家用电风扇控制逻辑电路设计最强悍最完整版

1、.综合性实验设计报告 课程名称 数字逻辑实验 题目名称 家用电风扇控制逻辑电路设计班 级 20100612 学 号 2009061213 学生姓名 宿叶露 同组班级 20100612 同组学号 2010061218 同组姓名 李少华 指导教师 武俊鹏、孟昭林、刘书勇、赵国冬2012年 06 月 摘 要现在各个家庭使用的电风扇大多的是采用电子控制线路作为控制器，取代了过去的机械控制器，本文将比较全面的设计出家用电风扇的控制电路，它包括家用电风扇的风速、风种和定时几种状态的控制。在加大电风扇的使用功能的同时，我们也对电风扇的实用性做了多方面的考虑，最终在系统中加入了按键反馈功能，这样在电风扇开机状

2、态下，对于每一次有效地按键动作都会做出相应的反应。实际实验过程中，我们成功的将一个5v直流小电扇改装成了一个具有定时，风速，风种三种状态，并具有按键反馈功能的家用多功能电风扇。本文将系统的分析每一功能的实现过程，通过基本逻辑设计，仅从电路硬件出发，用数字逻辑电路来完成设计。最终设计出一个完整的家用电风扇控制电路。关键词：电子控制；多功能 ；状态锁存 ；定时电路 ；按键反馈；目 录1 需求分析- 1 -1.1 基本功能需求分析- 1 -1.2 扩展功能需求分析- 1 -1.3 系统设计概述- 2 -2 系统设计- 5 -2.1 系统逻辑结构设计- 5 -2.1.1 风速状态锁存的设计- 5 -2

3、.1.2 风种状态锁存器设计- 8 -2.1.3 时间状态锁存器的设计- 11 -2.1.4 触发脉冲形成电路- 14 -2.1.5 风速、定时电路的脉冲电路- 17 -2.1.6 风种模式的实现- 17 -2.1.7 定时功能的实现- 21 -2.1.8 定时控制电路的实现- 22 -2.1.9 电风扇控制端的设计- 23 -2.1.10 按键反馈电路的设计- 24 -2.1.11 试验中电动机的接入方式- 25 -2.2 系统物理结构设计- 26 -2.2.1 耗材报表- 26 -2.2.2 家用电风扇的初步设计- 27 -3 系统实现- 28 -3.1 系统实现过程- 28 -3.2 系

4、统测试- 28 -3.3 系统最终电路图- 29 -3.4 系统团队介绍- 30 -4 总结- 32 -参考文献- 34 -1 需求分析1.1 基本功能需求分析课程要求家用电风扇控制电路可实现“风速”，“风种”和“停机”三个由不同按键控制的功能。传统的电风扇采用机械控制的方式控制其转动方式，但随着电子技术和控制技术的发展，通过电子控制可实现家用电风扇更加快捷方便的控制，同时也有助于电风扇的多功能化。随着社会的发展，单一转速，单一风种的电风扇已经不能满足各类用户的需求，这就要求要出现一种功能更全，操作更方便的电风扇来取代以前的老式机电风扇，本设计从电路硬件出发，用数字逻辑电路来完成设计，最终实现

5、电风扇多风速、多风种的功能控制。 最终我们可实现风速模式为“弱”“中”“强”，风种可选择“正常”“自然”“睡眠”的家用电风扇基本功能控制电路。1.2 扩展功能需求分析从电风扇的实用性，方便使用等方面考虑，具备上节提到的基本功能后的电风扇，仍然难以满足客户的需求。在实际设计中，我们扩展了定时功能，以及按键反馈功能，既扩大了电风扇的使用功能，又使具备上述功能的电风扇更加方便使用。定时功能：实际生活中，很多情况下都要对电风扇进行定时设置，比如在炎热的夏季，晚上睡觉时可能会觉得闷热需要开风扇，但是如果一晚上都开着风扇可能会吹感冒，也浪费电力资源，在这类情况下，实现定时就显得尤为重要了，并且，实现多时段

6、的定时功能也是很重要的。按键反馈：一个高品质的系统，对输入它的控制信号需要进行提示响应，因为有很多信号输入后在短时间内很难表现出来，或者当一些状态指示灯损坏后，按动一次按键是否输入了信号是很难判断的，所以需要对有效地脉冲，控制信号进行提示与响应，即按键反馈。多种方式的按键反馈功能可以使用户更加方便的使用电风扇，同时也可满足特殊用户群体的需求。综上，我们最终将实现拓展功能定时和按键反馈。定时分为“不定时”“1小时”“2小时”“4小时”四个状态，按键反馈分为指示灯反馈，蜂鸣器反馈两种方式。1.3 系统设计概述最后，我们将设计出一个具备“风速”“风种”“定时”三种工作状态，总共可组合出36种不同的工

7、作方式，且具备按键反馈功能的家用电风扇控制逻辑电路。由此设计出的电风扇控制面板如图1.1所示：图1.1 电风扇操作面板示意图面板上有九个指示灯，分别指示三种风速：弱风、中风、强风；指示风种的三种形式：正常、自然、睡眠；指示预定电风扇运转的三种时间：1小时、2小时、4小时。面板上还有四个按键开关“风速”“风种”“定时”“停机”，分别控制电风扇的风速、风种、定时和停止。风速的弱、中、强对应电扇的运转速度慢、中、快。风种在“正常”位置是指电扇连续运转；在“自然”位置假设电扇以运转4秒，间断4秒的方式工作，表示电扇模拟产生自然风；在“睡眠”位置，电扇运转8秒，间断8秒，产生轻柔的微风。电风扇风速与风种

8、之间的状态转换图如图1.2所示。电扇处于停止运转状态时，所有指示灯不亮。此时只有按“风速”键k1，电扇才会启动运转，其初始工作状态为“风速”处于“弱”档，“风种”处于“正常”位置，且相应的指示灯亮。定时器处于非定时状态，即电扇处于长时间连续运转状态。电风扇一经启动后，按动“风种”键可循环选择正常、自然、睡眠三种状态的某一种状态。按动“定时”键可循环选择非定时或1小时、2小时、4小时的任何一种定时状态。图1.2 电扇操作状态转换图在电风扇任意工作状态下，按“停机”键，电风扇停止工作，所有的指示灯均熄灭。最后，在系统开机状态下，即“停机”开关处于连通状态下时，对于每一次的按键操作，按键指示灯沙亮一

9、次，蜂鸣器响一次，实现按键反馈。2 系统设计2.1 系统逻辑结构设计本设计中，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。2.1.1 风速状态锁存的设计“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

10、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：（1）、状态图见图2.1所示：图2.1 “风速”状态转换图（2） 、由图2.1所示的“风速”状态转换图可得如表2.1所示的风速转换状态真值表：表2.1 风速转换状态真值表q2n q1nq0nq2n+1 q1n+1q0n+1功能000001停止弱001010弱中010100中强011未用100001强弱101未用110未用111未用（3） 、根据表2.1可得到qn+1的次态卡诺图如图2.2所示q2n+1q1n+1q0n+1 q1nq0n q2n 0 0 0 1 1 1 1 0 001010100001 0 1

11、图2.2 qn+1的次态卡诺图由图2.2求出qn+1表达式如（2.1式） q0n+1=q1nq0n 次态方程 q1n+1=q0n （2.1） q2n+1=q1n （4） 、驱动方程若选用d触发器来实现电路，则其驱动方程见（2.2式）： d0=q1nq0n d1=q0n (2.2) d2=q1n（5） 、用d触发器实现风速状态锁存器的原理性逻辑图如图2.3所示，电路采用同步时钟cp控制。图2.3 风速状态锁存器原理电路2.1.2 风种状态锁存器设计“风种”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

12、出全为0，则表示停止状态。由此，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功能。风种状态锁存器设计步骤与2.1.1一致：1）、状态图见图2.4所示：图2.4 “风种”状态转换图（6） 、由图2.4所示的“风种”状态转换图可得如表2.2所示的风种转换状态真值表：表2.2 风速转换状态真值表q2n q1nq0nq2n+1 q1n+1q0n+1功能000001停止正常001010正常自然010100自然睡眠011未用100001睡眠正常101未用110未用111未用（7） 、根据表2.2可得到qn+1的次态卡诺图如图2.5所示q2n+1q1n+1q0n+1 q1n

13、q0n q2n 0 0 0 1 1 1 1 0 001010100001 0 1 图2.5 qn+1的次态卡诺图由图2.5求出qn+1表达式如（2.3式） q0n+1=q1nq0n 次态方程 q1n+1=q0n （2.3） q2n+1=q1n （8） 、驱动方程若选用d触发器来实现电路，则其驱动方程见（2.4式）： d0=q1nq0n d1=q0n (2.4) d2=q1n（9） 、用d触发器实现风种状态锁存器的原理性逻辑图如图2.6所示，电路采用同步时钟cp控制。图2.6 风种状态锁存器原理电路2.1.3 时间状态锁存器的设计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

14、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。（1） 、定时器状态转换图如图2.7所示：2小时0101小时001非定时0004小时100 图2.7 定时器的状态转换图（2） 、由图2.7可得时间锁存器的状态转换真值表如表2.3所示：表2.3 时间锁存器的状态转换真值表q2n q1nq0nq2n+1 q1n+1q0n+1定时0000011小时0010102小时0101004小时011未用100000非定时101未

15、用110未用111未用（3） 、根据表2.3可得到qn+1的次态卡诺图如图2.8所示q2n+1q1n+1q0n+1 q1nq0n q2n 0 0 0 1 1 1 1 0 001010100000 0 1 图2.8 qn+1的次态卡诺图（4） 、由图2.8求出qn+1表达式如（2.5式） q2n+1= q1n q1n+1= q0n （2.5） q0n+1= q2n q1n q0n（5） 、驱动方程若选用d触发器来实现电路，则其驱动方程见（2.6式）： d2= q1n d1= q0n （2.6） d0= q2n q1n q0n（6） 、用d触发器实现风种状态锁存器的原理性逻辑图如图2.9所示，电路

16、采用同步时钟cp控制。 图2.9 定时状态锁存器原理电路2.1.4 触发脉冲形成电路前述三部分锁存电路的输出信号状态的变化依赖于各自的触发脉冲。设k按下为“1”，不按为“0”。在“风速”状态的锁存电路中，可以利用“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”状态的锁存电路中，可以利用“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，c

17、p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2.4：表2.4 cp信号状态真值表k2k1 stcp00000010010101101000101111011111由此可以得出：cp=k1st+k2st （2.7）在电路中，只有“风速”按键k1才能控制st的变化，表2.5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2.5 t信号状态真值表强（q2）中（q1）弱（q0）st000000110101011未用1001101未用110未用1111上表可知，当q2、q1

18、、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： st=q0+q1+q2 （2.8) 将2.8式代入2.7式，最终得到“风种”状态锁存器的触发脉冲cp的逻辑表达式： cp=k1q0q1q2+k2q0q1q2 （2.9)下面，我们根据（2.9）式绘出cp脉冲电路见图2.10： 图2.10 cp脉冲电路图2.11为cp的波形图：st k1k2cp 图2.11 cp的波形图2.1.5 风速、定时电路的脉冲电路除风种状态电路的脉冲是靠k1，k2合成外，风速，定时部分均由

19、单脉冲直接提供。2.1.6 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”“睡眠”三种风种，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，在“睡眠”状态下，电风扇转8s停8s。脉冲信号输出的实现过程如图2.12所示：图2.12 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，它的脉冲周期计算（2.10式）： （2.10）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。将这个脉冲信号二分频后便可以实现一个周期为16s的脉冲信号，这样就可以实现“睡眠”状态了，二分频的示意图如图

20、2.13所示：图2.13 二分频实现睡眠状态脉冲图2.14所示为“风种”三种工作方式波形图： 正常1 自然 t=8s 睡眠 t=16s图2.14 风种”三种工作方式波形这样，我们就已经具备了实现了风种状态转换的三种脉冲信号，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。由于风种状态有三个，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。八选一数据选择器的真值表如表.所示：表.八选一数据选择器的真值表d0d0d1d1d2 d2 d3d3d4d4d5 d5 d6d6d7d7选择控制端（地址端）为a、b、c，按二进制译码，从8个输入数据d0d7中，选择一个需要的数据送到输

21、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（q0，1），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d0d7中某一个通道的数据输送到输出端q。如：cba000，则选择d0数据到输出端，即qd0。如：cba001，则选择d1数据到输出端,即qd1，其余类推。输出表达试： w= d0（）+d1（）+d2（）+d3（）+d4（）+d5（）+d6（）+d7（） （.）图2.15所示为八选一数据选择器选择输出风种脉冲的示意图：图2.15 风种脉冲的输出示意图至此，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，

22、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。2.1.7 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。在本设计中，我们应用555定时器构成三个单稳态触发器，分别使其输出1小时，2小时，4小时的时钟脉冲，将定时锁存器的输出作为它的输入脉冲，则可实现在不同的状态下输出不同时间段的定时脉冲。图2.16所示为一个555单稳态触发器构成的定时1小时的逻辑电路示意图：图2.16 555构成的单稳态触发器定时计算公式如下（2.12式） （2.12）代入图2.16中的数据，可求的输出时间大约为1小时

23、。同理，通过改变电阻以及电容的值，可设计出定时2小时，4小时的单稳态触发器，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。2.1.8 定时控制电路的实现时间状态锁存器在3.1.3节中已设计，已知q2=1表定时4小时；q1=1表定时2小时；q0=1表示1小时定时，分别用单稳态触发器输出的定时脉冲dw1、dw2、dw3实现，单稳态触发器输出脉冲dw1dw3与q0、q1、q2之真值表如表2.7，其中y为接电机的控制信号： 表2.7 dw1dw3与q0q2关系真值表 q2q1q0dw3dw2dw1y功能0001不定时00100111小

24、时01001012小时10010014小时由真值表得： y = q2 q1 q0 + q0dw1 + q1dw2 + q2dw3 （2.13） 则画出定时控制电路的原理电路如图2.17所示：图2.17 定时电路控制输出电路图2.1.9 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2.18所示：图2.18 电机控制端逻辑电路示意图2.

25、1.10 按键反馈电路的设计上面八节我们系统的设计了电风扇的实用功能，这里我们将对电风扇的按键反馈功能进行简要的设计，同样我们略去组合设计的过程。在系统中，用指示灯和蜂鸣器来充当反馈的外设，对于输出的信号，我们用三极管放大电路将蜂鸣器连入电路，最终完成如图2.19所示的按键反馈电路。图2.19 按键反馈电路2.1.11 试验中电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。电机驱动电路如图2.20所示：图2.20 电机驱动电路最终，我们完成了家用电风扇控制电路

26、逻辑的初步设计。2.2 系统物理结构设计2.2.1 耗材报表在本设计中，我们主要应用的芯片，器材等如表2.8所示：表2.8 耗材报表器材名称数量功能描述数字逻辑试验箱两台提供基本硬件5v直流小电扇一台充当电机74ls175四片四d触发器74ls151一片八选一数据选择器555timer四片定时基本门电路芯片若干提供基本门电路2.2.2 家用电风扇的初步设计家用电风扇的初步设计图如图2.21所示：图2.21 家用电风扇控制电路的初步设计逻辑物理连线图3 系统实现3.1 系统实现过程在我们选择了这个实验课题后，首先做的是相关资料的查询，我们在图书馆借阅了相关电子设计的书籍，并决定使用电子仿真软件初

27、期完成逻辑电路的设计，在确定了初步的逻辑电路图后，从实验室指导教师那里领取了我们所需的试验箱和相关芯片。在我们得到芯片和数字逻辑实验箱后，我们先对芯片、导线和实验箱进行了功能测试，测试结束是芯片、导线和实验箱各个部件都正常后，我们根据实验电路图连好电路，之后我们即对电路测试。在实现过程中，有些导线和实验箱的连接不牢固，发现之后，我们就换了根导线。有时系统功能很不稳定，我们在检查完每根导线后，又对导线进行了重新规划布局，最终系统各功能趋于稳定。3.2 系统测试 我们的测试方案包括理论测试和实物测试。理论测试是我们借助软件来分析电路，我们用的软件是ni multisim电子仿真软件，在理论上功能能

28、够顺利实现后，我们又进行了实物测试。实物测试包括指示灯测试和实物小风扇测试。在实验箱上实现各功能时，相应的led指示灯会亮，小风扇也会随着不同的功能而有不同的转动状态。实验测试结果表明该系统能实现以下功能：1）、用四个按键分别选择“风速”、“风种”、“定时”、“停止”四种操作功能。2）、用九个发光二极管分别指示“风速”和“风种”的六种状态以及三种定时状态。3）、电扇在停转状态时，只有按“风速”键才能启动电扇，按其余键无响应。4）、每按一次按键，都有指示灯亮和指示音响5）、在电扇开机状态下，可实现“风速”“风种”“定时”三种功能间的任意切换，但不影响电路工作。6）、按“停机”键，电风扇停止转动，各指示灯灭。3.3 系统最终电路图经过几天的理论设计以及最终的实验，我们得到了以下电路图，如图3.1所示：图3.1 家用电风扇控制电路的最终逻辑图较之最初的电路设计，在最终的设计图中，我们添加了按键反馈功能，并将电机控制端进行了完善，并采用电灯代替电扇的方法将电路在仿真平台上进行了调试，最终完美的实现了它所具有的功能。3.4 系统团队介绍在团队中，我主要负责的部分有：运用