家用电风扇控制逻辑设计

家用电风扇控制逻辑设计 课程设计说明书 课程设计名称： 数字电路课程设计 课程设计题目： 家用电风扇控制逻辑设计 学 院 名 称： 信息工程学院 专业： 通信工程 班级： 学号： 姓名： 评分： 教师： 20 13年 9 月 24 日 数字电路 课程设计任务书20 1320 14 学年 第 1 学期第 2 周 4 周 题目家用电风扇控制逻辑设计内容及要求基本要求1)实现风速的强、中、弱控制(个按钮控制，循环)： 2)实现睡眠风、自然风。正常风三种风态(个按钮控制，循环)； 3)LED显示状态；提高要求1)按键提示音； 2)关机功能(以小时为单位)。进度安排2013.9.9-2013.9.15：查阅资料，方案分析与设计，电路仿真；2013.9.16-2013.9.22：完成系统的制作、焊接、调试；2013.9.23-2013.9.27：画PCB线路板图，完成报告。学生姓名：王玲、许旭指导时间：周一、周二、周五指导地点：实验大楼南310、E610任务下达2013 年9月9日任务完成2013年9月27日考核方式1.评阅 2.答辩 3.实际操作 4.其它指导教师 系（部）主任 注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。摘 要本文中设计采用数字电子技术并用小规模集成电路实现所需功能。整个系统采用模块化设计思想，需分成脉冲触发电路、状态锁存电路、风态控制电路、定时电路等几大部分，用三个开关控制风速、风态及定时状态的循环，并分别用三个二极管作为状态指示灯，一个开关控制整个电路。其中脉冲触发电路用单稳态和组合逻辑电路实现，状态锁存电路、定时电路状态设计核心由D触发器实现，定时控制需要555单稳态电路实现。本设计实现了控制电路能让电风扇在接通电源后按风速控制键是电路工作在“弱风”“正常风”状态，之后通过风速、风态和定时三个按键分别控制电风扇工作状态，并有相应指示灯亮，而且每次有效操作反馈电路都会有提示。本文将系统的分析每一功能的实现过程，通过基本逻辑设计，仅从电路硬件出发来完成设计，具有一定的应用参考价值，可以为其他控制电路的研究设计奠定基础。关键词：小规模集成电路、模块化、状态控制、锁存电路、单脉冲目 录前 言1第一章 设计方案及系统设计概述21.1系统的组成21.1.1 状态锁存电路21.1.2脉冲触发电路21.2 工作原理2第二章 电路设计42.1状态锁存电路42.1.1风速状态锁存电路42.1.2风态状态锁存电路52.2脉冲触发电路72.3风种控制电路82.4.1 时间状态锁存器电路112.4.2定时控制电路132.4.3风扇控制电路142.4.4 按键反馈电路15第三章系统调试及结果分析163.1系统调试163.2 结果分析16第四章 实验总结17参考文献18附录一 元 器 件 清 单19附录三 PCB绘制图211 前 言随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，人们对电子设备的要求也越来越高。在人们日常生活中家用电器已经变得极为普遍，成了人们生活中不可或缺的生活用品。目前，人们长期使用的电风扇是采用机械控制，功能少，一个按键只能控制 一种风速，无法对其风种进行控。而且功耗大，易发热，体型笨重。就这种单一的只能控制风速和定时的电风扇已经不能够满足人们的需求。这就要求要出现一种功能更全，操作更方便的电风扇来取代以前的老式机电风扇。而近几年电子技术的迅猛发展也为实现这一目标提供了各方面的资源。目前市场上流行的最先进的是微处理器控制。它较之以前的电扇有可靠性高反映速度快的优点。本次课设采用的电子线路取代了原来的机械控制器，使电风扇操作简便，功耗低， 且功能更为齐全，朝人们理想化发展。电路采用移位寄存器通过对逻辑电路设计实 现对风速、风种、定时的控制，且通过指示灯显示电风扇所处状态，实现了电风扇 的方便化、人性化。 在国内外，家用电风扇的逻辑控制技术已经相当成熟。但是这一点并不能否认我 们对其进行电子课设设计。 第一章 设计方案及系统设计概述1.1系统的组成当风扇处于停止状态时，按下控制“风速”的按钮时使表示三种风速的发光 二极管发光以显示不同的风速状态，而按下控制“风种”的按钮时可以使表示三 种风种的发光二极管发光以显示不同的风种状态。风种分为睡眠风、自然风、正常风。而风种的输出可以用数据选择器选择输出，再使用 555 发生器 产生方波脉冲实现自然风与睡眠风的状态。1.1.1 状态锁存电路 此部分可以用 4D 触发器 74ls175 芯片构成“风速”、“风种”两种状态的锁存电路，然后两片74ls175 的三个状态输出端各连接三种颜色发光二极管，并且可以利用芯片的清零端使状态清零。1.1.2脉冲触发电路此部分可以使用常开按钮开关与高电平相连接，当按下按钮时可产生脉冲使74ls175 芯片工作，实现风种、风速状态的变化。1.1.3 风种控制电路在“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。电路中，采用74LS175 作为“风种”方式控制器，由74LS175 三个输出端选中其中的一种方式。间断工作时，在74LS175 的CP 端加入一个周期时钟信号作为“自然”端的间断控制，二分频后再作为“睡眠”方式的控制输入。1.1.4 单稳态定时电路单稳态定时电路由555 芯片构成，由电路本身的要求决定了单稳态的方式，本电路的单稳方式是：下降沿触发，电位由高变为低。1.2 工作原理电路由单脉冲发生电路产生单脉冲，通过状态锁存电路处理后，由六个发光二极管发光显示所控制的状态。再由555单稳态定时电路控制风速、风态所需要的工作时间。按键开关K1 控制风速的三种状态，开关K2 控制风种的三种状态，开关K3 接74LS175 的清零端，控制电路的“停止”状态，工作原理图如图2-2 所示。图1-1 工作原理图电路处于停止工作状态时，所有指示灯不亮。只有按“风速”键K1，风扇才会启动，并且风扇初始工作状态为“风速”处于“弱风”档，风种处于“自然风”档，“定时”功能不启动，并且相应指示灯亮。一旦风扇启动后，依次按“风速”键K1可循环选择弱、中、强三种风速之一，依次按“风态”键K2可循环选择正常风、自然风、睡眠风三种风态之一，依次按“定时”键K3可循环选择非定时、1小时、2小时、四小时中任何一种定时状态。K1、K2、K3相互独立工作，相互之间不会影响。在风扇任意组合工作状态下，只要按“停止键”K4，风扇就会停止工作，同时所有指示灯灭。工作期间，每次按键操作，反馈电路都会有提示。第二章 电路设计2.1状态锁存电路“风速”、“风态”都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表示工作状态无效，当三个输出全为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。2.1.1风速状态锁存电路 风速（Q2Q1Q0）状态图见图2-1-1所示：图2-1 风速状态图2 由图3-1可得如表3-1所示的风速转换状态真值表：表2-1 风速转换状态真值表Q2n Q1nQ0nQ2n+1 Q1n+1Q0n+1功能000001停止弱001010弱中010100中强011未用100001强弱101未用110未用111未用 根据表2-1可得到Qn+1的次态卡诺图如图2-2所示: 的卡诺图 的卡诺图 的卡诺图图2-2 Qn+1的次态卡诺图由图2-1-1(c)求出Qn+1表达式如式2-1-1.1： Q0n+1=Q1nQ0n 次态方程 Q1n+1=Q0n （2-1-1.1式） Q2n+1=Q1n4 驱动方程若选用D触发器来实现电路，则其驱动方程见式2-1-1.2： D0=Q1nQ0n D1=Q0n (2-1-1.2式) D2=Q1n2.1.2风态状态锁存电路 风态三个设计状态与风速三个设计状态一致，状态图如图2-3。图2-3 风速状态图 真值表如表2-2所示：表2-2 风速真值表Q2n Q1nQ0nQ2n+1 Q1n+1Q0n+1功能000001停止正常001010正常自然010100自然睡眠011未用100001睡眠正常101未用110未用111未用 Qn+1的次态卡诺图如图2-4所示： 的卡诺图 的卡诺图 的卡诺图图2-4 Qn+1的次态卡诺图由图2-1求出Qn+1表达式如式2-1-2.1： Q0n+1=Q1nQ0n 次态方程 Q1n+1=Q0n （2-1-2.1式） Q2n+1=Q1n3 驱动方程若选用D触发器来实现电路，则其驱动方程见式2-1-2.2： D0=Q1nQ0n D1=Q0n (2-1-2.2式) D2=Q1n2.2脉冲触发电路状态锁存电路的输出信号状态随着触发脉冲而变化。设定按键按下为“1”，不按为“0”。在风速状态锁存电路中，由“风速”按键K1所产生的脉冲信号作为D触发器的触发脉冲。在定时状态锁存电路中，由“定时”按键K3所产生的脉冲信号做为D的触发脉冲。而风种状态锁存器电路的触发脉冲CP则应由“风速”K1、“风种”K2按键的信号和电扇工作状态信号（设ST为电扇工作状态，ST=0停，ST=1运转）三者组合而成。当电扇处于停止状态（ST=0）时，按键K2无效，CP信号将保持低电平；只有按K1键后，CP信号才会变成高电平，电扇也同时进入运转状态（ST=1）。进入运转状态后，CP信号不再受K1键的控制，而由K2键来控制。CP信号与K1、K2及ST的关系见下表2-3。表2-3 CP状态真值表K2K1 STCP00000010010101101000101111011111由此可以得出式2-2.1： （2-2.1）如图2-5为秒脉冲电路。图2-5秒脉冲电路2.3风种控制电路自然风是运转4秒停止4秒，可设计一个555多谐振荡产生一个周期近似约8秒的方波，再经过二分频后又可以得到一个周期近似16秒的方波，可实现睡眠风。自然风实现电路图如图2-6。图2-6 自然风实现电路它的脉冲周期计算如式3-3.1，将这个脉冲直接接入电机控制端就可以实现电风扇“自然”状态下的运转。（3-3.1）自然风信号经过二分频电路（如图2-7）后得到睡眠风。图2-7二分频电路图2-8所示为“风钟”三种工作方式波形图：图2-8 风种波形图三种风种脉冲信号已设计好了，接下来需要设计一个风种脉冲来选择输出的到底是哪一个风种了。由于风种有三个，所以可用一个具有三个地址选择端的八选一数据选择器来实现。八选一数据选择器的真值表如表2-5所示：表2-5 真值表D0D0D1D1D2 D2 D3D3D4D4D5 D5 D6D6D7D7地址端A、B、C按二进制译码，从8个输入数据D0D7中，选择一个需要的数据送到输出端Q，G为使能端，低电平有效。使能端1时，不论A、B、C状态如何，均无输出（Q0，1），多路开关被禁止。使能端0时，多路开关正常工作，根据地址码A2、A1、A0的状态选择D0D7中某一个通道的数据输送到输出端Q。如：CBA000，则选择D0数据到输出端，即QD0。如：CBA001，则选择D1数据到输出端,即QD1，其余类推。输出表达试： W= D0（）+D1（）+D2（）+D3（）+D4（）+D5（）+D6（）+D7（） （3-3.2）图2-9所示为八选一数据选择器选择输出风种脉冲的示意图：图2-9选择输出风种脉冲2.4提高要求部分的电路2.4.1 时间状态锁存器电路定时器也有三个工作状态，分别是1小时、2小时、4小时，以及一种停止指示状态，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，当三个输出全为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。 定时器状态转换图如图2-10所示。2小时0101小时001非定时0004小时100图2-10 定时器的状态转换图2 由图3-3(a)可得时间锁存器的状态转换真值表如表2-6所示：表2-6 时间锁存器的状态转换真值表Q2n Q1nQ0nQ2n+1 Q1n+1Q0n+1定时0000011小时0010102小时0101004小时011未用100000非定时101未用110未用111未用3 根据表可得到Qn+1的次态卡诺图如图2-7所示。 的卡诺图 的卡诺图 的卡诺图 图2-7 Qn+1的次态卡诺图 由图2-7求出Qn+1表达式如式2-1-3.1。 Q2n+1= Q1n Q1n+1= Q0n （2-1-3.1） Q0n+1= Q2n Q1n Q0n2.4.2定时控制电路555单稳态电路可实现风扇定时关机功能，根据定时公式，只需调整电路中R2分别为1M、2M、4M就可设计定时1小时、2小时、4小时，即可完成三个不同时段的定时需求，如图3-16。图2-11定时电路设定Q2=1表定时2小时；Q1=1表定时1小时；Q0=1表示定时0.5小时，单稳态触发器输出的定时脉冲分别用DW3、DW2、DW1表示，DW1、DW2、DW3与Q0、Q1、Q2之间真值表如表2-8，其中Y为接电机的控制信号：表2-8 真值表Q2Q1Q0DW3DW2DW1Y功能0001不定时00100111小时01001012小时10010014小时由真值表得： Y = Q2 Q1 Q0 + Q0DW1 + Q1DW2 + Q2DW3 （2-4-2）2.4.3风扇控制电路前面几部分所设计的各个模块能实现风速、风态及定时功能，现在只需要将这三部分信号综合并输入风扇电机中控制其工作状态，因此运用门电路组合逻辑设计知识设计出风扇控制电路如图212所示：图212风扇控制端逻辑电路图由于控制端输出信号很弱，无法驱动风扇工作，所以要用到三极管放大电路将弱信号转换至风扇驱动电流。2.4.4 按键反馈电路至此，家用电风扇控制逻辑设计部分大功告成，为了提高人性化服务，特意增加按键反馈功能的设计。反馈电路必须在电路工作正常下才起作用，所以只有当“停止”键K4闭合时状态锁存电路74ls175清零端接高电平时，操作K1、K2、K3它才会有提示。设反馈电路工作状态用F，高电平工作，则有逻辑关系F=K4(K1+K2+K3)，由此可设计出反馈电路如图213所示：19 图2-13 反馈电路 第三章系统调试及结果分析3.1系统调试电路焊接完后，就进行功能测试，将板接上电源后，操作所有开关都没用，导线还会发热，明显是电路中出现短路，用万用表测试后，发现所有VCC与地接在一起了。经过不断的检查和调试，不厌其烦的咨询同学和知道老师，慢慢地将电路改进，最终实现功能。本次测试中，主要出现了以下几个问题：风速选择电路：在调试风速选择电路部分时，发现总是不亮灯。检查后发现开关电路不稳定，修改开关电路后实现效果。风种选择电路：在调试风种电路部分时，发现输出频率不对，电路中电容有问题，重新接个10uF的电容。时钟脉冲电路：在调试时钟脉冲电路时由于示波器的限制，并没有得到方波，只看到一个点在示波器的显示屏上闪动，但通过观察发现，这个点有高低电平的变化，并且高低电平都能持续一段时间，说明已经得到方波实现所需的效果。3.2 结果分析整体调试后，电路实现以下功能：用四个按键分别选择“风速”、“风种”、“定时”、“停止”四种操作功能；2 电扇在停转状态时，只有按“风速”键才能启动电扇，按其余键无响应；3 每按一次按键，都有指示灯亮和指示音响；4 在电扇开机状态下，可实现“风速”“风种”“定时”三种功能间的任意切换，但不影响电路工作；5 按“停机”键，电风扇停止转动，各指示灯灭。第四章 实验总结本次设计的家用电风扇逻辑控制电路逐步实现的功能要求：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。以上为设计家用电风扇逻辑电路的总体功能