南昌航空大学数电课设报告---电风扇逻辑控制电路设计.doc

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南昌航空大学数电课设报告---电风扇逻辑控制电路设计.doc

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家用电风扇控制逻辑设计

课程设计说明书

课程设计名称：

数字电路课程设计

课程设计题目：

家用电风扇控制逻辑设计

学院名称：

信息工程学院

专业：

电子信息科学与技术班级：

100432

学号：

10043203姓名：

方芳

评分：

教师：

陈琼

2012年11月6日

数字电路课程设计任务书

2012－2013学年第1学期　第6周－8周

题目

家用电风扇控制逻辑电路设计

内容及要求

基本要求：

（1）实现风速的强、中、弱控制（一个按钮控制，循环）；

（2）实现睡眠风、自然风、正常风三种风态（一个按钮控制，循环）；

（3）LED显示状态

提高要求：

（1）按键提示音；

（2）定时关机功能（以小时为单位）

主要参考元器件

74LS175、74LS00、74LS08、74LS151

进度安排

第六周:

①布置任务、查阅资料、设计方案并且仿真，给指导老师检查方案，确定方案是否可行；

②列出元件清单并领元器件；

③制作焊接。

第八周：

①周一周二调试电路板；

②周三验收。

学生姓名：

方芳、车彦男

指导时间：

6-8周

指导地点：

综合楼南509

任务下达

2012年9月29日

任务完成

2012年10月23日

考核方式

1.评阅√□2.答辩√□3.实际操作√□4.其它√□

指导教师

陈琼

系（部）主任

王忠华

注：

1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。

2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档

摘要

目前，电风扇已经成了普通百姓解暑必备家用电器。

电风扇核心部分是控制部分，具有一个创新设计的控制电路可以提供更加优质服务，让用户使用更舒心，而本文所描述的家用电风扇控制逻辑设计不仅能提供更人性化服务，而且它取代了过去的机械控制，使用方便。

它的设计理论可以针对不同需要就行修改，比如说家用电视机，但最典型的还是用于控制家用电风扇的工作状态。

本设计采用数字电子技术并用小规模集成电路实现，整个系统由脉冲触发电路、状态锁存电路、风态控制电路、定时电路等几大部分，用三个开关控制风速、风态及定时状态的循环，并分别用三个二极管作为状态指示灯，一个开关控制整个电路。

其中脉冲触发电路用单稳态和组合逻辑电路实现，状态锁存电路、定时电路状态设计核心由4D触发器74LS175实现，定时控制需要555单稳态电路实现。

本设计实现的控制电路能让电风扇在接通电源后按风速控制键是电路工作在“弱风”“正常风”状态，之后通过风速、风态和定时三个按键分别控制电风扇工作状态，并有相应指示灯亮，而且每次有效操作反馈电路都会有提示。

本文仅从电路硬件出发，将系统地分析每一功能的实现过程，具有一定的应用参考价值，可以为其他控制电路的研究设计奠定基础。

关键词：

风速控制、风态选择、定时控制、555单脉冲

前言 1

第一章家用电风扇控制逻辑电路设计要求 2

第二章设计方案及系统设计概述 3

2.1设计方案 3

2.2系统组成 3

2.3工作原理 4

第三章电路设计 6

3.1状态锁存电路 6

3.1.1风速状态锁存电路 6

3.1.2风态状态锁存电路 8

3.1.3时间状态锁存器电路 10

3.2脉冲触发电路 11

3.3风态控制电路 14

3.4定时电路的设计 16

3.4.1555定时电路 16

3.4.2定时控制电路 17

3.5风扇控制电路 18

3.6按键反馈电路 19

第四章制作、调试、结果分析 20

4.1制作部分 20

4.2系统调试 21

4.3结果分析 21

第五章总结与展望 22

参考文献 23

附录一元器件清单 24

附录二芯片引脚图汇总 25

前言

随着电风扇的广泛普及，人们对其数量有极大需求的同时，对风扇的要求也随着社会的发展越来越高，这就促进研究设计人员对风扇产品的不断研发改进，使其设计更加人性化甚至智能化，以提高竞争力。

家用电风扇控制逻辑设计就是针对如何提高风扇人性化服务这个问题而做的。

家用电风扇初期设计是用发条驱动的机械风扇及靠发条涡轮启动用齿轮链条装置传动的机械风扇，之后在1880年美国人舒乐首次将叶片直接装在电动机上，诞生了世界上第一台电风扇。

随着科学技术的不断发展，出现了多种新颖独特的电风扇，例如时空、声控电风扇及采用远红外线加热器和负离子发生器使得四季都能使用的电风扇等。

而电风扇控制系统也用电子控制线路代替了最初的机械控制，逻辑电路设计采用数字电子技术，有些控制系统采用EDA方法、FADEC控制技术等软件设计控制方法。

这是一个硬件设计朝软件设计方向发展趋势，使得控制技术越来越精确和智能化，更能满足用户日益增长使用要求。

由于所学理论知识和学校所提供器件都有限，本次设计只能采用数字电子技术完成。

虽然采用的是最基本电子技术，但所设计出的家用电风扇控制系统功能多，而且很人性化，有一定的应用前景，它的分析设计思路仍值得学习和研究。

第一章家用电风扇控制逻辑电路设计要求

设计内容及要求

⑴基本要求：

①实现风速的强、中、弱控制（一个按钮控制，循环）；

用一个按键作为风速开关，当风扇停止状态时，按下按键，风扇启动并处于“弱风”、“正常风”的工作状态，依次按键，风速按“弱”→“中”→“强”→“弱”状态循环变换，风态保持“正常风”。

②实现睡眠风、自然风、正常风三种风态（一个按钮控制，循环）；

用一个按键作为风态开关，只有当风扇启动后，依次按下按键，风态按“正常风”→“自然风”→“睡眠风”→“自然风”状态循环变换。

其中“正常风”是指风扇连续运转，产生持久风，“自然风”是指风扇工作四秒停止四秒，产生阵风，“睡眠风”是指风扇工作八秒停止八秒，产生微风。

③LED显示状态。

各用三个发光二极管表示风扇的风速、风态、定时工作状态，用一个置于按键反馈电路中。

④实现停止功能

用一个按键作为风扇的总开关，使得风扇在任何状态下，只要按下按键开关都能让风扇停止工作。

⑵提高要求：

①按键提示音；

用蜂鸣器、发光二极管做一个按键反馈电路，若每次按键使能电路输入信号，则蜂鸣器发出提示音并且二极管亮。

②定时关机功能，以小时为单位。

定时电路由555定时电路完成。

第二章设计方案及系统设计概述

2.1设计方案

根据参考原理框图，电路分成状态锁存电路、触发脉冲电路、风种控制电路三大部分，主要参考元件有四与非门74LS00、4D触发器74LS175、八选一数据选择器74LS151、四与门74LS08。

通过仿真，发现该方案能实现风速、风态控制基本要求，但时间过程中，发现不能用开关来做脉冲触发，容易产生抖动，使得风速、风种控制没有分开，当按“风速”键时，风速状态不会循环，反而风态循环并且周期是风速脉冲的2倍，指示灯现象不稳定，杂乱无章，无法实现功能。

同时电路之中缺乏定时部分电路及按键提示音的设计。

改进：

用555多谐振荡器做一个秒脉冲电路或者单脉冲发生电路代替开关产生脉冲，再增加定时电路和按键反馈电路即可实现所有功能，原理框图如图2-1所示。

图2-1电风扇控制原理框图

2.2系统组成

本次设计需要设计一个具有自由选择“风速”、“风态”、“定时”三种功能和按键反馈功能的家用电风扇控制逻辑电路，因此本系统是由脉冲触发电路、状态锁存电路、风种控制电路、555定时电路、按键反馈电路和电风扇控制电路。

利用按键控制单脉冲发生电路或者秒脉冲电路产生脉冲来控制电风扇的工作状态，并由按键反馈电路中蜂鸣器和发光二极管判断电路是否有效，其余九个二极管表示出风扇的各种状态。

1、脉冲触发电路

由于用开关做脉冲发生电路时，容易有抖动使得原本独立工作的风速风态控制会相互干扰，两者状态相互影响且不稳定。

用消抖的单脉冲发生电路或者秒脉冲电路就可以克服困难。

2、状态锁存电路

“风速”、“风种”和“定时”的状态锁存电路都是用4D触发器74LS175组成，并且Q0、Q1、Q2接二极管作为状态指示灯，三个芯片的清零端与开关K4相连，只要拨动开关使得清零端接地，所有74LS175状态清零，达到“停止”按钮的效果。

3、风种控制电路

利用八选一数据选择器74LS175作为“风种”控制器，地址输入端A、B、C分别输入由“风种”状态锁存电路中74LS175输出的“正常风”、“自然风”、“睡眠风”三种状态信号。

“自然风”可用555多谐振荡电路产生，再经过二分频后可产生睡眠风。

只要将三种风态输入74LS175相应的数据通道，就可根据输入信号选择出相应风态。

4、555定时电路

用555单稳态电路课实现定时关机功能，只需根据不同定时需求设置不同的参数，定时信号再经过定时控制部分电路传送给风速控制电路。

5、按键反馈电路

当很多信号输入后在短时间内可能不易表现出，或者当一些指示灯损坏后不能看到直观效果，就很难判断是否输入了有用信号，所以就需要一个按键反馈电路，对每一次的按键操作进行提示。

6、风扇控制电路

将选出的“风速”、“风态”、“定时”三种状态信号组合在一起输入风扇电机，使其工作在用户所需状态。

2.3工作原理

电路由单脉冲发生电路产生单脉冲，通过状态锁存电路处理后，由六个发光二极管发光显示所控制的状态。

再由555单稳态定时电路控制风速、风态所需要的工作时间。

按键开关K1控制风速的三种状态，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，工作原理图如图2-2所示。

图2-2工作原理图

电路处于停止工作状态时，所有指示灯不亮。

只有按“风速”键K1，风扇才会启动，并且风扇初始工作状态为“风速”处于“弱风”档，风种处于“自然风”档，“定时”功能不启动，并且相应指示灯亮。

一旦风扇启动后，依次按“风速”键K1可循环选择弱、中、强三种风速之一，依次按“风态”键K2可循环选择正常风、自然风、睡眠风三种风态之一，依次按“定时”键K3可循环选择非定时、1小时、2小时、四小时中任何一种定时状态。

K1、K2、K3相互独立工作，相互之间不会影响。

在风扇任意组合工作状态下，只要按“停止键”K4，风扇就会停止工作，同时所有指示灯灭。

工作期间，每次按键操作，反馈电路都会有提示。

第三章电路设计

家用电风扇控制逻辑设计原理电路图有些复杂，必须将其分为以下几个模块单元进行设计，不仅降低设计难度，而且便于调试，单元电路设计如下：

3.1状态锁存电路

“风速”、“风态”都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。

3.1.1风速状态锁存电路

⑴风速（Q2Q1Q0）状态图见图3-1-1所示：

图3-1-1风速状态图

⑵由图3-1-1可得如表3-1-1所示的风速转换状态真值表：

表3-1-1风速转换状态真值表

Q2n

Q1n

Q0n

Q2n+1

Q1n+1

Q0n+1

功能

停止→弱

弱→中

中→强

未用

强→弱

未用

⑶根据表3-1-1可得到Qn+1的次态卡诺图如图3-1-2所示:

的卡诺图的卡诺图的卡诺图

图3-1-2Qn+1的次态卡诺图

由图3-1-2求出Qn+1表达式如式3-1-1：

Q0n+1=Q1nQ0n

次态方程Q1n+1=Q0n（3-1-1式）

Q2n+1=Q1n

⑷驱动方程

若选用D触发器来实现电路，则其驱动方程见式3-1-2：

D0=Q1nQ0n

D1=Q0n（3-1-2式）

D2=Q1n

⑸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风速状态锁存器原理电路

3.1.2风态状态锁存电路

⑴风态三个设计状态与风速三个设计状态一致，状态图如图3-1-4。

图3-1-4风速状态图

⑵真值表如表3-1-2所示：

表3-1-2风速真值表

Q2n

Q1n

Q0n

Q2n+1

Q1n+1

Q0n+1

功能

停止→正常

正常→自然

自然→睡眠

未用

睡眠→正常

未用

⑶Qn+1的次态卡诺图如图3-1-5所示：

的卡诺图的卡诺图的卡诺图

图3-1-5Qn+1的次态卡诺图

由图3-1-1（c）求出Qn+1表达式如式3-1-3：

Q0n+1=Q1nQ0n

次态方程Q1n+1=Q0n（3-1-3式）

Q2n+1=Q1n

⑷驱动方程

若选用D触发器来实现电路，则其驱动方程见式3-1-4：

D0=Q1nQ0n

D1=Q0n（3-1-4式）

D2=Q1n

⑸用D触发器实现风速状态锁存器的原理性逻辑图如图3-1-6所示，电路采用同步时钟CP控制。

图3-1-6风速状态锁存器原理电路

3.1.3时间状态锁存器电路

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。

⑴定时器状态转换图如图3-1-7所示。

2小时

010

1小时

001

非定时

000

4小时

100

图3-1-7定时器的状态转换图

⑵由图3-1-3（a）可得时间锁存器的状态转换真值表如表3-1-3所示：

表3-1-3时间锁存器的状态转换真值表

Q2n

Q1n

Q0n

Q2n+1

Q1n+1

Q0n+1

定时

1小时

2小时

4小时

未用

非定时

未用

⑶根据表可得到Qn+1的次态卡诺图如图3-1-8所示。

的卡诺图的卡诺图的卡诺图

图3-1-8Qn+1的次态卡诺图

⑷由图3-1-8求出Qn+1表达式如式3-1-5。

Q2n+1=Q1n

Q1n+1=Q0n（3-1-3.1）

Q0n+1=Q2nQ1nQ0n

⑸驱动方程

若选用D触发器来实现电路，则其驱动方程见式3-1-3.2。

D2=Q1n

D1=Q0n（3-1-5）

D0=Q2nQ1nQ0n

⑹用D触发器实现风种状态锁存器的原理性逻辑图如图3-1-8所示，电路采用同步时钟CP控制。

图3-1-8定时状态锁存器原理电路

3.2脉冲触发电路

状态锁存电路的输出信号状态随着触发脉冲而变化。

设定按键按下为“1”，不按为“0”。

在风速状态锁存电路中，由“风速”按键K1所产生的脉冲信号作为D触发器的触发脉冲。

在定时状态锁存电路中，由“定时”按键K3所产生的脉冲信号做为D的触发脉冲。

而风种状态锁存器电路的触发脉冲CP则应由“风速”K1、“风种”K2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、K2及ST的关系见下表3-2-1。

表3-2-1CP状态真值表

由此可以得出式3-2-1：

（3-2-1）

在电路中，只有“风速”按键K1才能控制ST的变化，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。

表3-2-2ST信号状态真值表

强（Q2）

中（Q1）

弱（Q0）

未用

由表可知，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：

（3-2-2）

将3-2-2式代入3-2-1式，最终得到“风种”状态锁存器的触发脉冲CP的逻辑表达式：

（3-2-3）

下面，我们根据3-2-3式绘出CP脉冲电路见图3-2-3。

图3-2-3CP脉冲电路

图3-2-4为CP的波形图：

图3-2-4CP的波形图

风速K1、风态K2、定时K3的脉冲由单脉冲发生电路或秒脉冲电路，如图3-2-5为单稳态发生电路，图3-2-6为秒脉冲电路。

3-2-5单脉冲发生电路图3-2-6秒脉冲电路

3.3风态控制电路

自然风是运转4秒停止4秒，可设计一个555多谐振荡产生一个周期近似约8秒的方波，再经过二分频后又可以得到一个周期近似16秒的方波，可实现睡眠风。

自然风实现电路图如图3-3-1。

图3-3-1自然风实现电路

它的脉冲周期计算如式3-3-1，将这个脉冲直接接入电机控制端就可以实现电风扇“自然”状态下的运转。

（3-3-1）

自然风信号经过二分频电路（如图3-3-2）后得到睡眠风。

图3-3-2二分频电路

图3-3-3所示为“风态”三种工作方式波形图：

图3-3-3风态波形图

三种风态脉冲信号已设计好了，接下来需要设计一个风种脉冲ＣＰ来选择输出的到底是哪一个风态了。

由于风态有三个，所以可用一个具有三个地址选择端的八选一数据选择器来实现。

八选一数据选择器的真值表如表3-3-1所示：

表3-3-1真值表

Ｇ

Ｃ

Ｂ

Ａ

Ｙ

Ｗ

１

０

１

０

１

０

１

０

１

０

１

０

１

０

１

０

１

０

１

地址端A、B、C按二进制译码，从8个输入数据D0～D7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A、B、C状态如何，均无输出（Q＝0，＝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、A1、A0的状态选择D0～D7中某一个通道的数据输送到输出端Q。

如：

CBA＝000，则选择D0数据到输出端，即Q＝D0。

如：

CBA＝001，则选择D1数据到输出端,即Q＝D1，其余类推。

输出表达试：

W=D0（）+D1（）+D2（）+D3（）+D4（）+D5（）+D6（）+D7（）（3-3-2）

图3-3-4所示为八选一数据选择器选择输出风种脉冲的示意图：

图3-3-4选择输出风种脉冲

3.4定时电路的设计

定时电路除了状态锁存电路外，还需要设计出定时电路及定时控制电路，这样才能将定时信号输入风扇控制电路驱动风扇电机按照用户需求工作。

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