1、武漢理工大學數字電子技術基礎課程設計說明書目錄1 簡易洗衣機控制電路的設計要求21.1設計目的21.2設計要求22簡易洗衣機控制電路總體方案的設計與實現22.1設計方案原理框圖22.2電路設計32.2.1電路設計思路32.2.2電路總體電路圖42.2.3仿真過程圖42.3各模塊電路功能分析62.3.1開發環境 PROTEUS 簡介62.3.2秒脈沖發生器62.3.3分秒計數器82.3.4洗滌時間設置電路102.3.5工作狀態顯示電路112.3.6控制開關132.3.7報警電路143簡易洗衣機控制電路安裝與調試144 簡易洗衣機控制電路工作分析15 4.1 陳述簡易洗衣機控制電路工作過程15 4

2、.2 簡易洗衣機控制電路設計結果分析155 心得體會166 參考文獻177本科生課程設計成績評定表181 簡易洗衣機控制電路的設計要求1.1設計目的1) 掌握數字電路中選擇器、計數器、譯碼顯示等單元電路的綜合應用。2) 熟悉洗衣機控制器的工作原理及相應的組合邏輯電路和時序電路。3) 掌握數字電路各部分電路與總體電路的設計、調試、模擬仿真、故障排除及安裝的方法1.2設計要求 洗衣機電機的工作順序： 啟動正轉20s暫停10s反轉20s暫停10s停止 設計一個定時器控制洗衣機電機的運轉， 用4個LED模擬洗衣機的動作狀態:LED1LED4右移循環點亮表示正轉，LED1LED4左移循環點亮表示反轉，L

3、ED1LED4同時閃爍點亮表示暫停，全滅為停止。 用數碼管顯示洗滌時間，按倒計時方式對洗滌過程作計時顯示，直到時間到停機，并發出音響信號報警。 洗滌時間在0-60分鐘內可由用戶任意設定，并設置啟動鍵，在預置定時時間后，按啟 動鍵開始機器運轉。 設置停止鍵，在洗滌過程中隨時按該鍵可終止動作，并使顯示器清0。2簡易洗衣機控制電路總體方案的設計與實現2.1設計方案原理框圖首先，控制開關 SW1 接地，洗衣機不轉動，這時用戶自定義洗滌時間，然后將控制開關 SW1 接高電平， 接通電源。 555 構成的多諧振蕩器產生的 1Hz555由脈沖信號經過一個控制電路后進入秒計數器進行秒計數。利用秒計數器十位上的

4、數值變換表示出電機運轉狀態，同時利用計數器和門電路設計出合適電路使 LED工作達到設計要求；當用戶設定的洗滌時間結束后，電路報警并清零；同時電機指示燈閃爍。 圖1 電路設計框圖2.2電路設計2.2.1電路設計思路對于洗衣機電機的工作順序：“啟動正轉20s暫停10s反轉20s暫停10s停止. ”設計一個定時器控制洗衣機電機的運轉,分析知道其一次運轉的周期有60s，且其呈現周期循環，我們可利用計數器的功能進行60s 的計數，即需要一個秒計數器，并利用洗衣機電機工作狀態轉換的時間來設置正轉、暫停、反轉。如此則需為計數器設置一合適脈沖，設計中的秒計數器所需脈沖必為1HZ 脈沖，因此我們可以考慮555定

5、時器，利用其構成多諧振蕩器產生矩形脈沖信號。而對于用數碼管顯示洗滌時間，按倒計時方式對洗滌過程作計時顯示，且洗滌時間在0-99分鐘內可由用戶任意設定，并設置啟動鍵，在預置定時時間后，按啟動鍵開始機器運轉，分析知道我們還需要設置一個分鐘計數器，可以利用秒計數器的借位端 BO 端接到分計數的 DOWN 端作為分計數的輸入信號來實現秒從分計數上的借位從而構成分計數器的工作脈沖。在要求中要求倒計時且有啟動開關，顯然我們需要遞減計數器，和利用開關控制計數器清零端 CR 的電平或555電源輸入以控制電路工作。對于用4個 LED 模擬洗衣機的動作狀態:LED1LED4右移循環點亮表示正轉， LED1 LED

6、4左移循環點亮表示反轉，LED1LED4同時閃爍點亮表示暫停， LED1LED4同時閃爍點亮并且蜂鳴器發出報警聲為停止，顯然可以利用移位寄存器來設計，但是由于本次設計未能成功利用移位寄存器仿真而轉換了思路，利用了譯碼器和邏輯門電路構成了正轉、暫停、反轉的三種不同狀態分別為01、00、11，同時利用這三種狀態設計出計數器與邏輯門電路設計了與之對應的 LED 工作狀態電路。對于設置洗滌時間，我們可以設置分鐘計數器來設置洗滌時間。2.2.2電路總體電路圖圖2 電路設計總圖2.2.3仿真過程圖 圖3 數碼管顯示 圖4 LED顯示2.3各模塊電路功能分析2.3.1開發環境 PROTEUS 簡介PROTE

7、US 軟件是由英國 LabCenter Electronics 公司開發的 EDA 工具軟件，由 ISIS 和 ARES 兩個軟件構成，其中 ISIS 是一款便捷的電子系統仿真平臺軟件， ARES 是一款高級的布線編輯器，它集成了高級原理布線圖、混合模式 SPICE 電路仿真、PCB 設計以及自動布線來實現一個完整的電子設計。通過 PROTEUS ISIS 軟件的 VSM（虛擬仿真技術），用戶可以對模擬電路、數字電路、模數混合電路，以及基于微控制器的系統連同所有外圍接口電子元器件一起仿真。在原理圖中，電路激勵源、虛擬儀器、圖表以及直接布置在線路上的探針一起出現在電路中。任何時候都能通過“運行”

8、按鈕或“空格”鍵對電路進行仿真。PROTEUS 有兩種截然不同的仿真方式：交互式仿真和基于圖表的仿真。其中交互式仿真可實時觀測電路的輸出，因此可用于檢驗設計的電路是否能正常工作。而基于圖表的仿真能夠在仿真過程中放大一些特別的部分，進行一些細節上的分析，因此基于圖表的仿真可用于研究電路的工作狀態和進行細節的測量。PROTEUS 軟件的模擬仿真直接兼容廠商的 SPICE 模型，采用了擴充的SPICE3F5 電路仿真模型，能夠記錄基于圖表的頻率特性、直流電的傳輸特性、參數的掃描、噪聲的分析、傅里葉分析等，具有超過 8000 種的電路仿真模型。PROTEUS 軟件的數字仿真支持 JDEC 文件的物理器

9、件仿真，有全系列的 TTL和 CMOS 數字電路仿真模型，同時一致性分析易于系統的自動測試。PROTEUS 軟件支持許多通用的微控制器，如 PIC、AVR、HC11 以及 8051；包含強大的調試工具，可對寄存器、存儲器實時監測；具有斷點調試功能及單步調試功能；具有對顯示器、按鈕、鍵盤等外設進行交互可視化仿真的功能。此外， PROTEUS 可對 IAR C-SPY、KEIL 等開發工具的源程序進行調試。此外， PROTEUS 中配置了各種虛擬儀器，在如示波器、邏輯分析儀、頻率計，便于測量和記錄仿真的波形、數據。2.3.2秒脈沖發生器由 555 定時器構成的多諧振蕩器產生秒脈沖由 555 定時器

10、構成的多諧振蕩器的電路圖如圖 5 所示，由于 555 定時器內部的比較器靈敏度高，輸出驅動電流大，功能靈活，而且采用差分電路形式，它的振蕩頻率受電源電壓和溫度的影響很小。所以由 555 定時器構成的多諧振蕩器的振蕩頻率穩定，不易受干擾。因此采用此方案。 圖 5 由 555 定時器構成的多諧振蕩器555 定時器構成的多諧振蕩器所輸出的矩形脈沖信號的頻率計算式為 f=1.43R1+2R2C2 （1） 故選定元件參數，R1=4.3K，R2=5.1K，C2=100uF，C1=10uF。其中電容 C1 的作用是抗干擾 圖 6 555 定時器的引腳2.3.3分秒計數器 圖 7 分秒計數器其中，74LS19

11、2 的引腳圖如圖 8 所示 圖8 74LS192 的引腳圖表9 74LS192 功能表: 一百進制分計數器和六十秒計數器的原理是一樣的，不同的只是它們的輸入脈沖和進制不同而已，我們用四片 74LS192 來實現分計數和秒計數功能，我們要的只是減計數，所以我們把它的 UP 端接到高電平上去，DOWN 端接到秒脈沖上；十分秒位上的輸入端 B、 端接到高電平上，C即從輸入端置入 0110（十進制的 6），秒十位的 LD 端和借位端 BO 聯在一起，再把秒位的 BO 端和十秒位的 DOWN 聯在一起。當秒脈沖從秒位的 DOWN 端輸入的時候秒計數的 192 開始從 9 減到 0；這時，它的借位端 BO

12、 會發出一個低電平到秒十位的輸入端 DOWN，秒十位的計數從 6變到 5，一直到變為 0；當高低位全為零的時候，秒十位的 BO 發出一個低電平信號，DOWN 為零時，置數端 LD 等于零，秒十位完成并行置數，下一個 DOWN 脈沖來到時，計數器進入下一個循環減計數工作中。對于分計數來說，道理也是一樣的，只是要求當秒計數完成了，分可以自動減少，需要把秒十位的借位端 BO 端接到分計數的 DOWN 端作為分計數的輸入信號來實現秒從分計數上的借位。當然，這些計數器工作，其中的清零端 CR 要處于低電平，置數端不置數時要處于高電平。這是一個獨立工作的最高可以顯示101 分鐘的計時器。把四個 192 的

13、 QA/QB/QC/QD 都接到外部的顯示電路上就可以看到時間的顯示了。作為洗衣機控制器的一個模塊，它還得有一定的接口來和其他的模塊連接在一起協調工作，分計數的清零端 LD 是接在一起的；秒的清零端LD 又是接在一起的，所以當要從外部把它們強制清零時，可以用一個三極管（NPN）或者兩個或門就可以實現該功能。還有我們可以利用分計數的 UP 端來進行外部置數，當把它們各接到一個低觸發（平時保持高電平，外部給一個力就輸入一個低電平）的脈沖上 就可以實現從 09 的數字輸入。2.3.4洗滌時間設置電路我們可以利用分計數的 UP 端來進行外部置數，當把它們各接到一個低觸發（平時保持高電平，外部給一個力就

14、輸入一個低電平）的脈沖上 就可以實現從09 的數字輸入。因此設計出洗滌時間設置電路如下圖 6，每次按動開關都將使洗滌時間的對應位（十位或者個位）增加 1，最大增加至 9，又由于所設置洗滌時間為 60 分內，故當我們對洗滌時間進行設置時，十位所置數小于 6。 圖10 洗滌時間設置電路2.3.5工作狀態顯示電路第一步：分析洗衣機的工作狀態，對于洗衣機電機的工作順序有“啟動正轉 20s暫停 10s反轉 20s暫停 10s停止. ”，我們可以將三種工作狀態假設為正轉，暫停，反轉依次設為 01,00,10。從而設計出合適電路如下圖11。 圖11 正反轉工作狀態電路第二步：分析實驗設計中要求用 4 個 L

15、ED 模擬洗衣機的動作狀態:LED1LED4右移循環點亮表示正轉，LED1 LED4 左移循環點亮表示反轉，LED1LED4 同時閃爍點亮表示暫停，全滅為停止，顯然可以利用移位寄存器來設計，但是由于本次設計未能成功利用移位寄存器仿真而轉換了思路，選擇了利用正轉、暫停、反轉的三種不同狀態分別為 01、00、10，以 1 表示工作以 0 表示暫停從而分次序的完成設計。首先，考慮到 LED 的連續循環點亮，可以想到控制 LED 一端電平的連續循環變化達到要求，又由于有 4 個 LED,我們采用 4 進制計數器即可產生循環變化的 4個數，這樣我們可以利用譯碼器從而在 4 個輸出端得到依次變化的低電平，

16、如此，我們可以將 LED 另一端接高電平，從而實現循環點亮。其次，考慮到存在正轉和反轉兩種不同狀態，我們需要改變譯碼器輸入端的數字變化次序，如此分析四個數字變化規律，以及利用正反轉表示狀態的不同來設計出合適門電路。在此次設計中，我們采用 74ls192 構成一個 4 進制減數計數器，同時利用正反停指示器 1 在正轉時電平為 0，反轉時電平為 1 來構成合適門電路。簡略列出真值表如下表 12:表12 真值表于是我們可以發現我們可以利用異或門電路來完成這一構想，從而實現出正轉與反轉兩種狀態下 LED 不同的循環狀態。最后，剩下的就是暫停狀態的顯示了。先區分出暫停與工作狀態的不同，利用上面設置的工作

17、狀態表示，我們可容易得到工作以 1 表示，暫停以 0 表示。如此可利用這兩種電平控制譯碼器的工作，容易得到工作時狀態如上步分析，暫停時燈全部熄滅。為使其能閃爍，我們可以考慮利用脈沖信號，工作狀態的表示與門電路來設計。綜合上述分析，我們可以設計出 LED 控制電路如下圖 13.圖13 LED 控制電路2.3.6控制開關利用借位端由 1 變為 0，作為 D觸發器下降沿的脈沖，然后利用相應的門電路來控制計數器的清零端 MR 和 DN 端，從而達到控制計數器的要求。為達到使計數器清零效果，利用復位開關人為的制造下降沿脈沖來控制D觸發器的工作。利用工作開關控制多諧振蕩器的電源輸入，從而控制脈沖的產生，實

18、現控制電路的目的。設計中為盡量利用資源，以 LED 作為了洗衣機停止的報警系統，停止時顯示屏均為 0 且 LED 閃爍，此時可控制開關切斷電源。 圖14 控制開關電路2.3.7報警電路當數碼管顯示的時間變為“零”的時候，報警電路會驅動蜂鳴器發出聲音報警。當計數器進行減計數到零后，74LS290 芯片的四個輸出端都為低電平，于是我們采用四輸入與非門講低電平轉化為高電平。圖15 報警電路3簡易洗衣機控制電路安裝與調試調試與設計是不同的兩個過程，調試比設計難得多。在整個系統的調試過程中，調試要注意模塊化，要從最底層開始，逐級通過后才能進行下一步的工作按照設計電路圖連接實物元器件，連接完成后測試電路，

19、發現并解決了下列問題：1在第一次把譯碼顯示電路的連出來的時候，出現了分秒計數器中一個LED無法顯示的狀況。初步以為是電路圖的問題，可是經過電路仿真發現電路圖并沒有問題；之后將74LS48譯碼器的D、C、B、A四個輸入端分別接四個高低邏輯電平，測試發現LED數碼管可以顯示相對應的十進制數字，排除74LS48譯碼器壞損；最后測試了所有的接地和電源，發現是由于74LS192芯片未接入電源，連接電源后，LED數碼顯示管正常工作。2在調試報警裝置的時候，出現了報警器無法報警的問題。通過檢查所有芯片的連接，發現反饋線連接錯誤，之后改動反饋線解決了此問題。3連接好所有模塊后，進行整體調試時又出現了計數器無法正常置零復位的狀況。通過檢查電路連接情況，發現有些地方接觸不好，最后將所有接觸有問題的地方重新連接，并且重新檢查多次后進行檢測調試，最終才實現了理想的結果。4 簡易洗衣機控制電路工作分析 4.1 陳述簡易洗衣機控制電路工作過程信號經過一個控制電路后進入分秒計數器進行分秒計數，首先進行開機清零，用戶利用“”“”按鈕以