1、 四 川 理 工 学 院毕 业 设 计(论 文)题 目: 家用电风扇控制逻辑电路设计系 别: 电子与信息工程系专业班级: 电子 2 班学生姓名: 黄雪普指导教师: (校内)伍乾永教 研 室: 电子教研室提交时间: 2006 年 6 月 8 日四川理工学院本科毕业(设计)论文1摘 要本文比较全面的设计出了家用电风扇的控制电路,它包括家用电风扇的风速、风种和定时几种状态的控制。把家用电风扇控制方便、简单化,使人们在使用过程中能更好的对电风扇操作。关键词:状态锁存;方式控制;触发脉冲;定时电路姓名:论文题目2ABSTRACTThe article designs the control circui
2、t of the home electric fan more comprehensivly,control of several kinds of states that it includes the wind speed,wind kind and timing of the home electric fan. It is convenient and making simple to control the home electric fan. Enable people to operate the home electric fan better in the course of
3、 using.KEY WORDS: The state latching ; Logic control ;Trigger pulse; Timing circuit四川理工学院本科毕业(设计)论文3目 录摘 要 1ABSTRACT2第 1 章 引 言4第 2 章 系统的基本要求和原理 5第 3 章 单元电路设计.73.1 状态锁存器 73.1.1 风速状态锁存的设计 .73.1.2 风种状态锁存器设计 113.1.3 时间状态储存器的设计.143.2 触发脉冲形成电路 173.3 方式控制电路203.3.1“风种”方式控制电路.203.3.2 定时控制电路22第 4 章 整机电路24第 5
4、章 结束语25致 谢 26参考文献 27姓名:论文题目4第 1 章 引 言在社会高度文明的今天,家用电风扇的使用变得极为普通平常。但是随着近年来,人们生活水平的提高,对家用电风扇的质量要求也越来越高。以前单一的只能控制风速和定时的电风扇已经不能够满足人们的需求,这就要求要出现一种功能更全,操作更方便的电风扇来取代以前的老式机电风扇。而近几年电子技术的迅猛发展,也为实现这一目标提供了各方面的资源。目前市场上流行的最先进的是微处理器控制。但本设计仅从电路硬件出发,用数字逻辑电路来完成设计。它较之以前的电扇有可靠性高,反映速度快的优点。本设计在原来电风扇的基础上,增加了自动控制风速和风种,并对其控制
5、功能进行了新的设计,使其操作更为方便,从而普遍满足人们的需要。在本设计中,我们主要通过从数字电路中学习到的知识,对其各部分(风速控制、风种控制等)电路进行数字逻辑设计,然后进行电路组装,形成一个完整的电风扇的控制电路。该设计知识主要来源于所学习的课本,并通过从图书馆,网上查找资料来完成此设计。四川理工学院本科毕业(设计)论文5第 2 章 系统的基本要求和原理以前的台式电风扇和落地式电风扇都是采用机电控制,主要控制风速和风向。然而随着电子技术的迅速发展,要求要用电子控制线路来取代以前的机械控制电路,使电风扇的功能更强,操作也更为简便。控制面板如图 2.1.1 所示:图 2.1.1 电风扇操作面板
6、示意图面板上有九个指示灯,分别指示三种风速:弱、中、强;指示风种的三种形式:正常、自然、睡眠;指示预定电风扇运转的三种时间:1 小时、2 小时、4 小时。面板上还有四个按键开关 K1、K 2、K 3、K 4,分别控制电风扇的风速、风种、定时和停止。风速的弱、中、强对应电扇的运转速度慢、中、快。风种在“正常”位置是指电扇连续运转;在“自然”位置假设电扇以运转 4 秒,间断 4 秒的方式工作,表示电扇模拟产生自然风;在“睡眠”位置,电扇运转 8 秒,间断 8 秒,产生轻柔的微风。各种操作之间的转换关系(即状态转换图)如图 2.1.2 所示: 弱 中 强 正常 自然 睡眠1 2 3风速 K1风种 K
7、2定时 K3 停止 K4姓名:论文题目6K1K1 K1K4 K4 K4 K1K2K4 K4K2 K2K2图 2.1.2 家用电风扇的操作转换图本设计要求实现以下功能:1、电扇处于停止运转状态时,所有指示灯不亮。此时只有按“风速”键 K1,电扇才会启动运转,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。定时器处于非定时状态,即电扇处于长时间连续运转状态。2、电风扇一经启动后,按动“风种”键可循环选择正常、自然、睡眠三种状态的某一种状态。按动“定时”键可循环选择非定时或 1 小时、2 小时、4 小时的任何一种定时状态。3、在电风扇任意工作状态下,按“停止”键,
8、电风扇停止工作,所有的指示灯均熄灭。4、用四个键 K1、K 2、K 3 和 K4 分别表示“风速” 、 “风种” 、 “定时” 、 “停止”四种操作功能。5、用九个发光二极管分别指示“风速”和“风种”的六种状态以及三种定时状态。弱 中 强停止正常 自然 睡眠四川理工学院本科毕业(设计)论文7第三章 单元电路设计3.1 状态锁存器的设计本设计总体包括三种状态,即“风速” 、 “风种”和“定时” ,每种状态均需要相应的锁存器来保存其状态变化。3.1.1 风速状态锁存的设计“风速”有三种工作状态和一种停止状态需要保存和指示,因而对于每种操作都可采用三个触发器来锁存状态,触发器输出 1 表示工作状态有
9、效,0 表示工作状态无效,当三个输出全为 0,则表示停止状态。为了简化设计,可以考虑采用带有直接清零端的触发器,这样将“停止”键与清零端相连就可以实现停止的功能。风速状态锁存器的设计步骤如下:(1) 、状态图见图 3.1.1:图 3.1.1 “风速”状态转换图姓名:论文题目8(2) 、状态表:Q2n Q1n Q0n Q2n+1 Q1n+1 Q0n+1 功能0 0 0 0 0 1 停止 弱0 0 1 0 1 0 弱 中0 1 0 1 0 0 中 强0 1 1 未 用 1 0 0 0 0 1 强 弱1 0 1 未 用1 1 0 未 用1 1 1 未 用(3)、求 Qn+1 的表达式如图 3.1.2
10、 所示:Q1nQ0nQ2n 00 01 11 1001图 3.1.2 次态卡诺图Q2n+1Q1n+1Q0n+1由图 3.1.2 求出 Qn+1 表达式如( 3.1.1 式)Q0n+1=Q1nQ0n001 010 100001 四川理工学院本科毕业(设计)论文9次态方程 Q1n+1=Q0n (3.1.1)Q2n+1=Q1n(4)、驱动方程若选用 D 触发器来实现电路,则其驱动方程见(3.1.2 式):D0=Q1nQ0nD1=Q0n (3.1.2)D2=Q1n(5)、用 D 触发器实现风速状态锁存器的原理性逻辑图如图 3.1.3 所示,电路采用同步时钟 CP 控制。图 3.1.3 风速状态锁存器原
11、理电路 在“风速”的三种选择方式中,在“弱”位置时,风扇为连续运行方式,在“中”和“强”位置时,为间断运行方式。因此, “风速”状态锁存器可以用一片 4D 触发器74LS175 构成,每片中的三只 D 触发器的输出端分别与三个状态指示灯相连。每片74LS175 的清零端(R )均与停止键(K 4)相连,利用 K4 按下时产生的低电平信号将所有触发器清零,从而使电扇停转。图 3.1.4 即为 74LS175 的引脚排列74LS175 123 4 5 6 714 13121110VCC 4Q 4Q 4D 3D 3Q 3Q CP8915 16姓名:论文题目10(图 3.1.4)74LS174 四 D
12、 触发器引脚排列74LS175 四 D 触发器功能表如表 3.1.1 所示:表 3.1.1 四 D 触发器 74LS175 功能表风速状态锁存器的实用电路如图 3.1.5:图 3.1.5 风速状态锁存器实用电路输 入 输 出RD CP D Q Q0 0 11 1 1 01 0 0 11 0 QD Q0 RD 1Q 1Q 1D 2D 2Q 2Q GND四川理工学院本科毕业(设计)论文11到此, “风速状态锁存”设计完成。3.1.2 风种状态锁存器设计“风种”有三种工作状态和一种停止状态需要保存和指示,因而对于每种操作都可以采用三个触发器来锁存状态,触发器输出 1 表示工作状态有效,0 表示无效,
13、当三个输出全为 0,则表示停止状态。由此,可以考虑采用带有直接清零端的触发器,这样将“停止”键与清零端相连就可以实现停止功能。风种状态锁存器设计步骤与 3.1.1 一致:(1) 、状态转换图如图 3.1.6:图 3.1.6 风种简化操作状态转换图(2) 、状态表:Q2n Q1n Q0n Q2n+1 Q1n+1 Q0n+1 备注 0 0 0 0 0 1 起始为“正常”0 0 1 0 1 0 自 然0 1 0 1 0 0 自然睡眠0 1 1 未 用1 0 0 0 0 1 睡眠正常1 0 1 未 用1 1 0 未 用1 1 1 未 用姓名:论文题目12正常连续转动要求 自然4 秒转停交替睡眠8 秒转
14、停交替(3) 、用卡诺图求 Q2n+1 Q1n+1 Q0n+1 表达式:Q1nQ0nQ2n 00 01 11 1001Q0n+1=Q1nQ0n次态方程 Q1n+1=Q0n (3.1.4)Q2n+1=Q1n(4)、驱动方程:D0=Q1nQ0nD1=Q0n (3.1.5)D2=Q1n(5)、用 D 触发器实现风种状态锁存器的原理性逻辑图如图 3.1.7:001 010 100001 &四川理工学院本科毕业(设计)论文13图 3.1.7 风种状态锁存原理电路在“风种“的三种选择方式中,在“正常”位置时,风扇为连续运转方式,在“自然”和“睡眠”位置时,为间断运转方式。由此, “风种”状态锁存电路用一片
15、 4D 触发器 74LS175 构成,每片中的三只 D 触发器的输出端分别与三个状态指示灯相连。每片74LS175 的清零端(R)均与停止键(K 4)相连,利用 K4按下时产生的低电平信号将所有触发器清零,从而使电扇停转。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”方式的输入。四 D 触发器 74LS175 已在上面介绍过引脚排列和功能表。风种状态锁存原理图如图 3.1.8 所示:图 3.1.8 风种状态锁存原理图姓名:论文题目143.1.3 时间状态储存器的设计定时器也有三个工作状态,分别是 1 小时、2 小时、4 小时,以及一种停止指示
16、状态,因而对于每种操作都可以采用三个触发器来锁存状态,触发器输出 1 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。为了简化设计,可以考虑采用带有直接清零端的触发器,这样将“停止”键与清零端相连就可以实现停止的功能。(1) 、定时器状态转换图如图 3.1.9:图 3.1.9 定时器的操作转换图(2) 、时间锁存器状态表如下:Q2n Q1n Q0n Q2n+1 Q1n+1 Q0n+1 定时时间0 0 0 0 0 1 1 小时0 0 1 0 1 0 2 小时0 1 0 1 0 0 4 小时0 1 1 未用1 0 0 0 0 0 非定时1 0 1 未用1 1 0 未用2 小时0
17、101 小时001非定时0004 小时100四川理工学院本科毕业(设计)论文151 1 1 未用(3) 、卡诺图如下:Q1nQ0n00 01 11 10Q2n01(4) 、他的次态方程为:Q2n+1= Q1nQ1n+1= Q0n (3.1.6) Q0n+1= Q2n Q1n Q0n(5) 、时间状态锁存器如图 3.1.10:图 3.1.10 时间状态锁存器定时器的状态锁存电路用一块四 D 触发器 74LS175 构成,其中三只触发器的输出端Q0、Q 1、Q 2通过控制与门 U6、U7、U8,分别分别选单稳态触发器(74LS123)DW1、DW 2、DW 3产生的 1 小时、2 小时、4 小时的
18、定时信号。当 Q0、Q 1、Q 2全为零时,或非001 010 100000 姓名:论文题目16门 U5 个或,门 U9 输出高电平,使电机处于非定时运行状态。而仅当 Q0输出高电平时,利用其上升沿信号触发单稳 DW1 进入暂稳态,并通过与门 U6、或门 U9 输出,控制电机进入 1 小时的运行状态。同样,仅当 Q1或 Q2输出高电平后,将选通 2 小时或 4 小时的定时信号。定时器工作波形图如图 3.1.11:Q0DW11 小时 Q 1DW2 2 小时 Q 2DW3 4 小时图 3.1.11 定时器工作波形图从图 3.1.11 可以看出,每种定时的时间到达后,电机都会自动停转。以上 P6P1
19、5 即为三种状态锁存器的设计。四川理工学院本科毕业(设计)论文173.2 触发脉冲形成电路前述三部分锁存电路的输出信号状态的变化依赖于各自的触发脉冲。设 K 按下为“1”,不按为“0” 。在“风速”状态的锁存电路中,可以利用“风速”按键 K1 所产生的脉冲信号作为 D 触发器的触发脉冲。在“定时”状态的锁存电路中,可以利用“定时”按键 K3所产生的脉冲信号做为 D 的触发脉冲。而“风种”状态锁存器的触发脉冲 CP 则应由“风速”K 1、 “风种”K 2按键的信号和电扇工作状态信号(设 ST 为电扇工作状态,ST=0 停,ST=1 运转)三者组合而成。当电扇处于停止状态(ST=0)时,按键 K2
20、无效,CP信号将保持低电平;只有按 K1键后,CP 信号才会变成高电平,电扇也同时进入运转状态(ST=1) 。进入运转状态后,CP 信号不再受 K1键的控制,而由 K2键来控制。CP 信号与 K1、K 2及 ST 的关系见下表 3.2.2:K2 K1 ST CP0 0 0 00 0 1 00 1 0 10 1 1 0 1 0 0 01 0 1 11 1 0 11 1 1 1表 3.2.2 CP 信号状态真值表姓名:论文题目18由此可以得出:CP=K1ST+K2ST (3.2.1) 在上面的式子中,K 1为风速键的状态开关,K 2为风种键的状态开关。表 3.2.3 ST 信号状态真值表强(Q 2
21、) 中(Q 1) 弱(Q 0) ST0 0 0 00 0 1 10 1 0 11 0 0 10 1 1 未用1 0 1 未用1 1 0 未用1 1 1 未用表 3.2.2 列出了电扇工作状态 ST 与“风速”状态锁存器输出的三个信号的关系,当Q2、 Q1、 Q0全为零时,电扇停转,ST=0,否则电扇运转于弱、中、强任一种状态,即ST=1,它要求“强” 、 “中” 、 “弱”三种状态中不能有两种以上同时出现。由此可以得到 ST 信号的逻辑表达式:ST=Q0+Q1+Q2 (3.2.2)将 3.1.2 式代入 3.1.1 式,最终得到“风种”状态锁存器的触发脉冲 CP 的逻辑表达式:CP=K1Q0Q
22、1Q2+K2Q0Q1Q2 (3.2.3)前面已经介绍过,当“风种”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。四川理工学院本科毕业(设计)论文19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。键 K1、K 2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。下面,我们根据(3.2.3)式绘出 CP 脉冲电路见图 3.2.1:图 3.2.1 CP 脉冲电路电扇停转时,ST=0,K 1=0,故图 3.2.1 中与非门 U2 输出为高电平,U3 输出也为高电平,因而 U4 输出的
23、 CP 信号为低电平,当按下 K1键后,U2 输出为低,使 U4 输出的 CP信号变为高电平,并使 D 触发器翻转, “风种”处于正常。同时,由于 K1键输出的上升沿,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,这样使“风种”状态锁存电路的触发信号 CP 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。图 3.2.2 为 CP 的波形图:ST K1K2姓名:论文题目20CP图 3.2.2 CP 的波形图3.3 方式控制电路3.3.1 “风种”方式控制电路在“风种”的三种选择方式中,在“
24、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。采用 8 选 1 数据选择器(如 74LS151)来作为“风种”方式控制器,由 74LS175 的三个输出信号选种 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。一、74LS151 介绍1、引脚排列(图 3.3.1):(a ) 引脚排列 ( b ) 等效电路图 3.3.1 74LS151 引脚排列和等效电路2、功能表:表 3.3.1 74LS151 功能表G C B A Y W四川理工学院本科毕业(设计)论文211 0 1
25、0 0 0 0 D0 D00 0 0 1 D1 D10 0 1 0 D2 D20 0 1 1 D3 D30 1 0 0 D4 D40 1 0 1 D5 D50 1 1 0 D6 D60 1 1 1 D7 D7选择控制端(地址端)为 A、B、C,按二进制译码, 从 8 个输入数据 D0D 7中,选择一个需要的数据送到输出端 Q,G 为使能端,低电平有效。使能端 1 时,不论GA、B、C 状态如何,均无输出(Q0, 1) ,多路开关被禁止。使能端 0 时,多路开关正常工作,根据地址码 A2、A 1、A 0的状态选择 D0D 7中某一个通道的数据输送到输出端 Q。如:CBA000,则选择 D0数据到
26、输出端,即 QD 0。如:CBA001,则选择 D1数据到输出端,即 QD 1,其余类推。3、输出表达试: W= D0( )+D 1( )+D 2( )+D 3( )+D 4( )+D 5(CBACBACBA)+D 6( )+D 7( ) (3.3.1)二、控制电路与指示灯的关系 设数据选择器的控制端与“风种”状态的关系为:C = Q2 对应 L 4(睡眠)B = Q1 对应 L 5(自然)A = Q0 对应 L 7(正常)故 74LS151 的输出 W 中仅三项存在:W = D1(C B A)+ D2(C B A)+ D4(C B A)= Q2 Q1 Q0 D1 + Q2 Q1 Q0 D2
27、+ Q2 Q1 Q0 D40 0 1 0 1 0 1 0 0 正常 自然 睡眠(3.3.2)又因为设计要求“正常”时为连续运行,不受时间控制, “睡眠”运行的时间周期姓名:论文题目22为 T=16 秒(即 f=1/16,8 秒信号的二分频) 。 “自然”运行的 T=8 秒(f=1/8).如图 3.3.2 所示:正常 1 自然 T=8,f=1/8睡眠 T=16,f=1/16图 3.3.2 “风种”三种工作方式波形所以,令 D1=1;D 2=CP=1/8;D 4=CP/=1/16其余令D0=D3=D5=D6=D7=0 由此,得到图 3.3.3 所示的“风种”方式控制电路 图 3.3.3 “风种”控
28、制方式电路四川理工学院本科毕业(设计)论文23图中 D 触发器接 触发器,即 Qn+1 = ,实现对 1/8HZ 的二分频。Tn3.3.2、定时控制电路时间状态锁存器在 3.1.3 节中已设计,已知 Q2=1 表定时 4 小时;Q 1=1 表定时 2 小时;Q0=1 表示 1 小时定时,分别用单稳态触发器(74LS123)DW 1、DW 2、DW 3实现,它们的工作波形已在图 3-1-11 中列出。单稳态触发器 DW1DW3 与 Q0、Q 1、Q 2之真值表如表 3.3.2:表 3.3.2 DW1DW 3与 Q0Q 2关系真值表 (Y 为控制电机运行信号)由真值表得:Y = Q2 Q1 Q0
29、+ Q0DW1 + Q1DW2 + Q2DW3 (3.3.3)则画出定时控制电路的原理电路如图 3.3.4 所示:姓名:论文题目24图 3.3.4 定时控制电路原理图第 4 章 整机电路整机电路如图 4.1.1:四川理工学院本科毕业(设计)论文25图 4.1 .1 整机电路第 5 章 结束语姓名:论文题目26经过了两个多月的学习和工作,我终于完成了家用电风扇控制逻辑控制电路设计的论文。从开始接到设计题目到论文的完成,每走一步对我来说都是新的尝试与挑战,这也是我在大学期间独立完成的最大的项目。在这段时间里,我学到了很多知识也有很多感受,我开始了独立的学习和试验,查看相关的资料和书籍,让自己头脑中
30、模糊的概念逐渐清晰,使自己非常稚嫩作品一步步完善起来,每一次改进都是我学习的收获,每一次试验的成功都会让我兴奋好一段时间。从中我也充分认识到了各种小设计给我们生活带来的乐趣,在属于自己的空间上,尽情发挥自己的情感思维,并且把自己的想法与他人分享。虽然我的论文不是很成熟,还有很多不足之处,但我可以自豪的说,这里面的每一部分设计,都有我的劳动。当看着自己的设计,自己成天相伴的系统能够正常的运行,真是莫大的幸福和欣慰。我相信其中的酸甜苦辣最终都会化为甜美的甘泉。这次做论文的经历也会使我终身受益,我感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情,是真正的自己学习的过程和研究的过程,没有学习就不可能有研究的
31、能力,没有自己的研究,就不会有所突破,那也就不叫论文了。希望这次的经历能让我在以后学习中激励我继续进步。不是之处,如今后再重做,可以加入遥控等。四川理工学院本科毕业(设计)论文27致谢本文从拟定题目到定稿,历时数月。在本论文完成之际,首先要向我的导师伍乾永老师致以诚挚的谢意。在论文的写作过程中,伍老师给了我许许多多的帮助和关怀。伍老师学识渊博、治学严谨,待人平易近人,在伍老师的悉心指导中,我不仅学到了扎实的专业知识,也在怎样处人处事等方面收益很多;同时他对工作的积极热情、认真负责、有条不紊、实事求是的态度,给我留下了深刻的印象,使我受益非浅。在此我谨向伍老师表示衷心的感谢和深深的敬意。同时,我
32、要感谢我们学院给我们授课的各位老师,正是由于他们的传道、授业、解惑,让我学到了专业知识,并从他们身上学到了如何求知治学、如何为人处事。我也要感谢我的母校四川理工学院,是她提供了良好的学习环境和生活环境,让我的大学生活丰富多姿,为我的人生留下精彩的一笔。另外,衷心感谢我的同窗同学们,在我毕业论文写作中,与他们的探讨交流使我受益颇多;同时,他们也给了我很多无私的帮助和支持,我在次深表谢意。 最后,向我的亲爱的家人和亲爱的朋友表示深深的谢意,他们给予我的爱、理解、关心和支持是我不断前进的动力。学无止境。明天,将是我终身学习另一天的开始。姓名:论文题目28参考文献1卢结成主编.电子电路实验.合肥:中国
33、科学技术大学出版社,2002 年2王澄非主编.电路与数学逻辑设计.南京:东南大学出版社,1999 年3阎石主编.数字电子技术基础.第四版.北京:高等教育出版社,2000 年4康华光主编.电子技术基础.数字部分.第四版.北京:高等教育出版社,2000 年5刘宝琴主编.数字电路与系统.北京:清华大学出版社,1993 年6齐怀印主编.高级逻辑器件.第 1 版.北京:电子工业出版社,1996 年7薛宏熙主编.数字系统设计自动化.第 1 版.北京:清华大学出版社,1996 年8张端主编.数字电路与逻辑设计.第 1 版.北京:高等教育出版社,1985 年9王有绪编著.数字电路与逻辑设计(第三版).西安:西北工业大学出版社,2003 年10韦琳编著.图解数字电路.北京:科学出版社,2006 年11梁廷贵主编.数字单元电路.北京:科学技术文献出版社,2005 年12(美)拉贝艾主编.数字集成电路-电路系统与设计.北京:电子工业出版社,2004年