簡易洗衣機(jī)控制電路的設(shè)計

1、武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計說明書目錄1 簡易洗衣機(jī)控制電路的設(shè)計要求21.1設(shè)計目的21.2設(shè)計要求22簡易洗衣機(jī)控制電路總體方案的設(shè)計與實現(xiàn)22.1設(shè)計方案原理框圖22.2電路設(shè)計32.2.1電路設(shè)計思路32.2.2電路總體電路圖42.2.3仿真過程圖42.3各模塊電路功能分析62.3.1開發(fā)環(huán)境 PROTEUS 簡介62.3.2秒脈沖發(fā)生器62.3.3分秒計數(shù)器82.3.4洗滌時間設(shè)置電路102.3.5工作狀態(tài)顯示電路112.3.6控制開關(guān)132.3.7報警電路143簡易洗衣機(jī)控制電路安裝與調(diào)試144 簡易洗衣機(jī)控制電路工作分析15 4.1 陳述簡易洗衣機(jī)控制電路工作過程15 4

2、.2 簡易洗衣機(jī)控制電路設(shè)計結(jié)果分析155 心得體會166 參考文獻(xiàn)177本科生課程設(shè)計成績評定表181 簡易洗衣機(jī)控制電路的設(shè)計要求1.1設(shè)計目的1) 掌握數(shù)字電路中選擇器、計數(shù)器、譯碼顯示等單元電路的綜合應(yīng)用。2) 熟悉洗衣機(jī)控制器的工作原理及相應(yīng)的組合邏輯電路和時序電路。3) 掌握數(shù)字電路各部分電路與總體電路的設(shè)計、調(diào)試、模擬仿真、故障排除及安裝的方法1.2設(shè)計要求 洗衣機(jī)電機(jī)的工作順序： 啟動>正轉(zhuǎn)20s>暫停10s>反轉(zhuǎn)20s>暫停10s>停止 設(shè)計一個定時器控制洗衣機(jī)電機(jī)的運轉(zhuǎn)， 用4個LED模擬洗衣機(jī)的動作狀態(tài):LED1LED4右移循環(huán)點亮表示正轉(zhuǎn)，

3、LED1LED4左移循環(huán)點亮表示反轉(zhuǎn)，LED1LED4同時閃爍點亮表示暫停，全滅為停止。 用數(shù)碼管顯示洗滌時間，按倒計時方式對洗滌過程作計時顯示，直到時間到停機(jī)，并發(fā)出音響信號報警。 洗滌時間在0-60分鐘內(nèi)可由用戶任意設(shè)定，并設(shè)置啟動鍵，在預(yù)置定時時間后，按啟 動鍵開始機(jī)器運轉(zhuǎn)。 設(shè)置停止鍵，在洗滌過程中隨時按該鍵可終止動作，并使顯示器清0。2簡易洗衣機(jī)控制電路總體方案的設(shè)計與實現(xiàn)2.1設(shè)計方案原理框圖首先，控制開關(guān) SW1 接地，洗衣機(jī)不轉(zhuǎn)動，這時用戶自定義洗滌時間，然后將控制開關(guān) SW1 接高電平， 接通電源。 555 構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生的 1Hz555由脈沖信號經(jīng)過一個控制電路后進(jìn)入

4、秒計數(shù)器進(jìn)行秒計數(shù)。利用秒計數(shù)器十位上的數(shù)值變換表示出電機(jī)運轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時利用計數(shù)器和門電路設(shè)計出合適電路使 LED工作達(dá)到設(shè)計要求；當(dāng)用戶設(shè)定的洗滌時間結(jié)束后，電路報警并清零；同時電機(jī)指示燈閃爍。 圖1 電路設(shè)計框圖2.2電路設(shè)計2.2.1電路設(shè)計思路對于洗衣機(jī)電機(jī)的工作順序：“啟動>正轉(zhuǎn)20s>暫停10s>反轉(zhuǎn)20s>暫停10s>停止. ”設(shè)計一個定時器控制洗衣機(jī)電機(jī)的運轉(zhuǎn),分析知道其一次運轉(zhuǎn)的周期有60s，且其呈現(xiàn)周期循環(huán)，我們可利用計數(shù)器的功能進(jìn)行60s 的計數(shù)，即需要一個秒計數(shù)器，并利用洗衣機(jī)電機(jī)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時間來設(shè)置正轉(zhuǎn)、暫停、反轉(zhuǎn)。如此則需為計數(shù)器設(shè)

5、置一合適脈沖，設(shè)計中的秒計數(shù)器所需脈沖必為1HZ 脈沖，因此我們可以考慮555定時器，利用其構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生矩形脈沖信號。而對于用數(shù)碼管顯示洗滌時間，按倒計時方式對洗滌過程作計時顯示，且洗滌時間在0-99分鐘內(nèi)可由用戶任意設(shè)定，并設(shè)置啟動鍵，在預(yù)置定時時間后，按啟動鍵開始機(jī)器運轉(zhuǎn)，分析知道我們還需要設(shè)置一個分鐘計數(shù)器，可以利用秒計數(shù)器的借位端 BO 端接到分計數(shù)的 DOWN 端作為分計數(shù)的輸入信號來實現(xiàn)秒從分計數(shù)上的借位從而構(gòu)成分計數(shù)器的工作脈沖。在要求中要求倒計時且有啟動開關(guān)，顯然我們需要遞減計數(shù)器，和利用開關(guān)控制計數(shù)器清零端 CR 的電平或555電源輸入以控制電路工作。對于用4個 LED

6、 模擬洗衣機(jī)的動作狀態(tài):LED1LED4右移循環(huán)點亮表示正轉(zhuǎn)， LED1 LED4左移循環(huán)點亮表示反轉(zhuǎn)，LED1LED4同時閃爍點亮表示暫停， LED1LED4同時閃爍點亮并且蜂鳴器發(fā)出報警聲為停止，顯然可以利用移位寄存器來設(shè)計，但是由于本次設(shè)計未能成功利用移位寄存器仿真而轉(zhuǎn)換了思路，利用了譯碼器和邏輯門電路構(gòu)成了正轉(zhuǎn)、暫停、反轉(zhuǎn)的三種不同狀態(tài)分別為01、00、11，同時利用這三種狀態(tài)設(shè)計出計數(shù)器與邏輯門電路設(shè)計了與之對應(yīng)的 LED 工作狀態(tài)電路。對于設(shè)置洗滌時間，我們可以設(shè)置分鐘計數(shù)器來設(shè)置洗滌時間。2.2.2電路總體電路圖圖2 電路設(shè)計總圖2.2.3仿真過程圖 圖3 數(shù)碼管顯示 圖4 LE

7、D顯示2.3各模塊電路功能分析2.3.1開發(fā)環(huán)境 PROTEUS 簡介PROTEUS 軟件是由英國 LabCenter Electronics 公司開發(fā)的 EDA 工具軟件，由 ISIS 和 ARES 兩個軟件構(gòu)成，其中 ISIS 是一款便捷的電子系統(tǒng)仿真平臺軟件， ARES 是一款高級的布線編輯器，它集成了高級原理布線圖、混合模式 SPICE 電路仿真、PCB 設(shè)計以及自動布線來實現(xiàn)一個完整的電子設(shè)計。通過 PROTEUS ISIS 軟件的 VSM（虛擬仿真技術(shù)），用戶可以對模擬電路、數(shù)字電路、模數(shù)混合電路，以及基于微控制器的系統(tǒng)連同所有外圍接口電子元器件一起仿真。在原理圖中，電路激勵源、虛

8、擬儀器、圖表以及直接布置在線路上的探針一起出現(xiàn)在電路中。任何時候都能通過“運行”按鈕或“空格”鍵對電路進(jìn)行仿真。PROTEUS 有兩種截然不同的仿真方式：交互式仿真和基于圖表的仿真。其中交互式仿真可實時觀測電路的輸出，因此可用于檢驗設(shè)計的電路是否能正常工作。而基于圖表的仿真能夠在仿真過程中放大一些特別的部分，進(jìn)行一些細(xì)節(jié)上的分析，因此基于圖表的仿真可用于研究電路的工作狀態(tài)和進(jìn)行細(xì)節(jié)的測量。PROTEUS 軟件的模擬仿真直接兼容廠商的 SPICE 模型，采用了擴(kuò)充的SPICE3F5 電路仿真模型，能夠記錄基于圖表的頻率特性、直流電的傳輸特性、參數(shù)的掃描、噪聲的分析、傅里葉分析等，具有超過 800

9、0 種的電路仿真模型。PROTEUS 軟件的數(shù)字仿真支持 JDEC 文件的物理器件仿真，有全系列的 TTL和 CMOS 數(shù)字電路仿真模型，同時一致性分析易于系統(tǒng)的自動測試。PROTEUS 軟件支持許多通用的微控制器，如 PIC、AVR、HC11 以及 8051；包含強(qiáng)大的調(diào)試工具，可對寄存器、存儲器實時監(jiān)測；具有斷點調(diào)試功能及單步調(diào)試功能；具有對顯示器、按鈕、鍵盤等外設(shè)進(jìn)行交互可視化仿真的功能。此外， PROTEUS 可對 IAR C-SPY、KEIL 等開發(fā)工具的源程序進(jìn)行調(diào)試。此外， PROTEUS 中配置了各種虛擬儀器，在如示波器、邏輯分析儀、頻率計，便于測量和記錄仿真的波形、數(shù)據(jù)。2.

10、3.2秒脈沖發(fā)生器由 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生秒脈沖由 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器的電路圖如圖 5 所示，由于 555 定時器內(nèi)部的比較器靈敏度高，輸出驅(qū)動電流大，功能靈活，而且采用差分電路形式，它的振蕩頻率受電源電壓和溫度的影響很小。所以由 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器的振蕩頻率穩(wěn)定，不易受干擾。因此采用此方案。 圖 5 由 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器所輸出的矩形脈沖信號的頻率計算式為 f=1.43R1+2R2C2 （1） 故選定元件參數(shù)，R1=4.3K，R2=5.1K，C2=100uF，C1=10uF。其中電容 C1 的作用是抗干擾 圖 6

11、 555 定時器的引腳2.3.3分秒計數(shù)器 圖 7 分秒計數(shù)器其中，74LS192 的引腳圖如圖 8 所示 圖8 74LS192 的引腳圖表9 74LS192 功能表: 一百進(jìn)制分計數(shù)器和六十秒計數(shù)器的原理是一樣的，不同的只是它們的輸入脈沖和進(jìn)制不同而已，我們用四片 74LS192 來實現(xiàn)分計數(shù)和秒計數(shù)功能，我們要的只是減計數(shù)，所以我們把它的 UP 端接到高電平上去，DOWN 端接到秒脈沖上；十分秒位上的輸入端 B、 端接到高電平上，C即從輸入端置入 0110（十進(jìn)制的 6），秒十位的 LD 端和借位端 BO 聯(lián)在一起，再把秒位的 BO 端和十秒位的 DOWN 聯(lián)在一起。當(dāng)秒脈沖從秒位的 DO

12、WN 端輸入的時候秒計數(shù)的 192 開始從 9 減到 0；這時，它的借位端 BO 會發(fā)出一個低電平到秒十位的輸入端 DOWN，秒十位的計數(shù)從 6變到 5，一直到變?yōu)?0；當(dāng)高低位全為零的時候，秒十位的 BO 發(fā)出一個低電平信號，DOWN 為零時，置數(shù)端 LD 等于零，秒十位完成并行置數(shù)，下一個 DOWN 脈沖來到時，計數(shù)器進(jìn)入下一個循環(huán)減計數(shù)工作中。對于分計數(shù)來說，道理也是一樣的，只是要求當(dāng)秒計數(shù)完成了，分可以自動減少，需要把秒十位的借位端 BO 端接到分計數(shù)的 DOWN 端作為分計數(shù)的輸入信號來實現(xiàn)秒從分計數(shù)上的借位。當(dāng)然，這些計數(shù)器工作，其中的清零端 CR 要處于低電平，置數(shù)端不置數(shù)時要處

13、于高電平。這是一個獨立工作的最高可以顯示101 分鐘的計時器。把四個 192 的 QA/QB/QC/QD 都接到外部的顯示電路上就可以看到時間的顯示了。作為洗衣機(jī)控制器的一個模塊，它還得有一定的接口來和其他的模塊連接在一起協(xié)調(diào)工作，分計數(shù)的清零端 LD 是接在一起的；秒的清零端LD 又是接在一起的，所以當(dāng)要從外部把它們強(qiáng)制清零時，可以用一個三極管（NPN）或者兩個或門就可以實現(xiàn)該功能。還有我們可以利用分計數(shù)的 UP 端來進(jìn)行外部置數(shù)，當(dāng)把它們各接到一個低觸發(fā)（平時保持高電平，外部給一個力就輸入一個低電平）的脈沖上 就可以實現(xiàn)從 09 的數(shù)字輸入。2.3.4洗滌時間設(shè)置電路我們可以利用分計數(shù)的

14、UP 端來進(jìn)行外部置數(shù)，當(dāng)把它們各接到一個低觸發(fā)（平時保持高電平，外部給一個力就輸入一個低電平）的脈沖上 就可以實現(xiàn)從09 的數(shù)字輸入。因此設(shè)計出洗滌時間設(shè)置電路如下圖 6，每次按動開關(guān)都將使洗滌時間的對應(yīng)位（十位或者個位）增加 1，最大增加至 9，又由于所設(shè)置洗滌時間為 60 分內(nèi)，故當(dāng)我們對洗滌時間進(jìn)行設(shè)置時，十位所置數(shù)小于 6。 圖10 洗滌時間設(shè)置電路2.3.5工作狀態(tài)顯示電路第一步：分析洗衣機(jī)的工作狀態(tài)，對于洗衣機(jī)電機(jī)的工作順序有“啟動>正轉(zhuǎn) 20s>暫停 10s>反轉(zhuǎn) 20s>暫停 10s>停止. ”，我們可以將三種工作狀態(tài)假設(shè)為正轉(zhuǎn)，暫停，反轉(zhuǎn)依次設(shè)

15、為 01,00,10。從而設(shè)計出合適電路如下圖11。 圖11 正反轉(zhuǎn)工作狀態(tài)電路第二步：分析實驗設(shè)計中要求用 4 個 LED 模擬洗衣機(jī)的動作狀態(tài):LED1LED4右移循環(huán)點亮表示正轉(zhuǎn)，LED1 LED4 左移循環(huán)點亮表示反轉(zhuǎn)，LED1LED4 同時閃爍點亮表示暫停，全滅為停止，顯然可以利用移位寄存器來設(shè)計，但是由于本次設(shè)計未能成功利用移位寄存器仿真而轉(zhuǎn)換了思路，選擇了利用正轉(zhuǎn)、暫停、反轉(zhuǎn)的三種不同狀態(tài)分別為 01、00、10，以 1 表示工作以 0 表示暫停從而分次序的完成設(shè)計。首先，考慮到 LED 的連續(xù)循環(huán)點亮，可以想到控制 LED 一端電平的連續(xù)循環(huán)變化達(dá)到要求，又由于有 4 個 LE

16、D,我們采用 4 進(jìn)制計數(shù)器即可產(chǎn)生循環(huán)變化的 4個數(shù)，這樣我們可以利用譯碼器從而在 4 個輸出端得到依次變化的低電平，如此，我們可以將 LED 另一端接高電平，從而實現(xiàn)循環(huán)點亮。其次，考慮到存在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩種不同狀態(tài)，我們需要改變譯碼器輸入端的數(shù)字變化次序，如此分析四個數(shù)字變化規(guī)律，以及利用正反轉(zhuǎn)表示狀態(tài)的不同來設(shè)計出合適門電路。在此次設(shè)計中，我們采用 74ls192 構(gòu)成一個 4 進(jìn)制減數(shù)計數(shù)器，同時利用正反停指示器 1 在正轉(zhuǎn)時電平為 0，反轉(zhuǎn)時電平為 1 來構(gòu)成合適門電路。簡略列出真值表如下表 12:表12 真值表于是我們可以發(fā)現(xiàn)我們可以利用異或門電路來完成這一構(gòu)想，從而實現(xiàn)出正轉(zhuǎn)與反

17、轉(zhuǎn)兩種狀態(tài)下 LED 不同的循環(huán)狀態(tài)。最后，剩下的就是暫停狀態(tài)的顯示了。先區(qū)分出暫停與工作狀態(tài)的不同，利用上面設(shè)置的工作狀態(tài)表示，我們可容易得到工作以 1 表示，暫停以 0 表示。如此可利用這兩種電平控制譯碼器的工作，容易得到工作時狀態(tài)如上步分析，暫停時燈全部熄滅。為使其能閃爍，我們可以考慮利用脈沖信號，工作狀態(tài)的表示與門電路來設(shè)計。綜合上述分析，我們可以設(shè)計出 LED 控制電路如下圖 13.圖13 LED 控制電路2.3.6控制開關(guān)利用借位端由 1 變?yōu)?0，作為 D觸發(fā)器下降沿的脈沖，然后利用相應(yīng)的門電路來控制計數(shù)器的清零端 MR 和 DN 端，從而達(dá)到控制計數(shù)器的要求。為達(dá)到使計數(shù)器清零

18、效果，利用復(fù)位開關(guān)人為的制造下降沿脈沖來控制D觸發(fā)器的工作。利用工作開關(guān)控制多諧振蕩器的電源輸入，從而控制脈沖的產(chǎn)生，實現(xiàn)控制電路的目的。設(shè)計中為盡量利用資源，以 LED 作為了洗衣機(jī)停止的報警系統(tǒng)，停止時顯示屏均為 0 且 LED 閃爍，此時可控制開關(guān)切斷電源。 圖14 控制開關(guān)電路2.3.7報警電路當(dāng)數(shù)碼管顯示的時間變?yōu)椤傲恪钡臅r候，報警電路會驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音報警。當(dāng)計數(shù)器進(jìn)行減計數(shù)到零后，74LS290 芯片的四個輸出端都為低電平，于是我們采用四輸入與非門講低電平轉(zhuǎn)化為高電平。圖15 報警電路3簡易洗衣機(jī)控制電路安裝與調(diào)試調(diào)試與設(shè)計是不同的兩個過程，調(diào)試比設(shè)計難得多。在整個系統(tǒng)的調(diào)試過

19、程中，調(diào)試要注意模塊化，要從最底層開始，逐級通過后才能進(jìn)行下一步的工作按照設(shè)計電路圖連接實物元器件，連接完成后測試電路，發(fā)現(xiàn)并解決了下列問題：1在第一次把譯碼顯示電路的連出來的時候，出現(xiàn)了分秒計數(shù)器中一個LED無法顯示的狀況。初步以為是電路圖的問題，可是經(jīng)過電路仿真發(fā)現(xiàn)電路圖并沒有問題；之后將74LS48譯碼器的D、C、B、A四個輸入端分別接四個高低邏輯電平，測試發(fā)現(xiàn)LED數(shù)碼管可以顯示相對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)字，排除74LS48譯碼器壞損；最后測試了所有的接地和電源，發(fā)現(xiàn)是由于74LS192芯片未接入電源，連接電源后，LED數(shù)碼顯示管正常工作。2在調(diào)試報警裝置的時候，出現(xiàn)了報警器無法報警的問題。通過檢查所有芯片的連接，發(fā)現(xiàn)反饋線連接錯誤，之后改動反饋線解決了此問題。3連接好所有模塊后，進(jìn)行整體調(diào)試時又出現(xiàn)了計數(shù)器無法正常置零復(fù)位的狀況。通過檢查電路連接情況，發(fā)現(xiàn)有些地方接觸不好，最后將所有接觸有問題的地方重新連接，并且重新檢查多次后進(jìn)行檢測調(diào)試，最終才實現(xiàn)了理想的結(jié)果。4 簡易洗衣機(jī)控制電路工作分析 4.1 陳述簡易洗衣機(jī)控制電路工作過程信號經(jīng)過一個控制電路后進(jìn)入分秒計數(shù)器進(jìn)行分秒計數(shù)，首先進(jìn)行開機(jī)清零，用戶利用“