1、家用电风扇控制电路设计报告 家用电风扇控制电路设计报告 一.设计任务和要求(2) 二.设计的方案的选择与论证(3) 三.电路设计计算与分析(4) 四.总结及心得(19) 五.附录(20) 六.参考文献(21) 1 一.设计的任务和要求 【设计任务】 1.实现电风扇风速强、中、弱控制（一个钮控制循环）： 使用一个“风速”按键来循环控制风速的变化。当电风扇出于停止状态时按下该键，风扇启动并出于弱风、正常风状态，风扇启动后，依次按下“风速”键，风速按着“弱中强弱”依次变换。 2.实现自然风、正常风两种风态（一个钮控制循环）： 使用一个“风种”按键来循环控制风种的选择。当风扇处于停止状态时按下该键风扇
2、不能启动，当风扇处于工作状态时，依次按下“风种”键，风速随着“正常风自然风正常风”的状态变化。 3.LED显示状态： 用8个LED灯来显示“风速”、“风钟”、“定时”的各种工作状态。 4.定时关机功能（以小时为单位）： 用555定时器构成单稳态触发器来实现电路的定时控制，改变电路本身的参数即改变电路暂稳态维持时间的长短，从而实现不同时长的定时。 【设计要求】 1.完成电路的理论设计 2.参数的计算和有关器件的选择 3.对电路进行仿真 4.撰写设计报告书一份：A3图纸至少一张。报告书要求写明以下主要内容： .总体方案的选择与设计 .各个单元电路的选择和设计 .仿真过程的实现 2 二.设计的方案的
3、选择与论证 【方案一】 本方案的电路包括五部分：.状态锁存电路，.触发脉冲电路，.风速控制电路，.风种控制电路，.单稳态定时电路。 本方案基本实现了风速、风种及开关六种状态的控制，但是还存在一些问题。风速、风种的控制没有很好的分开。当风速循环控制一次时，风种状态会跟着变化一次。风速、风种或定时有时按下按键时，会产生不稳定的单次脉冲，致使状态不能有规律的进行变化。这是必须进行改进的。 【方案二】 本方案是对方案一进行改进，修正之后得到的。本电路包括六个部分：.状态锁存电路，.触发脉冲电路，.风速控制电路，.风种控制电路，.单稳态定时电路，.消抖电路。 本方案比较完美的实现了设计要求。首先，风速、
4、风种的实现分别独立了，可以单独的实现。单次脉冲的产生更加稳定，能够较好的控制电路。将方案一和方案二进行比较，很明显应该选择方案二。 3 三.电路设计计算与分析 本设计中，家用电风扇控制逻辑电路在控制电风扇的工作方式时，主要依靠风速，风种，定时三个状态的改变来完成，而这三种状态均需要状态锁存器来保存其变化状态，再通过输入脉冲来改变它的状态。 对于三个状态，各用一个状态锁存器来保存相应的变化状态，下面我们将系统的对三个状态进行逻辑设计。 1.风速状态锁存器的设计 “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表示工作状态有效，0表示工
5、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： .状态图如图1.1所示: 010 001 中弱 停止100 强 000 风速状态转换图图1.1 4 所示的风速转换状态真1.1.由图1.1所示的风速状态转换图可以得到表 值表：nQ 2nQ 1n Q0n+1Q 2n+1Q 1n+1 Q0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
6、未用 1 1 1 未用 表1.1 风速转换状态真值表 n+1的次态卡诺图，如图1.2Q所示： 根据表.1.1可以得到n+1n+1n+1 QQQ012nnn 00 01 11 10 QQQ021 001 010 100 0 001 1 n+1 图1.2 的次态卡诺图Qn+1 ：求出.由图1.2Q1-1的表达式如（） nn n+1 Q Q= Q001n+1 n (1-1) 次态方程 Q= Q01n+1 n Q= Q12 5 .驱动方程： ）：若用D触发器来实现电路，则其驱动方程见（1-2 nn D = QQ001n （1-2驱动方程 ）D = Q01n QD = 12.用D触发器实现风速状态锁存器
7、原理性逻辑图如图1.3和图1.4所示，电路采用同步时钟CP控制。 图1.3 风速状态原理电路 15U11241Q1D351Q2D7122Q3D6132Q4D101113Q111163QCLR9154QCLK1410134Q1174LS175DU2A 74LS08D图1.4 风速状态原理电路图 2.风种状态锁存器设计 风种有两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 6 ，则表示停止状态。由此，可以考虑采用带有直接清零0效，当两个输出全为 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。: 所示状态图如
8、图2.1. 10自01正常 00 停止 2.1 风种状态转换图 图 . 由图2.1所示的风速状态转换图可以得到表2.1所示的风速转换状态真值表： n Q1nQ 0n+1Q 1n+1 Q0功能 0 0 0 1 停止 正常 0 1 1 0 正常 自然 1 0 0 1 自然 正常 1 1 未用 表2.1 风速转换状态真值表 n+1的次态卡诺图，如图2.2所示： .根据表2.1可以得到Qn+1n+1 QQ01nn 0 1 Q Q01 01 10 0 01 1 n+1 Q2.2 图的次态卡诺图 7 n+1 ：Q的表达式如（2-1）.由图1.2求出 nn+1 = QQ次态方程 00n+1 n = Q Q(
9、2-1) 01.驱动方程： 若用D触发器来实现电路，则其驱动方程见（1-2）： n （2-1） 驱动方程 D = Q00n Q D=01 .用D触发器实现风速状态锁存器原理电路如图2.3所示，电路采用同步时钟CP控制。 114U8111212312413123CL14CL14Q74LS175N 2.3 风种状态锁存器原理电路图 时间状态锁存器设计3.定时器也有三个工作状态，分别是1小时、2小时、3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，
10、这样将“停止”键与清零端相连就可以实现停止的功能。 8 .定时器状态转换图如图3.1所示： 001 0001小时 非定时 010 100 3小时2小时 图3.1定时器的状态转换图 .由图3.1可得时间锁存器的状态转换真值表如表3.1所示： nQ 2nQ 1n Q0n+1Q 2n+1Q 1n+1 Q0功能 0 0 0 0 0 1 1小时 0 0 1 0 1 0 2小时 0 1 0 1 0 0 3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 1 1 1 未用 表3.1 时间锁存器的状态转换真值表 9 n+1 3.2可得到.根据表3.1Q所示的次态卡诺图
11、如图 1n+1n+n+1 QQQ012 n00 01 11 Q 1 0 nn QQ012 001 U22241Q1D351Q2D7122Q3D6132Q4D103Q21111%VCC43OUTRSTDISTHRR1TRI287k1%CONR13GND44100451%555_VIRTUAL010 100 000 R2VDD5.76k 7088 5V47A1 0 1 n+1的次态卡诺图Q 图3.2 .由图2.8求出Qn+1表达式如（3-1） n+1n = QQ 12n+1n ） 次态方程 Q（= Q3-101 n+1 n nn Q QQ= Q0120 :驱动方程.若选用D触发器来实现电路，则其驱
12、动方程见（3-2）： n Q= D 12 n （3-2）= 驱动方程 DQ 01 nnn QQ = D Q0102 .用D触发器实现风种状态锁存器的原理性逻辑图如图3.3和图3.4所示，电路采用同步时钟CP控制。 10 定时状态锁存器原理电路图3.3 3QCLR915184QCLK144Q28202174LS175NU6A2274LS11N 图3.4 定时状态锁存器原理电路 4.触发脉冲形成电路风速和定时锁存电路的输出信号状态的变化依赖于各自的触发脉冲。在风触发器的触D速状态的锁存电路中，可以利用风速按键所产生的脉冲信号作为发脉冲。在定时状态的锁存电路中，可以利用定时按键所产生的脉冲信号做为
13、的触发脉冲。D则应由风速、风种按键的信号二者组合而而风种状态锁存器的触发脉冲CP 成。即先要有风速，然后才能实现风种的变换。 CP的逻辑表达式为： )CP=K(Q+Q+Q021为强、中、弱三种风速控制信号，这样即表达Q,Q,为风种按键，式中KQ021 11 了“先有风速，然后才能实现风种的变换”的意思。 5.风种模式的实现 系统要求最后设计的电风扇具有“正常”“自然”两种风种，在“正常”状态下电风扇持续转动，在“自然”状态下，电风扇转4s停4s。 .脉冲信号输出的实现过程如图5.1所示： VDD C1C510nF10F0 图5.1 脉冲信号输出电路 .这是一个由555定时器构成的多谢振荡电路，
14、它的脉冲周期计算如表达式（5-1）： 3-6=4.003s （5-110） 287)C=0.69T=0.69(R +2R(5.76+21010 21由于R2远大于R1，所以它将输出一个周期为8s的方波脉冲，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。 这样，我们就已经具备了实现了风种状态转换的两种脉冲信号，接下来.要做的就是通过风种脉冲来选择输出的到底是哪一个信号了。由于风种状态有两个，所以我们可以用一个具有三个地址选择端的八选一数据选择器来实现。把其中一个地址端接为高电平就行啦。 12 八选一数据选择器的真值表如表5.1所示：G VCCR4C B A Y W 1 1M1
15、% 88 0U11VCC A20 1 0 0 11300 4D03D12D2RSTDIS0 5Y6WOUTD 011977D 00 1160 01D315D414D513D6THRTRI1 D1D 10 520 511 12D711A10CONGND0 D 2D 20 47C40 C21 B9C7G1 555_VIRTUALD 3D 30 3.3mF1 VCC10nF00 74LS151N0 D 4D 40 IC=0V1 VCC0 01 D 5D 50 5V1 1 0 D 6D 60 1 1 1 D 7D 7表5.1 八选一数据选择器的真值表 选择控制端（地址端）为A、B、C，按二进制译码，从
16、8个输入数据DD70 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 G1时，不论A、B、C状态如何，均无输出（Q0，Q1），多路开关被禁止。使 能端G0时，多路开关正常工作，根据地址码A、A、A的状态选择DD中71200某一个通道的数据输送到输出端Q。如：CBA000，则选择D数据到输出端，0即QD。如：CBA001，则选择D数据到输出端,即QD，其余类推。 110输出表达式为： CCCCC）（）+D（D）+D（W= D（）+D（）+ABABBAABAB40231 CCC）（+D（D）+D（）ABABBA （5-2） 765 C=D=1，D=D=G=0,D=CP=1/8,
17、则 所以，令6745 W=AB+D( AB)=QQ+D( QQ) 161 006 正常 自然 由此得到如图5.2所示的风种方式控制电路： 13 5.2 图风种方式控制电路至此，风种脉冲的输出已经实现，也就是说，电风扇的风种状态的逻辑电路已经完成，同样，由于风速状态的实现只需要风速状态锁存器就可以实现， 所以风速状态的逻辑电路设计也已完成。 6.定时功能的实现具备定时功能的电风扇，自身应该具备时钟脉冲的输出功能，也就是说在 它内部，可以不依靠外界实现定时。定时器构成三个单稳态触发器，分别使其输出555在本设计中，我们应用小时的时钟脉冲，将定时锁存器的输出作为它的输入脉冲，小时，31小时，2555
18、所示为一个则可实现在不同的状态下输出不同时间段的定时脉冲。图6.1 小时的逻辑电路示意图：单稳态触发器构成的定时1 14 VCC 5V 6.1 555构成的单稳态触发器图 6-1）定时计算公式如下（ ） （6-1CR1?1.?1.1RC44W 小时。中的数据，可求的输出时间大约为1代入图6.1小时的单稳32小时，同理，通过改变电阻以及电容的值，可设计出定时 态触发器，从而完成三个不同时段的定时需求。完成定时电路后，将输入输出通过各类门电路的组合逻辑设计，可得出定 时控制的输出电路。 7.定时控制电路的实现2表定时Q=1小时；3时间状态锁存器在中已设计，已知Q=1表定时3.12、DWDW=1表示
19、1小时定时，分别用单稳态触发器输出的定时脉冲Q小时；210，其7.1Q、与DWQQ、之真值表如表DW实现，单稳态触发器输出脉冲DW201313 为接电机的控制信号：Y中 15 Q 2Q 1Q 0DW 3DW 2DW 1Y 功能 0 0 0 1 非定时 0 0 1 0 0 1 1 1小时 0 1 00 1 0 1 2小时 1 0 0 1 0 0 1 3小时 表7.1 DWDW与QQ关系真值表 2103.表7.1得到输出方程为： Y= QQQ + QDW + QDW+ QDW 3022 10121则定时控制电路的原理电路如图7.1所示： 118U18A74LS32N8687U16AU17A74LS
20、32N74LS32N84818385U14AU15AU12AU13A74LS08N74LS08N74LS27N74LS08N567077101288 76图7.1 定时控制原理电路 16 8.电风扇控制端的设计 综上，我们已经分版块的设计出了电风扇的风速，风种，定时，以及各种脉冲的输出部分，现在我们要做的是，把输出的风速，风种，定时功能进行整合，最终输出到电机，控制电机的转动。 这是一个简单的组合逻辑设计过程，相比上面的各部分设计来说，这个就显得很简单了，所以我们省去设计过程，只给出最后的逻辑电路如图8.1所示： R1012818205%R111294121%R121302051%U9AU19
21、AU20A74LS11N74LS11N1%74LS11N15869131 图8.1 电机控制端逻辑电路示意图 9.电机动机的接入方式 实验中，我们最终将接入一个5V的直流小风扇来充当电机。我们将应用三极管放大电路，将弱信号装换为电机的驱动电流，最终实现单转速单风种的小电扇到家用多功能电风扇的改装过程。 电动机的驱动电路如图9.1所示： 17 VCC 5VVCCS1MMOTORR101282820Q65%R111294121312N29241%0R12130205 9.1 电机驱动电路图 消抖电路10.利用电容两端的电压不能突变的特性，将其并联在机械触点两端，消除接触抖动产生的毛刺电压。按下按钮
22、开关，电容短路，快速放电，电容两端电压，电容两端RCRC充电电路，其时间常数为；开关弹回时，整个电路形成为0，保证开关不会出现高低变化情况，只是有VCC0.3电压为VC,控制电压低于 低到高，这样就防止抖动了，即起到了消抖的作用。 10.1所示消抖电路如图 16VCCJ30R7010kKey = AVCC5V5%C7 100nF 10.1 消抖电路图 18 四.总结及心得 这是一次比较系统的电路设计，是一次将理论与实践相结合的实践。其中包括了电路的设计，资料的查找，分析问题解决问题的能力，甚至还是对焊接技术及审美观念的一个考验。如果不能以一种认真的态度去面对这次实践，而只是简简单单的在书本之中
23、寻找到一个电路图，并将其简单的焊接起来。那就失去了本次电子课设的意义了。已经选择了电子信息工程这一个专业，那就没有任何的理由不去提高自己的动手能力了。 本次设计中给我最深的印象是：如何发现电路是存在抖动的问题，同时有应该如何的将其解决。在发现了发光二极管不能按照要求来循环点亮时，并确定电路原理没有任何问题时。我们提出是开关的抖动造成的，可是如何去验证它呢？我们抓住了问题的实质，既然开关是为了给电路提供秒脉冲信号。那就将开关直接断开，用函数信号发生器来提供秒脉冲信号。结果证实了我们的推断。接下来我们就有针对性的去解决问题了，就是去寻找资料去消抖。接下来的问题就迎刃而解了。任何电路的设计都不是只存
24、在一个电路。它是有各个小模块组成的，因而在电路的设计中就必须注意将电路模块化。这样才能有针对性的将问题解决。如果我们不将电路模块化，而只是一个劲的将电路连接好。只怕当我们连接完检查电路之时，我们自己都不知道从何处下手。同时，电路的连接或多或少的存在一些问题，很少在连接完成的时候，电路不存在任何的问题。在遇到问题时我们要做的是去分析问题解决问题，而不是气愤，埋怨。 虽然比较好的将电路完成了，但是还是发现存在一些问题。动手能力不够强，必须加强。必须培养分析问题和解决问题的能力，在电路设计中必须有替代的思想。在今后的学习中必须注意将理论与实践相结合，再好的理论，都必须由实践去证明。如果理论是鲜花，实
25、践是绿叶。我选择两者。 19 五.附录 序号 类型 型号 数量 1 芯片74LS05 1 2 74LS08 5 3 74LS11 4 4 74LS27 2 5 74LS32 3 6 74LS175 3 7 74LS151 1 8 555 4 9 电阻 1M1 10 2M1 11 3M 1 12 287k 1 13 10k4 14 5.76k1 15 820 1 16 4121 17 205 1 18 100 1 19 电容3.3mF 3 20 F 101 21 F 00n14 22 10nF 4 20 23 二极管发光二极管 8 24 三极管 2N2924 9 25 触发开关 4 26 电机1 元器件清单 管脚图 74LS32 管脚图74LS08 管脚图管脚图 74LS175 74LS151 .参考文献六1997 北京：高等教育出版社，.第四版.数字电子技术基础1.阎石.2010 北京：中国矿业大学出版社，.郭海文电器实验技术.第二版2.2007 北京：中国矿业大学出版社，电子设计自动化教程薛鹏骞，梁秀荣3. 21
