家用電風扇控制邏輯電路設計

1、 課程設計說明書課程設計名稱： 數(shù)字電路課程設計 課程設計題目： 家用電風扇控制邏輯電路設計 學 院 名 稱： 信息工程學院 專業(yè)： 通信工程 班級： 090422 學號： 姓名： 評分： 教師： 張華南 20 11 年 9 月 15 日 數(shù)字電子 課程設計任書20 11 20 12 學年 第 一 學期第 2 周 3 周 題目家用電風扇控制邏輯電路設計內(nèi)容及要求1.實現(xiàn)風速的強、中、弱控制(個按鈕控制，循環(huán))2.實現(xiàn)睡眠風、自然風。正常風三種風態(tài)(個按鈕控制，循環(huán))3.led顯示狀態(tài)進度安排1.布置任務、查閱資料、選擇方案，領儀器設備,仿真、畫pcb線路板圖： 3天 2.領元器件、制作、焊接：

2、3天3.調(diào)試：2天4.驗收：1天學生姓名：吳強鏹指導時間：2011.9.5-2011.9.15指導地點 e樓508室任務下達2011 年 9月 5 日任務完成2011年 9 月 14 日考核方式1.評閱 2.答辯 3.實際操作 4.其它指導教師張華南系（部）主任傅崇芳注：1、此表一組一表二份，課程設計小組組長一份；任課教師授課時自帶一份備查。2、課程設計結(jié)束后與“課程設計小結(jié)”、“學生成績單”一并交院教務存檔。摘要家用電器的使用給人們的生活帶來了極大地便利，在這個電器種類繁多，功能越趨齊全的當今社會，人們已經(jīng)不僅僅滿足于擁有，人們的注意力已經(jīng)更多轉(zhuǎn)向電器的功能的多樣性。為了更好的與人們對電風扇

3、的需求接口，我們特別設計了這個電路。本次實驗運用了數(shù)字電路的知識，實現(xiàn)了家用電風扇控制邏輯電路設計。設計內(nèi)容是一個按鈕來實現(xiàn)風速強、中、弱的轉(zhuǎn)換并且實現(xiàn)循環(huán)；一個按鈕來實現(xiàn)風種正常風、睡眠風、自然風的轉(zhuǎn)換并且實現(xiàn)循環(huán)；不同led燈的顯示來表示風速與風種的狀態(tài)。家用電風扇控制邏輯電路分為三大模塊：第一個模塊是風速、風種的循環(huán)控制電路，利用74ls175、74ls08芯片實現(xiàn)三種狀態(tài)的循環(huán)計數(shù)，并且利用高低電平實現(xiàn)led燈的亮滅；第二個模塊是風種實現(xiàn)電路，利用555發(fā)生器產(chǎn)生周期為8s的方波，并且利用74ls175構(gòu)成二分頻電路形成周期為16s的方波，再利用74ls151芯片選擇風種的輸出。第三個

4、模塊是按鈕控制電路，利用按鈕來給芯片脈沖，實現(xiàn)風速、風種的選擇，并且可以實現(xiàn)關(guān)機的功能。本課題基本實現(xiàn)了三個模塊的功能，將之有效的連接在一起，實現(xiàn)了家用電風扇控制邏輯電路的總體功能。雖然此次設計的電路較為簡單，但它的成本較低，并且經(jīng)濟、實用而且風種、風種的選擇體現(xiàn)了它的人性化，相信在市場有一定的潛力。關(guān)鍵字：電風扇 循環(huán)控制 74ls175 led目錄前言1第一章設計內(nèi)容及要求21.1設計內(nèi)容21.2 設計要求21.3 主要參考器件2第二章 系統(tǒng)組成及工作原理32.1 系統(tǒng)組成32.2 系統(tǒng)工作原理3第三章 總體電路設計43.1 系統(tǒng)設計43.2 方案的修改533 電路工作原理53.4 單元電

5、路設計5第四章 仿真性能測試124.1 風種、風速的選擇電路124.2 脈沖觸發(fā)電路12第五章 家用電風扇系統(tǒng)調(diào)式145.1調(diào)試儀器145.2調(diào)試過程145.3 結(jié)果分析14第六章 結(jié)論15參考文獻16附錄一 元器件清單17附錄二 總設計電路圖18前言家用電器已經(jīng)變得極為普遍，成了人們生活中不可或缺的生活用品。而在現(xiàn)代，人們對家用電器的要求也隨著社會的發(fā)展越來越高。人們希望家用電器能夠?qū)崿F(xiàn)智能化及人性化。而作為人們生活中最為普遍的家用電器，家用電風扇的智能化及人性化的設計就顯得更為重要。家用電風扇控制邏輯電路設計就是針對這一問題而研究設計的本次試驗設計的家用電風扇控制邏輯電路中包含了狀態(tài)鎖存電

6、路、脈沖觸發(fā)電路、風種控制電路。電路中有三個控制開關(guān)：第一個開關(guān)控制弱、中、強三種風速，并且實現(xiàn)狀態(tài)循環(huán)；第二個開關(guān)控制風種，風種分為正常風、自然風、睡眠風。其中正常風時電機連續(xù)轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生持久風； 自然風時電機轉(zhuǎn)動4s、停止4s，產(chǎn)生陣風；睡眠風時電機轉(zhuǎn)動 8s、停止8s，產(chǎn)生輕柔的微風。開關(guān)也可以控制風種狀態(tài)循環(huán)；第三個開關(guān)可以使風扇停止工作。此次設計的家用電風扇電路體現(xiàn)人性化得一面，并且充分的利用了數(shù)字電路的知識使電路更加簡單更易制做。第一章 設計內(nèi)容及要求1.1設計內(nèi)容根據(jù)所學的數(shù)字電路知識，設計出家用電風扇控制邏輯電路。電路中可實現(xiàn)風速、風種的選擇，并且可以用不同led顯示風速、風種所

7、處的狀態(tài)。1.2 設計要求基本要求：1、實現(xiàn)風速的強、中、弱控制(個按鈕控制，循環(huán))：使用一個“風速”按鈕作為控制風速的開關(guān)。當風扇處于停止狀態(tài)時，按下按鈕可以實現(xiàn)風速強、中、弱的變化。2、實現(xiàn)睡眠風、自然風、正常風三種風態(tài)(個按鈕控制，循環(huán))：使用一個“風種”按鈕作為控制種的開關(guān)。當風扇處于運作狀態(tài)時，按下按鈕可以實現(xiàn)睡眠風、自然風、正常風三種風態(tài)的變化。并且正常風時電機連續(xù)轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生持久風； 自然風時電機轉(zhuǎn)動4s、停止4s，產(chǎn)生陣風；睡眠風時電機轉(zhuǎn)動 8s、停止8s，產(chǎn)生輕柔的微風。3、led顯示狀態(tài)：使用5個發(fā)光二極管表示風扇的風速與風種的狀態(tài),3個發(fā)光二極管顯示控制輸出端的狀態(tài)。提高要

8、求：1、按鍵提示音。2、定時關(guān)機功能(以小時為單位)。設計目標： 1、根據(jù)要求分析設計出所需的電路。 2、 熟悉電路中所用到的各集成芯片的管腳及其功能。 3、 進行電路的裝接、調(diào)試，直到電路能達到規(guī)定的設計要求。 4、 寫出完整、詳細的課程設計報告。1.3 主要參考器件ne555 74ls175 74ls151 74ls08 74ls00第二章 系統(tǒng)組成及工作原理2.1 系統(tǒng)組成家用電風扇的根據(jù)基本要求所設計的電路可以分成下面三大部分：l、狀態(tài)鎖存器電路2、觸發(fā)脈沖電路3、風種控制電路2.2 系統(tǒng)工作原理當風扇處于停止狀態(tài)時，按下控制“風速”的按鈕時使表示三種風速的發(fā)光二極管發(fā)光以顯示不同的風

9、速狀態(tài)，而按下控制“風種”的按鈕時可以使表示三種風種的發(fā)光二極管發(fā)光以顯示不同的風種狀態(tài)。風種分為睡眠風、自然風、正常風。正常風為持久的風；自然風為轉(zhuǎn)動4s停止4s的陣風；睡眠風為轉(zhuǎn)動8s停止8s的微風。而風種的輸出可以用數(shù)據(jù)選擇器選擇輸出，再使用555發(fā)生器產(chǎn)生方波脈沖實現(xiàn)自然風與睡眠風的狀態(tài)。2.2.1 狀態(tài)鎖存電路此部分可以用4d觸發(fā)器74ls175芯片構(gòu)成“風速”、“風種”兩種狀態(tài)的鎖存電路，然后兩片74ls175的三個狀態(tài)輸出端各連接三種顏色發(fā)光二極管，并且可以利用芯片的清零端使狀態(tài)清零。2.2.2 觸發(fā)脈沖電路此部分可以使用常開按鈕開關(guān)與高電平相連接，當按下按鈕時可產(chǎn)生脈沖使74l

10、s175芯片工作，實現(xiàn)風種、風速狀態(tài)的變化。2.2.3 風種控制電路在“風種”的三種選擇方式中，在“正?！蔽恢脮r，風扇為連續(xù)運行方式，在“自然”和“睡眠”位置時，為間斷運行方式。電路中，可以采用74ls151 作為“風種”方式控制器，由74ls175 三個輸出端選中其中的一種方式。間斷工作時，在74ls175 的cp 端加入一個周期時鐘信號作為“自然”端的間斷控制，二分頻后再作為“睡眠”方式的控制輸入。第三章 總體電路設計3.1 系統(tǒng)設計設計的家用電風扇具有控制風速選擇和運行模式選擇等功能，它的系統(tǒng)框圖：輸出電路風速選擇電路風速選擇 停機風種形成電路風種選擇電路風種選擇 脈沖信號發(fā)生器路上電復

11、位圖3-1 電風扇系統(tǒng)框圖它的運行狀態(tài)如下圖：圖3-2 風扇狀態(tài)圖3.2 方案的修改方案一： 根據(jù)基本要求設計出簡單的初步電路：電路中狀態(tài)鎖存電路由74ls175與74ls08芯片構(gòu)成可以實現(xiàn)狀態(tài)的循環(huán);再用常開開關(guān)j1、j2控制風速、風種的狀態(tài)，開關(guān)與高電平相連，當連續(xù)按開關(guān)時可以為74ls175芯片提供cp脈沖；使用74ls151 作為“風種”方式控制器，由74ls175 三個輸出端與74ls151的地址端連接后選中其中的一種方式輸出。間斷工作時，在74ls175 的cp 端加入一個周期時鐘信號作為“自然”端的間斷控制，二分頻后再作為“睡眠”方式的控制輸入。其中周期時鐘信號可以使用ne55

12、5發(fā)生器產(chǎn)生自然風的狀態(tài)。但電路中缺少了停機按鈕，不能清零風扇狀態(tài)，并且風速與風種缺少邏輯關(guān)系。而且開關(guān)的高低電平控制不穩(wěn)定。方案二： 在方案一的基礎上做了一些修改：增加了一個常閉開關(guān)按鈕與低電平相連控制74ls175芯片的清零端實現(xiàn)停機的功能；在風速、風種開關(guān)連接使用了與門與非門改進了風速和風種的邏輯關(guān)系；在所有開關(guān)后加了一電阻并與地相連確保了不加高電平時開關(guān)后是出于低電平的狀態(tài)。33 電路工作原理1 電扇處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)時，所有指示燈不亮。此時只有按“風速”鍵電扇才會響應，其初始工作狀態(tài)為“風速”弱，“風種”正常位置，且相應的指示燈亮。2 電扇一經(jīng)啟動后，再按動“風速”鍵可循環(huán)選擇弱、中或強三

13、種狀態(tài)中的一種狀態(tài)；當處于弱風狀態(tài)時，風種指示燈不亮，此時處于正常風狀態(tài)，再按動“風種”鍵可循環(huán)選擇自然、睡眠和正常三種狀態(tài)的某一種狀態(tài)。3 在電扇任意工作狀態(tài)下，按“停止”鍵電扇停止工作，所有指示燈熄滅。4 “風速”的弱、中、強對應電扇的轉(zhuǎn)動由慢到快?！帮L種”在正常位置是指電扇連續(xù)運轉(zhuǎn)；在“自然”位置，是表示電扇模擬產(chǎn)生自然風，即運轉(zhuǎn)4秒，間斷4秒的方式；在“睡眠”位置，是產(chǎn)生輕柔的微風，電扇運轉(zhuǎn)8秒，間斷8秒的方式。3.4 單元電路設計3.4.1 狀態(tài)鎖存電路可以使用三個d 觸發(fā)器來鎖存狀態(tài)，其中“風速”、“風種”這兩種操作各有三種工作狀態(tài)和一種停止狀態(tài)需要保存和指示。同時為了簡化電路，采

14、用了帶有清零端的4d觸發(fā)器74ls175，可以使用開關(guān)控制清零端以便實現(xiàn)停機功能。設計原理為當觸發(fā)器輸出1 時表示工作狀態(tài)有效，0 表示無效，當三個輸出全為0 則表示停止狀態(tài)，風扇風速、風種的簡單狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖3-3所示。圖3-3 風扇風速、風種的簡單狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖根據(jù)圖3-3 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，可得到的狀態(tài)表（表3-1）， “風速”及“風種”電路都滿足狀態(tài)表3-1所示表3-1 的狀態(tài)表由表3-1 可得的卡諾圖如圖3-4 所示的卡諾圖的卡諾圖的卡諾圖圖3-4 的卡諾圖由圖3-4 所示卡諾圖可得的表達式如下：由上述表達式可得狀態(tài)所存電路中電風扇的工作狀態(tài)如表3-2所示。s 為電扇工作狀態(tài)（s=0 停，s=1

15、 運轉(zhuǎn)） 表3-2 電扇工作狀態(tài)表強（q2）中（q1）弱（q0）s0000001101011001根據(jù)表達式，使用兩片74ls175 芯片所設計狀態(tài)所存部分電路如圖3-5 所示。（因為風速與風種的狀態(tài)鎖存電路是同一種原理，因此只給出風速的鎖存電路）圖3-5 風速狀態(tài)鎖存電路3.4.2 脈沖觸發(fā)電路鎖存電路中74ls175為4個d觸發(fā)器構(gòu)成，要使它能夠進行000001010100001狀態(tài)的變化，需要給它一定的脈沖信號。設計的電路中使用了j1、j2、j3三個開關(guān)，其中j1、j2為常開開關(guān)，而j3為常閉開關(guān)。j1、j2開關(guān)是控制兩個74ls175芯片的cp端得脈沖，而j3是控制兩個芯片的清零端。根

16、據(jù)電路要求可以理解j1為控制風速的按鈕，j2為控制風種的按鈕，j3為停機按鈕。家用電風扇電路中控制風速的開關(guān)與控制風種的開關(guān)具有一定的邏輯關(guān)系，需要與門74ls08與非門74ls00構(gòu)成。當按下風速開關(guān)j1時具有風速后，風種選擇電路才能進行工作，按下開關(guān)j2才能進行風種的變化。若風扇無風速，則風種電路不能工作，按下開j2時表示風種的發(fā)光二極管不亮。設計中判斷電路是否有風速根據(jù)狀態(tài)鎖存電路中的風速鎖存電路的三個狀態(tài)來表示。當時表示無風速，時表示，再用一個非門輸出。將輸出與控制風種j2的開關(guān)用與門連接后再連接到風種鎖存電路的74ls175芯片的cp端。因此，電路可以實現(xiàn)風速開關(guān)與風種開關(guān)的邏輯關(guān)系

17、。符合邏輯關(guān)系的脈沖觸發(fā)開關(guān)電路如圖3-6所示。圖3-6 脈沖開關(guān)電路電路中由于沒有常閉開關(guān)元器件，所以將常開開關(guān)與非門相連形成了常閉開關(guān)。3.4.3 風種控制電路1、風種選擇電路設計中風選擇電路與風速選擇電路使用相同的鎖存形式，也是使用74ls175芯片形成正常風、睡眠風、自然風的三種狀態(tài)的循環(huán)。當狀態(tài)為001時表示為正常風，狀態(tài)為010時表示為睡眠風，狀態(tài)為100是表示為自然風。因為只有一種風種輸出，需要使用一個數(shù)據(jù)選擇器選擇風種的輸出。設計中使用的是一個8選1的74ls151芯片，將74ls175的三個狀態(tài)輸出端與芯片的地址端相連接可以選擇何種風種輸出。2、風種脈沖信號輸出電路中具有正常

18、風、睡眠風、自然風三種風種。正常風時電機連續(xù)轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生持久風； 自然風時電機轉(zhuǎn)動4s、停止4s，產(chǎn)生陣風；睡眠風時電機轉(zhuǎn)動 8s、停止8s，產(chǎn)生輕柔的微風。而要實現(xiàn)自然風和睡眠風，則要利用555定時器組成一定周期的多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖信號來控制自然風。并且通過二分頻電路產(chǎn)生脈沖信號來控制睡眠風。有555定時器組成8s周期的多諧振蕩器的相關(guān)計算如下： （4-4） (4-5)所以； (4-6)由于； (4-7)所以 (4-8)根據(jù)設計所需參數(shù)得出： 3、總的風種控制電路將風種選擇電路與風種脈沖電路想連接構(gòu)成風種電路，總電路圖如圖3-7所示。圖3-7 風種電路3.4.4 電路的輸出將狀態(tài)鎖存電路、脈沖

19、觸發(fā)電路和風種控制電路有效的相連接后，需要有一個總的輸出端。輸出電路如圖3-8所示。圖3-8 輸出電路風種信號和風速信號同時作用于與門，由風種信號來選擇輸出的風速信號并作用于電機。第四章 仿真性能測試4.1 風種、風速的選擇電路控制k1、k2開關(guān)，實現(xiàn)風種、風速的選擇，仿真結(jié)果如下圖（圖中風速為弱風，風種為正常風）。圖4-1 工作狀態(tài)控制k3開關(guān)，實現(xiàn)停機功能。仿真如下圖所示（圖中的顯示燈都為息滅狀態(tài)）。圖4-2 停機狀態(tài)4.2 脈沖觸發(fā)電路根據(jù)設計連接總的電路后，風種為正常風時，仿真輸出如下圖。 圖4-3 正常風風種為自然風時周期為8s，仿真輸出如下圖。圖4-4 自然風風種為睡眠風時周期為1

20、6s，仿真輸出如下圖。圖4-5 睡眠風根據(jù)所有的仿真結(jié)果可知設計的方案是可行的。第五章 家用電風扇系統(tǒng)調(diào)式5.1調(diào)試儀器 萬用表 一臺 直流電源 一臺5.2調(diào)試過程本次試驗我們采用了分塊焊接的方法，把555芯片部分焊好之后，我們用了一個發(fā)光二極管來測試芯片的工作情況，發(fā)現(xiàn)二極管一直不亮，這時我們仔細檢查了電路板，發(fā)現(xiàn)了問題的所在，原來是芯片的4管腳沒供電源。電路焊接完畢后，怕再次發(fā)生原來的錯誤，我們又仔細檢查了一遍電路，沒有發(fā)現(xiàn)錯誤，然后我們接上電源測試電路的效果，發(fā)現(xiàn)風速顯示燈和我們預想的效果一樣，但是通過觀察控制輸出端（接電機的接口）的亮燈情況發(fā)現(xiàn)這三個燈不管我們怎么按動開關(guān)k2都不閃爍，

21、分析電路并結(jié)合我們已經(jīng)知道的555芯片那塊電路沒有問題，我們斷定是74ls151選擇器出了問題，于是我們就針對74ls151芯片部分電路進行檢查，一遍又一遍的檢查、調(diào)試之后，終于發(fā)現(xiàn)還是線路問題，電路中出現(xiàn)了虛焊。修補好虛焊的焊點之后，再一次接上電源調(diào)試，電路終于實現(xiàn)了預想的全部功能。 5.3 結(jié)果分析整體調(diào)試后，電路實現(xiàn)風速弱、中、強的選擇和風種自然風、睡眠風、正常風的選擇，并且都是一個按鈕控制并實現(xiàn)循環(huán)。實現(xiàn)了自然風、睡眠風、正常風的效果，電路中還可以有一個按鈕進行停機工作。實現(xiàn)了按鍵音。第六章 結(jié)論設計主要通過數(shù)字電路知識并將電路模塊化，逐步實現(xiàn)設計所需達到的功能要求；1.電扇處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)時，所有指示燈不亮。此時只有按“風速”鍵電扇才會響應，其初始工作狀態(tài)為“風速”弱，“風種”正常位置，此時風速對應的顯示燈亮，顯示風種的兩個燈都不亮。2.電扇一經(jīng)啟動后，再按動“風速”鍵可循環(huán)選擇弱、中或強三種狀態(tài)中的一種狀態(tài)；同時，按動“風種”鍵可循環(huán)選擇自然、睡眠和正常三種狀態(tài)的某一種狀態(tài)（風種指示燈不亮說明處于正常風狀態(tài)）。3.在電扇任意工作狀態(tài)下，按“停止”鍵電扇停止工作，所有指示燈熄滅。4.“風速”的弱、中、強對應電扇的轉(zhuǎn)動由慢到快?！帮L種”在正常位置是指電扇連續(xù)運轉(zhuǎn)；在“自然”位置，是表示電扇模擬產(chǎn)生自然