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1、摘要据统计，电风扇已经成为人们生活中必不可少的家用电器，普及面已经越来越广。而以前的台式电风扇和落地式电风扇都是采用机械控制，主要控制风速和定时。随着电子技术的发展，人们对风扇的要求越来越高，尤其是电风扇的智能化、人性化等方面。而电风扇的人性化显得更为重要。本次课题设计要求：设计家用电风扇控制逻辑电路，由三个按键分别控制风速、风种以及开关，并分别用发光二极管显示状态。附加按键提示音及定时功能。这些功能的增加都是为了提高电风扇器件本身的人性化。为提高电路的稳定性以及提高按键单次脉冲的稳定度，按键首先经过了74LS00芯片进行了消抖处理。为实现风速的循环控制，循环部分有74LS08、74LS175
2、组成了移位计数器。从而实现了风速的循环控制。风种循环控制部分主要是通过74LS00、74LS08芯片构成触发脉冲信号。由555组成单稳态电路8秒脉冲，经过74LS175二分频，再由74LS151八选一数据选择器进行选择使之产生周期为8秒和16秒的方波信号从而实现不同的风种。经过一系列的分析、准备。本次课题设计除附加要求按键提示没完成外，电路设计基本完成设计要求。关键字：电风扇、消抖按键、芯片、循环控制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
3、，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。针对这些弊病，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。本次课程设计很好的检验了学生的理论结合实际能力，分析问题解决问题的能力，尤其自学和动手能力是这次课程设计的一个重要环节，通过这样的教学过
4、程不仅对学生的知识进行了一次较为全面的考验，而且增强了学生的实践能力，使学生对电子信息工程的理解不仅仅停留在书本上，而是真正的从实际用途更深刻了解了本学科，从而增强了学生的兴趣和能力，使学生在本次课程设计中获益非浅。因此家用电风扇控制逻辑电路设计这一课题广泛运用于电子课设中。第一章 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)：使用一个“风速”键来进行风速控制，当风扇处于“停止”状态时，按下“风速”键，风扇启动，并处于“弱风”、“正常风”状态。风扇启动后，依次按下“风速”键，风速按照“弱“中”“强”“弱”的方式进行变换。 2)实现睡眠风、自然风、正常风三种风态(个按
5、钮控制，循环)使用一个“风种”键来控制风种选择。当风扇处于“停止”状态时，按下“风种”键不起作用。当风扇处于运转状态的时候，依次按下“风种”键，风种按照“正常风”“睡眠风”“自然风”“正常风”的方式进行变换。3)实现停止功能的实现使用一个“停止”键来控制风扇的停止功能。在风扇处于任一运转状态下都能通过“停止”键停止风扇运转。4)LED显示状态使用六个发光二极管表示风扇的六种逻辑功能状态。提高要求1)按键提示音2)定时关机功能(以小时为单位)(1) 正常风 电机连续转动，产生持久风；(2) 自然风 电机转动4s、停止4s，产生阵风；(3) 睡眠风 电机转动 8s、停止8s，产生轻柔的微风。(4)
6、LED显示状态使用三个发光二极管表示风扇的三种定时状态。第二章 系统设计方案选择2.1 方案一：本方案是参考书中的一电路，本电路包括三部分。分别是：1、状态锁存电路，2、触发脉冲电路，3、“风种”方式控制电路。本方案基本上实现了风速、风种及开关七种状态，但是还存在一些问题。风速风种两种控制没有很好的分开。当风速循环控制一次时，风种状态会跟着变化一次。 无论是风速还是风种按键按下时，所产生的单次脉冲不稳定，致使状态不能有规律的进行变化，而是杂乱无章的。同时电路之中缺乏定时部分电路，使得本次设计中美中存在不足。这些电路都必须进行改进。2.2 方案二：本方案是对第一方案进行改进，修正之后得到。本电路
7、包括六部分电路。分别是：1、状态锁存电路，2、触发脉冲电路，3、“风种”方式控制电路，4、消抖电路，5、单稳态定时电路，6、秒脉冲及分频电路。本方案比较完美的实现了设计要求。首先，风速、风种的控制能分别实现。单次脉冲稳定，风速、风种状态循环进行控制。附加了定时部分电路，使得设计更加人性化。使设计更加完美。将两方案进行比较，很明显应该选择方案二。方案二是方案一的改进，在完成了基本要求的同时，增加了附加电路的设计。注：方案一的电路图可以参考附录四方案二的电路图可以参考附录三第三章 系统的组成及工作原理3.1系统的组成如图3-1所示本系统主要由脉冲触发电路、状态锁存电路、风种控制电路、秒脉冲及分频电
8、路、消抖电路及单稳态定时电路组成。通过按键开关产生单次脉冲来控制电风扇的状态，并通过发光二极管将各种状态显示出来。状态锁存电路单稳态定时电路脉冲触发电路按键消抖电路发光二极管驱动显示状态锁存电路风种控制电路秒脉冲及分频电路图3-1系统组成框图1、脉冲触发电路按键K1按下后形成的单次脉冲信号作为“风速”状态锁存电路的触发信号。按键K1、K2及部分门电路74LS00、74LS08构成了“风种”状态锁存电路的触发信号。2、状态锁存电路“风速”、“风种”两组状态锁存电路均用二片4D触发器74LS175构成，每片三只D触发器的输出端分别于三个状态指示灯相连，同时每片74LS175的清零端均与停止键K3相
9、连，利用按键产生的低电平信号将所有状态清零。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端加入一个周期为8秒的时钟信号作为“自然”端的间断控制，二分频后再作为“睡眠”方式的控制输入。4、消抖电路消抖电路的加入是为了使的单次脉冲更加的稳定。当拨动开关时，产生了连续跳动的脉冲，此时只要经过74LS00芯片，就可将这种有跳动的脉冲信号变成稳定的单脉冲信号。5、单稳态定时电路定时器的状态所存电
10、路由一块4D触发器74LS175构成，其中三只触发器的输出端通过控制与门分别选通单稳态触发器（74LS123）DW1、DW2、DW3产生的1小时、2小时和4小时的定时信号。当那三只触发器的输出端全为低电平时，通过控制控制与门、与或门的输出使电机处于非定时状态。6、秒脉冲及分频电路首先由555组成一8秒脉冲电路，在经过74LS161进行计数分频产生8秒脉冲。将所得的信号接在74LS151芯片的CP信号端。3.2工作原理电路由触发脉冲电路产生单次脉冲，通过状态锁存电路处理，由六个发光二极管发光显示所控制的状态。再由单稳态定时电路控制风速、风种所需要的 “开启”时间。按键开关K1控制风速的三种状态，
11、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3-2所示。弱中强停正常自然睡眠风速风速停止停止停止风速风速停止风种停止风种风种风速图3-2 工作原理图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，电扇启动运转，其初始工作状态为“风速”处于“弱”档，“风种”处于“正常”位置，且相应的指示灯亮。2.电扇一经启动后，按动“风速”键可循环选择弱、中或强三种状态中的任一种状态；同样按动“风种”键可循环选择正常、自然或睡眠三种状态中的任一种状态。3在电扇任意工作状态下，按“停止”键，电扇停止工作，所有的灯熄灭。第四章 单元电路设计、参数计
12、算、器件选择4.1 状态锁存电路“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，可以使用三个D触发器来锁存状态，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，同时为了简化设计，应该采用带有直接清零端的D触发器，这样将停止键与清零端相连就可实现停止的功能。因此在状态锁存部分采用了两个74LS175芯片来实现这些功能。风扇简化操作状态转移图如图4-1所示。“定时”操作与“风速”、“风种”这两种操作有所不同，如图4-2所示，同样采用了两个74LS175芯片来实现这些功能风速Q2Q1Q0停止000弱001中010强100风种Q2Q1Q0停止000
13、正常001自然010睡眠100图4-1电扇简化操作状态转换定时Q2Q1Q0非定时000 中0101小时0012小时0104小时100图4-2 定时器的状态转换1)根据图4-1状态转换图，可得到的状态表（表4-1-1），“风速”及“风种”电路都满足状态表4-1-1所示。 表4-1-1的状态表由表4-1-1可得的卡诺图如图4-1-2所示。 的卡诺图 的卡诺图的卡诺图图4-1-2的卡诺图由图4-1-2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4-1-3所示。ST为电扇工作状态（ST=0停，ST=1运转）强（Q2）中（Q1）弱（Q0）ST00000011010110
14、01表4-1-3 电扇工作状态表根据表达式，使用两片74LS175芯片所设计状态所存部分电路如图4-1-4所示。 图4-1-4状态锁存电路 2)根据图4-2状态转换图，可得到的状态表定时电路都满足状态表4-2-1所示。Q2n Q1n Q0nQ2n+1 Q1n+1 Q0n+10 0 00 0 10 1 01 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 表4-2-1的状态表由图4-2-1所示根据卡诺图化简可得的表达式如下：Q0n+1 = Q2n * Q1n * Q0n Q1n+1 = Q0nQ2n+1 = Q1n使用一片74LS175芯片所设计状态所存部分电路如图4-2-2所示。图4-
15、2-2状态锁存电路4.2、触发脉冲电路利用D触发器组成的状态锁存电路的输出信号状态的变化必须有脉冲信号对其进行触发，因此在电路中采用了三个按键K1、K2、K3开关来产生脉冲信号，并通过与门和与非门电路达到所要求的结果，与门和与非门的芯片是74LS00和74LS08。按键K1按动后形成的脉冲信号作为“风速”状态锁存电路的触发信号。按键K1、K2及部分门电路 74LS00、74LS08构成了“风种”状态锁存电路的触发信号CP。电扇停转时，ST=0，K1=0，即U14输出为低电平，U2输出为高电平， U3输出也为高电平，因而U4输出的CP信号为低电平。当按下K1键后，K1输出高电平，U2输出高电平，
16、k2输出高电平，U3输出为低电平，故CP变为高电平，使D触发器翻转，“风种”功能处于“正常”状态。同时，由于K1键输出的上升沿信号，也使“风速”电路的触发器输出处于“弱”状态，电扇开始运转，ST=1。电扇运转后，U2输出始终为高电平，这样CP信号与K2的状态相同。每次按下K2并释放后，CP信号上就会产生一个“上升沿”使“风种”状态发生变化。在工作过程中，CP信号波形图如图4-4所示。图4-4 CP信号波形图由图4-4所示波形图所得CP信号状态表如表4-4-1所示。ST为电扇工作状态（ST=0停，ST=1运转）。K2K1STCP00000010010101101000101111011111表4
17、-4-1 CP信号状态表根据信号波形图与状态表所设计出触发脉冲电路如图4-5所示。图4-5脉冲触发电路4.3、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。参考电路中，采用 74LS151 （8选1数据选择器）作为“风种”方式控制器，由 74LS175的三个输出信号选中74LS151的一种方式。间断工作时，电路中用了一个8秒周期的时钟信号作为 “自然”方式的间断控制；二分频后再作为“睡眠”方式的控制输入，如图4-6所示波形。 图4-6 “风种”三种工作方式波形参考电路中风种控制电路部分如图4-7所示。图4-7风种控制电
18、路其中D2端接的是8秒脉冲。4.4、秒脉冲及分频电路首先由一个555芯片产生一个秒脉冲信号，再经过74LS151产生8秒的脉冲信号。其电路如图4-8所示。电容C的充电路径为UccR1D2C1地，因而T1=0.7R1*C1电容C的放电路径为C1D1R2放电管V1地，因而T2=0.7R2*C1振荡器周期为：T=T1+T2=0.7(R1+R2)C1占空比为：D=T1/T=R1/(R1+R2)为产生占空比为1/2、周期为8秒的时钟信号，可取C1=47uf,取R1=R2=T/(0.7*2*C)120K 图4-8秒脉冲信号源4.5消抖电路消抖电路的加入是为了能够产生稳定的单次脉冲信号。由拨动开关再经过74
19、LS00芯片之后就组成了消抖电路。其中的消抖方式是利用了RS触发器。其电路图如4-9所示。 图4-9消抖电路4.6单稳态定时电路单稳态电路的加入是为了使家用电风扇有定时功能，增加家用电风扇的人性化。本次设计的定时要求为：1小时、2小时、4小。用4D触发器74LS175的其中三只触发器的输出端通过控制与门分别选通单稳态触发器（74LS123）DW1、DW2、DW3产生的1小时、2小时和4小时的定时信号。其电路图如4-10所示,其定时器工作波形图如4-11所示。图4-10 单稳态定时电路1小时DW22小时4小时DW3Q0DW1Q1Q2Q2图4-11 定时器工作波形图第五章 实验、调试及测试结果与分
20、析在确定了电路、领好元器件之后，首先对电路进行了布局。采取的方法是分块焊接电路。首先焊接的是风速控制电路部分，在焊接完这部分电路之后，并排除了焊接上的一些问题后，电路基本上能够正常工作。接着焊接风种控制电路，在焊接完电路后并检查完一些焊接的小问题后，发现电路虽然可以工作。但是并没有得到预期的效果。按下控制风速风种的开关时，灯虽然能亮，但是并不能按照规律进行变化。首先对照电路进行了检查，对原理进行了分析，都发现无误。通过用函数信号发生器代替按键，从而验证了电路的正确性。而且在加入了秒脉冲之后，电路能够正常工作。从而确定了原理的正确性。最后确定问题是：开关存在抖动，从而使电路无法按规律正常工作。解
21、决问题的方法是：对电路进行消抖。在确定了问题之后，通过查找资料发现使用74LS00可以来对电路进行消抖。解决了基本问题之后。发现存在另一个问题：风种的状态会因风速的状态变换而变化，分析原理和卡诺图发现逻辑都没有错误。后发现逻辑是没错但K2同时受K1和ST控制，风种自然会因风速状态的改变而改变。解决方法：将脉冲触发电路逻辑风种脉冲信号：CP=K1*ST+K2*ST改为CP=ST*K2即可。更改后发现电路正常，再根据电路图将8秒脉冲信号加进了电路中。这样，家用电风扇控制逻辑电路设计的基本要求已经实现。在完成了基本要求之后，紧接着是完成提高要求部分。在电路中加入定时部分电路。而按键提示因时间关系没有
22、完成。最后是测试最终的效果。无论是按下风速、还是风种按键，发光二极管能够循环点亮。风速由弱到中再到强。风种由正常状态到自然，再到睡眠状态。当选择对电路进行定时时，很好的完成了要求。但与此同时发现74LS151芯片发热，经检验发现是管脚4与管脚3短路改好后，一切正常。完成了课设基本要求及部分提高要求。不足的是没完成按键提示这一部分。但总的说来，本次课设比较完美的完成了。本次电子课设用到的仪器是：直流稳压电源、函数信号发生器。仪表是：数字万用表。第六章 收获与体会这是一次比较系统的电路设计，是一次将理论与实践相结合的实践。其中包括了电路的设计，资料的查找，分析问题解决问题的能力，甚至还是对焊接技术
23、及审美观念的一个考验。本次设计中最大的收获是：如何发现电路是存在抖动的问题，同时有应该如何的将其解决。在发现了发光二极管不能按照要求来循环点亮时，并确定电路原理及焊接没有任何问题时。于是想到可能是开关的抖动造成的，可是如何去验证它呢？经老师提示，抓住了问题的实质，既然开关是为了给电路提供秒脉冲信号。那就将开关直接断开，用函数信号发生器来提供秒脉冲信号。结果证实了推断的正确性。接下来就有针对性的去解决问题了，就是去寻找资料去消抖。接下来的问题就迎刃而解了。通过这次消抖，发现原来即使逻辑设计、电路图都没错，做出来的实物不一定就能出现预期效果，对此要具体分析实物可能出现的误差，有时感觉一个不起眼的误
24、差却可能是导致电路没达成预期效果的主要原因。对于电路的设计要懂得将电路模块化，就是将电路划分成几个小模块。尤其是相对我们比较复杂的电路。将电路模块化方便焊接、且方便检测。一个模块一个模块来，将一个复杂电路简单化，思路清晰，减少实验时间。这次课设虽没完成按键提示部分，但其他基本要求与部分提高要求良好完成。一路检测过来发现了不少问题，也学会了许多知识，了解了对于实际操作，仅懂课本的知识并非足够，还应注意各方面因素。参考文献1 郁汉琪.数字电子技术实验及课题设计.北京：高等教育出版社，1995.52 阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006.53 卢结成，高世忻等编.电子电路实验及应用
25、课题设计.合肥:中国科学科技大学出版社,2002.34 谢自美.电子线路设计实验测试(第二版).武汉：华中科技大学出版社,2004.附录一 芯片管脚功能图 74LS00管脚图 74LS08管脚图 74LS20管脚图 74LS32管脚图 74LS151管脚图 74LS175管脚图 74LS123管脚图和真值表74LS151真值表附录二 元器件清单序号类型型号数量1芯片74LS003274LS082374LS202474LS322574LS1232674LS1511774LS1754855519电阻120K2101k711470912电容47uf1130.01uf214二极管发光二极管915二极管IN4007216拨动开关319万能板2附录三：总设计电路图 附录四：待改进的电路图
