数字逻辑电路实验之空调控制电路.doc
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数字逻辑综合型实验设计报告
课程名称数字逻辑实验
题目名称家用空调控制逻辑电路设计
班级 2
学号 2013061213
学生姓名李寅龙
同组班级
同组学号2013061212
同组姓名李岩松
指导教师武俊鹏、孟昭林、刘书勇、赵国冬
综合实验成绩
2015年06月
l
摘要
如今的空调都是用电子控制电路控制的，而我们的实验内容就是通过实验电路箱、导线以及相关芯片实现现代空调的基本功能的模拟。
如今的空调电路的基本功能有风速的调节，根据我们人体的感受，我们可以切换风速的大小来使自身感受最佳，既不会觉得太冷，但是又不会觉得热。
风速分为三个档，分别是弱风、中风以及强风。
除此之外，我们的电路还有空调吹风模式的切换。
例如，当我们睡觉时，我们的体温会稍微下降，这时我们可以把风种切换成睡眠风。
通过拓展，我们还通过关掉不必要的灯来实现了夜间省电模式。
由于风一直对着人体直吹对身体不好，所以我们通过拓展实现了空调的扫风功能。
关键词：
脉冲触发；状态锁存电路；夜间；扫风
目录
摘要.......................................................................................-1-
1、需求分析.........................................................................-3-
1.1基本功能要求.................................................................-3-
1.2创新拓展功能.................................................................-3-
1.3设计原理.........................................................................-4-
2、系统设计
2.1系统逻辑结构设计.........................................................-6-
2.1.1风速状态锁存的设计..................................................-6-
2.1.2风种状态锁存的设计..................................................-9-
2.1.3触发脉冲的形成..........................................................-10-
2.1.4风种切换的实现..........................................................-13-
2.1.5拓展功能之夜间模式..................................................-16-
2.1.6拓展功能之扫风模式..................................................-17-
2.2系统物理结构设计.........................................................-18-
3、系统实现
3.1系统实现过程.................................................................-19-
3.2系统测试.........................................................................-20-
3.3系统最终电路图.............................................................-21-
3.4系统团队分工.................................................................-22-
4、总结.................................................................................-24-
5、参考文献.........................................................................-25-
1需求分析
1.1基本功能要求
1、空调处于停转状态时，所有指示灯不亮。
此时只有按“风速”键空调才会响应，其初始工作状态为“风速”：
弱，“风种”：
正常，且相应的指示灯亮。
2、空调一经启动后，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”键可循环选择正常、自然或睡眠三种状态的某一种状态。
3、在空调任意工作状态下，按“停止”键空调停止工作，所有指示灯熄灭。
“风速”的弱、中、强对应空调的转动由慢到快。
“风种”在正常位置是指空调连续运转；在“自然”位置，是表示空调模拟产生自然风，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，空调运转8秒，间断8秒的方式。
1.2创新拓展功能
随着社会的发展，仅有以上的基本功能是不能满足消费者的需求的。
所以出于提高空调的实用性，我们在原来的电路基础上，添加了夜间省电功能和扫风功能。
这样就可以为用户节省电费，同时，扫风功能则可以减少空调对人体的伤害。
1.3设计原理
在面板上有八个指示灯指示空调的状态。
两个脉冲用来分别切换风速和风种，还有一个让空调关闭的总开关，一个切换到省电模式的开关以及一个切换到扫风模式的开关。
1.空调处于停止状态时，所以指示灯不亮。
此时只有按“风速”键空调才会有响应，其初始状态为“风速”——弱，“风种”——正常位置，相应的指示灯亮。
2.空调一经启动后，在按动“风速”键可循环选择弱、中和强三种状态中任意的一种。
按动“风种”键可循环选择正常、自然和睡眠三种状态的任意一种。
3.在空调任意状态下，按下“停止”键空调就停止工作，所有指示灯灭。
“风速”的弱、中和强空调吹风由慢到快。
“风种”在正常位置表示空调一直吹风；在自然位置则表示空调吹4秒，停止4秒；在睡眠位置则表示空调吹8秒，停止8秒。
空调状态转换图
2系统设计
2.1系统逻辑结构设计
本实验的电路中，加用空调的控制逻辑电路在控制空调的工资方式时，主要靠风速和风种两个状态来完成。
而这两种状态都需要状态锁存器来保存其变化的状态，再通过脉冲的输入来改变它的状态。
对于两个状态，个用一个锁存器来保存相应的变化状态，下面，我们将系统的两个状态进行设计。
2.1.1风速状态锁存的设计
“风速”的三种状态需要保存和指示，所以，对于每一种操作都有三个触发器来锁存状态。
当触发器输出1时，表示工作，当触发器输出0时，表示工作状态无效。
当都输出0时，表示停止工作状态。
为了简化设计，可以考虑带有清零端的触发器，这样将停止键和清零端相连就可以实现停止功能。
风速状态锁存器设计：
下图就是风速状态图
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
1
0
0
0
0
1
强——>弱
下表是“风速”状态转换真值表
根据上表可以的到的次态卡诺图如下
的次态卡诺图
可得风速的次态方程如下：
=＊
=
=
可得用D触发器实现功能的电路的驱动方程如下：
=＊
=
=
用D触发器实现的风速状态锁存器的原理图如下所示
2.1.2风种状态锁存的设计
通过分析，我们发现其实风种部分的主体电路和风速部分的主体电路是极其相似的，差别在于风种部分的CP2脉冲来自于一个手动脉冲和风速脉冲的逻辑处理后的结果。
可得风种的次态方程如下：
=＊
=
=
驱动方程如下：
=＊
=
=
2.1.3触发脉冲的形成
根据前面的逻辑表达式，我们可以利用D触发器建立“风速”和“风种”状态锁存电路。
在“风速”部分的电路中，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。
而“风种”部分电路的触发脉冲CP则是由“风速”（K1）、“风种”（K2）按键的信号和空调工作状态信号（设ST为空调的工作状态，ST=0停，ST=1运转）三者组合而成。
当空调处于停止状态（ST=0）时，按K2键无效，CP信号将保持低电平；只有按K1键后，CP信号才变成高电平，空调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，而是由K2键所控制。
CP信号状态表
K2
K1
ST
CP
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
1
0
1
1
0
1
0
0
0
1
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
ST信号状态表
强（）
中（）
弱（）
ST
0
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
×
1
0
0
1
1
0
1
×
1
1
0
×
1
1
1
×
由于ST信号可由“风速”电路输出的三个信号组成，所以从上表可得
ST=++
当ST=0时，表示空调停止运转；ST=1时，表示空调运转。
所以CP最终的表达式如下：
CP=＊＋K2＊ST
CP脉冲电路图如下：
CP的波形图如下：
2.1.4风种切换的实现
系统的风种有三种模式：
正常————持续吹风
自然————吹风4s，停止4s
睡眠————吹风8s，停止8s
我们用74LS161来实现周期8s和周期16s
原理图如下：
12端的Qc输出的脉冲周期为8s（自然状态），接在74LS151八选一数据选择器的2端。
11端的Qd输出的脉冲周期为16s（睡眠状态），接在74LS151八选一数据选择器的15端。
CLk接1HZ脉冲。
有了各种模式下的输入，那么我们就可以用一个74LS151八选一数据选择器来对这些信号进行选择，再与风速指示灯作用到一起。
至此，系统的所有基本功能已经实现。
八选一数据选择器真值表如下：
G
C
B
A
Y
W
1
X
X
X
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
0
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
A、B、C是选择控制端，从八个输入的数据分别为D0到D7中，选择一个要用到的数据送到Y端输出。
当使能端=1时，无输出。
当其为0时，八选一选择器将根据C、B和A的输入来在D0到D7中选一个进行输出。
例如，当CBA=001时，Y=D1。
八选一选择器的原理图如下：
只需要把八选一选择器的Y接到三个与门的输入端，与门的另外三个输入端分别依次接风速控制电路的输出Q1、Q2和Q3。
再把三个与门的输出依次接到3个LED灯上。
电路图如下：
2.1.5拓展功能之夜间模式
我们添加的拓展功能之一是空调的夜间模式。
就是在夜间，把所有不必要的指示灯关掉。
我们把本该连接风种LED灯的线连到一个与门的输入上，另外一个与门输入连接一根从开关接出来的线，再把与门的输出端接在LED灯上。
三个LED灯都是如此，但是接同一个开关。
这样，这个风种指示灯就由两个输入端控制着。
只有两个都是高电平才亮。
这样的话，我们只需要把开关断开，我们就可以实现夜间功能。
夜间模式电路图如下：
2.1.5拓展功能之扫风模式
我们添加的另一个拓展功能是空调的扫风模式。
由于空调风对人体一直吹着不好，所以我们添加了扫风功能。
我们让扫风叶向上摆4s，再向下摆4s。
我们需要用到一个74LS161把1HZ脉冲变成周期为8S的脉冲，这样就能实现4S一个切换，从而实现扫风功能。
我们把74LS161的12端Qc接到一个LED灯上，再从12端接出一根线接到一个非门输入端上，再把非门的输出端接到另一个LED灯上。
我们把总开关和其自身开关接在与门的输入端，再接在两芯片Vcc上，这就实现总控制。
但是，由于模拟软件161的Vcc没给出，所以无法体现。
扫风模式电路图如下：
2.2系统物理结构设计与仿真验证
在本实验中，我们用了2个74LS175,2个74LS161，3个74LS08，1个74LS151,1个74LS00，1个74LS04。
主要芯片引脚图如下：
3系统实现
3.1系统实现过程
在实验开始之前，我们先在网上对相应的设计文档进行了浏览和筛选并从中找到了设计的思路。
根据实验的要求，我们画出相应的真值表。
有了真值表，我们就可以画出卡诺图。
再根据卡诺图和相关化简定律，我们得到了次态方程和驱动方程。
最后，把电路图画出并在电脑成功模拟。
领到芯片和导线后后，我们先对芯片和导线进行进行测试。
非常顺利，没有出现坏的导线和芯片。
我们就按着电路图连接。
开始连接出现了一点小问题。
进过排查，发现有一根线接错了引脚。
最后成功完成基本功能电路的连接并实现功能拓展。
3.2系统测试
1、打开实验箱的电源开关，按下风速脉冲键，1灯和4灯亮起，表示吹正常弱风。
2、按动风速脉冲按键，2灯亮起，再到3灯亮起，再回到1灯，依次循环。
3、按动风种脉冲按键，2灯亮起，再到3灯亮起，再回到1灯，依次循环。
4、当风种灯处于正常状态指示灯亮时，风速灯一直亮。
5、当风种灯处于自然状态指示灯亮时，风速灯亮4s，暗4s。
6、当风种灯处于睡眠状态指示灯亮时，风速灯亮8s，暗8s。
7、当夜间模式的开关拨向低电平时，夜间模式开启，风种指示灯不亮，但并不影响风种切换。
8、当扫风模式的开关拨向高电平时，扫风模式开启，扫风指示灯4s切换一次。
9、关掉总开关，所有指示灯不亮，测试完毕。
所有测试完成了实验要求并成功拓展。
3.3系统最终电路图
原理分析：
两个74LS175芯片主要是用来实现风速和风种的状态锁存和切换，而两个脉冲按钮则是用来触发状态的切换。
74LS161用来实现把1HZ的脉冲转换成周期为8S和16S的脉冲的功能。
这就可以实现吹风4S停4S和吹风8S和停8S的脉冲输出。
只需要用1个74LS151八选一数据选择器就可以把所需要的信号进行选择并输出。
扫风模式也是用一片74LS161进行脉冲周期调整，其周期为8S的输出端接到一个LED灯上，再多引出一根线接非门输入端，再把非门输出端接另一个LED灯上。
这就实现了扫风功能。
我们把本该连接风种LED灯的线连到一个与门的输入上，另外一个与门输入连接一根从开关接出来的线，再把与门的输出端接在LED灯上。
三个LED灯都是如此，但是接同一个开关。
这样，这个风种指示灯就由两个输入端控制着。
只有两个都是高电平才亮。
这样的话，我们只需要把开关断开，我们就可以实现夜间功能。
3.4系统团队分工
在这次设计实验中，我和我的搭档李岩松一起查阅资料，对实验要求进行分析。
画出真值表和卡诺图，我们分部分别对电路进行设计。
最后，李岩松负责分析电路图和辨别引脚图，我负责练实物图。
电路实物图如下：
4总结
经过三周的实验，我深深的感受到了实践的重要性。
毫无疑问，所有要求的功能都实现了，如风速的切换，风种的切换以及在不同风种下，风速指示灯的按规律亮灭，实验也最终完成。
同时。
我们还从实用性的角度出发，拓展了夜间功能和扫风功能。
但是，我认为我最大的收获是提高了分析问题和解决问题的能力。
实践毕竟有别于理论，虽然理论可以做的很好，但事实未必如理论那样出现。
这需要我理清头绪，细细分析。
同时，在动手时更加谨慎。
许多理论知识也在实验需求的促发下得到了扩充。
最后，感谢我的搭档李岩松的帮助，感谢我的指导老师刘书勇和武俊鹏！
参考文献
[1]武俊鹏，孟昭林，付小晶.数字电路与可编程技术实验教程[M]哈尔滨：
哈尔滨工程大学出版社，2007：
381—384.
[2]王彩君，杨睿，周开邻.数字电路实验[M]北京：
国防工业出版社，2006：
81—84.
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