表（2）所式的st信号状态表可得 当时，表示电扇停转。 当时，表示电扇运转。 最终，可以得到cp的逻辑表达式 强()中()弱()00010010010001101000101011001110表（2）信号状态表图（8）风速电路图图（9）风种电路图2.4、蜂鸣器控制实现在关掉风扇，即按下开关时，由蜂鸣器发出音响信号实现声音提醒功能。设计思路：开关实现复位功能，当开关有动作时，所控制电位有高电位变为低电位。而此时蜂鸣器发出音响信号，则只需在开关控制点引出一个信号（由高变低）经过一个非门芯片就可以实现电位由低变高，从而使蜂鸣器发出音响信号。由于器材有限，我们使用与非门芯片来实现。实验电路图：图（10） 蜂鸣器控制电路图2.5、电机转速控制端 由于电扇电机的转速通常是通过电压来控制的而我们要求有弱、中、强三种转速，因而在电路中需要考虑三个控制输出端（弱、中、强），以控制外部强电线路。这三个输出端与指示电扇转速状态的三个端子不同，还需要考虑“风种”的不同选择方式。如果用1表示某挡速度的选通，用0表示某挡速度的关断，那么“风种”信号的输入就使得某挡电机速度被连续或间断地选中，例如风种选择“自然”风，风速选择“中”时，电机将运行在中速并开“4秒”停“4秒”，反映到面板上为l2和l5灯亮。表现在转速控制端“中”上就是出现连续的1状态或间断的1和0状态。第三章 实验电路图根据题目的具体要求，并且能确保电路的准确性与完善性，我们同时运用两种仿真软件进行仿真，分别是multisim与tina。3.1 multisim 仿真电路图图（11）multisim 仿真电路图3.2 仿真电路图图（12）仿真电路图第四章 实验电路整体说明参考电路如图（11）可以从以下几个部分予以说明： 4.1、状态锁存器电路“风速”、“风种”两种状态锁存器电路均采用二片4d触发器74ls175构成，每片三只d触发器的输出端分别与三个状态指示灯相连。每片74ls175的清零端（r）均与停止键（k3）4.2、触发脉冲电路 键k1按动后形成的触发信号作为“风速”状态锁存电路的触发信号。 键k1、k2及部分门电路74ls00、74ls08构成了“风种”状态电路触发信号cp。电扇停转时，st0，k10，故图中与非门u2输出为高电平，u3输出也为高电平，因而u4输出的cp信号为低电平。当按下k1键后，k1输出高电平，u2输出低电平，故cp变为高电平，并使d触发器翻转，“风种”功能处于“正常”状态。同时，由于k1键输出的上升沿信号，也使“风速”电路的触发器输出处于“弱”状态，电扇开始运转，st1。电扇运转后，u2输出始终为高电平，这样cp信号与k2的状态相同。每次按下k2并释放后，cp信号上就会产生一个上升沿使 “风种”状态发生变化。在工作过程中，cp的波形图如图6.1所示。图（13） cp的波形图在参考电路图（11）中，平时为低电平，而平时为低电平，在实验时，可选用实验箱中的单次脉冲开关表示、。4.3、“风种”三种方式的控制电路在“风种”的三种选择方式中，在“正常”位置时，风扇为连续运行方式，在“自然”和“睡眠”位置时，为间断运行方式。参考电路中，采用74ls151（8选1数据选择器）作为“风种”方式控制器，由74ls175的三个输出端选中其中的一种方式。间断工作时，电路中用了一个8秒计时周期的时钟信号作为“自然”方式的间断控制，二分频后再作为“睡眠”方式的控制输入，如图6.2所示波形。图（14） “风种”三种工作方式波形第五章 故障分析与电路改进1、question：由555产生固定周期的脉冲时，二分频功能输出一直为低电平。solve：由555输出的高电平幅值太小，不足作为触发脉冲以触发74ls175芯片。增加放大器将输出信号放大之后再作为触发脉冲便可解决。2、question：风扇最终输出端只有一个，怎样实现风速风种的双重控制？solve：通过风速、风种电路的串联控制实现； 通过与门芯片来实现双输入的选择。通过老师指点和连接复杂程度比较比较选择第二种方法更为简便且性能稳定。3、question：电路中缺少时间显示装置，存有欠缺；在关机时，使用音响提醒可以作为附加功能添加到电路中。solve：除必需的六个led灯之外，再添加三个led灯用来显示通电时间即可解决第一个问题；在关机时寻找高电位段即可添加蜂鸣器，没有高电位端可以通过肺门或与非门来实现。4、question：在仿真运行过程中出现了个别芯片由于缺少模拟端口无法模拟运行的情况。solve：上网查找错误原因是由于步长太小。5、question：在仿真过程中速度太慢，特别是在测555产生脉冲周期时。solve：通过改变multisim软件中步长参数来实现，可以使运行速度加快。从而节约时间，加快进度。6、question：连接电路时脉冲触发“风速”显示正常，但“风种”显示不正常。整体测试正常，但单个测试出现问题，偶尔下降沿也会触发。solve：“风种”电路比较复杂，其触发脉冲是，较难控制。在实际连接电路中，其中一个与非门芯片存在故障；并且线路连接接口并不十分可靠；负脉冲产生存在故障导致出现以上问题。第六章 设计心得通过自己和同组人的努力，实验还是很圆满的完成了。刚开始拿到课程题目，都不知道所以然，因为这种课程设计还是我们第一次做，而且对家用电风扇的设计也不太了解。我们首先是查找相关资料，来了解这个设计。后来在图书馆查找相关书籍，在网上收集一些资料和在指导老师的帮助下，才慢慢对家用电风扇的设计有了初步的了解。最终，通过验证证明，该设计方案是成功的。其中难免存在一些错误和缺陷，请老师能给予批评和指证，使该设计更加准确。通过此次课程设计让我亲身参与电子产品的设计使我更加深深地体会到：现代社会是灵活多变的社会，是信息的社会，很多与人们生活紧密相关的产品都是电子产品。比如决定现代社会发展方向的电脑以及几乎每个同学都拥有的收音机等等，无不说明电子产品的重要性。作为一名机械类专业，且已经大三的我们，我认识到我不仅要学好课本上的知识，还要学会将所学到的知识联系并应用到现实生活中，做到理论联系实际。 张 利通过本学期2周紧张而充实的课程设计，我学到了很多东西，并对我以后所要做的毕业设计有了一个初步的了解。做好一个课程设计或毕业设计不仅要具备扎实的书本知识并会善于应用，还要学会查阅资料，对以前学过的知识不清楚的地方还要进行复习，实在搞不明白的地方要向老师或同学请教，这样才可能做出一个比较不错的课程设计。此次课程设计我参与了其中设计与电路连接，在整个过程中我们遇到很多问题，没有头绪，甚至要推翻从头来过。但是整个团队在最后都坚持下来，我想正是这份坚持和不放弃的信念，才使得最后可以圆满的完成此次课程设计。我们每个人学到的东西都受益良久。 张 胜作为第一次做课程设计，也是大学生活中少有的组队项目，我们的确在一开始手忙脚乱。但是大家齐心协力，