家用电风扇控制逻辑电路设计.doc

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1、 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电路设计 学 院 名 称： 信息工程学院 专业： 通信工程 班级： 090422 学号： 姓名： 评分： 教师： 张华南 20 11 年 9 月 15 日 数字电子 课程设计任书20 11 20 12 学年 第 一 学期第 2 周 3 周 题目家用电风扇控制逻辑电路设计内容及要求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显示状态进度安排1.布置任务、查阅资料、选择方案，领仪器设备,仿真、画PCB线路板图： 3天 2.领元器件、制作、焊接：

2、3天3.调试：2天4.验收：1天学生姓名：吴强镪指导时间：2011.9.5-2011.9.15指导地点 E楼508室任务下达2011 年 9月 5 日任务完成2011年 9 月 14 日考核方式1.评阅 2.答辩 3.实际操作 4.其它指导教师张华南系（部）主任傅崇芳注：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。摘要家用电器的使用给人们的生活带来了极大地便利，在这个电器种类繁多，功能越趋齐全的当今社会，人们已经不仅仅满足于拥有，人们的注意力已经更多转向电器的功能的多样性。为了更好的与人们对电风扇

3、的需求接口，我们特别设计了这个电路。本次实验运用了数字电路的知识，实现了家用电风扇控制逻辑电路设计。设计内容是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正常风、睡眠风、自然风的转换并且实现循环；不同LED灯的显示来表示风速与风种的状态。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、风种的循环控制电路，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灯的亮灭；第二个模块是风种实现电路，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。第三个

4、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。本课题基本实现了三个模块的功能，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 LED目录前言1第一章设计内容及要求21.1设计内容21.2 设计要求21.3 主要参考器件2第二章 系统组成及工作原理32.1 系统组成32.2 系统工作原理3第三章 总体电路设计43.1 系统设计43.2 方案的修改533 电路工作原理53.4 单元电

5、路设计5第四章 仿真性能测试124.1 风种、风速的选择电路124.2 脉冲触发电路12第五章 家用电风扇系统调式145.1调试仪器145.2调试过程145.3 结果分析14第六章 结论15参考文献16附录一 元器件清单17附录二 总设计电路图18前言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。而在现代，人们对家用电器的要求也随着社会的发展越来越高。人们希望家用电器能够实现智能化及人性化。而作为人们生活中最为普遍的家用电器，家用电风扇的智能化及人性化的设计就显得更为重要。家用电风扇控制逻辑电路设计就是针对这一问题而研究设计的本次试验设计的家用电风扇控制逻辑电路中包含了状态锁存电

6、路、脉冲触发电路、风种控制电路。电路中有三个控制开关：第一个开关控制弱、中、强三种风速，并且实现状态循环；第二个开关控制风种，风种分为正常风、自然风、睡眠风。其中正常风时电机连续转动，产生持久风； 自然风时电机转动4s、停止4s，产生阵风；睡眠风时电机转动 8s、停止8s，产生轻柔的微风。开关也可以控制风种状态循环；第三个开关可以使风扇停止工作。此次设计的家用电风扇电路体现人性化得一面，并且充分的利用了数字电路的知识使电路更加简单更易制做。第一章 设计内容及要求1.1设计内容根据所学的数字电路知识，设计出家用电风扇控制逻辑电路。电路中可实现风速、风种的选择，并且可以用不同LED显示风速、风种所

7、处的状态。1.2 设计要求基本要求：1、实现风速的强、中、弱控制(个按钮控制，循环)：使用一个“风速”按钮作为控制风速的开关。当风扇处于停止状态时，按下按钮可以实现风速强、中、弱的变化。2、实现睡眠风、自然风、正常风三种风态(个按钮控制，循环)：使用一个“风种”按钮作为控制种的开关。当风扇处于运作状态时，按下按钮可以实现睡眠风、自然风、正常风三种风态的变化。并且正常风时电机连续转动，产生持久风； 自然风时电机转动4s、停止4s，产生阵风；睡眠风时电机转动 8s、停止8s，产生轻柔的微风。3、LED显示状态：使用5个发光二极管表示风扇的风速与风种的状态,3个发光二极管显示控制输出端的状态。提高要

8、求：1、按键提示音。2、定时关机功能(以小时为单位)。设计目标： 1、根据要求分析设计出所需的电路。 2、 熟悉电路中所用到的各集成芯片的管脚及其功能。 3、 进行电路的装接、调试，直到电路能达到规定的设计要求。 4、 写出完整、详细的课程设计报告。1.3 主要参考器件NE555 74ls175 74ls151 74ls08 74ls00第二章 系统组成及工作原理2.1 系统组成家用电风扇的根据基本要求所设计的电路可以分成下面三大部分：l、状态锁存器电路2、触发脉冲电路3、风种控制电路2.2 系统工作原理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

9、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。正常风为持久的风；自然风为转动4s停止4s的阵风；睡眠风为转动8s停止8s的微风。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。2.2.1 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。2.2.2 触发脉冲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74l

10、s175芯片工作，实现风种、风速状态的变化。2.2.3 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，可以采用74LS151 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。第三章 总体电路设计3.1 系统设计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 脉冲信号发生器路上电复

11、位图3-1 电风扇系统框图它的运行状态如下图：图3-2 风扇状态图3.2 方案的修改方案一： 根据基本要求设计出简单的初步电路：电路中状态锁存电路由74ls175与74ls08芯片构成可以实现状态的循环;再用常开开关J1、J2控制风速、风种的状态，开关与高电平相连，当连续按开关时可以为74ls175芯片提供CP脉冲；使用74LS151 作为“风种”方式控制器，由74LS175 三个输出端与74ls151的地址端连接后选中其中的一种方式输出。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。其中周期时钟信号可以使用NE55

12、5发生器产生自然风的状态。但电路中缺少了停机按钮，不能清零风扇状态，并且风速与风种缺少逻辑关系。而且开关的高低电平控制不稳定。方案二： 在方案一的基础上做了一些修改：增加了一个常闭开关按钮与低电平相连控制74ls175芯片的清零端实现停机的功能；在风速、风种开关连接使用了与门与非门改进了风速和风种的逻辑关系；在所有开关后加了一电阻并与地相连确保了不加高电平时开关后是出于低电平的状态。33 电路工作原理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

13、种状态中的一种状态；当处于弱风状态时，风种指示灯不亮，此时处于正常风状态，再按动“风种”键可循环选择自然、睡眠和正常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。4 “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。3.4 单元电路设计3.4.1 状态锁存电路可以使用三个D 触发器来锁存状态，其中“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。同时为了简化电路，采

14、用了带有清零端的4D触发器74ls175，可以使用开关控制清零端以便实现停机功能。设计原理为当触发器输出1 时表示工作状态有效，0 表示无效，当三个输出全为0 则表示停止状态，风扇风速、风种的简单状态转移如图3-3所示。图3-3 风扇风速、风种的简单状态转移图根据图3-3 状态转换图，可得到的状态表（表3-1）， “风速”及“风种”电路都满足状态表3-1所示表3-1 的状态表由表3-1 可得的卡诺图如图3-4 所示的卡诺图的卡诺图的卡诺图图3-4 的卡诺图由图3-4 所示卡诺图可得的表达式如下：由上述表达式可得状态所存电路中电风扇的工作状态如表3-2所示。S 为电扇工作状态（S=0 停，S=1

15、 运转） 表3-2 电扇工作状态表强（Q2）中（Q1）弱（Q0）S0000001101011001根据表达式，使用两片74LS175 芯片所设计状态所存部分电路如图3-5 所示。（因为风速与风种的状态锁存电路是同一种原理，因此只给出风速的锁存电路）图3-5 风速状态锁存电路3.4.2 脉冲触发电路锁存电路中74ls175为4个D触发器构成，要使它能够进行000001010100001状态的变化，需要给它一定的脉冲信号。设计的电路中使用了J1、J2、J3三个开关，其中J1、J2为常开开关，而J3为常闭开关。J1、J2开关是控制两个74ls175芯片的CP端得脉冲，而J3是控制两个芯片的清零端。根

16、据电路要求可以理解J1为控制风速的按钮，J2为控制风种的按钮，J3为停机按钮。家用电风扇电路中控制风速的开关与控制风种的开关具有一定的逻辑关系，需要与门74ls08与非门74ls00构成。当按下风速开关J1时具有风速后，风种选择电路才能进行工作，按下开关J2才能进行风种的变化。若风扇无风速，则风种电路不能工作，按下开J2时表示风种的发光二极管不亮。设计中判断电路是否有风速根据状态锁存电路中的风速锁存电路的三个状态来表示。当时表示无风速，时表示，再用一个非门输出。将输出与控制风种J2的开关用与门连接后再连接到风种锁存电路的74ls175芯片的CP端。因此，电路可以实现风速开关与风种开关的逻辑关系

17、。符合逻辑关系的脉冲触发开关电路如图3-6所示。图3-6 脉冲开关电路电路中由于没有常闭开关元器件，所以将常开开关与非门相连形成了常闭开关。3.4.3 风种控制电路1、风种选择电路设计中风选择电路与风速选择电路使用相同的锁存形式，也是使用74ls175芯片形成正常风、睡眠风、自然风的三种状态的循环。当状态为001时表示为正常风，状态为010时表示为睡眠风，状态为100是表示为自然风。因为只有一种风种输出，需要使用一个数据选择器选择风种的输出。设计中使用的是一个8选1的74ls151芯片，将74ls175的三个状态输出端与芯片的地址端相连接可以选择何种风种输出。2、风种脉冲信号输出电路中具有正常

18、风、睡眠风、自然风三种风种。正常风时电机连续转动，产生持久风； 自然风时电机转动4s、停止4s，产生阵风；睡眠风时电机转动 8s、停止8s，产生轻柔的微风。而要实现自然风和睡眠风，则要利用555定时器组成一定周期的多谐振荡器产生脉冲信号来控制自然风。并且通过二分频电路产生脉冲信号来控制睡眠风。有555定时器组成8s周期的多谐振荡器的相关计算如下： （4-4） (4-5)所以； (4-6)由于； (4-7)所以 (4-8)根据设计所需参数得出： 3、总的风种控制电路将风种选择电路与风种脉冲电路想连接构成风种电路，总电路图如图3-7所示。图3-7 风种电路3.4.4 电路的输出将状态锁存电路、脉冲

19、触发电路和风种控制电路有效的相连接后，需要有一个总的输出端。输出电路如图3-8所示。图3-8 输出电路风种信号和风速信号同时作用于与门，由风种信号来选择输出的风速信号并作用于电机。第四章 仿真性能测试4.1 风种、风速的选择电路控制K1、K2开关，实现风种、风速的选择，仿真结果如下图（图中风速为弱风，风种为正常风）。图4-1 工作状态控制K3开关，实现停机功能。仿真如下图所示（图中的显示灯都为息灭状态）。图4-2 停机状态4.2 脉冲触发电路根据设计连接总的电路后，风种为正常风时，仿真输出如下图。 图4-3 正常风风种为自然风时周期为8s，仿真输出如下图。图4-4 自然风风种为睡眠风时周期为1

20、6s，仿真输出如下图。图4-5 睡眠风根据所有的仿真结果可知设计的方案是可行的。第五章 家用电风扇系统调式5.1调试仪器 万用表 一台 直流电源 一台5.2调试过程本次试验我们采用了分块焊接的方法，把555芯片部分焊好之后，我们用了一个发光二极管来测试芯片的工作情况，发现二极管一直不亮，这时我们仔细检查了电路板，发现了问题的所在，原来是芯片的4管脚没供电源。电路焊接完毕后，怕再次发生原来的错误，我们又仔细检查了一遍电路，没有发现错误，然后我们接上电源测试电路的效果，发现风速显示灯和我们预想的效果一样，但是通过观察控制输出端（接电机的接口）的亮灯情况发现这三个灯不管我们怎么按动开关K2都不闪烁，

21、分析电路并结合我们已经知道的555芯片那块电路没有问题，我们断定是74ls151选择器出了问题，于是我们就针对74ls151芯片部分电路进行检查，一遍又一遍的检查、调试之后，终于发现还是线路问题，电路中出现了虚焊。修补好虚焊的焊点之后，再一次接上电源调试，电路终于实现了预想的全部功能。 5.3 结果分析整体调试后，电路实现风速弱、中、强的选择和风种自然风、睡眠风、正常风的选择，并且都是一个按钮控制并实现循环。实现了自然风、睡眠风、正常风的效果，电路中还可以有一个按钮进行停机工作。实现了按键音。第六章 结论设计主要通过数字电路知识并将电路模块化，逐步实现设计所需达到的功能要求；1.电扇处于停转状

22、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，此时风速对应的显示灯亮，显示风种的两个灯都不亮。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”键可循环选择自然、睡眠和正常三种状态的某一种状态（风种指示灯不亮说明处于正常风状态）。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。4.“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，通过控制输出端的显示灯可以显示出来；在“睡眠”

23、位置，是产生轻柔的微风，电扇运转4秒，间断8秒的方式，通过控制输出端的显示灯可以显示出来。以上为设计家用电风扇逻辑电路的总体功能。综合各种因素来看，该方案所设计的电路比较经济实惠。虽然由于该电路中的元气件价格低廉但电路的总体性能比较稳定，效果很好，由此可见该方案的性价比还是很高的，若把该方案所设计的电路做成实物图完全可以应用到现实生活中。但电路还是有一些不足。利用开关给芯片脉冲时，脉冲不稳定使选择的风速不稳定，应加一个防抖电路使脉冲稳定。并且电路没能实现定时功能。在经过此次家用电风扇电路设计后，使我了解到设计一定功能的电路需要全方面的考虑，才能使功能更加得完善，要使电路能正常工作，光仿真出来了

24、还远远不够，焊接同样是艰苦漫长的一段路。参考文献1谢自美.电子线路设计实验 测试 (第三版)M.湖北：华中科技大学出版社，2005年2童诗白、华成英主编者.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2006年3阎石主编.数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2002年4谭博学主编.集成电路原理与应用M.北京：电子工业出版社，2003年5. 刘修文主编.实用电子电路设计制作.M.北京：中国电力出版社，2005年6. 朱定华主编.电子电路测试与实验.M.北京：清华大学出版社，2004年附录一 元器件清单序号类型型号1芯片74LS321274LS001374LS082474LS1511574LS1753655517电阻10K18560 K191009101K311电容1011210nF113二极管发光二极管814开关B键开关315万能板116蜂鸣器1附录二 总设计电路图