简易洗衣机控制电路的设计.pdf

1、 武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书 目录 1.数电课设概述 1 1.1 课程设计意义 1 1.2 开发环境 PROTEUS 简介 1 2.电路设计的思路 2 3.基本原理与设计框图 . 3 4.电路分步设计与实现 . 4 4.1 秒脉冲发生器 4 4.2 分秒计数器 5 4.3 洗涤时间设置电路 7 4.4 工作状态显示电 路 . 8 4.5 控制开关 . 10 4.6 报警电路 . 11 5 仿真电路图 . 12 6 故障分析与改进 13 7 小结与体会 . 14 8 参考文献 . 15 武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书 1 1.数电课设概述 1.1 课程 设计意义 A.

2、 培养学生正确的设计思想，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。 B. 锻炼学生自学软件的能力及分析问题、解决问题的能力。 C. 通过课程设计，使学生在理论计算、结构设计、工程绘图、查阅设计资料、标准与规范的运用和计算机应用方面的能力得到训练和提高。 D. 巩固、深化和扩展学生的理论知识与初步的专业技能。 E. 为今后从事电子技术领域的工程设计打好基础基本要求。 1.2 开发环境 PROTEUS 简介 PROTEUS 软件是由英国 LabCenter Electronics 公司开发的 EDA 工具软件，由 ISIS 和 ARES 两个软件构成，其中 ISI

3、S 是一款便捷的电子系统仿真平台软件，ARES 是一款高级的布线编辑器，它集成了高级原理布线图、混合模式 SPICE 电路仿真、 PCB 设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计。 通过 PROTEUS ISIS 软件的 VSM（虚拟仿真技术），用户可以对模拟电路、数字电路、模数混合电路，以及基于微控制器的系统连同所有外围接口电子元器件一起仿真。 在原理图中，电路激励源、虚拟仪器、图表以及直接布置在线路上 的探针一起出现在电路中。任何时候都能通过“运行”按钮或“空格”键对电路进行仿真。 PROTEUS 有两种截然不同的仿真方式：交互式仿真和基于图表的仿真。其中交互式仿真可实时观测电路的输出，因

4、此可用于检验设计的电路是否能正常工作。 而基于图表的仿真能够在仿真过程中放大一些特别的部分，进行一些细节上的分析，因此基于图表的仿真可用于研究电路的工作状态和进行细节的测量。 PROTEUS 软件的模拟仿真直接兼容厂商的 SPICE 模型，采用了扩充的武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书 2 SPICE3F5 电路仿真模型，能够记录基于图表的频率特 性、直流电的传输特性、参数的扫描、噪声的分析、傅里叶分析等，具有超过 8000 种的电路仿真模型。 PROTEUS 软件的数字仿真支持 JDEC文件的物理器件仿真，有全系列的 TTL和 CMOS 数字电路仿真模型，同时一致性分析易于系统的自动

5、测试。 PROTEUS 软件支持许多通用的微控制器，如 PIC、 AVR、 HC11 以及 8051；包含强大的调试工具，可对寄存器、存储器实时监测；具有断点调试功能及单步调试功能；具有对显示器、按钮、键盘等外设进行交互可视化仿真的功能。此外，PROTEUS 可对 IAR C-SPY、 KEIL 等开发工具的源程序进行调试。 此外，在 PROTEUS 中配置了各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、频率计，便于测量和记录仿真的波形、数据。 2.电路 设计 的 思路 对于洗衣机电机的工作顺序：“启动 正转 20s 暂停 10s 反转20s 暂停 10s 停止 . ”设计一个定时器控制洗衣机电机的运转

6、 ,分析知道其一次运转的周期有 60s，且其呈现周期循环，我们可利用计数器的功能进行 60s 的计数，即需要一个秒计数器，并利用洗衣机电机工作状态转换的时间来设置正转、暂停、反转。 如此则需为计数 器设置一合适脉冲，设计中的秒计数器所需脉冲必为 1HZ 脉冲，因此我们可以考虑 555定时器，利用其构成多谐振荡器产生矩形脉冲信号。 而对于用数码管显示洗涤时间，按倒计时方式对洗涤过程作计时显示，且洗涤时间在 0-99分钟内可由用户任意设定，并设置启动键，在预置定时时间后，按启动键开始机器运转，分析知道我们还需要设置一个分钟计数器，可以利用秒计数器的借位端 BO端接到分计数的 DOWN端作为分计数的

7、输入信号来实现秒从分计数上的借位从而构成分计数器的工作脉冲。在要求中要求倒计时且有启动开关，显然我们需要递减计数器，和利用 开关控制计数器清零端 CR 的电平或 555电源输入以控制电路工作。 武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书 3 对于用 4个 LED 模拟洗衣机的动作状态 :LED1 LED4右移循环点亮表示正转，LED1 LED4左移循环点亮表示反转， LED1 LED4同时闪烁点亮表示暂停，LED1 LED4同时闪烁点亮并且蜂鸣器发出报警声为停止，显然可以利用移位寄存器来设计，但是由于本次设计未能成功利用移位寄存器仿真而转换了思路，利用了译码器和逻辑门电路构成了正转、暂停、反转

8、的三种不同状态分别为 01、 00、11，同时利用这三种状态设计出计数器与逻辑门电路设计了与之对应的 LED 工作状态电路。 对于设置洗涤时间，我们可以设置分钟计数器来设置洗涤时间。 3.基本原理 与设计框图 首先，控制开关 SW1 接地，洗衣机不转动，这时用户自定义洗涤时间，然后将控制开关 SW1 接高电平， 555 接通电源。由 555 构成的多谐振荡器产生的 1Hz脉冲信号经过一个控制电路后进入秒计数器进行秒计数。 利用秒计数器十位上的数值变换 表示出电机运转状态 ，同时利用计数器和门电路设计出合适电路使 LED工作达到设计要求 ；当用户设定的洗涤时间结束后，电路报警并清零；同时电机指示

9、灯 闪烁。 设计框图 武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书 4 CRRf 121 )2( 43.14.电路 分步设计与实现 4.1 秒脉冲发生器 由 555 定时器构成的多谐振荡器 产生秒脉冲 由 555 定时器构成的多谐振荡器的电路图如图 4.1.1 所示，由于 555 定时器内部的比较器灵敏度高，输出驱动电流大，功能灵活，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度的影响很小。所以由 555 定时器构成的多谐振荡器的振荡频率稳定，不易受干扰。因此采用此方案。 图 4.1.1 由 555 定时器构成的多谐振荡器 555 定时器构成的多谐振荡器所输出的矩形脉冲信号的频率计算式为 故

10、选定元件参数， R1=43K， R2=50K， C1=10uF， C2=0.01uF。其中电容 C2 的作用是抗干扰 武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书 5 图 4.1.2 555定时器的引脚 4.2 分秒计数器 图 4.2.1 分秒计数器 R4DC7Q3GND1VCC8TR2TH6CV555 5 5武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书 6 其中， 74LS192 的引脚图如图 4.2.2 所示 图 4.2.2 74LS192 的引脚图 74LS192 的功能表如表 4.2.3 所示 输入 输出 MR PL CP CP P3 P2 P1 P0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 0 0

11、0 0 0 0 d c b a d c b a 0 1 1 加计数 0 1 1 减计数 表 4.2.3 74LS192 功能表 一百进制分计数器和六十秒计数器的原理是一样的，不同的只是它们的输入脉冲和进制不同而已，我们用四片 74LS192 来实现分计数和秒计数功能，我们要的只是减计数，所以我们把它的 UP 端接到高电平上去 ， DOWN 端接到秒脉冲上；十分秒位上的输入端 B、 C 端接到高电平上，即从输入端置入 0110（十进制的 6），秒十位的 LD 端和借位端 BO 联在一起，再把秒位的 BO 端和十秒位的 DOWN 联在一起。当秒脉冲从秒位的 DOWN 端输入的时候秒计数的 192

12、开始从 9 减到 0；这时，它的借位端 BO 会发出一个低电平到秒十位的输入端 DOWN，秒十位的计数从 6D015Q03D11Q12D210Q26D39Q37UP5T CU12DN4T CD13PL11MR14U?7 4 L S 1 9 2武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书 7 变到 5，一直到变为 0；当高低位全为零的时候，秒十位的 BO 发出一个低电平信号， DOWN 为零时，置数端 LD 等于零，秒十位完成并行置数，下一个 DOWN 脉冲来到时，计数器进入下一个循环减计数工作中。 对于分计数来说，道理也是一样的；只是要求，当秒计数完成了，分可以自动减少，需要把秒十位的借位端 B

13、O 端接到分计数的 DOWN 端作为分计数的输入信号来实现秒从分计数上的借位。当然，这些计数器工作，其中的清零端 CR 要处于低电平，置数端不置数时要处于高电平。这是一个独立工作的最高可以显示101 分钟的计时器。把四个 192 的 QA/QB/QC/QD 都接到外部的显示电路上就可以看到时间的显示了。作为洗衣机控制器的一个模块，它还得有一定的接口来和其他的模块连接在一起协调工作，分计数的清零端 LD 是接在一起的；秒的清零端LD 又是接 在一起的，所以当要从外部把它们强制清零时，可以用一个三极管（ NPN）或者两个或门就可以实现该功能。还有我们可以利用分计数的 UP 端来进行外部置数，当把它

14、们各接到一个低触发（平时保持高电平，外部给一个力就输入一个低电平）的脉冲上 就可以实现从 0 9 的数字输入。 4.3 洗涤时间设置电路 我们可以利用分计数的 UP 端来进行外部置数，当把它们各接到一个低触发（平时保持高电平，外部给一个力就输入一个低电平）的脉冲上 就可以实现从0 9 的数字输入。因此设计出洗涤时间设置电路如下图 4.3，每次按动开关都将使洗涤时间的对应 位（十位或者个位）增加 1，最大增加至 9，又由于所设置洗涤时间为 60 分内，故当我们对洗涤时间进行设置时，十位所置数小于 6。 武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书 8 图 4.3 4.4 工作状态显示电路 第一步：

15、分析洗衣机的工作状态， 对于洗衣机电机的工作顺序有“启动 正转 20s 暂停 10s 反转 20s 暂停 10s 停止 . ”，我们可以将三种工作状态假设为正转，暂停，反转依次设为 01,00,10。从而设计出合适电路如下图 4.4.1： 图 4.4.1 第二步：分析实验设计中要求 用 4个 LED模 拟洗衣机的动作状态 :LED1 LED4武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书 9 右移循环点亮表示正转， LED1 LED4 左移循环点亮表示反转， LED1 LED4 同时闪烁点亮表示暂停，全灭为停止，显然可以利用移位寄存器来设计，但是由于本次设计未能成功利用移位寄存器仿真而转换了思路，

16、选择了利用正转、暂停、反转的三种不同状态分别为 01、 00、 10，以 1 表示工作以 0 表示暂停从而分次序的完成设计。 首先，考虑到 LED 的连续循环点亮，可以想到控制 LED 一端电平的连续循环变化达到要求，又由于有 4 个 LED,我们采用 4 进制计数器即可产生循环变化的 4个数，这样我们可 以利用译码器从而在 4 个输出端得到依次变化的低电平，如此，我们可以将 LED 另一端接高电平，从而实现循环点亮。 其次，考虑到存在正转和反转两种不同状态，我们需要改变译码器输入端的数字变化次序，如此分析四个数字变化规律，以及利用正反转表示状态的不同来设计出合适门电路。在此次设计中，我们采用

17、 74ls192 构成一个 4 进制减数计数器，同时利用正反停指示器 1 在正转时电平为 0，反转时电平为 1 来构成合适门电路。简略列出真值表如下表 4.4.2： 正反停指示器 1 计数器输出 译码器输入端 0（正转） 11 11 0（正转） 10 10 0（正转） 01 01 0（正转） 00 00 1（反转） 11 00 1（反转） 10 01 1（反转） 01 10 1（反转） 00 11 表 4.4.2 于是我们可以发现我们可以利用异或门电路来完成这一构想，从而实现出正转与反转两种状态下 LED 不同的循环状态。 最后，剩下的就是暂停状态的显示了。先区分出暂停与工作状态的不同，利用上

18、面设置的工作状态表示，我们可容易得到 工作以 1 表示，暂停以 0 表示。如此可武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书 10 利用这两种电平控制译 码器的工作，容易得到工作时状态如上步分析，暂停时灯全部熄灭。为使其能闪烁，我们可以考虑利用脉冲信号，工作状态的表示与门电路来设计。 综合上述分析，我们可以设计出 LED 控制电路如下图 4.4.3： 图 4.4.3 4.5 控制开关 利用借位端由 1 变为 0，作为 JK 触发器下降沿的脉冲，然后利用相应的门电路来控制计数器的清零端 MR 和 DN 端，从而达到控制计数器的要求。为达到使计数器清零效果，利用复位开关人为的制造下降沿脉冲来控制 J

19、K 触发器的工作，其中 JK 均置 1，实现翻转效果。利用工作开关控制多谐振荡器的电源输入，从而控 制脉冲的产生，实现控制电路的目的。 设计中为尽量利用资源，以 LED 作为了洗衣机停止的报警系统，停止时显示屏均为 0 且 LED 闪烁，此时可控制开关切断电源。 武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书 11 4.6 报警电路 当数码管显示的时间变为“零”的时候，报警电路会驱动蜂鸣器发出声音报警。当计数器进行减计数到零后， 74LS290 芯片的四个输出端都为低电平，于是我们采用四输入与非门讲低电平转化为高电平，但是在仿真的过程中发现 5V 无法驱动蜂鸣器，所以我们在蜂鸣器的其中一个端子接上

20、负电源，并且经过一番调试之后才找到负电源合适的电压值。调试的过程中要不断测量蜂 鸣器两端的电压。 蜂鸣器报警电路图 武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书 12 5 仿真 电路图 综合上面的原理，设计思路，以及每部分电路的设计，得到电路图如下图 -5.1： 图 5.1 武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书 13 6 故障 分析与改进 故障 1： 计数器的进制设置与计数器之间的连接 改进 1： 减法计数器的借位端平常为 1，有借位时为 0，利用此特性，将其连接在高位计数器的 DN 端作为其脉冲输入。计数器的进制设置依靠其输入端 D3、 D2、D1、 D0 的置数。 故障 2： LED

21、控制电路中的灯的循环控制 改进 2： LED 的循环闪亮主要是改变译码器的输入端，正转时为输入顺序位 A，反转时输入顺序应该相反，设置好 4 进制计数器，然后利用其输出端 Q1、 Q0 的变化规律列出真值表，求出所需门电路。 故障 3： 分秒置数开关的设定 改进 3： 利用 UP 特性，为其可控置入低电平以改变十分位和个分位的显示。 故障 4： JK 触发器的输入脉冲的人为控制 改进 4： 同改进 4 中开关的设置方式一样，不过需与我们设定的借位脉冲输入巧妙连接。 故障 5： 控制开关的设定 改进 5： 利用开关控制 555 的电源输入。 电路功能实现：两个置数开关可以控制洗涤时间的设置，控制

22、开关控制电路的工作，复位开关控制显示器的清零。 武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书 14 7 小结与体会 武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书 15 8 参考文献 1、 电子技术基础：数字部分（第 五 版 ） 康华光 高等教育出版社 2006.01 2、数字电子技术基础 伍时和 清华大学出版社 2009.04 3、 电子线路设计实验测试（第三版） 谢 自美 华中科技大学出版社 2006.08 武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书 16 本科生课程设计成绩评定表 姓 名 陈城 性 别 男 专业、班级 电信 09 目录 1.数电课设概述 1 1.1 课程设计意义 1 1.2 开发环境 PROTEUS 简介 1 2.设计思路 2 3.基本原理与设计框图 . 3 4.电路设计 4 4.1 秒脉冲发生器 4 4.2 分秒计数器 5 4.3 洗涤时间设置电路 7 4.4 工作状态显示电路 . 8 4.5 控制开关 10 5 电路图 . 12 6 分析与改进 13 7 小结与体会 . 14 8 参考文献 . 15 04 课程设计题目 ： 简易洗衣机控制电路的设计 仿真与制作 课程设计答辩或质疑记录 ： 成绩评定依据 ： 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评 定） 指导教师签字： 年 月 日