课程设计--简易洗衣机控制器.doc

西华大学课程设计说明书 简易洗衣机控制器摘要：本设计是基于数字电路定时器的洗衣机简易控制电路。通过预置洗衣机的洗涤时间来自动的正反转和暂停，并且用不同的指示灯来表示洗衣机的正反暂停三状态。当到达定时时间后，会自动报警，发出蜂鸣声。同时，用两位数码管来显示预置时间和洗涤剩余时间。电路主要分为显示电路、秒脉冲发生电路、计时电路、报警状态电路和洗衣机正反转控制电路。显示电路使用的是两个单位的共阴极八段数码管，使用两片CD4511作为数码管译码芯片。秒脉冲发生电路采用了使用成熟广泛的555定时器芯片，产生秒信号，作为各芯片的时钟信号。计时电路使用的是四片十进制可逆计数器74LS192芯片，分别设计为十进制和六进制电路，用于完成时间的定时、计时功能。报警电路和状态显示电路使用的是简单的非门和与非门74LS04、74LS00组成的逻辑组合电路，分别控制蜂鸣器和发光二极管，来实现报警和状态显示。电机控制电路采用了3-8译码器74LS138和与非门电路的组合，实现电机正反暂停状态。实验通过电脑软件仿真和实物验证，具有良好的可行性，能够稍加修改后用于洗衣机控制电路中，能满足一般的要求。关键词 ：洗衣机控制 ；数字电子控制；定时器Abstracts：The design is based on the simple digital circuit timer of washing machine. The washing machine is to be positive negative and suspension by preset time, and expressed in different light to suspend three washing state. After the time run over, will automatically alarm, beeping. At the same time, with two digital tubes to display the preset time and washing time remaining.Circuit consists of display circuit, pulse generator and timing circuits, alarm circuit and washing machine positive negative state control circuit. Display circuit is two units of digital pipe, use of catholic erection CD4511 pieces as digital tube decoding chips. Second pulse generator adopted widely used mature 555 timing, as the signal, the clock signal chip. Timing circuits using four decimal reversible counter 74ls192 chip design, respectively for the decimal system and six for completion time of the circuit, timing, and timer function. Alarm circuit and status display circuit is simple logic cross-coupled nand gates and 74ls04 74ls00, consisting of logic circuit, control and light-emitting diodes, buzzer to realize alarm and status display. The motor control circuit used 3-8 74ls138 decoder cross-coupled nand gates and combination of circuit, motor and suspended state.Computer software simulation and experiment through physical test, has the good feasibility, a washing machine, used for the control circuit of the general requirement can meet.Keywords: washing machine control, Digital electronic control, The timer目录1.前言12.总体方案设计22.1 方案比较22.11 设计要求分析与方案比较22.2 方案论证42.3 方案选择43.单元模块设计53.1电路参数的计算及元器件的选择53.11秒信号发生器选择53.12 分秒计数器选择53.13 显示电路53.15 状态显示电路63.16 洗衣机控制电路63.17 报警电路及延时电路63.2各单元模块功能介绍及电路设计73.21 秒信号发生器电路73.22 分秒计数器73.23 显示电路83.24 状态显示电路83.25 洗衣机控制电路93.26 报警电路93.3 特殊器件介绍103.31 555定时器103.32 74LS192 计数器113.33 CD4511译码器133.34 74LS138译码器133.4 各单元模块的联接143.41 工作原理143.42 总原理图153.43 元件清单164.软件设计164.1 设计所用工具164.2 设计流程164.3 工作流程175.系统功能及调试185.1 系统功能185.2 调试方法185.3 调试内容185.31 预设时间输入调试185.32 指示灯调试205.33 报警器调试216设计总结227.参考文献238.附录23西华大学课程设计说明书 1.前言现代社会人们的生活水平越来越高，洗衣机作为一种方便人们洗涤的设备进入了千家万户。洗衣机控制器的设计也变的越来越重要。随着大规模集成电路技术的发展，人们的日常生活越来越数字化和集成化，洗衣机控制器的发展也在不断的前进。根据设计内容和设计要求，本次课程设计用到了我们熟悉的555定时器，74LS192芯片,74LS138，CD4511芯片，数码管等电路器件。通过一些基本的电路元件（电阻、电容）和门电路（非门、或非门、与门、与非门）将各个电路器件连接起来，实现我们所要实现的功能。2.总体方案设计2.1 方案比较2.11 设计要求分析与方案比较1、 本设计要求完成洗衣机控制电路的设计，设计一个电子定时器，控制洗衣机作如下运转： 图2.1 洗衣机洗涤过程图（1）、定时启动正转20秒暂停10秒反转20秒暂停10秒定时未到回到“正转20秒暂停10秒”，定时到则停止；（2）、用两个数码管显示洗涤的预置时间（分钟数），按倒计时方式对洗涤过程作计时显示，直到时间到停机；（3）、三只LED灯表示“正转”、“反转”、“暂停”三个状态。通过以上要求，洗涤模式是以60秒钟作为循环。首先，从秒脉冲出来的信号，经过一个控制电路后进入秒计数器进行秒计数，进行清零，这时用户置入洗涤时间，并按开始按钮，洗衣机开始工作。当秒计数器变为零的时候，去分钟计数器上面借数；与此同时，从十秒位转化出来的信号进入移位寄存器后，LED灯表示出电机运转状态；当用户设定的洗涤时间结束后，电路报警并清零；同时电机指示灯熄灭。根据以上分析，设计电路基本框图如下：方案一：图2.2 方案一框图方案二 ：图2.3 方案二框图2.2 方案论证本定时器实际上包含两级定时的概念，一是总洗涤过程的定时，而是在总洗涤过程中又包含电机的正转、反转和暂停三种定时，并且这三种定时是反复循环直至所设定的总定时时间到位置。可输入总定时时间在099min以内。后用倒计时的方法每分钟减1直至时间变为0。在此期间，要控制电路实现正转、暂停、反转三个功能。实现定时的方法很多，比如采用555定时器构成谐振电路实现定时，又如将定时初值预置到计数器中，使计数器运行在减计数状态，当减到全零时，则定时时间到。方案二的电路原理框图就是采用这种方法实现的。由秒脉冲发生器产生的时钟信号经60分频后，得到分脉冲信号。洗涤定时的时间的初值先通过拨盘或数码开关设置到洗涤时间计数器中，每当分脉冲到来计数器减1，直至减到定时时间到为止。运行中间，剩余时间经译码后在数码管上进行显示。运行时间结束后，报警电路报警。2.3 方案选择因采用单稳电路实现定时，可以用555定时器来实现。555定时器集成度高、性能好，运用比较广泛。它的功耗低、输入阻抗高，并且比较容易实现设计。经比较后，采用第二种方案。3.单元模块设计3.1电路参数的计算及元器件的选择3.11秒信号发生器选择方案一：石英晶体振荡器此电路的震荡频率仅取决于石英晶体串联谐振频率fs，与电路中的R、C的只无关，所以此电路能够得到频率稳定性高的脉冲波形。但是它的频率不能调节，而且频带窄，不能用于宽频滤波，此电路非常适合秒脉冲发生器的设计，但是由于洗衣机电路对秒信号精度要求不高，因此不采用此方案。方案二：由555定时器构成多谐振荡器由于555定时器内部的比较器灵敏度比较高，输出驱动电流大，功能灵活，且采用差分电路形式，它的频率受电源电压和温度的影响很小，所以由555定时器构成多谐振荡器振荡频率稳定，不易受干扰。并且555定时器使用成熟，因此采用此方案。3.12 分秒计数器选择方案一：采用74LS190芯片实现74ls190为十进制可逆计数芯片，为异步置数，可以实现设计要求的置数和计数，但是用该芯片实现分钟置数设计比较复杂，不采用此方案。方案二：采用74LS192芯片实现74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能。置数比较简单，因此采用此方案。3.13 显示电路显示电路用单位的译码管和相适应的显示译码器构成，此处采用四个共阴极单位数码管和四块CD4511译码芯片组成，应用十分简单。3.15 状态显示电路采用三个不同颜色的数码管来显示不同的洗涤状态，通过74ls138作为译码器，来实现状态显示功能。洗衣机洗涤共三中状态，分别为暂停、正转、反转，用三种不同颜色的LED灯来表示，在三个状态中，40-60秒为正转、30-40秒为暂停、10-30秒为反转、0-10秒为暂停。分别用红绿黄来表示正转、反转和暂停三种状态。三个状态区的区分标志位为秒信号的十分位，当74LS192输出为0000-0001为暂停；当输出为0001-0011为反转；当输出为0011-0100为暂停；当输出为0011-0100为正转。有效区状态为三位，为了容易实现，此处采用74LS138译码器，进过译码后有八位，容易进行分区。3.16 洗衣机控制电路通过不同的门电路74LS00、74LS04进行组合，配合使用轻触按钮和单掷开关，控制电路实现清零、置数、开始、关闭等各种功能，实现预设的效果。洗衣机控制电路要完成功能有时间预置，定时报警，正反暂停状态控制，定时时间到后停止洗衣机运行。 因此使用三个按键，分别实现时间的分个位、分十位和开始工作功能。按键接到门电路的输入，经过上拉电阻，未按下时，是高电平状态，当按下时，为低电平，按键两边并联一个0.1uf的磁片电容消除尖脉冲。时间预置是通过按键经过一个非门，在接入二输入与非门电路的一个输入，另一个接与非门输入端接入秒脉冲信号，当按键按下时，门电路打开，秒信号能够进入74LS192的UP端进行计数。起到时间预置功能。状态的控制可以使用上面的状态LED灯的输入作为继电器的输入，当红灯亮时，信号同时到达继电器，是电机接正的5V电源，当绿灯亮的时候，信号到达另一个继电器，电机接到-5V,电机反转。当为黄灯的时候，亮电平都为低电平，继电器不工作，电机暂停。电路的启动与停止时本设计的独特点，当定时时间到了之后，高位74LS192的BO输出端会产生一个低电平信号，把这个信号送给RS触发器的R端，并把RS触发器的Q输出作为一个二输入与非门的输入端，另一个输入一个秒信号，与非门的输出接入到低位的74LS192的DOWN端作为信号输入。这时，RS触发器会置0，封锁了与非门，是秒信号不能进入74LS192，电路停止。同时，用一个按键来控制RS触发器的S端，在设置时间过程中，BO信号会消失，但是RS此时输入为1 1 ，为保持状态，即RS输出为低电平，电路仍然不能计时。当时设置好时间后，按下按键，RS置1，与非门打开，秒信号进去。3.17 报警电路及延时电路报警电路采用蜂鸣器，蜂鸣器的正极接到RS触发器的反相输出端,在到达定时的时间后，方向输出为高电平，蜂鸣器报警。但因蜂鸣器鸣叫时间太短，不能达到提示效果，所以必须联接一个延时电路。本设计用555定时器构成延时电路，延长报警时间，达到较好的报警效果。3.2各单元模块功能介绍及电路设计3.21 秒信号发生器电路由555定时器构成多谐振荡器：图3.2 555定时器构成多谐振荡器功能：产生频率稳定的振荡电流，振荡时间间隔为1s，可实现电路按秒计数的功能。3.22 分秒计数器74LS192构成分秒计数器：图3.3 74LS192构成分秒计数器功能：实现预设时间输入，清零端可对分计时器清零，在秒脉冲信号的作用下，可实现减计数功能，电路实现预定计时效果。3.23 显示电路CD4511与七段译码管构成显示电路：图3.4 CD4511与七段译码管构成显示电路功能：显示洗衣机工作时剩余及当前工作时间，前两个译码管显示分钟和后两个译码管显示秒钟。完成预置时间和工作时间的显示功能。3.24 状态显示电路图 3.5 与非门与78LS138显示电路功能：由78LS138芯片实现译码，把现实状态分为三个区，74LS00与非门电路与三个发光二极管构成，分别显示洗衣机正转、反转、暂停三个状态。三个指示灯，从依左到右次代表“正转”、“暂停”、“反转”。从60秒到40秒内第一个灯亮，从40到30秒内是第二个灯亮。在30到10秒内是第三个灯亮，然后剩下的十秒钟是第二个灯亮，如此完成第一个循环，刚好一分钟，之后的时间依次循环。3.25 洗衣机控制电路图3.6洗衣机控制电路功能：通过调节按钮可对预设洗涤时间进行调节。左边按钮为分钟十位调节，中间按键为分钟个位调节，右边按键为开始按钮，左上角单掷开关为清零复位开关。3.26 报警电路图3.7报警电路图功能：当用户预设洗涤时间运行完时报警，提示用户。3.3 特殊器件介绍3.31 555定时器555定时器是一种模拟与数字功能相结合的中规模集成器件，它的成本低，性能可靠，只需外接几个电阻、电容就可实现多谐振荡器。555引脚图和电路内部结构电路图如下图所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出极。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3。图3.8 555引脚图和电路内部结构电路图555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。由555定时器构成多谐振荡器电路及波形图：R1R2图3.9 555定时器构成多谐振荡器电路及波形图振荡电路中，接通电源后，电容C被充电，当Vc上升到2Vcc/3时，使V0为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容通过R2和T放电，VC下降。当VC下降到Vcc/3时，V0翻转为高电平。电容C的放电所需时间为tPL=R2C1n20.7R2C放电结束时，T截止，VCC将通过R1、R2向电容充电，VC由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为tpH = (R1+R2)C1n20.7(R1+R2)C当VC上升到2Vcc/3时，V0翻转为低电平。由此得到一个周期性的矩形波。改变电容R1、R2或C的值可以改变矩形波的周期和频率。本设计需要秒信号，则令 T=1s，C=10uf，可得R1=15k，R2 =68k为常用电阻值，可得到秒信号。3.32 74LS192 计数器引脚及功能表：图3.10 74LS192引脚图图中：为置数端，为加计数端，为减计数端，为清除端，为非同步进位输出端， 为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端， Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。表3.1 74LS192功能表输入输出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01000000dcbadcba011加计数011减计数计数器联接：图3.11 74LS192计数器联接图百进制分计数器和六十秒计数器的原理一样，只是它们的输入脉冲和进制不同，本设计用四片74LS192来实现分计数和秒计数功能，因只要减计数，所以把芯片的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B、C端接到高电平上，即从输入端置入0110（十进制的6），秒十位的LD端和借位端BO联在一起，再把秒位的BO端和十秒位的DOWN联在一起。当秒脉冲从秒位的DOWN端输入的时候秒计数的192开始从9减到0；这时，它的借位端BO 会发出一个低电平到秒十位的输入端DOWN，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BO发出一个低电平信号，DOWN为零时，置数端LD等于零，秒十位完成并行置数，下一个DOWN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，同样的道理。当秒计数完成了，分可以自动减少，需要把秒十位的借位端BO端接到分计数的DOWN端作为分计数的输入信号来实现秒从分计数上的借位。其中的清零端CR要处于低电平，置数端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100分钟的计时器。把四个192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LD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。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09的数字输入，完成置数。3.33 CD4511译码器图3.12 CD4511译码器引脚图各引脚功能如下： BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于消隐状态。LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。A、B、C、D为8421BCD码输入端。QA、QB、QC、QD、QE、QF、QG：为译码输出端，输出为高电平1有效。3.34 74LS138译码器74LS138译码器引脚图、内部结构及功能表：图3.13 74LS138译码器引脚图、内部结构图表3.2 74LS138译码器功能表74LS138作为译码电路，G1接高电平，G2接低电平。ABC译码器输入端分别接到74LS192的低三位。Y0Y7作为输出，低电平有效则通过门电路，将Y4和Y5与非后作为红灯输入，表示正转状态。Y0和Y3与非后作为黄灯输入，表示暂停状态。Y1和Y2与非后作为绿灯输入，表示反转状态。3.4 各单元模块的联接3.41 工作原理首先，从秒脉冲出来的信号，经过一个控制电路后进入秒计数器进行秒计数，进行清零，这时用户置入洗涤时间，并按开始按钮，洗衣机开始工作。当秒计数器变为零的时候，去分钟计数器上面借数；与此同时，从十秒位转化出来的信号进入移位寄存器后，LED灯表示出电机运转状态；当用户设定的洗涤时间结束后，电路报警并清零；同时电机指示灯熄灭。3.42 总原理图图3.14 总原理图3.43 元件清单表3.3 元件清单表型号主要参数数量555 定时器定时器三个一位七段译码管共阴极四个CD4511显示译码器BCD显示译码四个74LS192双时钟可逆计数器四个74LS04与门三个74LS00与非门九个轻触按键轻触三个瓷片电容100nf 0.02u 0.01五个极性电容10uf两个电阻15k 68k 470 10k 100k十个发光二极管红黄绿橙三个蜂鸣器有源蜂鸣器一个74HC4002 四输入或非门四个74LS21四输入与门一个74LS1383-8译码器一个4.软件设计4.1 设计所用工具操作系统：window 7 软件：proteus ISIS4.2 设计流程图4.1设计流程图4.3 工作流程图4.2 工作流程图5.系统功能及调试5.1 系统功能本设计是一个电子定时器，控制洗衣机作如下运转：定时启动正转20秒暂停10秒反转20秒暂停10秒定时未到回到“正转20秒暂停10秒”，定时到则停止；两个数码管可以显示洗涤的预置时间（分钟数），按倒计时方式对洗涤过程作计时显示，直到时间到停机；三只LED灯表示“正转”、“反转”、“暂停”三个状态；时间停止以后蜂鸣器报警，提示用户。5.2 调试方法电子电路调试方法有两种：分块调试法和整体调试法。通过对电路进行仿真，本课程设计采用整体调试法。5.3 调试内容5.31 预设时间输入调试开始状态：图5.1开关闭合：图5.2开关断开：图5.3分钟数十位置数：图5.4分钟数个位置数：图5.55.32 指示灯调试40-60秒为正转（红灯亮）：图5.630-40秒为暂停（黄灯亮）：图5.710-30秒为反转（绿灯亮）：图5. 80-10秒为暂停（黄灯亮）：图5.95.33 报警器调试显示时间为零时（清零时），报警器报警，一旦时间变化，报警声就停止。6设