洗衣机的时间控制系统设计书.doc

洗衣机的时间控制系统设计书1 设计要求分析与方案选择 1.1 设计要求分析 本设计要求完成洗衣机时间控制电路的设计。控制洗衣机按定时启动、正转20秒、暂停10秒、反转20秒、暂停10秒的洗涤模式不停的循环，到达定时时间后停止。并要求有数码管显示时间，LED显示状态，声音报警。 通过以上要求，洗衣机洗涤模式是以60秒钟即一分钟作为循环。计时方式是通过预置时间定时，因而初步设想使用一个六十进制倒计时电路作为核心控制。预置时间以分为单位，则还需要分计时器，并且要能预置时间。同时，时间的计时按秒来进行，则需要用一个秒信号发生器。最后，用两位数码管作为时间显示电路，三个LED灯作为状态显示电路，蜂鸣器作为报警电路。根据以上分析，设计电路基本框图如下：60进制定时电路LED显示电路洗涤模式控制电路分钟定时电路数码管显示电路蜂鸣器报警电路秒信号发生电路定时预置电路启动 图1.1 电路框图1.2 方案选择 洗衣机控制电路整体思路简单，成型产品众多，参考电路也十分普遍。在独自设计过程中，通过小组讨论，决定采取数字电路方案设计。数字电路方案：数字电路并没有因为可编程逻辑器件的出现而退出市场，而且大有继续发展的势头，数字电路之所以能应用广泛，是因为它有独特的优点。电路的各个模块清晰，运算速度高，而且不用编程，在许多功能实现上有软件可望不可及的优势。本设计要求中，均可运用中规模集成逻辑电路实现，而且成本不高，稳定性很好，使用数字电路直接进行设计，在我们知识能力范围之内，可行性十分高，因而采用数字电路方案实现。2 方案总体框图设计2.1 方案总体设计思路 2.1.1 各模块器件选择1 .秒信号发生器选择根据要求，信号发生器须由555时基电路构成，故采取由555定时器构成的多谐振荡器组成秒脉冲信号发生器；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。并且555定时器使用成熟，参考资料颇多，因此采用此方案。2 .计时器芯片选择采用74LS192芯片实现中规模集成电路74LS192进行设计较为简便，74LS192是十进制可编程同步加减计数器，它采用8421码二十进制编码，并具有直接清零、置数。加/减计数功能，为双时钟芯片，计数采用DOWN时钟，而置数可以采用UP时钟，因而置数显得十分简单，是很好的选择。3 .显示电路选择 显示电路用单位的数码管和相适应的显示译码器，这儿采用共阴极的单位数码管和74LS48作为显示电路，应用十分简单。4 .状态显示电路 使用三个不同颜色的数码管来表示不同的洗涤状态，通过74LS138作为译码器，来实现该功能。5 .洗衣机控制电路 通过不同的门电路进行组合，实现各种状态的不同组合输出。6 蜂鸣器控制电路 定时时间到，用高电平触发蜂鸣器，实现报警功能。2.1.2 模块总体电路实现 经过以上分析，采用555定时器组成的多谐振荡器来实现秒脉冲信号的发生，为其它的芯片提供工作脉冲信号；计时电路采用四片74LS192芯片实现，两片组成六十进制计数器实现秒信号计数，当计满六十秒后向前借位。另外两片构成一百进制计数器，来计数秒的借位信号，同时实现预置数功能。数码管、报警电路和LED灯分别与逻辑电路进行组合，接到74LS192的输出，以完成时间显示、报警和状态显示功能，洗衣机控制则使用74LS138作为译码输出进行不同的组合，完成控制。2.2 方案总体电路图3 电路各模块设计与参数选择3.1 秒脉冲电路秒信号发生器采用555定时器，555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。其性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器。555定时器的外引脚排列图和内部电路框图分别如图 3.1.1 和图 3.1.2 所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3 。图3.1.1 555定时器引脚排列图3.1.2 555定时器内部电路框图555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。由555定时器组成的多谐振荡器如图3.1.3所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。其工作波如图(D)所示。设电容的初始电压，t时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端，比较器1输出为高电平，2输出为低电平，即，（1表示高电位，0表示低电位），触发器置，定时器输出此时，定时器内部放电三极管截止，电源经，向电容充电，逐渐升高。当上升到时，输出由翻转为，这时，触发顺保持状态不变。所以0t期间，定时器输出为高电平。时刻，上升到，比较器的输出由变为，这时，触发器复，定时器输出。期间，放电三极管导通，电容通过放电。按指数规律下降，当时比较器输出由变为，触发器的，的状态不变，的状态仍为低电平。时刻，下降到，比较器输出由1变为0，R-S触发器的1，0，触发器处于1，定时器输出。此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出，电容放电时，0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。由图3.1.3知，振荡周期。为电容充电时间，为电容放电时间。充电时间T1=(R1+R2)Cln20.7(R1+R2)C 放电时间T2=R2Cln20.7R2C矩形波的振荡周期T= T1+ T2=ln20.7(R1+2R2)C因此改变、和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。 本设计需要秒信号，则令T=1s,C=10uf, 可得R1=12K ,R2=68K 为常用电阻值，可得到秒信号。图3.1.3 由555定时器构成的多谐振荡器电路及其输出波形 555定时器多谐振荡电路3.2 计时电路计时电路采用的是74LS192可预置同步可逆BCD码计数器。其引脚图和内部结构原理图以及真值表如图3.2.1、图3.2.2、图3.2.3所示：图3.2.1 74ls192引脚图图3.2.2 74ls192内部结构原理图图3.2.3 74ls192真值表使用74LS192十进制可逆计数器来实现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，对于秒信号，我们要的只是减计数，所以我们把两片秒计数的74LS192芯片的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。由图3.2.3可知，LD低电平有效，产生借位信号时，BO也是低电平有效。当秒脉冲从秒位的DOWN端输入的时候秒计数的74LS192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。当然，这些计数器工作，其中的清零端CR要处于低电平，置数端不置数时要处于高电平。这是一个独立工作的最高可以显示99分钟的计时器。把四个74LS192的QA/QB/QC/QD都接到外部的显示电路上就可以看到时间的显示了。作为洗衣机控制器的一个模块，它还得有一定的接口来和其他的模块连接在一起协调工作，我们可以利用分计数的UP端来进行外部置数，当把它们各接到一个与非门的输出上，与非门的输入一端接脉冲信号，一端接低电平，当要置数时，将与非门的输入端从低变为高，打开与非门，另一输入端的的脉冲上就可以实现从09的数字输入。如图3.2.4所示，为计时电路电路原理图。图3.2.5 四片74LS192组成的计时电路3.3 显示电路显示电路采用了两片一位的共阴极七段数码管（如图3.3.2所示），来分别显示分钟计时的十位和各位，完成预置和显示功能。数码管的驱动电路采用的共阴极的七段译码器74LS48，它内部有上拉电阻，可以直接与共阴极的数码管相连接。其管脚图和真值表分别如图3.3.1、图3.3.3所示： 图3.3.1 74LS48引脚图 图3.3.2 八段数码管图图3.3.3 74LS48真值表 由于数码管只用显示09的数字，则LT、LBI、BI/RBO三个脚都接高电平，A B C D 四个输入端连接74LS192的输出，就能显示出预置的时间和定时的剩余时间。其连接电路图如图3.3.4所示：图3.3.4 数码管显示电路连接3.4 状态显示电路洗衣机洗涤共有三个状态，分别为正转，暂停，反转，用三个不同的颜色的LED灯来表示。在三个状态中，4060秒为正转、3040秒钟为暂停、1030秒为反转、0-10秒为暂停。分别有红绿黄来表示正转反转和暂停三个状态。三个状态区分的标志位为秒信号的十分位，当74LS192输出为00000001 为暂停；输出为00010011 为反转；输出为00110100 为暂停；输出为01000110为正转。有效区分状态为三位，然而直接区分，难度很大，门电路会使用大很多。根据这些，因而采用3-8译码器芯片74LS138，经过译码后有八位，容易进行区分。其区分框图如图所示：00000101001110010100110正转红灯亮反转绿灯亮暂停黄灯亮0123456译码图3.4.1 状态电路译码显示框图74LS138引脚图和真值表如图3.4.2 ，图3.4.3：图3.4.2 74LS138译码器引脚图图3.4.3 74LS138译码器真值表在此处74LS138作为译码器，G1 接高电平，G2接低电平。A B C译码输入端分别接到74LS192的输出的低三位。Y0Y7作为输出，低电平有效，则通过门电路，将Y4 Y5 与非后作为红灯输入，表示为正转状态；将Y3 Y0与非后作为黄灯输入，表示暂停状态、将Y1 Y2与非后作为绿灯输入，表示反转。其总体电路 图如图3.4.4、图3.4.5所示：图3.4.4 状态显示电路（1）图3.4.5 状态显示电路（2）3.5 洗衣机电机控制电路洗衣机控制电路要完成功能有时间预置，定时报警，正反暂停状态控制，定时时间到后停止洗衣机运行。 因此使用三个按键，分别实现时间的分个位、分十位和开始工作功能。时间预置是通过按键经过一个非门，在接入二输入与非门电路的一个输入，另一个接与非门输入端接入秒脉冲信号，当按键按下时，们电路打开，秒信号能够进入74LS192的UP端进行计数。起到时间预置功能。状态的控制可以使用上面的状态LED灯的输入作为继电器的输入，当红灯亮时，信号同时到达继电器，是电机接正的5V电源，当绿灯亮的时候，信号到达另一个继电器，电机接到-5V,电机反转。当为黄灯的时候，亮电平都为低电平，继电器不工作，电机暂停。电路的启动与停止时本设计的独特点，当定时时间到了之后，高位74LS192的BO输出端会产生一个低电平信号，把这个信号送给RS触发器的R端，并把RS触发器的Q输出作为一个二输入与非门的输入端，另一个输入一个秒信号，与非门的输出接入到低位的74LS192的DOWN端作为信号输入。这时，RS触发器会置0，封锁了与非门，是秒信号不能进入74LS192，电路停止。同时，用一个按键来控制RS触发器的S端，在设置时间过程中，BO信号会消失，但是RS此时输入为1 1 ，为保持状态，即RS输出为低电平，电路仍然不能计时。当时设置好时间后，按下按键，RS置1，与非门打开，秒信号进去。图3.5.1 控制电路图 3.6 洗衣机蜂鸣器电路报警电路采用蜂鸣器，蜂鸣器的正极接到RS触发器的反相输出端,在到达定时的时间后，方向输出为高电平，蜂鸣器报警。4 仿真调试分析4.1 仿真软件介绍这个课程设计采用的是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具multisim10.0 。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。 Multisim 易学易用，便于自学、便于开展综合性的设计和实验，有利于培养综合分析能力、开发和创新的能力。完全能够适应这次课程设计的要求,且老师在课程设计开始时，系统介绍了该软件的用法，因而采用这款软件来进行仿真调试。4.2 仿真总体电路图分析整体仿真图秒脉冲信号输入LED状态显示电路调时电路开始按键数码管显示电路，为方便观察使用了四个数码管192计时电路高位计时器4.3 仿真结果分析 设计的每一个模块的功能都能实现，但是由于multisim的蜂鸣和电机模难得实现，因而存在缺陷。5 方案的分析与总结体会5.1 方案选择总结与分析在方案的选择过程中，根据题目要求，采用555定时器组成的多谐振荡电路作为脉冲发生器发出秒信号，至于计数功能，则采用四片74LS192来实现加减数功能，并通过数码管显示，采用三个LED灯分别显示电机的正转、暂停、反转功能，这样，一个清晰的设计方案就很容易得出了。另外，通过参考网络资源，很清晰地设计出最优化的整体电路图。在整个设计过程中，时钟芯片比较简单，一方面555定时器应用很成熟，资料很多，以前电工学课程中有过系统的介绍，对555定时器有比较清晰的印象，通过图书馆查询资料，利用555定时器构成多谐振荡电路有第一手资料，容易设计。而与时钟芯片不同，计时芯片的比较是十分麻烦的，要考虑可行性，经过比较，只有选择可逆的计数器，而可逆的只需要十位计数就够了，因此选择了74系列的74LS192，刚开始选择的时候，还没有考虑到置数问题，认为就用一个DOWN就够了，在之后的设计中，才发现，可以用UP端进行置数，是一个意外的收获。显示电路还比较简单，因为规定了用数码管，用共阴极和共阳极都是一样的，因而选择了共阴极的，因为以前电工实验课上做过，而且书上也有说明，容易入手。译码芯片书上也有介绍，不过没有具体的连结电路图，在连接电路的过程中还是出现了一些问题，在网上有用上拉电阻的，但是其实74LS48内部已经有上拉电阻了，直接连结就够了。控制、显示电路十分困难。按键电路时参考了书上的知识，之前是准备直接用按键给脉冲信号，不过这种方法缺点很多，很不易控制，在书上看到了时钟调试电路的按键电路之后，经过借鉴改进，于是用了这种电路，也因而让调试电路一下子豁然开朗。状态显示也比较简单，就是要用到十分位的三个输出，因为3-8译码器之前用过，所以很容易的就想到了，在经过了逻辑表达式的换算，最后又用了两个与非门完成了设计。停止和开始电路用费了很大的周折，想过很多方案，但是都很难达到要求，当考虑到有一个状态要保持时，想到了用RS触发器，因为RS触发器有一个输入时保持的，经过验证，方案可行。于是以后的工作就是要加入与非门、非门之类的。设计一下子就快完成了。整个设计过程都十分值得回味，当一切都设计出来了之后，才开始着手方案的可行性，还得到了不少意外的收获。总之整个设计收获都很多。5.2 仿真调试总结与体会 Multisim软件不知怎么有一个缺点，就是有时候，两个元器件的管脚直接放在了一起，结果又得连上了，而有的是没有连上的，这是很头疼的事情，经常几个一模一样的元器件，一模一样的操作放置，最后它就是有问题，而且很难查出来。要把原件拉开才能发现。不过整体上multisim软件用起来比其它软件简单，和以前用过的MATLAB里的simiulink仿真差不多，所以比较容易上手。 根据设计好的电路进行仿真的过程中，计数电路比较好做，各种门电路的连接也比较容易，但连好后发现控制计数开始的开关没有用上，即不合开关仍然开始计数，最后实在找不出连接的问题，换了一个开关后就解决了这个头疼的问题。 还有一个问题就是蜂鸣器的连接。蜂鸣器需要高电平触发才会发出声音，开始时我们都在从4片74LS192的引脚上试图寻找计时结束后才会出现高电平的引脚，花费很长时间仍然没有成功，最后通过整体分析电路，在与非门的一个输出端接上蜂鸣器，终于成功了。 Multisim 还有一个问题就是时间比较慢，开始的时候设计555定时器用了很多的时间，都没有出来，因为没有等到一秒钟，没有出现跳变。以为设计出错了，最后通过查阅资料才知道可以通过直接调节555定时器的频率来控制时间，这样就很容易实现了。 5.3 实物制作总结与体会实物制作是很头疼的一件事情，因为硬件电路十分复杂，稍有不慎就会前功尽弃。在连接的过程中，最开始我们六个人进行了分工，三个人负责连接计数部分，另外三个人负责连接各种门电路和LED灯。为了连接效率，我们分别在两个面包板上进行电路的连接，分别连接好电路后，我们开始进行电路的测试。不得不说，电路的测试工作是最令人头疼的事情。连好计时电路后，加上脉冲信号，能够实现置数功能，但秒位上却不能计数，反复检查，却发现不了任何错误。最后我们进行单个74LS192的检测，发现连好电路后仍然不能进行计数，无奈之下只好请教老师，终于发现192芯片的CLR端未接地，因而不能实现正常计数功能，重新改正错误后，计时电路终于能够实现正常的置数和计数功能，但由于电路板的老化等原因，电路很不稳定，往往计数时秒位直接向分位进位而不是借位，通过逐个检查芯片引脚的连接情况，确定没有错误，因此我们把错误归结为电路板的原因，只好忍痛把已经连接好的计时电路拆除，换另外一个电路板重新进行连接，功夫不负有心人，经过努力，终于把计时电路连接好了。剩下的就是把两个面包板连接起来实现功能了。将两个面包板连接好后，问题又出现了。计时电路能够置数，却不能计数了，真是很头疼的事情，没办法，检查不出任何连接错误来，我们只好把已经连接好的电路拆除，换另一个面包板进行重新连接，到了这个时候真有种崩溃的感觉，特别是已经有好几个小组已经调试完成的情况下，此次我们慎而又慎，决定在一个面包板上完成所有电路的连接，开始连接之前，首先进行各芯片74LS0074LS0474LS138的检测，确保各芯片正常后再进行连接，导线也是逐根进行检测，一个小时后，所有芯片都连接好了，颤抖着双手接通脉冲电源，又发现电路不够稳定，计数有偏差，甚至不能正常计数，此时此刻，我们埋头继续检测，终于发现秒十位的192芯片一个引脚上应该是高电平而实际却是低电平，经过调整，终于解决，电路能够正常实现置数、计数、LED灯显示正反转、暂停功能了。当计时结束后，应该实现报