简易洗衣机控制电路的设计.docx
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简易洗衣机控制电路的设计
目录
1Proteus软件介绍1
2设计思路2
3整体设计框图3
4单元电路设计4
4.1集成芯片4
4.21HZ秒脉冲产生电路5
4.3递减计数器与时间显示电路6
4.4洗涤时间设置电路8
4.5工作状态显示电路9
4.6控制开关电路11
5整体电路图12
6调试与结果分析13
6.1电路调试与改进.............................................13
6.2仿真结果分析..............................................13
7元器件清单14
8心得体会15
9参考文献16
1Proteus软件介绍
Proteus软件是英国LABCENTERELECTRONICS公司出版的EDA工具软件。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能,还能仿真单片机及外围器件。
它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件),从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真,一键切换到PCB设计,真正实现了从概念到产品的完整设计。
Proteus软件具有4大功能模块:
智能原理图设计、完善的电路仿真功能、独特的单片机协同仿真功能、实用的PCB设计平台。
由于Proteus软件界面直观、操作方便、仿真测试和分析功能强大,因此非常适合电子类课程的课堂教学和实践教学,是一种相当好的电子技术实训工具,同时也是学生和电子设计开发人员进行电路仿真分析的重要手段。
Proteus软件具有其它EDA工具软件(例:
multisim)的功能。
这些功能是:
(1)原理布图
(2)PCB自动或人工布线
(3)SPICE电路仿真
革命性的特点
(1)互动的电路仿真
用户甚至可以实时采用诸如RAM,ROM,键盘,马达,LED,LCD,AD/DA,部分SPI器件,部分IIC器件。
(2)仿真处理器及其外围电路
可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。
还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程,再配合显示及输出,能看到运行后输入输出的效果。
配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等,Proteus建立了完备的电子设计开发环境。
2设计思路
(1)显示模块:
首先洗衣机工作时间需要显示,所以我们需要一个显示模块。
并且,根据要求可知,洗衣机是先设置时间然后时间递减的,因此我们需要有递减功能的计数器。
结合学过的知识,我们采用可逆计数器CT74LS192实现计数功能。
计数器配合使用CT74LS48译码器还有数码管实现洗涤时间显示。
时间要求显示分秒,分两位显示,秒两位显示,配套四个数码管的需要四片CT74LS192和四片CT74LS48。
(2)定时:
对于洗衣机电机的工作顺序:
启动——>正转20s——>暂停10s——>反转20s——>暂停10s——>停止。
可知工作一圈是60s,且其呈现周期循环,需要设计一个定时器控制洗衣机电机的运转,我们可利用计数器的功能进行60s的计数,并利用洗衣机电机工作状态转换的时间来设置正转、暂停、反转。
(3)LED显示模拟工作状态:
LED1~LED4右移循环点亮表示正转,LED1~LED4左移循环点亮表示反转,LED1~LED4同时闪烁点亮表示暂停,全灭为停止。
根据学习的理论知识,循环移动我们首先想到的是移位寄存器CT74LS194,但是移位寄存器的循环左移还是循环右移,循环点亮和循环熄灭的设置非常复杂,在本次设计中最终没有成功利用它实现LED的控制,于是转换了思路,利用译码器和逻辑门电路构成了正转、暂停、反转的三种不同状态分别为01、00、10,同时利用这三种状态设计出计数器与逻辑门电路,完成了对与之对应的LED工作状态的控制电路。
(3)触发信号:
洗衣机的工作时间是以秒来显示的,因此需要有一个周期为一秒的脉冲信号触发计数器工作。
根据理论知识,用555定时器构成的多谐振荡器的电路结构能够产生矩形脉冲信号。
(4)设置时间:
要求洗涤时间从0-60分钟可以任意设置,则必须有外部手动控制端进行时间设置。
想到我们用的是CT74LS192可逆计数器,计数时只用到了减计数时钟端,因此可以利用加计数时钟端来实现洗涤时间的设置。
外部控制端:
我们需要启动键和停止键并且停止时,数码管要清零。
因此,停止键应该与计数器的清零端有联系。
设置好洗涤时间后,按启动键开始进行减计数,因此启动键与脉冲信号有联系,应该与产生秒脉冲的555定时器联系。
3整体设计框图
根据上述设计思路,我们分为了脉冲信号产生、洗涤时间显示、洗涤时间设置、LED显示工作状态、外部控制等几个模块,然后整合在一起形成了一个整体的工作框图,如图-3.1所示。
仿真过程:
首先启动仿真键,然后把电路的启动/暂停开关置于暂停,接下来清零,用户设置洗涤时间,并把启动/暂停开关打到启动,开始工作。
工作过程中,利用计数器秒计数的十位数值变换表示电机的工作状态,控制LED的显示与设计要求一致,时间减到零后,电机指示灯出现光报警,工作结束。
洗涤时间显示
电机工作状态指示灯
↑
1HZ脉冲产生
洗涤时间设置
分脉冲计数器
秒脉冲计数器
控制开关
时间译码器
LED工作控制
图-3.1洗衣机控制整体框图
4单元电路设计
4.1集成芯片
Proteus中CT74LS192、CT74LS137的逻辑功能图如图-4.1.1所示。
图-4.1.174LS192逻辑功能图图-4.1.274LS137逻辑功能图
输入
输出
MR
PL
UP
DN
D3
D2
D1
D0
Q3
Q2
Q1
Q0
1
×
×
×
×
×
×
×
0
0
0
0
0
0
×
×
d
c
b
a
d
c
b
a
0
1
↑
1
×
×
×
×
加计数
0
1
1
↑
×
×
×
×
减计数
表-4.1.174LS192功能表
输入
输出
是能输入
数码输入
Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y7
E1
E2
LE
A
B
C
*
*
1
*
*
*
1
1
1
1
1
1
1
1
0
*
*
*
*
*
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
0
0
1
0
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
0
0
*
*
*
锁存器中锁存的地址对应的输出端为0,其他输出端为1
表-4.1.274LS137功能表
4.21HZ秒脉冲产生电路
利用555定时器构成多谐振荡器,产生1HZ矩形脉冲信号,如图-4.2.1。
图-4.2.11HZ矩形脉冲信号产生电路
555定时器构成的多谐振荡器所输出的矩形脉冲信号的频率计算式为
故选定元件参数,R1=43K,R2=50K,C1=0.01uF,C2=10uF。
其中电容C2的作用是抗干扰。
4.3递减计数器与时间显示电路
六十进制分计数器和六十秒计数器的原理是一样的,不同的只是它们的输入脉冲和进制不同而已,我们用四片74LS192来实现分计数和秒计数功能,我们要的只是减计数,所以我们把它的UP端接到高电平上去,DOWN端接到秒脉冲上;十分秒位上的输入端D2、D3端接到高电平上,即从输入端置入0110(十进制的6),秒十位的置数端PL和借位端TCD连在一起,再把秒位的TCD端和十秒位的DN连在一起。
当秒脉冲从秒位的DN端输入的时候秒计数的74ls192开始从9减到0;这时,它的借位端TCD会发出一个低电平到秒十位的输入端DN,秒十位的计数从6变到5,一直到变为0;当高低位全为零的时候,秒十位的TCD发出一个低电平信号,DN为零时,置数端PL等于零,秒十位完成并行置数,下一个DN脉冲来到时,计数器进入下一个循环减计数工作中。
对于分计数来说,道理也是一样的;只是要求,当秒计数完成了,分可以自动减少,需要把秒十位的借位端TCD端接到分计数的DN端作为分计数的输入信号来实现秒从分计数上的借位。
当然,这些计数器工作,其中的清零端MR要处于低电平,置数端PL不置数时要处于高电平。
这是一个独立工作的最高可以显示60分钟的计时器。
把四个74LS192的QA/QB/QC/QD都接到外部的显示电路上就可以看到时间的显示了。
作为洗衣机控制器的一个模块,它还得有一定的接口来和其他的模块连接在一起协调工作,分计数的清零端LD是接在一起的;秒的清零端MR又是接在一起的,所以当要从外部把它们强制清零时,可以用一个三极管(NPN)或者两个或门就可以实现该功能。
还有我们可以利用分计数的UP端来进行外部置数,当把它们各接到一个低触发(平时保持高电平,外部给一个力就输入一个低电平)的脉冲上就可以实现从0-9的数字输入。
如此利用四片74LS192构成的递减计数器(包括秒脉冲计数器和分脉冲计数器)以及洗涤时间显示电路设计如下图-4.3.1所示。
图-4.3.1计时器显示工作电路
4.4洗涤时间设置电路
我们可以利用分计数的UP端来进行外部置数,当把它们各接到一个低触发(平时保持高电平,外部给一个力就输入一个低电平)的脉冲上就可以实现从0-9的数字输入。
因此设计出洗涤时间设置电路如下图-4.4.1,每次按动开关都将使洗涤时间的对应位(十位或者个位)增加1,最大增加至9,又由于所设置洗涤时间为60分内,故当我们对洗涤时间进行设置时,十位所置数小于6。
图-4.4.1洗涤时间设置电路
4.5工作状态显示电路
第一步:
分析洗衣机的工作状态,对于洗衣机电机的工作顺序有“启动——>正转20s——>暂停10s——>反转20s——>暂停10s——>停止...”,我们可以将三种工作状态假设为正转,暂停,反转依次设为01,00,10。
从而设计出合适电路如图-4.5.1所示。
图-4.5.1工作状态控制电路
第二步:
分析实验设计中要求用4个LED模拟洗衣机的动作状态:
LED1~LED4右移循环点亮表示正转,LED1~LED4左移循环点亮表示反转,LED1~LED4同时闪烁点亮表示暂停,全灭为停止,显然可以利用移位寄存器来设计,但是由于本次设计未能成功利用移位寄存器仿真而转换了思路,选择了利用正转、暂停、反转的三种不同状态分别为01、00、10,以1表示工作以0表示暂停从而分次序的完成设计。
首先,考虑到LED的连续循环点亮,可以想到控制LED一端电平的连续循环变化达到要求,又由于有4个LED,我们采用4进制计数器即可产生循环变化的4个数,这样我们可以利用译码器从而在4个输出端得到依次变化的低电平,如此,我们可以将LED另一端接高电平,从而实现循环点亮。
其次,考虑到存在正转和反转两种不同状态,我们需要改变译码器输入端的数字变化次序,如此分析四个数字变化规律,以及利用正反转表示状态的不同来设计出合适门电路。
在此次设计中,我们采用74LS192构成一个4进制减数计数器,同时利用正反停指示器1在正转时电平为0,反转时电平为1来构成合适门电路。
简略列出真值表如下表-4.5.1所示。
正反停指示器1
计数器输出
译码器输入端
0(正转)
11
11
0(正转)
10
10
0(正转)
01
01
0(正转)
00
00
1(反转)
11
00
1(反转)
10
01
1(反转)
01
10
1(反转)
00
11
表-4.5.1真值表
于是我们可以发现我们可以利用异或门电路来完成这一构想,从而实现出正转与反转两种状态下LED不同的循环状态。
最后,剩下的就是暂停状态的显示了。
先区分出暂停与工作状态的不同,利用上面设置的工作状态表示,我们可容易得到工作以1表示,暂停以0表示。
如此可利用这两种电平控制译码器的工作,容易得到工作时状态如上步分析,暂停时灯全部熄灭。
为使其能闪烁,我们可以考虑利用脉冲信号,工作状态的表示与门电路来设计。
综合上述分析,我们可以设计出LED控制电路如图-4.5.2所示。
图-4.5.2LED控制电路图
4.6控制开关电路
利用借位端由1变为0,作为JK触发器下降沿的脉冲,然后利用相应的门电路来控制计数器的清零端MR和DN端,从而达到控制计数器的要求。
为达到使计数器清零效果,利用复位开关人为的制造下降沿脉冲来控制JK触发器的工作,其中JK均置1,实现翻转效果。
利用工作开关控制多谐振荡器的电源输入,从而控制脉冲的产生,实现控制电路的目的。
如图-4.6.1所示。
设计中的报警系统是以蓝色LED灯作为洗衣机停止的报警灯,洗衣机停止工作时蓝色LED闪烁,此时可控制开关切断电源。
如图-4.6.2所示。
图-4.6.1控制开关电路图-4.6.2报警灯电路
5整体电路图
综合上面的原理,设计思路,以及每部分电路的设计,得到电路图如图-5.1。
图-5.1简易洗衣机控制电路
6调试与结果分析
6.1电路调试与改进
故障1:
工作状态控制电路中的A、B、C与U3的Q0、Q1、Q2顺序有误。
故障2:
时间电路的设定。
故障3:
若要控制1HZ脉冲的产生,则JK触发器的R端不应与VCC连接。
改进1:
LED的循环闪亮主要是改变译码器的输入端,正转时为输入顺序位A,反转时输入顺序应该相反,设置好4进制计数器,然后利用其输出端Q1、Q0的变化规律列出真值表,求出所需门电路。
改进2:
利用计数器UP特性,为其可控置入低电平以改变十分位和个分位的显示。
改进3:
利用开关控制555的电源输入,从而控制脉冲信号的产生。
6.2仿真结果分析
控制开关SW3控制电路的启动、停止工作,当SW3拨向高电位时,电路接通,正常工作;当SW3拨向低电位时,电路未接通电源,停止工作。
两个置数按钮可以控制洗涤时间的设置,每按动一次设置按钮,出现一次时钟脉冲信号,计数器加1,从而冲洗涤时间在0-60分钟内任意设定。
复位开关控制显示器的清零。
计时器部分属于递减计数,实现倒计时功能,当时间减至00时,最高位计数器U1的TCD输出0,经非门电路后产生高电位使LED5亮,实现了报警功能。
译码器和逻辑门电路产生01、00、10三种不同状态控制洗衣机正转、暂停、反转。
若设置一个50s周期内,前20sLED1~LED4红灯右移点亮,表示正转;10sLED1~LED4同时闪烁点亮,表示暂停;后20sLED1~LED4红灯左移点亮,表示反转,时间减到0时4个灯全灭,表示停止。
7元器件清单
Category
Quantity
Reference
Value,
OrderCode
Resistors
1
R1
43k
M100K
Resistors
2
R2,R3
50k
M100K
Resistors
2
R4,R5
100k
M100K
Capacitors
1
C1
0.01u
MaplinVM87U
Capacitors
1
C2
10u
MaplinVM87U
IntegratedCircuits
5
U1-U4,U18
74LS192
IntegratedCircuits
4
U5-U8
74LS48
IntegratedCircuits
1
U9
555
IntegratedCircuits
2
U10,U11
74LS00
IntegratedCircuits
1
U12
4027
IntegratedCircuits
2
U13,U15
74LS137
IntegratedCircuits
1
U14
74LS08
IntegratedCircuits
1
U16
74LS32
IntegratedCircuits
1
U17
74LS86
IntegratedCircuits
1
U19
NOT
Diodes
4
D1-D4
LED-RED
Diodes
1
D5
LED-BLUE
Miscellaneous
1
SW3
SW-SPDT
8心得体会
9参考文献
[1]伍时和,吴友宇,凌玲.数字电子技术基础[M].北京:
清华出版社,2009.
[2]康华光,陈大钦.电子技术基础数字部分(第四版)[M].北京:
高等教育出版社,2004.
[3]张文涛,吴建春.PROTEUS仿真软件应用[M].武汉:
华中科技大学出版社,2010
[4]张丽华,刘勤勤.数字电子技术基础仿真实验[M].西安:
电子科技大学出版社,2008.
[5]罗中华,曾清生.数字电路与逻辑设计[M].北京:
清华大学出版社,2004.
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