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09325312电风扇接收电路设计
第一章绪论
1.1设计要求
设计一个家用电风扇接收控制电路
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。
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。
第二章电风扇接收控制电路设计方案
3.1电风扇接收控制电路框图
工作原理及组成部分:
红外接收部分包括光电转换放大器、解调、解码电路。
(1)CPU板将单片机、控制、键盘组合在一起完成了人机对话。
用AT89C51单片机来作主芯片控制,采用红外T1838接收头,用双向可控硅MC97A6控制电机档位,具有红外遥控功能。
(2)电源部分:
交流220V经变压器降压为2×8V,全波整流后再由三端稳压器LM7805稳压,供给控制板。
(3)电风扇控制板框图
(图1)电风扇控制板框图
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。
(图2)电机引线图
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。
自然风的处理流程:
(图3)自然风的循环图
睡眠风的处理流程:
(图4)自然风的循环图
正常风的处理流程:
(图5)正常风循环
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。
引出脉冲信号
按钮
R
Vcc
当按钮被触发时会产生脉冲信号,然后74LS161对脉冲信号计数,设计时只用到了Qa,Qb端
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4-2
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。
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4-3风速运行状态图
4.3基本RS触发器
如图4-8所示
S
R
Q
Q
&
&
图4-4RS触发器
启动停止控制信号
按钮启动信号
上电复位信号
定时停止信号
按钮停止信号
图4-5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。
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。
4.4计数器
CT=0
M2
M1
G3
G4
RD
LD
ET
EP
CP
A
B
C
D
RCO
Qa
Qb
Qc
Qd
图4-674LS161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4-7风速,风种状态
定时部分则不用预置数,他需要四种状态
图4-8定时状态
4.5三八译码器
1
14
2
Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y7
E1
E2
E3
A
BC
13
12
11
10
9
8
7
3
4
5
6
74LS161计数并转换为逻辑信号后,接在74LS138的低两位(B,A)上,经过译码后取Y3,Y2,Y1,Y0信号分别取反后作为控制信号。
中
弱
强
图4-17风速处理电路
图4-18风速运行状态图
风速控制给出三条控制线,为弱,中,强信号线,分别接上发光二极管。
它们都是高电平有效,作为控制电路的驱动信号,与风种和定时信号共同控制电机的运行状态。
默认状态
正常
自然
睡眠
风种输出
图4-19风种处理电路
默认状态和正常状态都是输出高电平,经过74LS32D或门后直接送到风种输出,而自然状态时启动555多谐振荡器,睡眠时也启动555定时器并且经过D触发器分频,将他们的输出经过或门后送到风种输出。
图4-20风种运行状态图
风种也有三条控制线,把默认信号加入正常信号中去。
定时有四条控制线,但只在10分钟,20分钟,40分钟中加入发光二极管,它们与风速,风种共同作用。
弱风速控制信号
定时输出
风种输出
强风速输出
中风速输出
弱风速输出
强风速控制信号
中风速控制信号
图-22电风扇总输出驱动电路
4.6555多谐振荡器
555定时器外接基本的元器件R1,R2,C后,可以很方便地构成多谐振荡器,如图4-23
+VDD
RD
10nf
TR
TH
D
C
R2
R1
5
1
2
6
7
8
4
3
U0
OUT
图4-23555多谐振荡器
通过555定时器构成的多谐振荡器可以实现电风扇风种中正常,自然,睡眠的设定:
正常:
电风扇连续运行,此时不需要启动多谐振荡器,只需要给高电平信号(有效信号);
自然:
电风扇工作4秒,停止4秒,如此循环,用多谐振荡器产生一个周期8秒占空比50%的方波(4秒高电平,4秒低电平);
睡眠:
电风扇工作8秒,停止8秒,循环,用D触发器对多谐振荡器进行二分频(8秒高电平,8秒低电平);
振荡周期:
555定时器在产生矩形脉冲的过程中,高电平持续的时间是电容电压
从1/3VDD充电到2/3VDD所需要的时间t1,而低电平持续的时间是电容电压
从2/3VDD放电到1/3VDD所需要的时间t2。
故振荡周期T为:
T=t1+t2;
T=(R1+R2)Cln[(VDD-1/3VDD)/(VDD-2/3VDD)]+R2Cln[2/3VDD/(1/3VDD)];
T=0.7(R1+2R2)C;占空比q为:
q=t1/T;
q=0.7(R1+R2)C/(0.7(R1+2R2)C);
q=(R1+R2)/(R1+2R2);
自然时:
T=8s,R1=5.7MΩ,R2=28KΩ,C=10nF;
睡眠时:
为了节约材料,直接对多谐振荡器进行二分频即可,如图4-24
D触发器分频波形输出
555多谐振荡器波形输出
图4-24D触发器构成的二分频
D触发器的U0端接在555多谐振荡器的输出端进行二分频,再由Q端输出
4.7555单稳态触发器
由555定时器构成单稳态触发器
555定时器外接基本的元器件R,C后,可以很方便的构成单稳态触发器,如图4-26所示
8
7
6
5
4
3
2
1
TR
TH
D
RD
10nf
OUT
U0
C
R
Ui
+VDD
555
图4-26555单稳态触发器
对于电风扇的定时系统部分由单稳态触发器充当,用三个单稳态触发器分别定时10分钟,20分钟,40分钟。
暂稳态时间:
tw=RCln((VDD-0)/(VDD-2/3VDD))=1.1RC
10分钟:
R=545MΩ,C=1μF;
20分钟:
R=545MΩ,C=2μF;
40分钟:
R=545MΩ,C=4μF;
图4-27555定时电路
在设计555单稳态触发器时,希望信号连续,在定时10分钟内可以切换到定时20分钟,在定时20分钟内可以切换到定时40分钟。
在定时和定时切换期间希望电平一直为高,保证停止时能给稳定的信号。
这里将555的RST和TRI端接在一起,作为控制555的触发信号。
他们在低电平变为高电平时启动定时,再变为低电平时停止定时。
在电路启动前,38译码器锁存,低四位Y3Y2Y1Y0输出为1111,这时555都还不能定时,当电路启动后,38译码器输出1110,电路处于不定时状态,第一次按下定时按钮后,38译码器输出为1101,Y0端由“0”变为“1”启动了10分钟定时,在10分钟内按下第二次按钮后38译码器输出1011,这时Y0和Y1相与的信号由“0”变为“1”启动20分钟定时,这时10分钟定时时间还未到,10分钟还将继续定时,保证定时输出在定时的时候电平一直为“1”,在20分钟定时时间内,按下第三次按钮,38译码器输出为0111,这时Y0,Y1,Y2相与的信号由“0”变为“1”启动40分钟定时,这时20分钟定时还没停止,定时输出一直为“1”,如果在定时时间内按第四次按钮,将停止定时,这时无论10分钟、20分钟还是40分钟定时是否到,都将停止。
4.8停止处理电路
电路中另外一个D触发器用于将定时到的信号转换为停止信号。
将10分钟,20分钟,40分钟信号相或并且取反后作为D触发器的时钟CLK端,然后将非定时状态作为D的输入端,要靠定时来停止电路必须满足两个条件:
一,D端为低电平,即电路是处于定时状态时;
二,必须是定时到时,产生上升沿。
Qn+1=D(CP),Q由“1”变为“0”。
但是我们需要的是负脉冲,这样才能避免下次启动时,RS触发器的Q端一直被置“0”,所以在D触发器后面加了信号变换电路。
Q端输出波形
Q端输出波形
Q端经过电容充电后波形
定时停止信号
图4-30定时停止电路
图中用了两个电阻和一个电容进行充放电,利用电容充电需要时间,来使D触发器的Q端输出延迟一段时间,然后和Q端相或产生需要的负脉冲(定时停止信号)。
4.9上电复位电路
电路在启动时不会马上工作,因为RS触发器初始时Q输出为“0”,计数器、译码器被锁存,为了实现这个目的设计了上电复位电路,模拟电路上电时对RS的初始化,如图4-33所示。
开关的作用是模拟电路的通断电,开关打开相当于没通电,开关闭合相当于电路通电。
在电路上电前,电容没有充电,上电复位信号为“0”。
通电后,所有芯片得电,电容开始充电,这时复位信号仍为“0”,输入到RS触发器的R端,对输出Q置0,完成初始化。
复位信号在等待数毫秒后变为“1”,保证了初始化后不会影响电路。
上电复位信号
图4-33上电复位电路
4.10电路图
(图11)电风扇接收控制板电路原理图
5.软件设计:
(1)红外遥控输入在P3.2(INT0),面板按键P3.3(INT1)。
(2)遥控的解码过程:
(图12)编码
(图13)数据帧图形
单片机收到一个中断后,开始计数, 然后在主程序有一个判断子程序,首先判断是否>8MS,是否有高电平,再判断是否>4MS的低电平,然后再判断是否是0或1,循环32次完成,32个码的接收和存储。
(3)程序流程图:
(图14)控制板主程序流程
(图15)键值处理流程
致谢
经过紧张激烈的几个月努力,毕业设计也画上了句号。
虽然结果不能尽善尽美,但是这对于我们来说已经是不错的成绩。
在唐红老师耐心教导和敦促下,我们的设计在缓慢而稳步的进行着。
在此,衷心感谢唐老师的关心和付出。
也正是唐老师的敬业精神时刻感动着我们,我和同组的黎瑶和宋书英同学一起奋战,一起努力,面临难题,不断思考、分析、解决,最后终于达到预期要求。
也要感谢学校给我们这个平台让我们实现人生的第一步。
此番毕业设计综合了很多数电知识,让我们从课本延伸到电脑仿真,这是极不寻常的第一步。
以前都只做做专周,没有这么贴近生活,更没有这么系统化和复杂化。
同时同学间的互相帮助和团结精神也非常重要,我不是一个人在战斗,而是一个团队在发挥着凝聚的力量。
所以要感谢他们在设计中给我的支持和帮助。
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附录一电风扇控制电路原理框图
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