电风扇控制电路设计.docx
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电风扇控制电路设计
运用Multisim10.1进行电风扇控制电路的设计
[摘要]电风扇作为常用家电产品，在老百姓生活中有其非常重要的意义。
随着电子产品的发展，智能节能产品已进入人们的日常生活。
对于其他夏季家用降温电器，电风扇价格相对低廉，轻巧便捷，节能环保。
本课题主要设计一个电风扇控制电路，主要包括风速、风种、定时、停止等功能。
课题采用数字集成芯片作为控制电路，电路稳定抗干扰能力强。
在设计过程中，控制电路主要使用通用的数字集成芯片，其功耗低，价格便宜且能够达到很好的控制效果；设计电路时各功能模块在单独控制的同时，还通过相应的逻辑门结合在一起，一起构成一个逻辑完整的电风扇控制电路。
[关键字]电风扇智能节能完整
[Summary]electricfansasacommonhouseholdelectricalappliances,inpeoplelivinginitsveryimportantsignificance.Withthedevelopmentofelectronicproducts,energysmartproductshaveenteredthepeople'sdailylives.Forothersummerhomecoolingappliances,electricfansrelativelyinexpensive,lightweightandconvenient,energysavingandenvironmentalprotection.Thistopicismainlyafancontrolcircuitdesign,includingwindspeed,wind,timer,stopfunction.Issueswithdigitalintegratedcircuitsascontrolcircuits,circuitstableandstronganti-interferenceability.Duringthedesignprocess,maincontrolcircuitusingacommondigitalintegratedcircuits,itslowpowerconsumption,lowpriceandgoodcontroleffectcanbeachieved;whenyoudesignacircuitwhilethefunctionmoduleinaseparatecontrol,throughthecorrespondinglogicgatesincombination,togetherconstituteacompletefancontrollogiccircuits.
[Keywords]fansmartenergy-savingcomplete
论文摘要…………………………………………………………………………Ⅰ
ABSTRACT…………………………………………………………………………Ⅱ
第一章绪论………………………………………………………………………1
1.1毕业设计任务书……………………………………………………1
1.2目的和意义……………………………………………………………1
第二章Multisim10.1软件的使用方法………………………………………2
2.1基本界面介绍…………………………………………………………2
2.2基本操作方法…………………………………………………………5
2.3常用仪器仪表的使用…………………………………………………9
第三章电风扇控制电路设计方案………………………………………………12
3.1电风扇控制电路框图…………………………………………………12
3.2电风扇风速控制………………………………………………………12
3.3电风扇风种控制………………………………………………………12
3.4电风扇定时控制………………………………………………………12
3.5电风扇停止控制………………………………………………………12
第四章功能模块…………………………………………………………………13
4.1电风扇控制部分外部硬件……………………………………………13
4.2风速控制………………………………………………………………13
4.3基本RS触发器………………………………………………………15
4.4计数器…………………………………………………………………17
4.5三八译码器……………………………………………………………19
4.6555多谐振荡器………………………………………………………22
4.7555单稳态触发器……………………………………………………24
4.8停止处理电路…………………………………………………………26
4.9上电复位电路…………………………………………………………27
致谢………………………………………………………………………………29
参考文献…………………………………………………………………………30
附录一电风扇控制电路原理框图………………………………………………31
附录二PCB图……………………………………………………………………32
附录三电风扇控制电路原理仿真图……………………………………………33
第一章绪论
1.1毕业设计任务书
运用Multisim10.1进行电风扇控制电路的设计
设计一个家用电风扇控制电路
1．设计一个家用电风扇控制器。
有风速，风种，定时，停止功能；
2．用9个发光二极管分别指示：
风速“弱，中，强”，风种“正常，自然，睡眠”，定时“10分钟，20分钟，40分钟”九个状态；
3.电风扇停转时，所有的指示灯都不亮，只有按“风速”键时才能启动电风扇，按其余键不能启动；其初始工作状态为“风速”处于弱挡，“风种”处于“正常”位置，且相应的指示灯不亮，定时器处于非定时状态，即电风扇处于长时间连续运转状态。
4．电风扇启动后，按“风速”键可循环选择弱，中，强三种状态；按“风种”键可循环选择正常，自然，睡眠三种状态；按“定时”键可循环选择10分钟，20分钟，40分钟工作状态。
5．在电风扇任意工作状态下，按“停止”键，电风扇停止工作，所有指示灯灭。
6．Multisim10.1仿真各单元电路与整体电路。
（记录仿真过程中的结果与出现的问题）
7．Multisim10.1画原理图与印制板电路（PCB）图。
1.2目的和意义
在工业日益发达的今天，科技发展给我们生活带来了巨大的改善和提高，人民的物质需求和生活水平已经达到质的飞跃，而现在社会存在的资源紧缺和环境问题也促进了人们节能减排的意识。
正是基于此，传统意义上的电风扇也完全不能胜任现在社会的理念和需求，与之应运而生的是新的数字芯片构成的电风扇。
夏季来临，大多数家庭都在使用电风扇，操作方便、使用安全、环保节能的电风扇必定会受到老百姓的喜爱。
本课题旨在设计一套稳定、节能、高性价比的家用电风扇控制器。
主要包括风速、风种、定时和停止功能。
分别为风速“弱、中、强”，风种“正常、自然、睡眠”，定时“10分钟、20分钟、40分钟”几种模式。
其风速、风种、定时可自由灵活搭配给人们带来了舒适的生活体验。
第二章Multisim10.1软件设计的使用方法
2.1基本界面介绍
2.1.1Mu1tisim10.1软件介绍
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力，软件第一行为菜单行，主要有文件（F）、编辑（E）、视图（V）、放置（P）、MCU、仿真（S）、转换（A）、工具（T）、报表（R）、选项（O）、窗口（W）、帮助（H），如图2-1所示。
图2-1
在菜单栏中的每个菜单有下拉菜单，在文件菜单中主要是对当前文件和项日
的操作包括文件的新建、保存、关闭等，项日的新建、保存、关闭等。
在编辑菜
单中主要是对当前操作的变更包括撤销、重做、粘贴和字体的设置等。
在视图菜
单中主要对电路编辑窗口的变更包括窗口的放大、缩小、全屏等。
在放置菜单中
主要中主要对电路的编辑包括导线、原件的放置、总线、文本的编辑等。
MCU下
拉菜单中包括电路设计中MCU芯片的放置，MCU芯片中程序的运行包括单步运行、
暂停、断点等。
在仿真菜单中主要是对当前电路仿真状态的操作包括电路的运行、
暂停、停止，仪器仪表的选择，仿真器的设置，工作点分析等。
在转换菜单中对
窗口电路进行转换转换为PCB板，导出网络表等。
工具菜单中主要是原件向导、电路的电器规则检查等。
在报表菜单中主要是原件清单、网络报告等。
选项菜单可对用户菜单进行操作。
窗口菜单中主要是窗口的新建、排列、关闭等。
帮助菜单主要为软件用户提供常见的帮助。
工具栏的第一部分主要是文件的打开、保存、打印等，如图2-2所示。
第二部分主要是电路编辑窗口的放大、缩小、全屏等，如图2-2所示。
第二部分是仪表和原件的选择，如图2-3所示。
在工具栏的右侧为仿真总开关，如图2-3所示。
工具栏的第二行，第一部分是常用工具的选择，包括电源、电阻、二极管、二极管、通用集成芯片和电机等，如图2-4所示。
第二部分是仿真时所用按键，如图2-4所示。
图2-2
图2-3
图2-4
在软件界面的左边为设计工具箱，包含三个子窗口：
层次、可见、项目试图。
如图2-5所示。
软件界面的中部主要区域为电路编辑窗口，主要用作编辑电路放置原件。
在软件界面的右边为电路设计时所要使用的仪器仪表，最为常用的为万用表、泰克示波器、测量探针、电流探针、逻辑分析仪等，如图2-6所示。
在界面的右下角为电路仿真状态，如图2-7所示。
图2-5设计工具箱
图2-6仪器仪表
图2-7电路仿真状态图
2.1.2Ultiboard软件介绍
Ultiboard软件是与Mutisim软件配套的绘制电路板的软件。
可以将Mutisim中的原理图直接转换到Ultiboard中，但是Mutisim中的所有芯片必须为非虚拟元件，如果电路中包含虚拟元件则虚拟元件将不能被转换。
Ultiboard软件的使用和专用的电路板绘制软件Protel相似下面简单介绍：
1．线宽、间距设置和网络表的导入
在第一次打开软件时会弹出一对话框可对其进行设置，设置后可导出电路图例络表，如图2-8所示。
图2-8线宽、线间距设置和网络表的导入
2．菜单、工具栏
Untiboard的菜单和工具栏与Mutisim类似，如图2-9所示。
图2-9Ultiboard的菜单和工具栏
3．设计工具箱
Ultiboard中设计工具箱与Mutisim有所不同，主要是对电路板结构的描述和操作（包括电路板的层数，和选择电路板层数对其操作），如图2-10所示。
图2-10电路板层
4．电路板绘制区
对电路板的所有操作都是通过此区域体现出来的，在它上面可以看到电板
绘制完成后的最后模型，如图2-ll所示。
图2-1l电路板绘制区
5．电子表格
电子表格显示电路板的当前状态和信息，如图2-12所示。
图2-12电子表格
2.2基本操作方法
2.2.1数字电子产品原理图设计步骤
一般而言，数字电子产品原理图的设计可分为二个步骤。
1．根据逻辑功能要求确定输入输出关系’
2．根据输入输出关系选择逻辑器件
3．绘制原理图
借用Multisiml0提供的强大功能实现数字电子产品原理图的绘制与仿真。
2.2.2创建电路图
1．启动操作
启动Multisiml0以后，出现以下界面，如图2-13所示。
图2-13软件启动界面
启动后出现的窗口如图2-14所示。
图2-14软件启动后界面
选择文件/新建/原理图，即弹出2-15所示的主设计窗口。
图2-15主设计窗口
2．添加元件
打开原件库工具栏，单击需要的元件图标按钮如图2-16，然后在主设计电路窗口中的适当位置，再次单击鼠标左键，所需要的元件即可出现在该位置上，如图2-17所示。
图2-16元件选取
图2-17放置后的元件
双击此元件，会出现该元件的对话框如图2-18所示，可以设置元件的标签、编号、数值和模型参数。
图2-18元件的参数编辑
3．元件的移动
选中元件，直接用鼠标拖拽要移动的元件。
4．元件的复制、删除与旋转
选中元件，用相应的菜单、工具栏或单击鼠标右键弹出快捷菜单，进行需要的操作。
5．放置电源和接地元件
选择“放置信号源按钮”弹出对话框，可选择电源和接地元件。
6．导线的操作
（1）连接。
鼠标指向某元件的端点，出现小圆点后按下鼠标左键拖拽到另一个元件的端点，出现小圆点后松开左键。
（2）删除。
选定该导线，单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中单击“delet”。
2.2.3使用仪表
如图2-15主设计窗口中，右侧竖排的为仪表工具栏，常用的仪表有数字万用表、函数发生器、示波器、波特图仪等等，可根据需要选择使用。
1．调用数字万用表
从指示部件库中选中数字万用表，按选择其它元件的方法放置在主电路图中，双击万用表符号，弹出参数设置对话框。
2．万用表设置
单击万用表设置对话框中的“设置”弹出万用表设置对话框，进行万用表参数及量程设置。
万用表设置，其它仪表的使用同万用表类似，不再累述。
2.2.4实时仿真
三态门分时传送电路，左上角菜单栏下方是仿真开关，用鼠标左键单击仿真开关，就开始实时仿真。
2.2.5保存文件
1．电路图绘制完成，仿真结束后，执行菜单栏中的“文件／保存”可以自动按原文件名将该文件保存在原来的路径中。
2．单击左上角菜单栏中的“文件／另存为”弹出对话框。
在对话框中选定保存路径，并可以修改文件名保存。
2.3常用仪器仪表的使用
2.3.1函数信号发生器
函数信号发生器有二个信号端子，从左至右分别为“+”、公共端、“-”，双击信号源图标进行函数信号发生器设置，该信号源可产生正弦波、锯齿波、方波。
可以对信号源的频率，占空比、振幅、偏移进行设置，如图2-20所示。
图2-19函数信号发生器
2.3.2万用表
在主设计窗口中，右侧竖排仪表工具栏中第一个为万用表。
万用表有两个接线柱左边为“+”、右边为“-”，使用时接在被测试点两端。
双击万用表图标显示当前测试点信号数值，可在窗口中对万用表进行设置，也可单击设置按钮进行设置，如图2-19所示。
图2-20万用表的使用
2.3.3示波器-XSCl
示波器是观察信号波形的重要工具，有A、B两个通道和一个外触发端。
A、B通道可以测量Ac、Dc信号也可以接地，触发通道有正弦波触发、标准触发等。
当通道接上外部输入信号时，双击示波器图标可观察信号波形参数：
频率、幅值和周期，如图2-21所示（示波器实验外加一正弦波，四综示波器与此类似）。
图2-2l示波器实验
2.3.4泰克示波器-XSCl
泰克示波器的界面和实验室泰克示波器界面基本相同，所不同的是实验室示
波器只有两个输入通道，而软件上示波器有四个通道。
操作时和实验室示波器相
同在此不作赘述。
示波器使用如图2-22所示。
图2-22示波器的使用
2.3.5测量探针
测量探针可对电路中的任一点信号进行探测，可对电压和电流峰峰值、有效值、直流进行测量，还可以进行频率测量。
使用时比较方便，特别是在进行模拟电路设计时使用非常方便。
测量探针的使用如图2-23所示。
图2-23测量探针的使用
第三章电风扇控制电路设计方案
3.1电风扇控制电路框图
在电风扇控制电路中，外部按键共有四个控制按键分别是停止键、风速键、风种键和定时键。
电风扇停转时，所有指示灯都不亮，只有按“风速”键时才能启动电风扇，按其余键不能启动；其初始工作状态为“风速”处于弱挡。
“风种”处于“正常”位置，且相应的指示灯不亮，定时器处于非定时状态，即电风扇处于长时间连续运转状态。
电风扇启动后，按“风速”键可循环选择弱、中、强三种状态；按“风种”键可循环选择正常、自然、睡眠三种状态；按“定时”键可循环选择不定时、定时10分钟、定时20分钟、定时40分钟四种工作状态。
在电风扇任意工作状态下，按“停止”键，电风扇停止工作，所有指示灯灭。
控制电路框图如下附录三所示。
3.2电风扇风速控制
电风扇风速控制我们体现在输出信号不同，我们用三个不同的输出来表示电风扇的三种不同风速状态，这三个信号分别控制着对应三级管的导通和截至，从而改变接入线圈的电阻大小，改变磁场，来达到控制风速大小的目的。
在同一时间只有其中一个信号有效。
3.3电风扇风种控制
电风扇风种控制主要分为正常、自然、睡眠三种模式。
在正常模式下电风扇按正常状态进行工作，电风扇连续运行。
在自然模式下，电风扇模仿大自然状态下的风，本次设计为电风扇运转4秒后、停止4秒进行循环工作。
风的大小仍由风速控制，电风扇工作时间仍由定时功能控制。
在电风扇睡眠模式下，所需风量较小，电风扇工作8秒、停止8秒循环工作。
其风的大小仍由风速控制，电风扇工作时间仍由定时功能控制。
3.4电风扇定时控制
定时操作时我们需要进行10分钟、20分钟和40分钟的定时，这时我们可以通过由555定时器构成单稳态触发器来实现.
3.5电风扇停止控制
系统设有一个总开关，也就是停止键，按下“停止”键，就终止了电风扇各个功能模块的工作，使得电风扇停止运转，其它各功能也相继失效。
第四章功能模块
4.1电风扇控制部分外部硬件
用四个按扭来实现“风速”，“风种”，“定时”，“停止”的不同选择；
用九个发光二极管分别表示“风速”，“风种”，“定时”的三种状态；
图4-1电风扇控制部分外部硬件图
4.2风速控制
电风扇的四个外接按键设计为按钮,用74LS161计数器对按钮产生的脉冲信号进行计数，然后用74LS138将其译码为控制信号。
图4-2按钮接线图
当按钮被触发时会产生脉冲信号，如图4-3
图4-3按钮产生脉冲信号
然后74LS161对脉冲信号计数，设计时只用到了Qa，Qb端
Qa
Qb
图4-4
电风扇风速启动时是默认状态，然后在弱，中，强中循环控制。
图4-5
74LS138将74LS161的输出信号译码得到风速的控制信号，这里只用到译码器的低四位Y0，Y1，Y2，Y3。
Y0
Y1
Y2
Y3
图4-6译码器输出取反波形
电路启动前，所有芯片锁存，其中74LS138译码器低四位输出为1111，经过非门取反变为0000，这时电风扇不工作。
启动后38译码器输出为1110取反后为0001，电风扇开始工作，但指示灯不亮。
以后在弱，中，强中循环且相应指示灯亮。
图4-7风速运行状态图
4.3基本RS触发器
如图4-8所示
图4-8RS触发器
基本RS触发器特性表
输入
输出
说明
⎺R⎺S
Qn
Qn+1
11
11
0
1
0
1
复位与置位信号均无效，电路具有保持功能
11
01
⨯
0
复位有效，置位无效，电路具有置“0”功能
20
10
⨯
1
置位有效，复位无效，电路具有置“1”功能
10
00
⨯
⨯
复位和置位信号同时有效，输出Qn+1=⎺Qn+1=1，约束情况
图4-9启动停止电路
启动时，只能由风速键控制，启动信号和停止信号默认为高电平，上电复位信号使⎺Q端输出被初始化为低电平。
计数器在启动之前被清零，避免无用信号读入计数器和保证译码器处于无效状态。
只有当风速键按下时（S端接收风速按钮产生的负脉冲）⎺Q端由默认的低电平变为高电平，并一直保持，风速、风种、定时信号能写入计数器，计数器可以接收脉冲信号，同时74LS138和74LS161的使能端变为有效，74LS138输出取反后由0000的不工作状态变为0001的默认状态，电风扇开始连续的不定时弱挡运行。
停止时，同启动部分，当停止键被按下或者定时时间到时，对⎺Q端置低电平，使芯片停止工作，并对计数器清“0”，同时计数器清零端再次被清零，芯片使能端变为无效状态。
停止信号
启动停止控制信号
启动信号
图4-10电路启动停止信号
风速按钮第一次产生的脉冲信号与RS触发器⎺Q端输出的信号相与后，接入计数器的CLK端，计数器由无效状态清零，启动了系统。
计数器CLK信号输入
按钮信号
启动停止控制信号
图4-11风速按钮第一次按下时计数器清零为0000
4.4计数器
74LS161功能表
输入
输出
CP
⎺CR⎺LDEPETABCD
QAQBQCQD
⨯
↑
⨯
⨯
↑
↑
L⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯
HL⨯⨯ABCD
HHL⨯⨯⨯⨯⨯
HH⨯L⨯⨯⨯⨯
HHHH⨯⨯⨯⨯
HL⨯⨯LLLL
LLLL
ABCD
保持
保持
计数
LLLL
图4-1274LS161逻辑图
用预置法改变计数长度
设计中用到了三个74LS161和三个74LS138，对于风速，风种部分需要改变计数长度，计数器将从00（Qb，Qa）开始，计数值到达11时，下一状态预置为01（B，A），保证了初始状态只执行一次的目的。
图4-13风速，风种状态
定时部分则不用预置数，他需要四种状态
图4-14定时状态
4.5三八译码器
74LS138逻辑真值表
输入
输出
⎺E1⎺E2E3
CBA
⎺Y0⎺Y1⎺Y2⎺Y3⎺Y4⎺Y5⎺Y6⎺Y7
⨯⨯0
⨯⨯⨯
11111111
⨯1⨯
⨯⨯⨯
11111111
1⨯⨯
⨯⨯⨯
11111111
001
000
01111111
001
001
10111111
001
010
11011111
001
011
11101111
001
100
11110111
001
101
11111011
001
110
11111101
001
111
11111110
1
启动停止控制信号
图4-1574LS138逻辑图
按钮脉冲
图4-16计数译码电路
74LS161计数并转换为逻辑信号后，接在74LS138
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