doudin家用电风扇控制逻辑电路设计

1、 四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计（论 文）题 目：家用电风扇控制逻辑电路设计系 别：电子与信息工程系专业班级：电子2班学生姓名：黄雪普指导教师：（校内）伍乾永教 研 室：电子教研室提交时间：2006年6月8日摘 要本文比较全面的设计出了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。把家用电风扇控制方便、简单化，使人们在使用过程中能更好的对电风扇操作。关键词：状态锁存；方式控制；触发脉冲；定时电路ABSTRACT The article designs the control circuit of the home electric fan more compr

2、ehensivly,control of several kinds of states that it includes the wind speed,wind kind and timing of the home electric fan. It is convenient and making simple to control the home electric fan. Enable people to operate the home electric fan better in the course of using.KEY WORDS: The state latching

3、; Logic control ；Trigger pulse; Timing circuit目 录摘 要1ABSTRACT.2第1章 引 言.4第2章 系统的基本要求和原理5第3章 单元电路设计.73.1状态锁存器7风速状态锁存的设计7风种状态锁存器设计 11时间状态储存器的设计.143.2触发脉冲形成电路173.3方式控制电路20“风种”方式控制电路.20 定时控制电路22第4章 整机电路24第5章 结束语25致 谢26参考文献27 第1章 引 言 在社会高度文明的今天，家用电风扇的使用变得极为普通平常。但是随着近年来，人们生活水平的提高，对家用电风扇的质量要求也越来越高。以前单一的只能控制

4、风速和定时的电风扇已经不能够满足人们的需求，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。而近几年电子技术的迅猛发展，也为实现这一目标提供了各方面的资源。目前市场上流行的最先进的是微处理器控制。但本设计仅从电路硬件出发，用数字逻辑电路来完成设计。它较之以前的电扇有可靠性高，反映速度快的优点。 本设计在原来电风扇的基础上，增加了自动控制风速和风种，并对其控制功能进行了新的设计，使其操作更为方便，从而普遍满足人们的需要。在本设计中，我们主要通过从数字电路中学习到的知识，对其各部分（风速控制、风种控制等）电路进行数字逻辑设计，然后进行电路组装，形成一个完整的电风扇的控制电路

5、。 该设计知识主要来源于所学习的课本，并通过从图书馆，网上查找资料来完成此设计。 第2章 系统的基本要求和原理 以前的台式电风扇和落地式电风扇都是采用机电控制，主要控制风速和风向。然而随着电子技术的迅速发展，要求要用电子控制线路来取代以前的机械控制电路，使电风扇的功能更强，操作也更为简便。控制面板如图2.1.1所示： 弱 中 强 正常 自然 睡眠 1 2 3风速K1风种K2停止K4定时K3 图2.1.1 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、中、强；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K1、

6、K2、K3、K4，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。各种操作之间的转换关系（即状态转换图）如图2.1.2所示： K1 弱 中 强 K1 K1 K4 K4 K4 停止 K1 K2 K4 K4正常睡眠自然 K2 K2 K2 图2.1.2 家用电风扇的操作转换图本设计要求实现以下功能： 1、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

7、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。 2、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。 3、在电风扇任意工作状态下，按“停止”键，电风扇停止工作，所有的指示灯均熄灭。 4、用四个键K1、K2、K3和K4分别表示“风速”、“风种”、“定时”、“停止”四种操作功能。 5、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。 第三章 单元电路设计3.1 状态锁存器的设计 本设计总体包括

8、三种状态，即“风速”、“风种”和“定时”，每种状态均需要相应的锁存器来保存其状态变化。 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3.1.1： 图3.1.1 “风速”状态转换图（2）、状态表： Q2n Q1n Q0n Q2n+1 Q1n+1 Q0n+1 功能 0 0 0 0 0 1 停止

9、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 × × × 未 用 1 1 1 × × × 未 用 (3)、求Qn+1的表达式如图所示： Q1nQ0n Q2n 00 01 11 10001010×100001××× 0 1 图 次态卡诺图 Q2n+1Q1n+1Q0n+1由图求出Qn+1表达式如（3.1.1式）

10、Q0n+1=Q1nQ0n次态方程 Q1n+1=Q0n （）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（式）： D0=Q1nQ0n D1=Q0n （） 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3.1.3所示，电路采用同步时钟CP控制。 图3.1.3 风速状态锁存器原理电路 在“风速”的三种选择方式中，在“弱”位置时，风扇为连续运行方式，在“中”和“强”位置时，为间断运行方式。因此，“风速”状态锁存器可以用一片4D触发器74LS175构成，每片中的三只D触发器的输出端分别与三个状态指示灯相连。每片74LS175的清零端（R）均与停止键（K4

11、）相连，利用K4按下时产生的低电平信号将所有触发器清零，从而使电扇停转。 图3.1.4即为74LS175的引脚排列 VCC 4Q 4Q 4D 3D 3Q 3Q CP 74LS175 1 2 3 4 5 6 7 14 13 12 11 10 8 9 15 16 RD 1Q 1Q 1D 2D 2Q 2Q GND (图3.1.4)74LS174四D触发器引脚排列74LS175四D触发器功能表如表3.1.1所示：表 四D触发器74LS175功能表 输 入 输 出RD CP D Q Q 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 QD Q0 风速状态锁存器的实用电路如图： 图 风速状态锁存器实用

12、电路到此，“风速状态锁存”设计完成。 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一致：（1）、状态转换图如图： 图 风种简化操作状态转换图（2）、状态表： Q2n Q1n Q0n Q2n+1 Q1n+1 Q0n+1 备注 0 0 0 0 0 1 起始为“正常”0 0 1 0 1 0 自 然0 1 0 1 0 0 自然睡眠0 1 1

13、× × × 未 用1 0 0 0 0 1 睡眠正常1 0 1 × × × 未 用1 1 0 × × × 未 用1 1 1 × × × 未 用 正常连续转动要求 自然4秒转停交替 睡眠8秒转停交替（3）、用卡诺图求Q2n+1 Q1n+1 Q0n+1 表达式： Q1nQ0n Q2n 00 01 11 10 001 010 × 100 001 × × × 01 Q0n+1=Q1nQ0n 次态方程 Q1n+1=Q0n （） Q2n+1=Q1n(

14、4)、驱动方程： D0=Q1nQ0n D1=Q0n （） D2=Q1n(5)、用D触发器实现风种状态锁存器的原理性逻辑图如图：& 图 风种状态锁存原理电路在“风种“的三种选择方式中，在“正常”位置时，风扇为连续运转方式，在“自然”和“睡眠”位置时，为间断运转方式。由此，“风种”状态锁存电路用一片4D触发器74LS175构成，每片中的三只D触发器的输出端分别与三个状态指示灯相连。每片74LS175的清零端（R）均与停止键（K4）相连，利用K4按下时产生的低电平信号将所有触发器清零，从而使电扇停转。间断工作时，电路中用了一个8秒周期的时钟信号作为“自然”方式的间断控制；二分频后再作为“睡眠

15、”方式的输入。四D触发器74LS175已在上面介绍过引脚排列和功能表。风种状态锁存原理图如图所示：图 风种状态锁存原理图 时间状态储存器的设计 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小时0101小时001非定时0004小时100 图 定时器的操作转换图（2）、时间锁存器状态表如下： Q2n Q1n Q0n

16、Q2n+1 Q1n+1 Q0n+1 定时时间0 0 0 0 0 1 1小时0 0 1 0 1 0 2小时0 1 0 1 0 0 4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（3）、卡诺图如下： 001 010 × 100 000 × × × Q1nQ0n 00 01 11 10 Q2n 0 1（4）、他的次态方程为： Q2n+1= Q

17、1n Q1n+1= Q0n （） Q0n+1= Q2n Q1n Q0n （5）、时间状态锁存器如图： 图 时间状态锁存器 定时器的状态锁存电路用一块四D触发器74LS175构成，其中三只触发器的输出端Q0、Q1、Q2通过控制与门U6、U7、U8，分别分别选单稳态触发器（74LS123）DW1、DW2、DW3产生的1小时、2小时、4小时的定时信号。当Q0、Q1、Q2全为零时，或非门U5个或，门U9输出高电平，使电机处于非定时运行状态。而仅当Q0输出高电平时，利用其上升沿信号触发单稳DW1进入暂稳态，并通过与门U6、或门U9输出，控制电机进入1小时的运行状态。同样，仅当Q1或Q2输出高电平后，将选

18、通2小时或4小时的定时信号。定时器工作波形图如图： Q0 DW1 1小时 Q1 DW2 2小时 Q2 DW3 4小时 图3.1.11 定时器工作波形图从图可以看出，每种定时的时间到达后，电机都会自动停转。以上P6P15即为三种状态锁存器的设计。3.2 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

19、”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，CP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3.2.2： K2 K1 ST CP 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 表3.2.2 CP信号状态真值表由此可以得出： CP=K1ST+K2ST （） 在上面的

20、式子中，K1为风速键的状态开关，K2为风种键的状态开关。表3.2.3 ST信号状态真值表 强（Q2） 中（Q1） 弱（Q0） ST 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 未用 1 0 1 未用 1 1 0 未用 1 1 1 未用 表3.2.2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，当Q2、Q1、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 （) 将式代入3.1.1式，最终得到

21、“风种”状态锁存器的触发脉冲CP的逻辑表达式： CP=K1Q0Q1Q2+K2Q0Q1Q2 （) 前面已经介绍过，当“风种”间断工作时，电路中用了一个8秒周期的时钟信号作为“自然”方式的间断控制“二分频后再作为”睡眠“方式的控制输入。 键K1按动后形成的脉冲信号作为“风速”状态锁存电路的触发信号。 键K1、K2及部分门电路74LS00、74LS08构成了“风种”状态锁存电路的触发信号CP。 下面，我们根据（）式绘出CP脉冲电路见图3.2.1： 图3.2.1 CP脉冲电路电扇停转时，ST=0，K1=0，故图3.2.1中与非门U2输出为高电平，U3输出也为高电平，因而U4输出的CP信号为低电平，当按

22、下K1键后，U2输出为低，使U4输出的CP信号变为高电平，并使D触发器翻转，“风种”处于正常。同时，由于K1键输出的上升沿，也使“风速”电路的触发器输出处于“弱”状态，电扇开始运转，ST=1。电扇运转后，U2输出始终为高电平，这样使“风种”状态锁存电路的触发信号CP与K2的状态相同。每次按下K2并释放后，CP信号上就会产生一个上升沿使“风种”状态发生变化。 图3.2.2为CP的波形图：ST K1K2CP 图3.2.2 CP的波形图3.3 方式控制电路 “风种”方式控制电路 在“风种”的三种选择方式中，在“正常”位置时，风扇为连续运行方式，在“自然”和“睡眠”位置时，为间断运行方式。采用8选1数

23、据选择器（如74LS151）来作为“风种”方式控制器，由74LS175的三个输出信号选种74LS151的一种方式。间断工作时，电路中用了一个8秒周期的时钟信号作为“自然”方式的间断控制；二分频后再作为“睡眠“方式的控制输入。一、74LS151介绍1、引脚排列（图）： （a ） 引脚排列 （ b ） 等效电路图3.3.1 74LS151引脚排列和等效电路2、 功能表： 表3.3.1 74LS151功能表G C B A Y W 1 × × × 0 10 0 0 0 D0 D00 0 0 1 D1 D10 0 1 0 D2 D20 0 1 1 D3 D30 1 0 0

24、D4 D40 1 0 1 D5 D50 1 1 0 D6 D60 1 1 1 D7 D7 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。3、 输出表达试： W= D0（）+D1（）+D2（）+D3（）+D4（）+D5（）

25、+D6（）+D7（） （）二、控制电路与指示灯的关系 设数据选择器的控制端与“风种”状态的关系为： C = Q2 对应 L4（睡眠） B = Q1 对应 L5（自然） A = Q0 对应 L7（正常）故74LS151的输出W中仅三项存在： W = D1（C B A）+ D2（C B A）+ D4（C B A）= Q2 Q1 Q0 D1 + Q2 Q1 Q0 D2 + Q2 Q1 Q0 D4 0 0 1 0 1 0 1 0 0 正常 自然 睡眠（）又因为设计要求“正常”时为连续运行，不受时间控制，“睡眠”运行的时间周期为T=16秒（即f=1/16,8秒信号的二分频）。“自然”运行的T=8秒（f=

26、1/8）.如图所示： 正常1 自然 T=8，f=1/8 睡眠 T=16,f=1/16 图 “风种”三种工作方式波形所以，令D1=1；D2=CP=1/8；D4=CP/=1/16其余令 D0=D3=D5=D6=D7=0 由此，得到图 所示的“风种”方式控制电路 图 “风种”控制方式电路 图中D触发器接触发器，即Qn+1 = ,实现对1/8HZ的二分频。、定时控制电路时间状态锁存器在节中已设计，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（74LS123）DW1、DW2、DW3实现，它们的工作波形已在图3-1-11中列出。单稳态触发器DW1DW3与Q0、

27、Q1、Q2之真值表如表3.3.2： 表 DW1DW3与Q0Q2关系真值表 （Y为控制电机运行信号） 由真值表得： Y = Q2 Q1 Q0 + Q0DW1 + Q1DW2 + Q2DW3 （3.3.3） 则画出定时控制电路的原理电路如图所示： 图 定时控制电路原理图第4章 整机电路整机电路如图4.1.1： 图4.1 .1整机电路第5章 结束语经过了两个多月的学习和工作，我终于完成了家用电风扇控制逻辑控制电路设计的论文。从开始接到设计题目到论文的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战，这也是我在大学期间独立完成的最大的项目。在这段时间里，我学到了很多知识也有很多感受，我开始了独立的学习和试验，

28、查看相关的资料和书籍，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，使自己非常稚嫩作品一步步完善起来，每一次改进都是我学习的收获，每一次试验的成功都会让我兴奋好一段时间。从中我也充分认识到了各种小设计给我们生活带来的乐趣，在属于自己的空间上，尽情发挥自己的情感思维，并且把自己的想法与他人分享。虽然我的论文不是很成熟，还有很多不足之处，但我可以自豪的说，这里面的每一部分设计，都有我的劳动。当看着自己的设计，自己成天相伴的系统能够正常的运行，真是莫大的幸福和欣慰。我相信其中的酸甜苦辣最终都会化为甜美的甘泉。这次做论文的经历也会使我终身受益，我感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破，那也就不叫论文了。希望这次的经历能让我在以后学习中激励